IEC 61850是什么？能源领域为什么需要IEC 61850？
发布时间：2023-12-14 作者：www.cechina.cn
本文图片来源：虹科
01 什么是IEC61850？
IEC 61850是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的一组国际标准，用于定义和规范电力系统自动化领域中的通信和数据模型。这一系列标准主要涉及电力系统中的设备和系统之间的通信协议、数据模型、配置和测试等方面。
具体来说，IEC 61850标准主要包括以下几个方面：
A. 通信协议：IEC 61850定义了一种基于以太网的通信协议，用于在电力系统的子站之间进行通信。这有助于实现设备之间的无缝集成，提高电力系统的可靠性和智能化水平。
B. 数据模型：IEC 61850标准定义了一个通用的数据模型，用于描述和表示电力系统中的各种设备和其状态信息。这种数据模型是基于对象和类的概念，使得设备之间可以更加灵活地交换信息。
C. 配置文件：标准规定了一种配置文件的格式，用于描述和配置电力系统中的设备。这有助于简化系统的配置和管理，同时提高设备之间的互操作性。
D. 测试规范：IEC 61850包括了关于测试和验证的规范，以确保符合该标准的设备能够正常工作并相互配合。
02 能源领域为什么需要61850？
IEC 61850标准的网络数字化开始在高压变电站的站总线级别部署。然而，为了更好地控制其运行而需要对电网的所有部分（发电厂、分布式能源、配电线路甚至消费者的电表）进行数字化，以及使用该标准在互操作性方面的好处，已经将IEC 61850标准的使用扩展到其他网段，例如变电站的过程总线。电流和电压值现已数字化，这导致采样值流在网络中的使用和传输。此类信息在网络不同位置的可用性不仅允许执行本地计算，还允许执行分布式计算，随着网络复杂性的增加，这一点变得非常重要。
随着IEC 61850-9-2 标准引入的采样测量值（SMV 或 SV）过程总线概念。该标准建议电流和电压互感器（CT、PT）输出和其他信号在源头进行数字化，然后使用基于以太网的局域网（LAN）传送到这些设备。
如今新型数字变电站使用SMV来控制、保护和自动化电网。采样值作为编码在多播以太网帧中的高速数据集样本流进行传输。该协议使用发布者/订阅者模型，其中发布者将未确认的数据传输给订阅者。例如，在IEC 61850-9-2 LE配置文件中，对于50Hz的电网频率，采样值以每秒 4000 帧的速率发布；对于60Hz 的电网频率，以每秒4800帧的速率发布采样值。此外，SV可以通过预测故障和未来事件来改善分布式能源 (DER) 供应的能源的质量控制，并优化这些工厂的性能和配电网络的弹性。
如今，关键系统的高可用性网络是必须的。从技术角度来看，最先进的解决方案确保了在单个网络故障和“即插即用”操作的情况下不会丢包。此外，客户需要可互操作的标准化解决方案，以避免采用专有的供应商方法。从这个意义上说，国际电工委员会（IEC）一直在努力定义基于高可用性以太网的解决方案。在发生网络故障时确保零延迟恢复时间的两种协议是：高可用性无缝冗余（HSR，IEC 62439-3-Clause 5）和并行冗余协议（PRP，IEC 62439-3-Clause 4）。
IEC 61850 容忍的通信延迟
IEC 61850采用IEC 62439第4条和第5条在PAC中提供无扰动以太网冗余。IEC 62439 第5条称为高可用性无缝冗余(HSR)，第4条称为并行冗余协议(PRP)。
HSR和PRP都是第2层协议，但它们之间有很大的区别。不同的是，HSR在以太网帧中添加了HSR标签，因此环网上的所有设备都必须为HSR设备。
03 应用案例 RedBox构建智能变电站
对于PRP和HSR 网络的简单互连。由于设备上嵌入了DAN和 RedBox的双重功能，它无需额外的中间 RedBox外部设备，并重用现有网关或 PC SCADA 系统来管理数据包处理。此外还可以将IP和模块集成到 IED、合并单元、RTU 和许多其他设备中。
正如在此场景中所显示的那样，工业协议的组合在复杂性和多样性方面正在增加,基于以太网的协议对灵活性的需求使得FPGA和可重构设备通常是实现能够组合多种协议的网络设备的最佳候选者。
在这种情况下，我们在硬件和 IP核（FPGA）级别提供HSR和PRP解决方案。除了通过QuadBox操作互连PRP和HSR网络并扩展HSR环，同时设备集成了高精度的IEEE 1588 PTP，能够实现亚微秒级同步。
04 总结
IEC 61850的目标是促进电力系统的互操作性、可靠性和智能化。通过采用这一标准，电力系统可以更好地适应现代化的自动化、监控和控制要求，同时为能源管理和智能电网等新技术提供支持。
虹科携手合作伙伴SoC-e/RELYUM为国内用户提供HSR/PRP解决方案包括IPcore和交换机等完整的硬件解决方案。HSR/PRP交换机IPcore可以通过利用新的 Xilinx Vivado工具轻松集成到FPGA 设计中，该工具允许在图形用户界面中使用 IP 核并以简单的方式配置 IP 参数。另外，它还能在 HSR 环网、PRP Lans 或在 IEC 61850 环境中起着网络桥接器的作用。而HSR/PRP交换机RELY-RB则可实现无丢包冗余以太网，亚微秒级同步和网络安全。该设备能够将整个LAN与冗余网络合并，以通过QuadBox操作互连PRP和HSR网络并扩展HSR环。