.issn.1000-1026.2012.02.002IEC
61850国际互操作试验经验总结贺 春,张 冉
(许昌开普电器检测研究院,河南省许昌市461000
)摘要:介绍了2011年3月公用事业通信架构(UCA)用户协会在法国巴黎组织的IEC
61850国际互操作试验的组织形式、
试验目标、参与公司和测试环境。互操作试验分为网络性能、变电站配置语言(SCL)配置、客户/服务器、通用面向对象变电站事件(GOOSE)
、采样值等5个部分。对每类试验的项目内容、互操作问题进行了归纳。试验证明IEC
61850第1版互操作性较好,但工程实施中需关注SCL文件和网络等配置,部分互操作问题需由IEC TC57在新版标准中修订。该次试验对国内智能变电站的工程联调具有借鉴意义。
关键词:互操作;IEC
61850;智能变电站;公用事业通信架构收稿日期:2011-05-24;修回日期:2011-11-
22。0 引言
IEC 61850标准于2004年正式颁布。为了推动IEC
61850标准的制定和使用,国际上从1998年就开始进行互操作试验。互操作试验按照时间分为2个阶段:2002年以前为第1阶段,主要是对IEC
61850标准草案的正确性、
合理性进行验证和测试,并根据试验结果对标准草稿进行修改;2002年以后为第2阶段,主要结合工程对IEC
61850标准进行验证[
1-
3]。从目前国内外大量的工程试点应用来看,IEC
61850及网络通信技术日趋成熟,
可以逐步推广。但是,在不同厂家产品互操作方面仍然存在一些问
题,
需要进一步研究,尤其是在网络跳闸和电子式互感器应用方面,仍需进一步试点。
为了推动IEC 61850标准和测试工作的发展,公用事业通信架构(UCA)用户协会成立了IEC61850测试方案编写工作组,针对IEC 61850-8-1、IEC 61850-9-2LE、通用面向对象变电站事件(GOOSE)协议一致性测试及通信性能测试等内容,编写相关测试方案。
为配合国际电工委员会智能电网战略专家组(IEC SMB
SG3)工作,由UCA用户协会发起,于2011年3月28日—4月1日,
在法国巴黎举行了为期5天的IEC 61850国际互操作大会。本次大会是IEC
61850第1版发布后在国际范围内第1次正式的互操作测试。在此之前,国际上进行的一些互操作活动带有展览会性质,并且参与单位数量有限。
与前期进行的试验相比,本次试验的特点是:对任何
制造企业全程开放;有规范的测试过程和测试文档;第三方全程目击试验过程。
本文将介绍试验的基本情况、试验系统结构、试验项目,以及在试验中发现问题的分析讨论。最后提出一些关于IEC
61850互操作发展的建议。1 试验基本情况介绍及试验系统结构
从2010年底UCA用户协会决定进行IEC
61850互操作试验开始,
陆续有来自世界各国的制造企业和实验室报名参加,这是一个开放的试验平台。从2011年1月开始,UCA用户协会组织参加单位以邮件和网络会议的形式讨论试验内容,制定并研讨详细的测试方案,设计试验系统结构(如图1
所示)和采样值互操作试验矩阵(如图2所示)。3月28日,
互操作试验在位于巴黎的法国电力公司(EDF)正式开始,参加本次试验的有国际知名的制造企业、测试机构等18个公司的40多名专家。根据试验内容,由目击人员根据试验矩阵表依次对不同厂家产品的互操作试验项目进行验证。在试验过程中,当遇到需要讨论的问题时,由美国SISCO公司的IEC TC57专家组织大家一起交流,然后指定统一的解决办法。
如图1所示,整个试验系统由交换机组成主环网,交换机之间通过1Gbit/s光纤互联,试验设备都连接在环网上。为了控制流量,所有进行采样值测试的设备都连接在交换机4和交换机5上。多种类型试验在该网络上同时展开,目击人员分成多组并行工作,当厂家准备好某项试验时,申请目击人员进行验证,填写相应的试验报告。
—
6—第36卷 第2期2012年1月25日
图1 互操作试验系统结构
Fig.1 System structure of interoperability
testin
g图2 采样值互操作试验矩阵
Fig.2 Testing
matrix for sampled value2 试验内容
本次互操作试验包括以下5方面内容:网络性能试验;变电站配置语言(SCL)
配置试验;采样值(IEC 61850-9-2LE[4]
)发布/订阅试验;GOOSE试验;客户/服务器试验。2.1 网络性能试验2.1.1 试验项目
网络性能试验的目的是验证符合IEC 61850-3标准要求的不同厂家网络设备之间的互操作性,主要测试以太网交换机的第2层协议性能。
试验项目包括:快速生成树协议(RSTP);多播地址过滤;虚拟局域网(VLAN)
。其他如因特网组管理协议(IGMP)、多播注册协议(GMRP)、网络地址转换(NAT)及网络安全、IEEE
1588网络对时等试验,均不在本次试验范围之内。
网络性能试验采用以下4种不同的网络结构:
①单环网,见图3(a);②带2个子环网的环网结构,见图3(b);③带网格的环网结构,见图3(c);④由智
能电子设备(IED)组成的环网结构,见图3(d
)
。图3 网络性能试验拓扑结构
Fig.3 Topology
structure of network performance test2.1.2 试验问题及建议
1)VLAN
ID的默认值在GOOSE和采样值试验中,若装置通信报文的VLAN ID置为0,有些交换机将会去掉VLANTAG这部分信息,虽然报文不会丢失,但是丢失了优先级属性,而且当订阅方收到这种无VLAN
TAG报文时,
可能会发生意想不到的错误。因此,—
7—·特约专稿· 贺 春,等 IEC
61850国际互操作试验经验总结
建议在实际工程中将VLAN ID置为非零值。2)网络交换机之间的互操作性不同公司的交换机组成光纤环网进行RSTP试验,经过试验发现,在链路故障情况下,故障切换时间为30~104ms,恢复时间为4~16ms
;而在交换机故障情况下,故障切换时间为61~132ms,恢复时间为12~20ms
。这说明交换机故障比链路故障的切换时间和恢复时间要长,尤其是当网络越复杂时,这个差距就会越大。
应用层上的高速通信对交换机RSTP恢复时间没有影响,说明RSTP报文具有更高优先级。禁用网口的自动协商功能后,对RSTP故障切换时间有很大影响,尤其是当收发光纤有1根出现故障时,故障恢复时间长达6s,因此,在实际工程中使用千兆交换机时应该启用网口的自动协商功能,这样有利于减少RSTP的恢复时间。
在网络交换机连接复杂的结构中,RSTP的故障切换时间和恢复时间都大大增加,故障切换时间为7~14s。由此可见,在实际的IEC 61850系统中,应尽量避免过于复杂的网络连接,同时也要防范由于施工或者调试疏漏,
出现交换机之间多余的连线,
导致网络在故障时快速生成时间过长。2.2 SCL配置试验2.2.1 试验项目
SCL配置试验主要包括对配置工具编辑功能的验证和IED文件使用能力验证这2个方面。其中IED配置工具试验项目包括:配置IED描述(CID)文件的导出或建立试验;CID文件导入功能试验。
带编辑功能的系统配置工具的试验项目包括:
CID文件导入试验;CID文件更新试验;
变电站配置描述(SCD)文件导出试验;SCD文件导入试验;SCD文件更新试验。
2.2.2 试验问题及建议
在本次互操作试验开始前,虽然做了前期准备工作,但是在现场试验中还是发现了如下一些问题。1)有些SCL检查工具不检查初始化值的数据类型
以
<DAI name=“orIdent”valKind=“RO”>
<Val>Dummy String</Val></DAI>
为例,根据IEC
61850标准规定,orIdent是OCTETString类型,
取值为“0”~“9”和“A”~“F”的字符。上面例子中的“Dummy String”明显有些字符不在这个范围之内。类似的问题,如浮点数的初始化值为“f1.000000e-
001”,这种写法有些软件就无法识别,应该去掉开始的“f”。2)IEC 61850-
6可扩展置标语言(XML)结构定义(XSD)文件的验证规则局限性IEC 61850-
6的XSD文件缺少对数据属性(DA)实例化值的规定,如对BOOLEAN类型值并
没有明确应采用何值初始化,有些厂家采用ON/OFF,有的采用YES/NO。实际上,
万维网联盟(W3C)已经规定BOOLEAN只能从{true,false,1,0
}中选择使用。对同一个DA赋予多个初始化值,IEC 61850-6的XSD文件是允许的,而且对于多个定值组具有实际意义。但有的厂家因不完全基于XSD的SCL检查工具认为这样是错误的,需引起注意。在互操作试验中不建议对非String类数据进行该类初始化,并建议新版IEC 61850-6对此增加规定。3)配置版本号ConfRev的维护需要加强
在试验中发现,有些设备的CID文件经工具修
改后,其配置版本号ConfRev的值并没有变化,在实际工程应用中可能会出现问题。
4)ctlModel的初始化
对不允许控制模式的服务器,要求ctlModel初
始化为StatusOnly。2.3 采样值试验
2.3.1 试验项目
依据IEC 61850-9-
2LE标准2.0版,分为发布方和订阅方试验这2个部分。
发布方试验内容如下:①配置能力试验,即能根据CID文件发送报文;②验证发送的采样值报文内容,包括SmpCnt采样序号、SmpSynch采样同步、品质描述;③谐波信息验证。订阅方主要试验内容如下:①订阅方CID文件配置验证,在试验中发现一些厂家不能使用工具配置CID文件,导致由于人工配置不正确而影响互操作;②验证订阅方接收的采样值报文内容是否正确,包括SmpCnt、SmpSynch、品质描述;③谐波信息验证。
2.3.2 试验问题及建议
本次采样值互操作试验中,发布方和订阅方IED的采样值互操作性相对比较好。然而有一个问题需要重视,采样同步标志位SmpSynch在IEC61850-9-2LE第2版和第3版中数据类型定义不一致,出现了互操作问题,目前第3版尚未正式发布。本次互操作试验中发现IEC 61850-9-
2LE标准附录B中ICD示例有误,部分逻辑节点类缺少强制的数据对象,导致SCL语法检查报错,
需在新版中修订。—
8—2012,36(2
)
2.4.1 试验项目
验证订阅方能够正确接收并解释发布方发送的
GOOSE报文。每一个作为发布方的IED提供一个CID文件,由订阅方根据配置文件进行配置。
1)GOOSE的数据集成员为功能约束数据属性(FCDA)。
2)GOOSE的数据集成员为功能约束数据(FCD)。
3)试验位的使用。订阅方应能够正确解释试验位,具体行为根据不同厂家定义各不相同。
4)报文允许生存时间(time allowed live,TAL)的使用。订阅方应能够检查TAL超时。
5)GOOSE控制块的使用,由客户端使能或者关闭GOOSE的发送。
2.4.2 试验问题及建议
1)在SCL配置文件检查中,发现一些IED对订阅者的数量有,但是目前还没有将这种信息在配置文件中进行描述的机制。
2)当GOOSE或者采样值的VLAN ID值为0时应该如何处理,需要在IEC 61850标准中进一步澄清。由于IED中使用了媒体访问控制(MAC)哈希过滤,VLAN ID默认值0将引起订阅方通信处理的不稳定。文献[5]对这方面问题进行了分析和讨论。经过互操作试验参与者共同的讨论,认为除了
VLAN之外还应该使用MAC地址过滤。
3)在试验中发现许多发布方只支持FCDA成员,一些订阅方也有这方面的。实际上,这种做法不符合IEC 61850(IEC 61850需要支持3种方式)。为了互操作性,应同时支持FCD方式。
4)在GOOSE的TEST(试验位)测试中,发现不同厂家的IED对试验位的处理方式有如下几种:
①当试验位复位后,而StNum没有改变,则订阅方就不处理GOOSE报文中的数据;②当试验位置位后,而StNum没有变化,则订阅方不能发现试验位的变化;③不处理GOOSE报文头部分的试验位信息,而只处理数据品质中的试验位;④有些装置根本不处理试验位。因此,UCA用户协会决定需向IECTC57提出一个Tissue问题(见http://tissues.iec61850.com),解决试验位如何向订阅方有效提示的问题。
5)GOOSE性能试验。在不同的网络负载情况下,GOOSE的实时性表现不同。在有4组采样值多播的网络上,GOOSE的Ping-Pong响应性能能够满足要求,而当使用网络流量发生器产生100Mbit/s的负载后,GOOSE性能变得很差,达到
了33ms。为了在实际工程中保证GOOSE性能,需要采用交换机的多播地址过滤和VLAN机制。2.5 客户/服务器试验
2.5.1 试验项目
1)数据读取试验:按照FCD和FCDA这2种方式,读取状态信息(ST)、测量值(MX)、控制(CO)、结构(CF)、描述(DC)等功能约束对象。
2)控制模型试验:按照直接控制、选择执行控制和增强安全型选择执行控制这3种控制方式进行试验,在遥控允许和非允许状态下,验证服务器是否能够正确进行响应。
3)缓冲报告试验:①报告再同步试验,在报告发送过程中,断开客户端的网络连接,然后重新连接客户端,检查客户端是否能够重新使能报告,并正确发送再同步值(EntryID)给服务器;②缓冲区清空试验,断开客户端的网络连接,然后重新连接客户端,检查客户端是否能够清空报告缓冲区。
4)非缓冲报告试验。
5)文件传输:客户端使用COMTRADE文件分析工具打开接收到的文件,检查文件是否与服务器记录的文件一致(见图4)
。
图4 文件传输试验流程
Fig.4 Test flow of file transfer
2.5.2 试验问题及建议
1)当服务器发送的浮点数为NaN(not anumber)时,如“-0”,有些客户端无法处理。NaN是一个有效的IEC 61850浮点数,因此,需要所有客户端软件支持这种情况。至于如何处理,由厂家自己决定。
2)在COMTRADE录波文件传输中,发现有些服务器响应目录服务时使用相对路径,有些使用绝对路径,客户端处理时就遇到了问题。在IEC61850-7-2第2版[6]中已经规定必须使用全路径文件名。
3)建议服务器支持以FCD作为报告的数据集成员。
3 试验结论及建议
通过本次互操作试验,UCA用户协会主要总结了以下结论和成果。
1)向包括EDF在内的电力用户证明IEC61850是可互操作的。
—
9
—
·特约专稿· 贺 春,等 IEC 61850国际互操作试验经验总结
2
)通过试验中发现并解决互操作问题,帮助制造企业提高产品质量。
3)对IEC
61850标准发展有推动作用,试验中发现的问题将及时反馈给IEC TC57进行标准修订。
4)遇到的互操作问题大多属于边缘问题:①大部分测试没有互操作问题;②试验中遇到的大多数互操作问题可以通过工程配置得到解决。
5)本次互操作试验主要针对IED,建议将来进行系统工程配置工具方面的互操作试验。
通过本次IEC
61850国际互操作试验,对比目前国内智能变电站建设过程中出现的问题,
能够证明很多互操作问题都是因为配置不正确导致。因
此,
在装置和系统中,采用自动化、规范化配置工具将显得尤为重要,能够有效防止由于人工设置带来的遗漏。同时,交换机的配置也非常关键,尤其是VLAN设置等问题。如果将来交换机可以根据系
统配置文件和装置配置文件等信息,
自动导入进行配置,可以大大减轻工程施工的工作量,并降低出错概率。建议国内交换机生产厂家积极开展相关研究。
4 结语
通过本次互操作试验,发现许多可能导致不同
IED互操作问题的因素,
需要通过标准化或工程实施规范等方式进行明确,保证未来智能变电站设备都能够实现无缝连接。国家电网公司也已经组织国内制造企业编写了智能变电站的许多工程实施规范,如果能够将本次试验中发现的一些问题适时地补充到规范中,可以大大提高规范的实用性。
目前国内有许多智能变电站试点项目,建议各
建设单位和制造企业将试点项目联调、
试验中发现的问题进行及时汇总和交流,并将某些问题及时与
UCA用户协会和IEC
TC57进行沟通,这样就可以极大地推动IEC 61850在智能变电站以及智能电网中的有效应用。
参考文献
[1]辛耀中,王永福,任雁铭.中国IEC
61850研发及互操作试验情况综述[J].电力系统自动化,2007,31(12):1-
6.XIN Yaozhong,WANG Yongfu,REN Yanming.Survey onresearch,development and interoperability test of IEC 61850inChina[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(12):1-6.[2]何卫,王永福,缪文贵,等.IEC 61850深层次互操作试验方案[J].电力系统自动化,2007,31(6):103-
107.HE Wei,WANG Yongfu,MIAO Wengui,et al.Deep-
levelinteroperability testing of IEC 61850[J].Automation of ElectricPower Sy
stems,2007,31(6):103-107.[3
]操丰梅,任雁铭,王照,等.变电站自动化系统互操作试验建议[J].电力系统自动化,2005,29(3):86-
89.CAO Fengmei,REN Yanming,WANG Zhao,et al.Advices oninteroperability
test of substation automation system[J].Automation of Electric Power Systems,2005,29(3):86-89.[4]UCA International Users Group.Imp
lementation guideline fordigital interface to instrument transformers using
IEC 61850-9-2[EB/OL].[2011-07-07].http://wenku.baidu.com/view/f7a034c608a1284ac850437c.html.[5]王松,黄晓明.GOOSE报文过滤方法研究[J].
电力系统自动化,2008,32(19):54-
57.WANG Song,HUANG Xiaoming.Filtering m
ethods ofGOOSE messages[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(19):54-
57.[6]IEC 61850-7-2ed 2.0 Communication networks and sy
stemsfor power utility
automation:Part 7-2 basic information andcommunication structure—abstract communication serviceinterface(ACSI)[S].2010.
贺 春(1973—),男,通信作者,高级工程师,IEC SMBSG3成员,
主要研究方向:电力系统自动化、通信协议及协议测试。E-mail:hechun@ketop
.cn张 冉(1982—),男,工程师,主要研究方向:电力系统自动化、通信协议测试。E-mail:zhangran@ketop
.cnExperimental Summary on IEC 61850International Interoperability
TestHE Chun,ZHANG Ran
(Xuchang KETOP Electrical Apparatus Testing &Research Institute,Xuchang
461000,China)Abstract:This paper introduces the organizations,test objects,participating
companies,and the test environment ofinteroperability(IOP)test held by utility communication architecture(UCA)International User Group in Paris,France inMarch,2011.The IOP test consists of 5parts,namely,network infrastructure,SCL configuration sy
stem,client/server,GOOSE and sampled value testing.It summarizes the test items,IOP issues,and conclusions of each type of test.The IOPtest proves that the first edition IEC 61850has preferable IOP,but the SCL files and network configuration should beconcerned in the engineering project implementation.Some of the IOP issues need to be revised in the new standard by IECTC57.This IOP test has reference value to the engineering joint testing of smart substations in China.Key
words:interoperability;IEC 61850;smart substation;utility communication architecture(UCA)—
01—2012,36(2
)