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什么是IEC61850？

IEC 61850是國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的一組國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，用于定義和規(guī)范電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域中的通信和數(shù)據(jù)模型。這一系列標(biāo)準(zhǔn)主要涉及電力系統(tǒng)中的設(shè)備和系統(tǒng)之間的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)模型、配置和測(cè)試等方面。

具體來(lái)說(shuō)，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個(gè)方面：

A. 通信協(xié)議：IEC 61850定義了一種基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，用于在電力系統(tǒng)的子站之間進(jìn)行通信。這有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無(wú)縫集成，提高電力系統(tǒng)的可靠性和智能化水平。

B. 數(shù)據(jù)模型：IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)通用的數(shù)據(jù)模型，用于描述和表示電力系統(tǒng)中的各種設(shè)備和其狀態(tài)信息。這種數(shù)據(jù)模型是基于對(duì)象和類(lèi)的概念，使得設(shè)備之間可以更加靈活地交換信息。

C. 配置文件：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種配置文件的格式，用于描述和配置電力系統(tǒng)中的設(shè)備。這有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的配置和管理，同時(shí)提高設(shè)備之間的互操作性。

D. 測(cè)試規(guī)范：IEC 61850包括了關(guān)于測(cè)試和驗(yàn)證的規(guī)范，以確保符合該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備能夠正常工作并相互配合。

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能源領(lǐng)域?yàn)槭裁葱枰?1850？

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化開(kāi)始在高壓變電站的站總線(xiàn)級(jí)別部署。然而，為了更好地控制其運(yùn)行而需要對(duì)電網(wǎng)的所有部分（發(fā)電廠(chǎng)、分布式能源、配電線(xiàn)路甚至消費(fèi)者的電表）進(jìn)行數(shù)字化，以及使用該標(biāo)準(zhǔn)在互操作性方面的好處，已經(jīng)將IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的使用擴(kuò)展到其他網(wǎng)段，例如變電站的過(guò)程總線(xiàn)。電流和電壓值現(xiàn)已數(shù)字化，這導(dǎo)致采樣值流在網(wǎng)絡(luò)中的使用和傳輸。此類(lèi)信息在網(wǎng)絡(luò)不同位置的可用性不僅允許執(zhí)行本地計(jì)算，還允許執(zhí)行分布式計(jì)算，隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的增加，這一點(diǎn)變得非常重要。

隨著IEC 61850-9-2 標(biāo)準(zhǔn)引入的采樣測(cè)量值（SMV 或 SV）過(guò)程總線(xiàn)概念。該標(biāo)準(zhǔn)建議電流和電壓互感器（CT、PT）輸出和其他信號(hào)在源頭進(jìn)行數(shù)字化，然后使用基于以太網(wǎng)的局域網(wǎng)（LAN）傳送到這些設(shè)備。

如今新型數(shù)字變電站使用SMV來(lái)控制、保護(hù)和自動(dòng)化電網(wǎng)。采樣值作為編碼在多播以太網(wǎng)幀中的高速數(shù)據(jù)集樣本流進(jìn)行傳輸。該協(xié)議使用發(fā)布者/訂閱者模型，其中發(fā)布者將未確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸給訂閱者。例如，在IEC 61850-9-2 LE配置文件中，對(duì)于50Hz的電網(wǎng)頻率，采樣值以每秒 4000 幀的速率發(fā)布；對(duì)于60Hz 的電網(wǎng)頻率，以每秒4800幀的速率發(fā)布采樣值。此外，SV可以通過(guò)預(yù)測(cè)故障和未來(lái)事件來(lái)改善分布式能源 (DER) 供應(yīng)的能源的質(zhì)量控制，并優(yōu)化這些工廠(chǎng)的性能和配電網(wǎng)絡(luò)的彈性。

如今，關(guān)鍵系統(tǒng)的高可用性網(wǎng)絡(luò)是必須的。從技術(shù)角度來(lái)看，最先進(jìn)的解決方案確保了在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障和“即插即用”操作的情況下不會(huì)丟包。此外，客戶(hù)需要可互操作的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，以避免采用專(zhuān)有的供應(yīng)商方法。從這個(gè)意義上說(shuō)，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）一直在努力定義基于高可用性以太網(wǎng)的解決方案。在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)確保零延遲恢復(fù)時(shí)間的兩種協(xié)議是：高可用性無(wú)縫冗余（HSR，IEC 62439-3-Clause 5）和并行冗余協(xié)議（PRP，IEC 62439-3-Clause 4）。

▲IEC 61850 容忍的通信延遲

IEC 61850采用IEC 61439-3第4條和第5條在PAC中提供無(wú)擾動(dòng)以太網(wǎng)冗余。IEC 61439-3 第5條稱(chēng)為高可用性無(wú)縫冗余(HSR)，第4條稱(chēng)為并行冗余協(xié)議(PRP)。

HSR和PRP都是第2層協(xié)議，但它們之間有很大的區(qū)別。不同的是，HSR在以太網(wǎng)幀中添加了HSR標(biāo)簽，因此環(huán)網(wǎng)上的所有設(shè)備都必須為HSR設(shè)備。

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應(yīng)用案例

RedBox構(gòu)建智能變電站

對(duì)于PRP和HSR 網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單互連。由于設(shè)備上嵌入了DAN和 RedBox的雙重功能，它無(wú)需額外的中間 RedBox外部設(shè)備，并重用現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)或 PC SCADA 系統(tǒng)來(lái)管理數(shù)據(jù)包處理。此外還可以將IP和模塊集成到 IED、合并單元、RTU 和許多其他設(shè)備中。

正如在此場(chǎng)景中所顯示的那樣，工業(yè)協(xié)議的組合在復(fù)雜性和多樣性方面正在增加,基于以太網(wǎng)的協(xié)議對(duì)靈活性的需求使得FPGA和可重構(gòu)設(shè)備通常是實(shí)現(xiàn)能夠組合多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的最佳候選者。

在這種情況下，我們?cè)谟布?IP核（FPGA） 級(jí)別提供HSR和PRP解決方案。除了通過(guò)QuadBox操作互連PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)并擴(kuò)展HSR環(huán)，同時(shí)設(shè)備集成了高精度的IEEE 1588  PTP，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微秒級(jí)同步。

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總結(jié)

IEC 61850的目標(biāo)是促進(jìn)電力系統(tǒng)的互操作性、可靠性和智能化。通過(guò)采用這一標(biāo)準(zhǔn)，電力系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)現(xiàn)代化的自動(dòng)化、監(jiān)控和控制要求，同時(shí)為能源管理和智能電網(wǎng)等新技術(shù)提供支持。

虹科攜手合作伙伴SoC-e/RELYUM為國(guó)內(nèi)用戶(hù)提供HSR/PRP解決方案包括IPcore和交換機(jī)等完整的硬件解決方案。HSR/PRP交換機(jī)IPcore可以通過(guò)利用新的 Xilinx Vivado工具輕松集成到FPGA 設(shè)計(jì)中，該工具允許在圖形用戶(hù)界面中使用 IP 核并以簡(jiǎn)單的方式配置 IP 參數(shù)。另外，它還能在 HSR 環(huán)網(wǎng)、PRP Lans 或在 IEC 61850 環(huán)境中起著網(wǎng)絡(luò)橋接器的作用。而HSR/PRP交換機(jī)RELY-RB則可實(shí)現(xiàn)無(wú)丟包冗余以太網(wǎng)，亞微秒級(jí)同步和網(wǎng)絡(luò)安全。該設(shè)備能夠?qū)⒄麄€(gè)LAN與冗余網(wǎng)絡(luò)合并，以通過(guò)QuadBox操作互連PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)并擴(kuò)展HSR環(huán)。