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什么是IEC61850？

IEC 61850是國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的一組國際標(biāo)準(zhǔn)，用于定義和規(guī)范電力系統(tǒng)自動化領(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、配置和測試等方面。

具體來說，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個方面：

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。這有助于實現(xiàn)設(shè)備之間的無縫集成，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)模型是基于對象和類的概念，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。這有助于簡化系統(tǒng)的配置和管理，同時提高設(shè)備之間的互操作性。

D. 測試規(guī)范：IEC 61850包括了關(guān)于測試和驗證的規(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)域為什么需要61850？

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化開始在高壓變電站的站總線級別部署。然而，為了更好地控制其運行而需要對電網(wǎng)的所有部分（發(fā)電廠、分布式能源、配電線路甚至消費者的電表）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)的使用擴展到其他網(wǎng)段，例如變電站的過程總線。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)行本地計算，還允許執(zhí)行分布式計算，隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的增加，這一點變得非常重要。

隨著IEC 61850-9-2 標(biāo)準(zhǔn)引入的采樣測量值（SMV 或 SV）過程總線概念。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來控制、保護(hù)和自動化電網(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，對于50Hz的電網(wǎng)頻率，采樣值以每秒 4000 幀的速率發(fā)布；對于60Hz 的電網(wǎng)頻率，以每秒4800幀的速率發(fā)布采樣值。此外，SV可以通過預(yù)測故障和未來事件來改善分布式能源 (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)角度來看，最先進(jìn)的解決方案確保了在單個網(wǎng)絡(luò)故障和“即插即用”操作的情況下不會丟包。此外，客戶需要可互操作的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，以避免采用專有的供應(yīng)商方法。從這個意義上說，國際電工委員會（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)故障時確保零延遲恢復(fù)時間的兩種協(xié)議是：高可用性無縫冗余（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中提供無擾動以太網(wǎng)冗余。IEC 61439-3 第5條稱為高可用性無縫冗余(HSR)，第4條稱為并行冗余協(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

對于PRP和HSR 網(wǎng)絡(luò)的簡單互連。由于設(shè)備上嵌入了DAN和 RedBox的雙重功能，它無需額外的中間 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)議對靈活性的需求使得FPGA和可重構(gòu)設(shè)備通常是實現(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，我們在硬件和 IP核（FPGA） 級別提供HSR和PRP解決方案。除了通過QuadBox操作互連PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)并擴展HSR環(huán)，同時設(shè)備集成了高精度的IEEE 1588  PTP，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微秒級同步。

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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)代化的自動化、監(jiān)控和控制要求，同時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為國內(nèi)用戶提供HSR/PRP解決方案包括IPcore和交換機等完整的硬件解決方案。HSR/PRP交換機IPcore可以通過利用新的 Xilinx Vivado工具輕松集成到FPGA 設(shè)計中，該工具允許在圖形用戶界面中使用 IP 核并以簡單的方式配置 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RELY-RB則可實現(xiàn)無丟包冗余以太網(wǎng)，亞微秒級同步和網(wǎng)絡(luò)安全。該設(shè)備能夠?qū)⒄麄€LAN與冗余網(wǎng)絡(luò)合并，以通過QuadBox操作互連PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)并擴展HSR環(huán)。