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 IEC61850是新一代的變電站自動化系統(tǒng)的標準,，它規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名,、數(shù)據(jù)定義、設備行為,、設備的自描述特征和通用配置語言,。同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標準相比，它不僅僅是一個單純的通信規(guī)約,，而是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標準,，它指導了變電站自動化的設計、開發(fā),、工程,、維護等各個領域。該標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模,，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口,，增強了設備之間的互操作性,，可以在不同廠家的設備之間實現(xiàn)無縫連接。智能化一次設備和數(shù)字式變電站要求變電站自動化采用IEC61850標準,。IEC61850是至今為止為完善的變電站自動化標準,，它不僅規(guī)范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式CT,、PT,、智能式開關等一次設備的模型和通信接口。采用IEC61850標準可以大大提高變電站自動化技術水平,、提高變電站自動化安全穩(wěn)定運行水平,，節(jié)約開發(fā)驗收維護的人力物力，實現(xiàn)*的互操作,，如圖1所示,。
         IEC61850與傳統(tǒng)的SCADA協(xié)議不同的是，它不僅是一個簡單的協(xié)議,，更涉及到通信網絡性能要求,、對象建模、系統(tǒng)和項目管理等多方面的規(guī)范要求,。IEC61850采用面向對象的建模方法和抽象,、分層映射的技術，通過規(guī)范系統(tǒng)和項目管理以及一致性測試等途徑來保證其目標的實現(xiàn),，并且IEC61850不僅適用于變電站自動化系統(tǒng)內部網絡通信,，也適用于配電自動化、電能計量系統(tǒng),、發(fā)電廠自動化系統(tǒng),、風力發(fā)電以及其它工業(yè)領域。

圖1：IEC61850與數(shù)字化變電站(SAS)之間的相互關系：

1.2 制造報文規(guī)范MMS
        制造報文規(guī)范(Manufacturing Message Specification,MMS)是網絡上實時處理和監(jiān)控系統(tǒng)信息交換的標準,，由標準化組織和電工委員會工業(yè)自動化技術委員會TC184工業(yè)組負責制定和發(fā)展，它適合于在不同的設備,、應用,、發(fā)展商和領域內提供通用信息服務，例如：MMS提供的讀(Read)服務允許網絡上的設備,、應用或計算機從另外一個設備,、應用或計算機內讀取所需的變量，而不管這個變量是在可編程邏輯控制器,、機器人,、遠方終端設備或智能電子設備內。MMS已經廣泛應用在制造,、石油化工,、電力工業(yè)和太空探索等領域,。
        MMS由以下各部分組成：

1) 服務規(guī)范(Service Specification)
2) 協(xié)議規(guī)范(Protocol Specification)
3) 機器人伴同標準(Robot Companion Standard)
4) 數(shù)字控制器伴同標準(Numberical Controller Companion Standard)
5) 可編程邏輯控制器伴同標準(Programmable Logical Controller Companion Standard)
6) 過程控制系統(tǒng)伴同標準(Process Control System Companion Standard)

        上列各部分中，部分服務規(guī)范和第二部分協(xié)議規(guī)范是其核心,，服務規(guī)范包含的定義
有：①虛擬制造設備(Virtual Manufacturing Device,VMD),；②網絡上節(jié)點間的信息交換；③與VMD有關的屬性和參數(shù),。協(xié)議規(guī)范定義的是通信規(guī)則,，包括：①信息格式；②通過網絡的信息順序,；③MMS層與ISO/OSI開放模型的其他層的交互,，而3)-6)則是針對不同的應用領域的伴同標準。
         MMS提供了豐富的針對對等式實時通信網絡的一系列任務,，已經成為許多工業(yè)領域的控制設備的通信協(xié)議,，例如CNC、可編程邏輯控制器,、機器人,、電力領域中的遠方終端設備(RTU)、能源管理系統(tǒng)(EMS),、重合器,、開關等IED設備。許多流行的計算機平臺都支持基于MMS的互聯(lián),，在軟件支持上,，更多的API、圖形界面,、網關,、字處理、電子表格,、關系型數(shù)據(jù)庫都支持MMS,，從通信連接上看，MMS在以太網,、令牌總線,、串行接口RS-232C、OSI,、TCP/IP,、MiniMAP上也都很容易實現(xiàn)，如圖2所示：

圖2：MMS在IEC61850報文結構中的位置

1.3 IEC61850標準的體系結構
        變電站自動化系統(tǒng)由各種IED 組成,，主要完成變電站內設備的控制,、監(jiān)視和保護功能，并實現(xiàn)系統(tǒng)配置,、通信管理和軟件管理等系統(tǒng)維護功能,。IEC 61850 標準將變電站自動化系統(tǒng)在邏輯上劃分為3 層(即變電站層,、間隔層和過程層)，并將具體應用功能分解為許多常駐在不同IED 內,、彼此間相互通信的單元,，稱為邏輯節(jié)點(logical node，LN),，然后以LN 為對象建立變電站內IED 的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和服務模型,，旨在解決不同廠商提供的IED間的數(shù)據(jù)交換、信息共享等問題,。
        遵循IEC 61850 標準的變電站自動化系統(tǒng)主要包括：①主站自動化系統(tǒng)軟件(人機界面,、數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)管理等)；②間隔層裝置(保護,、測控單元等),；③過程層設備，包括電子式電流/電壓互感器(electronic current/potential transducer,，ECT/EPT),、智能斷路器/隔離開關、合并單元等,；④工程化工具(如配置工具等),，用于管理IEC 61850所定義的的通信模型，并滿足IEC 61850-6(配置)和IEC 61850-10(一致性測試)的規(guī)范要求,，如圖3所示：

圖3：IEC61850與數(shù)字化變電站接口與體系結構

1.4數(shù)據(jù)模型
        在了解數(shù)據(jù)模型之前,，首先需要了解一些關于IEC61850 的重要概念
智能電子設備(IED)：實際的物理設備，如開關,、斷路器,，綜保等。
功能：變電站自動化系統(tǒng)執(zhí)行的任務,，如：母線保護,、聯(lián)鎖、報警管理等,。
邏輯設備(LD)：一種虛擬設備,，聚合邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)，物理設備可以包含一個或多個LD,。
邏輯節(jié)點(LN)：用來描述系統(tǒng)功能的基本單位,，是數(shù)據(jù)對象的容器,，可以任意分配到
IED,，每個邏輯節(jié)點和內部的數(shù)據(jù)都有具體的語義，并通過他們的服務與外部進行交互,。
在IEC61850 中,，一個IED 設備的外部性能通過Server 服務器類來表征,，Server 服務器可以包含一個或多個邏輯設備，一個邏輯設備可以包含多個邏輯節(jié)點,，在IEC61850 中一些邏輯節(jié)點是電力系統(tǒng)實設備的映射,。一個IED 設備要實現(xiàn)特定功能必然需要這些邏輯節(jié)點來終實現(xiàn)操作、控制的功能,?？梢院唵卫斫膺壿嬙O備是IED 設備實現(xiàn)具體一個功能的抽象容器，在這個容器中包含了實現(xiàn)功能所需的相應的邏輯節(jié)點,。
        下圖4描述了從一個實際的項目中如何對實際的物理設備建模的完整過程：

圖4:設備建模的完整過程

        就針對一個具體的IED設備模型而言,，下圖5描述了該物理設備中所包含的內容及其交互關系：

圖5：數(shù)據(jù)模型所包含的內容及交互關系

        下圖6為一個實際的IED物理設備所包含的相關內容，該圖描述了該LED設備中其中一個邏輯設備”Tampa_Control”的邏輯節(jié)點”Q0xCBR1”斷路器的”位置Pos”數(shù)據(jù)的相關狀態(tài) “stVal和ctlVal”,。

圖6：一個實際的IED設備所包含的內容

2 “IEC61850 Server Library”軟件包概述

2.1 “IEC61850 Server Library”通信概述
        “IEC61850 Server Library”軟件包是西門子推出的基于S7-300/400作為服務器端的IEC61850規(guī)約的通信解決方案,，通過該軟件包，可以將S7-300/400 “虛擬”為一個IEC61850服務器端設備,，之后S7-300/400 可以支持在IEC61850總線上的過程變量導出,，下圖7為“IEC61850 Server Library”軟件包通信總覽：

圖7：“IEC61850 Server Library“軟件包通信總覽

“IEC61850 Server Library “軟件包具有如下特征：
1) 功能*的功能塊庫，支持德語及英語的在線幫助,。
2) 每個IEC61850 客戶端設備將通過一個ISO-On-TCP連接服務器,。
3) 多可以支持100 Data-Attribute及10 DataSet(每個DataSet包含100個Data-Attributes)：
4) Data-Attribute支持如下數(shù)據(jù)類型，如圖8所示：

圖8：”IEC61850 Server Library”所支持的數(shù)據(jù)類型

5) 支持如下MMS服務類型,，如下圖9所示：

圖9：”IEC61850 Server Library”所支持的MMS服務類型

6) 提供基于XML語言描述的SCL和.icd文件,，供客戶端訪問
7) 通過標準PCS7或Step7工具進行編程
8) 支持S7-300/S7-400/S7 mec
9) 冗余設計(用于S7-400H)
10) 帶通信診斷功能
11) 軟件包僅支持通過CP343/443-1建立通信連接，不支持CPU的集成PN口創(chuàng)建連接

2.2 “IEC61850 Server Library”軟件包工作原理
        下圖10描述了“IEC61850 Server Library”軟件包的工作原理：

圖10：“IEC61850 Server Library”軟件包的工作原理

        從圖10可以看出,，軟件包中主要的核心為數(shù)據(jù)模型.ICD文件及Table DB數(shù)據(jù)塊,，兩者之間必須一致，這個將包含在軟件包中,，其中.ICD文件提供給IEC61850客戶端用于IEC61850通信的連接,、變量的導出及讀寫等，Table DB數(shù)據(jù)塊用于下載到S7-300/400中用于創(chuàng)建S7-300/400作為IEC61850服務器的數(shù)據(jù)模型,，之后將其匹配到主功能塊“SVR_IEC61850”中,。
        在軟件包的實際應用中還需要注意以下幾點：

1) 允許多個IEC61850客戶端訪問同一個S7-300/400 IEC61850服務器，但是每個客戶端需要創(chuàng)建多個ISO-on-TCP連接并多次調用之后將其匹配到功能塊“SVR_IEC61850”,此時將功能塊“SVR_IEC61850”均連接到同一個Table DB,，這樣能夠保證客戶端訪問服務器的數(shù)據(jù)一致性,。
2) 通過DataSet(數(shù)據(jù)集)可以批量讀寫Data-Attribute，軟件包只支持靜態(tài)DataSet功能,，不支持動態(tài)的 DataSet創(chuàng)建,，因此只允許IEC61850客戶端的靜態(tài)DataSet訪問請求。
3) 所有的Data-Attribute及DataSet均可以在 Table DB中更改,，這可以通過軟件包 的SCL源文件編輯,，當更改Table DB時,，.ICD文件(軟件包中的server_x_y.icd文件)也必須調整以保證更改后的Table DB與.ICD文件保持一致

2.3 “IEC61850 Server Library“軟件包軟硬件需求及限制
       “IEC61850 Server Library”軟件包的軟硬件需求及限制如下圖11所示：

圖11：“IEC61850 Server Library”軟件包軟硬件需求及使用限制

2.4 “IEC61850 Server Library“軟件包訂貨號
        “IEC61850 Server Library”軟件包的訂貨號如下圖12所示：

圖12：“IEC61850 Server Library”軟件包訂貨號

2.5 “IEC61850 Server Library“軟件包包含內容
        購買“IEC61850 Server Library“軟件包后將會得到一張光盤，光盤中包含如下文件內容,，如下圖13所示：

圖13：“IEC61850 Server Library“軟件包所包含的內容

3 通過“IEC61850 Server Library“軟件包配置S7-300作為服務器進行IEC61850 規(guī)約通信
        下面以S7-300及TMW 61850 Test Harness軟件為例,，詳細介紹如何通過“IEC61850 Server Library“軟件包將S7-300通過配置為服務器，TMW 61850 Test Harness配置為客戶端進行IEC61850 通信,。
注：TMW 61850 Test Harness軟件可以從網上免費下載得到,，為:

下載的為試用版本，試用版本有一定的功能限制,，只有20天的試用期,，試用期結束后失去所有功能，需要購買使用*

3.1例子中使用的硬件設備及軟件
        本例中所用的硬件設備如下表1所示,。

表1：硬件清單

所用到軟件如下表2所示：

表2：軟件清單

3.2 硬件及網絡組態(tài)
        打開Step7軟件,，新建一個工程項目文件，命名為“IEC61850_server_update”, 在項目下插入一個S7-300站,，如下圖14所示,。

圖14：新建S7-300 Station

        雙擊插入的SIMATIC 300 Station的“Hardware”，打開硬件組態(tài),，在硬件組態(tài)界面下分別插入機架,，電源PS307、CPU317-2PN/DP,、CP343-1,本例中將CP的IP地址設為192.168.0.11,，如下圖15所示。

圖15：硬件組態(tài)并設置CP343-1的IP地址

        打開Netpro網絡組態(tài),選中CPU317-2PN/DP,插入一個新連接,，連接伙伴為Unspecified,，連接類型為ISO-on-TCP Connection，如下圖16所示：

圖16：網絡組態(tài)-創(chuàng)建ISO-on-TCP

         對于插入的TCP connection,，在打開的連接屬性對話框中的“General Information”中由于CP343-1做Server被動連接,，因此不勾選“Active connection estabishment”選項,ID保持缺省即可，在“Adress”欄中同樣由于CP343-1做Server,，因此填入本地連接的TSAP號設置為00.01,，對于通信伙伴Remote的TSAP可以選擇不填，即允許任意IP地址的客戶端發(fā)起連接,，如下圖17所示：

圖17：作為 服務器的ISO-on-TCP連接屬性設置

注意：1) 如果有多個客戶端連接,，每個客戶端需要創(chuàng)建一個ISO-on-TCP連接，對于本地
的TSAP號可以依次按照00.01順排,，對于遠程TSAP號則建議添上對應的客戶
端IP地址及TSAP號

3.3 編寫程序

        打開“IEC61850 Server Library“軟件包中功能塊庫,，將軟件包中所有的程序拷貝到以上創(chuàng)建的Step7項目中，如下圖18所示：

圖18：拷貝“IEC61850 Server Library“軟件包中功能塊到創(chuàng)建的項目中

        之后再Step7項目中插入一個CFC Chart圖并打開，在打開的Chart圖中調用主功能塊“FB575 SVR_IEC61850”,，如下圖19，20,。

圖19：插一個CFC

圖20：在CFC中調用主功能塊“FB575 SVR_IEC61850”

注意： 如果有多個客戶端連接同一個服務器,，每個客戶端需要調用一個主功能塊“FB575
SVR_IEC61850”，每個調用功能塊的 Table DB可以共享,，但是“CONN_RCV”
及“CONN_SEN”必須不同,，如下圖21所示。

圖21：多個IEC61850客戶端連接時編程處理 

表3：功能快FB575“SVR_IEC61850”各管腳參數(shù)含義

注意：對于START_COM及STOP_COM參數(shù),，SVR_IEC61850功能塊要求在啟動時首先
將STOP_COM置１后再將STOP_COM置１的一個時序過程功能塊才能正常工作,，
因此需要在CFC編程時進行處理。

        參數(shù)“QSTATE”中功能塊輸出的內部處理狀態(tài)如下表4所示：西門子6EP1332-1SH52

表4： 參數(shù)“QSTATE”中功能塊輸出的內部處理狀態(tài)

3.4 模型文件Table DB及ICD文件修改
         對于實際的應用來說,，軟件包中自帶了一個標準Table DB數(shù)據(jù)塊模型及ICD文件,，這兩個文件均可以通過軟件包中的SCL源文件(源文件為DB.SCL)，可以將軟件包中的SCL源文件拷貝到客戶所創(chuàng)建的項目中打開后進行修改,，如下圖22所示：

圖22：拷貝DB SCL源文件到項目中

在實際應用中大致來說會涉及到以下內容的修改：
1) 改變模型標識符：DB.SCL源文件中會包含3個字符串的模型標識符,，如下圖23所示：
■ 供應商名稱(大20個字符)
■ 模型設備名稱(大40個字符)
■ 模型文件版本號(大20個字符)
在IEC61850客戶端/服務器的初始通信連接過程中通過該模型標識符來進行初步握手

圖23：在DB.DCL中的模型標識符

2) 更改Data-Attribute的變量屬性(Table DB數(shù)據(jù)塊中的“Cont”)，DB.SCL源文件中包含一個結構體變量“Cont”,，每個結構體變量“Cont”包含了一個變量的如下條目：
■ 變量域名ID-為IEC61850地址的一部分
    ?代表了IED名稱如“IED_001”及邏輯設備名稱如“CTRL”,。
■ 變量條目ID-為IEC61850地址的一部分
    ?代表了邏輯節(jié)點名稱及Data-Attribute名稱，需要以“$$”開頭,，如
“LLN0$$ST$$stVAL”,。
■ 變量數(shù)據(jù)類型-MMS數(shù)據(jù)類型，支持的數(shù)據(jù)類型包括：
    ? 83h：布爾量
    ? 84h：位串(大４個字節(jié))
    ? 85h：整型
    ? 86h：無符號整型
    ? 87h： 浮點型
? 8fh： DataSet數(shù)據(jù)集
■ 變量長度-MMS變量長度值,，主要包括：
    ? 對于83h布爾量：１個字節(jié)
    ? 其他數(shù)據(jù)類型：４個字節(jié)
■ 變量實際值-MMS變量實際值,，長度為４個字節(jié)
DB.SCL中一個完整的結構體變量“Cont”如下圖24所示：

圖24：在DB.SCL中一個完整的結構體變量“Cont”

注意：當需要更改以上模型文件時建議直接在SCL源文件中直接更改，之后可以直接編
譯成模型數(shù)據(jù)塊DB及通過相應的工具轉換成.ICD文件,。

3.5 通信測試
         打開TMW 61850 Test Harness軟件中的IEC61850客戶端Hammer,，通過Options->Configure打開客戶端參數(shù)設置界面,分別設置相關參數(shù)如下圖25所示：

圖25：TMW 61850 Test Harness軟件中Hammer相關參數(shù)設置

其中Basic-IP Address:服務器IP地址,本例中為192.168.0.11
        Basic-SCL File:服務器提供的ICD文件
        Client Specific-Transport Seletor:客戶端TSAP號
        Server Specific-Transport Seletor:服務器端TSAP號,與Step7中Netpro中設置一致
下載上述中編寫的項目程序到PLC中，點擊Hammer中的連接,，可以看到雙方的通信已經建立起來了,，在Hamer界面中可以對布爾量，整型,，浮點等進行讀寫,，如下圖26所示：

圖26：通過測試中的變量讀寫

3.6 通信故障排查
        對于通信中可能出現(xiàn)的各種故障請參考下表5：

表5：可能的故障及排查方式

4 “IEC61850 Server Library“軟件包通信小結
        “IEC61850 Server Library”軟件包是西門子推出的基于S7-300/400的IEC61850
規(guī)約的通信解決方案，在軟件包的使用中需要注意以下幾點:

1) 如果有多個客戶端訪問一個服務器，需要創(chuàng)建過個ISO-on-TCP連接并多次調用SVR_IEC61850功能塊,，其中的Table DB可以一致以保證數(shù)據(jù)訪問的一致性,。
2) 由于軟件包中程序塊占用的Work Memoy較大，因此建議使用中的CPU,。
3) 對于模型文件ICD的修改,，建議客戶在購買軟件包后直接將需求發(fā)給德國總部來獲得支持。
4) 建議 使用 CFC編程將更加高效 
5) 軟件包目前只能支持較少的MMS通信服務,如GetData,SetData,static Dataset等,其他如Report等服務都不支持,因此只能用于常規(guī)的數(shù)據(jù)讀寫服務,而對于實時性要求比較高的事件消息上送服務本軟件包并不適用.

1概述
S7協(xié)議是SIEMENS S7系列產品之間通訊使用的標準協(xié)議 ,，其優(yōu)點是通信雙方無論是在同一MPI總線上,、同一PROFIBUS總線上或同一工業(yè)以太網中，都可通過S7協(xié)議建立通信連接,，使用相同的編程方式進行數(shù) 據(jù)交換而與使用何種總線或網絡無關,。S7通信分為按組態(tài)方式可分為單邊通信和雙邊通信，單邊通信通常應用于以下情況：

? 通信伙伴無法組態(tài)S7連接
? 通信伙伴無法停機
? 不希望在通訊伙伴側增加通信組態(tài)或程序

本文介紹S7-400基于PROFIBUS總線的S7單邊通信的組態(tài)步驟,。

實驗環(huán)境,，見表1。

表1

2 組態(tài)

2.1配置S7-400站點

S7-400站點配置參見表2,。

序號	說明	圖示
1.	創(chuàng)建新項目并在項目中插入S7-400站點
2.	打開硬件組態(tài),，組態(tài)S7-400站點
3.	在硬件目錄中查找使用的導軌型號，并雙擊找到的導軌型號
4.	在硬件目錄選擇使用的電源,，并拖拽到導軌的1號槽
5.	在硬件目錄選擇使用的CPU,，并拖拽到導軌的3號槽，系統(tǒng)將自動彈出DP接口屬性對話框
6.	在對話框Address下拉框中設置DP站地址為2,，單擊NEW按鈕添加新子網
7.	添加子網PROFBUS(1),，單擊選項頁“Network Setting”
8.	選擇PRFIBUS總線傳輸速率為1.5Mbps，Profile中選擇Standard,，單擊所有屬性對話框OK按鈕
9.	編譯保存S7-400站點硬件組態(tài),，下載到S7-400 CPU中
10.	從菜單欄Option下Configure Network命令進入網絡組態(tài)界面
11.	如右圖所示，右鍵單擊CPU414-3DP,，在彈出對話框中選擇Insert New Connection命令,，插入一個新連接
12.	a) 選擇Unspecified連接伙伴， b) 連接類型菜單中選擇S7 connection,，單擊OK按鈕,，彈出S7 connection屬性對話框
13.	S7 connection屬性對話框設置： a) 選中Established an active connection b) Interface選擇CPU414-3 DP，DP(R0/S3) c) 設置伙伴PROFIBUS地址3 d) 設置本地ID為1 e) 點擊Address Details按鈕
14.	Address Detail對話框設置 a) 設置安裝CPU的機架號0 b) 設置安裝CPU的插槽號,，對于S7-300,，CPU只能安裝在2號槽 c) 設置連接資源號，對于S7單邊連接,，連接資源號總是3 設置完成后可看到伙伴TSAP為03.02,，點擊OK按鈕關閉屬性對話框
15.	點擊編譯保存圖標,，完成S7單邊連接組態(tài)，并下載至S7-400 CPU中

表 2

2.2配置S7-300站點

S7-300站點配置參見表3,。

序號	說明	圖示
1.	創(chuàng)建新項目并在項目中插入S7-300站點
2.	打開硬件組態(tài),，組態(tài) S7-300 站點
3.	在硬件目錄SIMATIC-300，RACK-300下雙擊Rail,，插入S7-300導軌
4.	在硬件目錄選擇使用的CPU,，并拖拽到導軌的2號槽，系統(tǒng)將自動彈出DP接口屬性對話框
5.	參考表2序號6~8步驟,，將CPU的 PROFIBUS DP地址設置為3，傳輸速率設置為1.5Mbps,，Profile中選為Standard,。編譯保存完成S7-300站點組態(tài)，并下載到S7-300 CPU中

表 3

3 通信連接
如圖3-1示意圖,，使用RS485總線連接器通過PROFIBUS標準電纜分別連接CPU414-3 的X2接口和CPU315-2的X2 接口,。

圖3-1 CPU之間DP通信連接示意圖

4 通信編程
由于配置的是S7單邊通信，只需在配置S7網絡連接的一方進行編程,，所以本例中只在CPU414-3中編程調用系統(tǒng)功能塊SFB14/SFB15,，如圖4-1和圖4-2。

圖4-1 調用功能塊SFB14