​符合IEC 61850要求的gps卫星对时器校时设备

目前变电站常用的gps卫星对时器和gps校时设备都是要符合IEC61850标准，规范了标准的通信协议，方便所有设备相互通信。其中时间同步技术明确规范了gps卫星对时器的各种输入输出规范，其中对NTP/SNTP网络授时协议进行了规范，IRIG-B码信号进行了规范，使得时钟厂家设计也更加方便。

1、IEC61850综述

IEC61850的历史背景和意义

网络通信和计算机技术的发展促进了变电站自动化技术的发展，国内外厂商相继推出了多种变电站自动化系统的产品，但由于变电站内部各个层次的标准都不统一，使得各个厂家之间的产品互联互通存在困难，制约了变电站自动化系统向数字化发展。只有应用通用的对象建模工具，建立统一的对象模型和对象字典，采用统一的通信协议，才能满足系统集成的要求。

在这样的背景下，1995年国际电工委员会第57技术委员会(IEC TC57)参考和吸收了已有的许多相关标准的实践经验，其中主要包括：

①IEC 870—5—101远动通信协议标准；

②IEC   870—5—103继电保护信息接口标准；

③UCA2.0( utilitycommunication architecture 2.0)，由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系；

④ISO/IEC 9506制造商信息规范MMS(manufacturemessagespecification)。

提出了全世界第一个关于变电站自动化系统的完整通信标准体系——IEC61850。IEC 61850提出了三层逻辑通信结构(即变电站层，间隔层和过程层)，围绕互操作性的目标，通过对变电站自动化的功能进行识别、描述，归纳出对变电站自动化系统通信体系的要求，并且规范了实现这样一个三层通信体系结构的技术思想。

使不同制造厂商的产品具有互操作性，可以方便地集成到一个系统中去IEC 61850标准的目的既不是对在变电站运行的功能进行标准化，也不是对变电站自动化系统的映射分配进行标准化，而是尽最大可能地去使用现有的标准和被广泛接受的通信原理，通过对变电站运行功能进行识别和描述，分析运行功能对通信协议要求的影响(被交换的数据总量、交换时间约束等)，将应用功能和通信分开，对应用功能和通信之间的中性接口进行标准化，允许在变电站自动化系统的组件之间进行兼容的数据交换。

IC61850的推广应用将使变电站内以及变电站与调度中心之间实现无缝通信，同时也有利于变电站自动化系统的功能扩展，增强系统的开放性和灵活性，并降低电力企业成本。该标准对于现在和将来的变电站自动化系统发展方向将产生重大影响。

IEC61850的特点

IEC 61850是关于变电站自动化系统的一个完整的通信标准体系。与传统的通信协议体系相比,在技术上IEC61850有一些突出特点。

分层

在IEC 61850通信协议中，每个物理设备由服务器和应用组成，将服务器(Server)分层为逻辑设备(Logical Device)-逻辑结点(Logical Node)-数据对象(Data Object)-数据属性(Data   At-tributes)，物理设备内包含服务器(Server)和应用；从应用方面来看服务器包含通信网络和I/O，由IEC 61850来看，服务器包含逻辑设备，逻辑设备包含逻辑结点，逻辑结点包含，数据对象、数据属性；从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连，每一个IED既可扮演服务器角色，也可扮演客户的角色。对于这种分层,就得有相应的抽象服务来实现数据交换。

ACSI(Abstract Communication Service Interface)服务有服务器模型、逻辑设备模型、逻辑结点模型、数据模型和数据集模型，通过Serverdirectory收集服务器中有多少个逻辑设备名字和文件名字，通过LDDirectory收集每个逻辑设备中有多少个逻辑结点名字，通过LNDirectory收集每个逻辑结点中有多少个数据对象名字，通过Data Directory收集每个数据对象中有多少个数据对象属性名字，通过这样的服务，建立起了完整的分层数据库模型，并且提供了直接访问现场设备的途径，对各个制造厂商的设备可以用同一种方法进行访问。这种方法可以用于重构配置，很容易获得新加入的设备的名称，便于对当前所有设备进行有效管理。

采用抽象通信服务接口(ACSI)与网络独立

电力系统信息传输的主要特点是信息传输有轻重缓急的不同，并且应能实现时间同步，对于通信网络应有优先级和满足时间同步的要求，但是纵观现有商用网络，较少能够满足这两个要求，只能求其次：选择容易实现、价格合理、比较成熟的网络，在实时性方面往往用提高网络传输速率来解决。

IEC 61850总结电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，设计出抽象通信服务接口，它和具体的网络应用层协议独立，和采用的网络无关。客户服务通过抽象通信服务接口，由SCSM(Specific Communication ServiceMapping)映射到采用的通信栈或协议子集。在服务器侧通信栈或协议子集通过SCSM和ACSI接口。由于电力系统生产的复杂性和信息传输响应时间的要求不同，在变电站的过程内可能采用不同类型的网络，IEC 61850采用抽象通信服务接口，就很容易适应这种变化，只需改变相应特定通信服务映射(SCSM)即可，这就实现了网络的开放性。

面向对象、面向应用开放

IEC 61850对于信息均采用面向对象自我描述的方法，虽然传输开销增加，但由于网络技术的发展，传输速率有了很大提高，使得面向对象自我描述方法的实现有了可能。目前传输信息的方法是；变电站远动设备的某个信息要和调度控制中心的数据库预先约定，一一对应才能正确反映现场设备的状态，在现场验收前必需将每一个信息动作一次，以验证其正确性，这种技术是面向点的。

由于新的技术的不断发展，变电站内的应用功能不断涌现，当需要传输新的信息时，已经定义好的协议就无法实现，这使得新的功能的应用受到限制，而采用面向对象自我描述方法就可以适应这种形势发展的要求，不受预先约定的限制，任何信息都可以传输。采用面向对象自我描述的方法，传输到调度控制中心的数据都带说明，并马上建立数据库，使得现场验收的验证工作大大简化，数据库的维护工作量大大减少了。

数据对象统一建模

目前IEC TC57的各种标准都是根据各种特定应用，对各种对象建模，不能做到完全一致，要将各种协议连接起来，或者和SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition)数据库连接起来，就得进行转换。在采用网络技术的情况下，这种状况很难适应发展的需要。IEC 61850对从SCADA数据库到过程的对象进行统一建模，从而可以实现不同变电站设备厂商之间的互连和互操作性。

2、IEC61850系统结构

IEC61850按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三大功能从逻辑上将系统分为变电站层、间隔层和过程层3层，采用了以太网与Lon Works现场总线相结合的方案，并利用嵌入式技术使单片机系统同PC机一样联入了以太网。

根据IEC 61850通信协议和嵌入式以太网技术设计的变电站通信网络系统结构。在方案中，以间隔为单元将站内通信网设计为两层，间隔以上用10/100M嵌入式以太网构成站内通信的主干网络，该网络负责后台机、远动机等工控机和各间隔进行通信，在间隔内部用Lon Works现场总线把各保护装置连在一起，Lon Works网上的信息通过间隔层的IED(Intelligent Electronic Device)上传到主干网上。

变电站层由配有数据库的站级计算机、操作员工作站、远方通信接口等组成，是整个变电站监视、测量、控制和管理的智能化中心；间隔层起承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能，间隔层设备包含控制、保护和监视每个间隔的单元，利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用；过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能化电气设备的智能化部分，主要完成开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。

这种方案将嵌入式以太网与Lon Works现场总线技术相结合，发挥了各自的优势，底层的各种保护设备可不做任何改动，保持了产品的向下兼容性。从间隔层到变电站层、变电站内部以及从变电站到控制中心都采用了IEC 61850通信协议，这样就可以实现从过程层、间隔层、变电站层到控制中心的无缝通信连接，从而可以大幅度地改善变电站信息技术和自动化技术的设备数据集成，降低了工程、现场验收、运行、监视、诊断和维护费用，增加了变电站自动化系统使用期间的灵活性。图 3.1 变电站通信网络系统结构

3、IEC 61850 系统结构优点

和传统变电站系统结构相比，IEC 61850所提出的变电站系统方案具有以下明显优点：

1）传统变电站网络通信系统中只有Lon Works一层网络，站内的几十个保护装置均联结其上。因此网上节点多、流量大，而带宽却只有78 KB/s。在多台保护同时动作等特殊情况下，网络负载将突然加重，这时会出现较严重的网络冲突现象，报文的重发次数增多，网络通信效率降低。

而文中提出的变电站网络通信系统中有两层网，主干网的带宽已达10/100MB/s，虽然间隔内的Lon Works网络仍为78 KB/s带宽，但其上所连节点的数目却大大减少。于是Lon Works的网络负载极轻，即使在各台保护同时动作的特殊情况下，通信效率仍很高。而当信息传到主干网后，由于主干网带宽很宽，站内那些流量对其而言仍属轻负载，以太网在轻负载时效率**，因此所提出的变电站网络通信系统能满足变电站自动化系统的要求，并留有余地。

2）Lon Works网主要支持帧长为几十B的短帧，传送录波数据时，效率较低，耗时较多，而以太网支持最长可达1 500 B的长帧，因此方案中的录波数据的传输效率大大增强了。

3） PC机须用PCLTA卡等专用板卡与Lon Works网络相连，这些板卡由于是专用品所以较贵。PC机台数增多时，PC机用廉价的以太网卡就可连到以太网上，因此以太网……远动站 后台机 工程师站装置n1… 装置nnIEDn装置11… 装置1nIED1变电站层间隔层过程层方案中的PC接口更方便、更廉价。

4）由于方案中所采用的以太网技术使用开放式的TCP/IP协议，所以可以较为方便地与广域网相联。

5）由于在间隔层与变电站、变电站内部以及变电站到控制中心之间都采用了IEC 61850通信协议，因此很容易实现变电站底层到控制中心的无缝通信连接，并且可以解决不同厂商产品之间的互连和互操作性，易于与国际标准接轨。

4、IEC61850 时间同步要求

IEC 61850对网络对时有明确的要求和模型。在功能方面，在 IEC 61850 第 5 部分的附件 G 中规定：时间同步用于系统内各装置间的同步，具有精确外部时间源的逻辑节点作为主时钟，同一类型的另一个逻辑节点作为后备主时钟，通过主时钟对各分布节点设置绝对时间，各节点时钟连续同步。

在模型方面， IEC61850第7-2部分规定的时间模型和时间同步原理图。图中的IEC 61850 特定通信服务映射(SCSM)指的是IEC 61850 中定义的一种映射机制，它提供了IEC 61850中上层抽象通信服务接口(ACSI)服务和对象对特定应用协议/通信协议集的具体映射。

定义和说明如下：主世界协调时间UTC(UniversalTime Coordinated)从外部高精度时间源得到时间；时间服务器作为站内时间同步的时间源采用时间同步协议与站内其他智能电子设备(IED)进行时间同步，具体采用的时间同步协议依赖于所选择的 SCSM。对于网络型应用而言，SCSM 指的是 IEC 61850第 8-1 部分所定义的到以太网加报文制造规范(MMS)的协议栈的映射。其中，网络时间协议(NTP)被作为网络时间同步的应用层协议。

IEC61850时间模型和时间同步

5、gps卫星对时器

市场上符合IEC61850标准的gps卫星对时器很多，下面以西安同步电子科技有限公司生产的SYN4505型时钟同步系统为例，详细介绍如下：

SYN4505A型时钟同步系统内装高精度恒温晶振（可选锁相模块或者铷原子钟），接收GPS（全球定位系统）、北斗二代卫星信号和远地传送来的IRIG-B码信号获得时间信息，可根据客户对同步时钟系统的不同需求，选择相应的功能的板卡，同步产生IRIG-B码信号、秒脉冲、分脉冲、时脉冲、串口时间信息信号、网络授时接口（PTP,NTP/SNTP等）及各种报警信息，系统对各种配置信息进行自动保存，是建立时间尺度、实现标准时钟系统的实用gps校时设备。