張  巖1，張  璇2

　?。?. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075;2. 國網(wǎng)北京市電力公司物資分公司，北京 100053）

　　摘  要： 變電站自動化系統(tǒng)是一種包含著智能電子設(shè)備以及提供了系統(tǒng)控制、繼電保護(hù)、監(jiān)視監(jiān)控等的現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的新型電力系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)能夠完整地行使其功能取決于各部分組件的協(xié)調(diào)與配合，而不同制造廠商的智能電子設(shè)備從通信協(xié)議、接口調(diào)試等方面都限制著變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。闡述了為解決上述問題而產(chǎn)生的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢，以及對現(xiàn)代變電自動化系統(tǒng)的重要影響，并簡單探究了應(yīng)用IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞： 變電站自動化系統(tǒng)；智能電子設(shè)備；IEC61850；繼電保護(hù)

0 引言

　　在變電站自動化系統(tǒng)中，能否準(zhǔn)確地實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的各類功能在很大程度上取決于不同生產(chǎn)廠家的智能電子設(shè)備是否可以整體運(yùn)行。從工程管理角度分析，良好的整體運(yùn)行意味著各種電子設(shè)備聯(lián)結(jié)使用時可以比獨(dú)自運(yùn)行產(chǎn)生更好更優(yōu)的結(jié)果。而在電力系統(tǒng)高電壓等級的變電站中，各類、不同生產(chǎn)廠家的電子設(shè)備在繼電保護(hù)與自動化控制中的相互協(xié)調(diào)作用是尤為關(guān)鍵和必要的。然而不同的生產(chǎn)廠家的設(shè)備無法統(tǒng)一相同的協(xié)議，這給系統(tǒng)的整體運(yùn)行提出了很大的挑戰(zhàn)。由于各生產(chǎn)廠家從事變電站自動化系統(tǒng)服務(wù)多年，每家都擁有著自己設(shè)備型號獨(dú)自的規(guī)約與協(xié)議，例如PON、Profibus、EFIP等等[1]。IEC60870-5-103 提供了一種主-從模型，一定程度上解決了數(shù)字繼電保護(hù)裝置的通信問題。即使如此，這套標(biāo)準(zhǔn)受限于不同協(xié)議之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率問題，仍存在較大的改進(jìn)空間。為了進(jìn)一步改善、規(guī)范變電站自動化系統(tǒng)各設(shè)備間的互操作性、信息接入和信息維護(hù)等方面的問題，國際電工委員會終于在2006年正式完善發(fā)布了完整的IEC61850規(guī)約，實現(xiàn)了各生產(chǎn)廠家不同設(shè)備之間的互操作性等問題。

　　本文將具體闡述IEC61850的一些特性，并對現(xiàn)代變電站自動化系統(tǒng)上應(yīng)用IEC61850進(jìn)行探究。

1 IEC61850 主要特性與功能

　　IEC61850規(guī)約針對不同種類、不同型號、不同廠家的繼電保護(hù)及自動化裝置提供了一個更友好廣闊的平臺，其主要的特性與功能如下：

　?。?）設(shè)備的互操作性 :不同生產(chǎn)廠家的智能電子設(shè)備具備信息交換、協(xié)同操作能力；

　　（2）高速率數(shù)據(jù)同等延遲機(jī)制通信替代原始主-從通信模型；

　　（3）系統(tǒng)功能的自由分配 :智能電子設(shè)備和站控層所完成的變電站自動化功能并非固定不變 ,各功能可在不同設(shè)備間自由分配；

　?。?）建立在面向?qū)ο髮?dǎo)向的數(shù)據(jù)識別模型包含了所有數(shù)據(jù)信息，替代了原始只能通過地址識別的單一導(dǎo)向模型；

　?。?）系統(tǒng)性和完整性：能夠滿足變電站所有必需的信息描述和信息傳輸功能；

　　（6）系統(tǒng)的開放性和穩(wěn)定性：IEC61850規(guī)約具有開放性和長期穩(wěn)定性的特征，適應(yīng)通信技術(shù)與變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的客觀要求[2]。

2 基于IEC61850規(guī)約的垂直層面通信

　　IEC61850規(guī)約的分層技術(shù)將變電站通信體系從邏輯概念和物理概念上都分為變電站層（站層）、間隔層和過程層的三層結(jié)構(gòu)形式。

　　電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)位于遠(yuǎn)程終端，其數(shù)據(jù)通信處于IEC61850垂直層的站層，SCADA連接有遠(yuǎn)方控制中心、工程師站及人機(jī)界面，具有控制監(jiān)控的權(quán)限，從最高級的控制層一直到下層的刀閘變位、斷路器信息、變壓器信息、事件警報等。

　　站層與間隔層之間設(shè)有終端-服務(wù)器模型，用以協(xié)調(diào)兩層之間的通信；位于間隔層的智能電子設(shè)備作為服務(wù)器進(jìn)行與站層及過程層的數(shù)據(jù)傳輸與接收。數(shù)據(jù)依據(jù)終端需求或自動傳送至更高級別的服務(wù)器，而終端通常依據(jù)各類情況發(fā)布控制指令進(jìn)行各類設(shè)備的操作。在IEC61850規(guī)約平臺下，終端-服務(wù)器模型具有較快的傳輸速度與效率，并且可以同時進(jìn)行多線程指令操作。

　　隨著電子式互感器、智能化一次設(shè)備的逐步采用 ,現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層中去, IEC61850通過層間功能接口體現(xiàn)了這一發(fā)展趨勢。

3 基于IEC61850規(guī)約的水平層面通信

　　對于不同層級中的數(shù)據(jù)傳輸，IEC61850的水平通信功能極大地提高了傳輸速度，可以同時實現(xiàn)多種功能的同時運(yùn)行。典型的數(shù)據(jù)傳輸有：線路保護(hù)與自動重合閘之間的數(shù)據(jù)傳輸；層間斷路器故障的數(shù)據(jù)交互；不同層間的連鎖信息傳遞。

　　這些功能獨(dú)立于用戶操作并且由于其較高的安全優(yōu)先級，需要極快的速度（毫秒級）響應(yīng)。出于這樣的考慮，終端-服務(wù)器模型已經(jīng)不能滿足如此高速傳輸?shù)男枨蟆ＭǔＧ闆r下，不同的功能信息存放于不同的智能電子設(shè)備中，帶有輔助繼電器功能的銅導(dǎo)線以及串行網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸中，不同智能電子設(shè)備之間也通過水平層通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[3]。

　　基于此種類型的數(shù)據(jù)交換，多個智能電子設(shè)備通過串行網(wǎng)絡(luò)相連，使用基于對等通信模型的面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event, GOOSE)用以高速傳輸數(shù)據(jù)。如圖1所示，GOOSE信息以組播形式在各設(shè)備器件之間傳遞信息。

4 IEC61850的過程層連接架構(gòu)

　　變電站自動化系統(tǒng)必須通過IEC61850的過程層實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)與高壓電器設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，例如：

　　電流、電壓波形；開關(guān)、刀閘變位狀態(tài)；控制指令。

　　數(shù)據(jù)交互通過銅導(dǎo)線或串行通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，IEC61850中使用合并單元對一次互感器傳輸過來的電氣量進(jìn)行合并和同步處理，并將處理后的數(shù)字信號按照特定格式轉(zhuǎn)發(fā)給間隔層設(shè)備使用。其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過GOOSE信號傳遞，例如繼電保護(hù)裝置對斷路器發(fā)送的觸發(fā)信號；非關(guān)鍵數(shù)據(jù)則通過終端-服務(wù)器模型傳送，例如SCADA應(yīng)用。通過不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)傳輸，極大地提高了變電站自動化系統(tǒng)的通信效率。

5 基于IEC61850的變電站配置描述語言（SCL）

　　IEC61850-6提出一種變電站配置描述語言（SCL），以擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）為基礎(chǔ)，描述了智能電子設(shè)備與通信系統(tǒng)的配置信息，實現(xiàn)了智能電子設(shè)備與自動化系統(tǒng)時間的實時共享。變電站配置描述語言的出現(xiàn)，很大程度上簡化了不同生產(chǎn)廠商不同型號設(shè)備之間配置信息的采集，有助于更好地堆變電站自動化系統(tǒng)及智能電子設(shè)備的控制與維護(hù)。同時SCL用于描述通信相關(guān)的IED配置和參數(shù)、通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開關(guān)間隔結(jié)構(gòu)及它們之間的關(guān)系。

　　SCL編寫的配置文件分類：根據(jù)描述的內(nèi)容和用途的不同分類，通過擴(kuò)展名區(qū)分[4]。

　?。?）SSD文件－系統(tǒng)規(guī)范描述文件System Specification Description，描述變電站的單線圖、電壓等級、一次設(shè)備等信息，文件包括變電站描述、數(shù)據(jù)類型模板等。

　?。?）ICD文件－IED能力描述文件IED Capability Description，與IED一一對應(yīng)，描述IED裝置的能力，使用模板定義邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)和服務(wù)。

　　（3）SCD文件－變電站配置描述文件Substation Configuration Description，由系統(tǒng)配置從SSD文件和ICD文件生成，描述完整的變電站、IED以及通信系統(tǒng)。

　?。?）CID文件－IED配置描述文件Configured?IED?Description，跟ICD一樣與IED一一對應(yīng)，是最終的配置文件。

6 傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)與IEC61850變電站自動化系統(tǒng)的對比

　　6.1 傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)主要由以下結(jié)構(gòu)組成：實現(xiàn)各種功能的智能電子設(shè)備；并行硬線連接的智能電子設(shè)備與一次設(shè)備；應(yīng)用于控制及繼電保護(hù)的智能電子設(shè)備串行通信；網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)控制中心采用串行連接；繼電保護(hù)單元、控制單元。

　　間隔層的設(shè)備主要實現(xiàn)繼電保護(hù)、自動化控制、遠(yuǎn)程錄波、時間同步等功能；站層的設(shè)備主要實現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心的通信、時間報警、數(shù)據(jù)監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測等功能[5]。

　　6.2 應(yīng)用IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示，應(yīng)用IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)主要包括以下結(jié)構(gòu)組成：各類功能的智能電子設(shè)備；智能電子設(shè)備與一次設(shè)備在IEC61850-9-1與IEC61850-9-2協(xié)議基礎(chǔ)上，通過串行通信連接；智能電子設(shè)備與遠(yuǎn)程控制、人機(jī)界面等站層基于IEC61850-8-1協(xié)議通過串行通信連接；網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)控制中心通過串行通信連接。

　　間隔層主要包括：繼電保護(hù)裝置、控制裝置、擾動記錄器、數(shù)據(jù)采集裝置等；

　　站層主要包括：遠(yuǎn)程控制中心通信、支路通信、站層人機(jī)互動界面、時間警報處理、監(jiān)控裝置、狀態(tài)監(jiān)測、時間同步裝置等。

　　6.3 傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)與IEC61850變電站自動化系統(tǒng)功能對比

　　如表1所示，對傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)與IEC61850變電站自動化系統(tǒng)部分功能進(jìn)行了對比[3]。

7 基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

　　近些年，ABB、西門子、GE等生產(chǎn)廠家已陸續(xù)推出了基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)配套產(chǎn)品，并逐漸廣泛應(yīng)用于中國及海外市場。我國自主研發(fā)的基于IEC61850變電站自動化系統(tǒng)及相關(guān)試驗也日益增多，例如：國電南瑞公司的NS3000系統(tǒng)、南瑞繼保電氣有限公司的PCS9700 系統(tǒng)、以及國調(diào)中心推行的交互性試驗、北京500 kV順義站自動化系統(tǒng)試驗等都取得了較好的成果。截止2015年2月，國網(wǎng)北京市電力公司已擁有220 kV、110 kV應(yīng)用IEC61850的新型智能變電站40余所[6]。

　　雖然基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用試點，但I(xiàn)EC61850 本身各種模型的細(xì)化、細(xì)化后的統(tǒng)一還在進(jìn)一步磨合過程中，

8 結(jié)論

　　IEC61850是國際電工技術(shù)委員會最新發(fā)布的變電站自動化規(guī)約，目的是為了統(tǒng)一目前紛雜的變電站自動化系統(tǒng)，增強(qiáng)自動化系統(tǒng)的開放性、交互性及可延伸性。該標(biāo)準(zhǔn)已用于通信的解耦，并通過變電站配置描述語言（SCL），為不同生產(chǎn)廠家的不同型號設(shè)備實現(xiàn)交互和集成提供了方式方法。

　　相較傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)，基于 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)變電站自動化產(chǎn)品在設(shè)備互操作性、信息接入和信息維護(hù)等方面都有傳統(tǒng)變電站不可比擬的優(yōu)勢, 并且已在國內(nèi)外變電站自動化和數(shù)字化領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將成為變電站自動化系統(tǒng)的重要的 發(fā)展趨勢。

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