張 巖1，張 璇2
（1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，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備以及提供了系統(tǒng)控制、繼電保護、監(jiān)視監(jiān)控等的現(xiàn)代通信網(wǎng)絡的新型電力系統(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)展與應用。闡述了為解決上述問題而產(chǎn)生的IEC61850標準的優(yōu)勢，以及對現(xiàn)代變電自動化系統(tǒng)的重要影響，并簡單探究了應用IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢。
關鍵詞： 變電站自動化系統(tǒng)；智能電子設備；IEC61850；繼電保護
0 引言
在變電站自動化系統(tǒng)中，能否準確地實現(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)廠家的智能電子設備是否可以整體運行。從工程管理角度分析，良好的整體運行意味著各種電子設備聯(lián)結使用時可以比獨自運行產(chǎn)生更好更優(yōu)的結果。而在電力系統(tǒng)高電壓等級的變電站中，各類、不同生產(chǎn)廠家的電子設備在繼電保護與自動化控制中的相互協(xié)調(diào)作用是尤為關鍵和必要的。然而不同的生產(chǎn)廠家的設備無法統(tǒng)一相同的協(xié)議，這給系統(tǒng)的整體運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)服務多年，每家都擁有著自己設備型號獨自的規(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)字繼電保護裝置的通信問題。即使如此，這套標準受限于不同協(xié)議之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率問題，仍存在較大的改進空間。為了進一步改善、規(guī)范變電站自動化系統(tǒng)各設備間的互操作性、信息接入和信息維護等方面的問題，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)上應用IEC61850進行探究。
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：
（1）設備的互操作性 :不同生產(chǎn)廠家的智能電子設備具備信息交換、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 ,各功能可在不同設備間自由分配；
（4）建立在面向對象導向的數(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向模型；
（5）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，適應通信技術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構形式。
電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)位于遠程終端，其數(shù)據(jù)通信處于IEC61850垂直層的站層，SCADA連接有遠方控制中心、工程師站及人機界面，具有控制監(jiān)控的權限，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有終端-服務器模型，用以協(xié)調(diào)兩層之間的通信；位于間隔層的智能電子設備作為服務器進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器，而終端通常依據(jù)各類情況發(fā)布控制指令進行各類設備的操作。在IEC61850規(guī)約平臺下，終端-服務器模型具有較快的傳輸速度與效率，并且可以同時進行多線程指令操作。
隨著電子式互感器、智能化一次設備的逐步采用 ,現(xiàn)代電力技術的發(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)多種功能的同時運行。典型的數(shù)據(jù)傳輸有：線路保護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。出于這樣的考慮，終端-服務器模型已經(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備中，帶有輔助繼電器功能的銅導線以及串行網(wǎng)絡被應用于數(shù)據(jù)傳輸中，不同智能電子設備之間也通過水平層通信進行數(shù)據(jù)交換[3]。
基于此種類型的數(shù)據(jù)交換，多個智能電子設備通過串行網(wǎng)絡相連，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備器件之間傳遞信息。
4 IEC61850的過程層連接架構
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)與高壓電器設備的數(shù)據(jù)交互，例如：
電流、電壓波形；開關、刀閘變位狀態(tài)；控制指令。
數(shù)據(jù)交互通過銅導線或串行通信網(wǎng)絡實現(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發(fā)給間隔層設備使用。其中關鍵數(shù)據(jù)通過GOOSE信號傳遞，例如繼電保護裝置對斷路器發(fā)送的觸發(fā)信號；非關鍵數(shù)據(jù)則通過終端-服務器模型傳送，例如SCADA應用。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），以擴展標記語言（XML）為基礎，描述了智能電子設備與通信系統(tǒng)的配置信息，實現(xiàn)了智能電子設備與自動化系統(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)及智能電子設備的控制與維護。同時SCL用于描述通信相關的IED配置和參數(shù)、通信系統(tǒng)結構、開關間隔結構及它們之間的關系。
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，通過擴展名區(qū)分[4]。
（1）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、一次設備等信息，文件包括變電站描述、數(shù)據(jù)類型模板等。
（2）ICD文件－IED能力描述文件IED Capability Description，與IED一一對應，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。
（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)。
（4）CID文件－IED配置描述文件Configured?IED?Description，跟ICD一樣與IED一一對應，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)結構
如圖2所示，傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)主要由以下結構組成：實現(xiàn)各種功能的智能電子設備；并行硬線連接的智能電子設備與一次設備；應用于控制及繼電保護的智能電子設備串行通信；網(wǎng)關與網(wǎng)絡控制中心采用串行連接；繼電保護單元、控制單元。
間隔層的設備主要實現(xiàn)繼電保護、自動化控制、遠程錄波、時間同步等功能；站層的設備主要實現(xiàn)與遠程控制中心的通信、時間報警、數(shù)據(jù)監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測等功能[5]。
6.2 應用IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)結構
如圖3所示，應用IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)主要包括以下結構組成：各類功能的智能電子設備；智能電子設備與一次設備在IEC61850-9-1與IEC61850-9-2協(xié)議基礎上，通過串行通信連接；智能電子設備與遠程控制、人機界面等站層基于IEC61850-8-1協(xié)議通過串行通信連接；網(wǎng)關與網(wǎng)絡控制中心通過串行通信連接。
間隔層主要包括：繼電保護裝置、控制裝置、擾動記錄器、數(shù)據(jù)采集裝置等；
站層主要包括：遠程控制中心通信、支路通信、站層人機互動界面、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)部分功能進行了對比[3]。
7 基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)的應用
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)正廣泛應用試點，但IEC61850 本身各種模型的細化、細化后的統(tǒng)一還在進一步磨合過程中，
8 結論
IEC61850是國際電工技術委員會最新發(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)，增強自動化系統(tǒng)的開放性、交互性及可延伸性。該標準已用于通信的解耦，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標準變電站自動化產(chǎn)品在設備互操作性、信息接入和信息維護等方面都有傳統(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)字化領域得到成功應用。 IEC61850標準將成為變電站自動化系統(tǒng)的重要的 發(fā)展趨勢。
參考文獻
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