基于61850標準的數字化變電站自動化系統的設計與實現

阿城繼電器股份有限公司 宮獻業

1.引言

隨著電力技術的不斷發展，電力系統對變電站自動化的要求程度越來越高，為了方便變電站中各種IED的管理以及設備間互聯，就需要一種通用的通信方式來實現。IEC61850標準提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化形成一個規范的輸出，能夠使系統無縫連接，為此一種新型的基于61850標準的數字化變電站綜合自動化系統的設計與實現便成了當前電力系統發展的研究趨勢。本文將對一個新型的數字化變電站綜自系統按分層分布式的結構化設計、優化的對象建模方式以及圖形化編程技術等進行全面的闡述。

2.61850標準簡介

61850標準是基于美國UCA2.0標準在此基礎上又有所發展的國際標準，其主要特點是：面向設備，面向對象建模，面向應用開放的完善的自我描述；采用抽象通信服務接口，網絡的應用層協議和網絡傳輸層協議獨立；具有符合電力系統特點的通信服務，信息對象在信息源處唯一定義，數據對象統一建模；采用XML的配置技術等。

3.系統組成及特點

數字化變電站自動化系統采用分層分布式結構和先進的IEC61850網絡通信方案，具有高速的通信速率，整個系統分為三層：站控層、間隔層、過程層。

3.1 站控層

站控層主網采用IEC61850以太網通信機制，通過監控主機（操作員站）、IEC61850通信管理機、通信交換機等實現站控層子系統。監控主機及軟件冗余配置，防止硬件故障造成數據丟失和不可用。

3.2 間隔層

間隔層由具有保護測控功能的IED組成，全面支持IEC61850各通信服務模型，利用GOOSE通信實現了間隔層聯鎖。實現了變電站信息共享及設備間的互操作性，簡化了系統維護、配置和工程實施。

3.3 過程層

過程層主要完成開關量I/O、模擬量采樣和控制命令的發送等與一次設備相關的功能，通過網絡與間隔層連接。

3.4 GOOSE實現方案

面向通用對象的變電站事件（GO-OSE）模型是IEC61850在智能變電站中的一個重要應用，采用發布者/訂閱者通信結構，支持多個通信節點之間的點對點直接通信，是一個或多個數據源（即發布者）向多個接收者（即訂閱者）發送數據的最佳方案，尤其適合于數據流量大且實時性要求高的數據通信。

GOOSE模型是一種快速報文傳輸服務，報文傳輸直接由應用層到表示層，經抽象語法符號ASN.1編碼后，不經TCP/IP協議，直接映射到數據鏈路層和物理層，目的是為避免通信堆棧造成傳輸延時。為了保證實時性和可靠性，GOOSE報文傳輸不需要回執確認，而是采用順序重發機制，重發過程如下圖所示。

采用GOOSE模型后，繼電保護裝置通過網絡傳輸跳閘和裝置之間的啟動閉鎖信號，替代了傳統智能電子設備（IED）間硬接線。

在上圖中，T0為在沒有事件發生時，由發布方定期發送的心跳報文的時間間隔。（T0)為由于事件發生導致變短的時間間隔，T1為事件發生后最短的重發時間間隔，T2、T3為再次回到穩定狀態前的重發時間間隔。

GOOSE模型還引入了報文存活時間（timeAllowedToLive）、事件序列計數器（SqNum)、狀態改變計時器（StNum)、狀態改變時刻（T)等狀態參數。報文存活時間提示訂閱者等待下一報文到來的最長時間。如果等待時間大于timeAllowedToLive值仍未收到有效報文時，訂閱者認為通信發生故障，發出告警信號。

事件序列計數器指GOOSE報文傳輸次數計數器，訂閱者通過SqNum能夠確認報文傳輸無漏包。狀態改變計數器當有新事件產生計數加1.

3.5 數字化變電站的工程實施

IEC61850標準不僅僅是變電站通信的標準，而且是一個全變電站集成和實施的標準。標準對工程實施的過程、支持工具、組態配置提出了詳細的要求。通過IED配置工具生成裝置的描述文件ICD文件（為XML標準格式）。ICD文件描述裝置的數據模型和能力，如包括那些邏輯設備、邏輯節點、數據類型的定義、數據集定義、控制塊定義、裝置通信能力和參數的描述。

在工程實施過程中，通過系統配置工具生成變電站一次系統的描述文件SSD文件（為XML標準格式）。包括一次系統的單線圖、一次設備的邏輯節點、邏輯節點的類型定義等。以變電站包含的各種類型的二次設備的ICD文件和變電站的SSD文件為輸入，通過SCD配置工具生成變電站的數據SCD文件，包含變電站一次系統配置、二次設備配置和網絡參數配置。

利用配置工具從SCD文件中導出裝置運行所需的CID文件，下載到裝置中滿足變電站的運行需求。

4.間隔層IED裝置的實現方案

4.1 硬件軟件通用平臺

系統間隔層裝置硬件平臺設計時，要充分考慮數字化變電站的特點和要求，根據當前電力系統的發展潮流，采用高性能的雙CPU硬件系統，配備大量的外圍資源，核心處理器選用工業級高性能嵌入式微處理器，具有快速的數據運算處理能力、整個硬件系統配備豐富的可用資源滿足系統運行需求。

4.2 圖形化編程

數字化變電站自動化系統中IED的應用圖形化編程方式極大的簡化了對IED的配置和維護工作，且可靈活組態。對遵循IEC61131-3標準的圖形化編程和基于IEC61850面向對象的設計思想下的參數關聯和數據結構設計是實現圖形化編程與IED數據處理的技術關鍵。

模擬量、開關量、定值都是繼電保護圖元元件的參數，通過點擊圖形界面上圖元的引腳屬性，可以選擇模擬量通道、開關量輸入輸出通道、定值等項。IED裝置在軟件實現時，在內存中開辟了公用的模擬量、開關量、定值等數據區。

4.3 IEC61850通信模型實現

數字化變電站自動化系統支持IEC61850抽象通信服務模型，包括：服務器模型、應用連接模型、邏輯設備模型、邏輯節點模型、數據類模型、數據集模型、定值控制塊模型、報告控制塊模型、日志控制塊模型、控制模型。

裝置上電讀取IED模型配置文件，完成VMD創建。其中包括邏輯節點、數據集、定值控制塊、報告控制塊、日志控制塊、控制模型等。同時完成IEC61850通信數據和保護功能數據之間的映射。

4.3.1 報告控制塊的實現方式

緩存報告控制塊BRCB用來處理間隔層設備的大部分狀態信息、SOE信息、告警等事件信息，滿足了事件驅動的許多緊迫要求，完成向監控系統傳輸事件的功能。緩存報告模型在軟件實現上分為事件監視、報告處理和報告控制三部分。當報告模型所監視的數據集功能約束數據發生變化時，事件監視部分檢測到數據變化，通過消息傳遞機制，將消息傳送至報告處理部分，報告處理部分通過報告控制塊屬性填充報告內容，進行高效編碼后，傳送至客戶端。

緩存報告控制塊在完成事件觸發的同時，還可實現客戶端總啟動和完整性周期掃描，對數據集數據進行監視，可有效的利用帶寬。

非緩存報告控制塊用來處理模擬數據，完成測量數據的主動上送。

4.3.2 定值控制塊的實現方式

定值控制塊用來實現對裝置定值區和定值的管理，實現了獲取當前定值組、編輯定值區和激活定值區的切換、定值讀寫等功能。客戶在修改某組定值時，首先將該組定值調到編輯緩沖區，當確認修改后，檢查所修改定值的有效性，確定所修改內容有效后，定值控制塊模型將編輯區的內容復制到實際存儲區。

4.3.3 控制模型的實現方式

控制模型分為常規安全的直接控制、常規安全的操作前選擇控制、增強安全的直接控制、增強安全的操作前選擇控制。每種控制模型都采用了不同的狀態機。針對不同IED裝置中遙控的執行方式選擇不同的模型。采用的控制方式在裝置的模型配置文件中進行預配置，通過通信服務參數的不同，執行相應的功能。

5.結語

本分討論的新型數字化變電站自動化系統采用了先進的硬件平臺，建立在IEC61850通信標準之上，采用了諸如面向對象建模、抽象通信服務接口、強大的過程層通信等許多全新而前瞻性的技術，為數字化變電站的工程設計、應用、調試提供了全面的技術支持，為我國數字化變電站的普及和推廣做出了貢獻。

[1]IEC 61850-5變電站通信網絡和系統:功能通信要求和裝置模型.

[2]IEC 61850-6變電站通信網絡和系統:與變電站有關的IED通信配置描述語言.

[3]IEC 61850-7變電站通信網絡和系統:抽象通信服務接口ACSI.

[4]IEC 61850-8變電站通信網絡和系統:特定通信服務映射SCSM.

[5]殷志良,劉萬順等.基于IEC61850的統統變電站事件模型[J].電力系統自動化,2005,29(19):45-49.

[6]吳在軍,胡敏強.基于IEC61850標準的變電站自動化系統研究[J].電網技術,2003,27(10):61-65.

[7]高翔.數字化變電站應用技術[M].北京:中國電力出版社,2008.