IEC 61850在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

景乾明 ，薛海平 ，曹衛(wèi)國(guó) ，葉 周

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和電力工業(yè)的高速發(fā)展，電網(wǎng)正面臨著空前的發(fā)展局面，而直流輸電在電網(wǎng)發(fā)展中占有非常重要的位置。直流輸電電壓等級(jí)和輸電容量的不斷擴(kuò)大，使得實(shí)時(shí)信息傳送量成倍增多，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信提出了更高的要求。傳輸規(guī)約和傳輸網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，是實(shí)現(xiàn)可靠快速通信的保證[1]。

考慮到通信技術(shù)發(fā)展很快，即使最新制訂出的通信標(biāo)準(zhǔn)也不一定能代表出版時(shí)的最新技術(shù)[2]。為此，IEC 61850基于電力系統(tǒng)的服務(wù)和對(duì)象定義了獨(dú)立于具體通信技術(shù)的抽象通信服務(wù)接口（ACSI），并為不同的應(yīng)用制定不同通信服務(wù)映射（SCSM）。將IEC 61850的應(yīng)用推廣至直流輸電系統(tǒng)中，可以解決專(zhuān)用或自定義通信協(xié)議帶來(lái)的設(shè)備接入困難和信息共享困難等問(wèn)題，更可提高換流站的數(shù)字化水平，促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作性。

1 直流輸電系統(tǒng)的通信要求

直流控制保護(hù)信號(hào)具有信息量大、采樣復(fù)雜、相互配合多等特點(diǎn)，因此對(duì)系統(tǒng)通信提出了可靠、安全、準(zhǔn)確、快速、冗余的要求。無(wú)論是通信線(xiàn)路還是通信接口都應(yīng)充分滿(mǎn)足直流系統(tǒng)運(yùn)行的要求，而直流控制系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足在通信故障情況下和無(wú)通信情況下直流系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行。

（1）實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性是直流輸電系統(tǒng)首先考慮的問(wèn)題。對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。要求數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)能及時(shí)地傳輸現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和操作控制信息。直流輸電控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于等于10 ms，因此，通信模塊必須能夠保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。

（2）準(zhǔn)確性。由于直流輸電系統(tǒng)是連續(xù)運(yùn)行的，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)必須連續(xù)、可靠地運(yùn)行，通信網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性會(huì)影響整個(gè)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行。

（3）冗余性。為了保證直流輸電系統(tǒng)的安全性和可靠性，直流控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備層和通信層都進(jìn)行了冗余配置。網(wǎng)絡(luò)冗余是提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力的主要手段[3]，要求通信模塊能夠自動(dòng)檢測(cè)和判別網(wǎng)絡(luò)故障，并及時(shí)、快速地進(jìn)行自動(dòng)切換。

2 IEC 61850在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了保證IEC 61850在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用和推廣，在進(jìn)行IEC 61850的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)規(guī)范；

（2）對(duì)整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的體系、功能、技術(shù)等方面作出審視和規(guī)范；

（3）對(duì)IEC 61850的各項(xiàng)規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)裁剪和擴(kuò)展，符合直流輸電系統(tǒng)。

（4）IEC 61850對(duì)直流輸電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一建模。

2.1 基于IEC 61850的裝置建模方法

為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通信的要求，IEC 61850提供了建立通信數(shù)據(jù)模型的方法。在天廣直流改造工程中，基于直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，將換流站內(nèi)的每一臺(tái)直流主機(jī)（即直流控制保護(hù)裝置），例如直流站控DCC、極控PCP、極保護(hù)PPR、交流站控ACC等，作為一個(gè)整體建模。每個(gè)實(shí)際裝置就是一個(gè)智能電子設(shè)備（IED），直流應(yīng)用中的每一種獨(dú)立功能可定義為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例，根據(jù)直流主機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)和分布，通常一個(gè)IED由若干個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例構(gòu)成。每一個(gè)IED均由服務(wù)器和應(yīng)用組成，服務(wù)器（Server）可分層為邏輯裝置（LogicalDevice），邏輯節(jié)點(diǎn)（LogicalNode），數(shù)據(jù)對(duì)象（DataObject），數(shù)據(jù)屬性（DataAttributes）[4]。服務(wù)器（即IED的通信接口）通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)接入至通信網(wǎng)絡(luò)，功能類(lèi)似的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例與服務(wù)構(gòu)成了邏輯裝置，直流主機(jī)的信號(hào)信息存儲(chǔ)在邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例下的數(shù)據(jù)對(duì)象中。

以天廣直流改造工程中的交流站控裝置為例，該設(shè)備由2個(gè)邏輯裝置組成，可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器下的這些功能和數(shù)據(jù)。如圖1所示。基于直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)和重要性，交流站控主機(jī)進(jìn)行了完全雙重化配置，所以圖1中的IED1和IED2是完全冗余的、互為主備的2個(gè)裝置，它們的信息模型是完全一致的。

圖1 天廣直流改造工程的某交流站控IED信息模型

圖1中給出了由高壓設(shè)備斷路器CB、隔離刀閘DS、接地刀閘ES和電流互感器（TA）組成的交流場(chǎng)的某個(gè)間隔。交流站控設(shè)備IED1和IED2分別采集一次設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)信息。由于IED1和IED2的信息模型是完全一致的，現(xiàn)以IED1為例進(jìn)行信息模型的說(shuō)明。

IED1是由2個(gè)邏輯裝置DSP和MAINCPU組成。邏輯裝置DSP主要是進(jìn)行模擬量的采集、計(jì)算和相關(guān)邏輯處理。DSP包含3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，分別為MACM，ESUP，SSPS。MACM為模擬量采集和計(jì)算功能塊，采集一次設(shè)備的測(cè)量量并進(jìn)行計(jì)算處理；ESUP和SSPS為邏輯處理功能塊，將計(jì)算后的測(cè)量量進(jìn)行邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的事件信息。邏輯裝置MAINCPU主要是進(jìn)行狀態(tài)量的采集、計(jì)算和相關(guān)邏輯處理。MAINCPU包含10個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，分別為ESUP，CSUP，XACB，EACB，XADS，EADS，XAES，EAES，QAYC，CSWL。ESUP 為系統(tǒng)監(jiān)視功能塊，監(jiān)視系統(tǒng)的故障狀態(tài) （設(shè)備運(yùn)行情況）；CSUP為系統(tǒng)控制功能塊，進(jìn)行故障狀態(tài)的邏輯切換處理；XACB為交流場(chǎng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)視功能塊，采集斷路器的狀態(tài)并進(jìn)行處理；EACB為交流場(chǎng)開(kāi)關(guān)控制功能塊，對(duì)斷路器進(jìn)行控制操作；XADS為交流場(chǎng)刀閘狀態(tài)監(jiān)視功能塊，采集隔離刀閘的狀態(tài)并進(jìn)行處理；EADS為交流場(chǎng)刀閘控制功能塊，對(duì)隔離刀閘進(jìn)行控制操作；XADS為交流場(chǎng)地刀狀態(tài)監(jiān)視功能塊，采集接地刀閘的狀態(tài)并進(jìn)行處理；EADS為交流場(chǎng)地刀控制功能塊，對(duì)接地刀閘進(jìn)行控制操作；QAYC為系統(tǒng)間通訊監(jiān)視功能塊，監(jiān)視冗余設(shè)備間的通訊狀態(tài)；CSWL為設(shè)備狀態(tài)切換功能塊，進(jìn)行冗余設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)邏輯切換處理。

IED與一次設(shè)備之間的連接由虛線(xiàn)表示，如圖1所示。單箭頭實(shí)線(xiàn)為各邏輯節(jié)點(diǎn)之間的邏輯連接，表明相連的邏輯節(jié)點(diǎn)之間有信息交換，雙箭頭實(shí)線(xiàn)給出了IED1和 IED2之間的物理連接，IED1和IED2通過(guò)LAN連接，實(shí)現(xiàn)信息的交互和監(jiān)視。

2.2 基于IEC 61850的通信冗余處理方法

在直流輸電系統(tǒng)中，為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，站控層進(jìn)行了冗余配置。早期的直流輸電系統(tǒng)，其通信冗余處理采用單環(huán)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，TCP/IP協(xié)議使用了虛擬網(wǎng)絡(luò)鏡像 （虛擬IP地址）技術(shù)，2個(gè)不同的物理網(wǎng)絡(luò)使用單一IP地址，而采用的通信規(guī)約為60870-5-103或104規(guī)約。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于IEC 61850的雙星形網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為通信冗余實(shí)施方案的主流。雙星形網(wǎng)絡(luò)使用獨(dú)立子網(wǎng)IP地址進(jìn)行通信。雙星形獨(dú)立子網(wǎng)的通信冗余的具體實(shí)現(xiàn)是：IED之間使用雙星形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，IED雙網(wǎng)口使用不同的子網(wǎng)IP地址分別接入對(duì)應(yīng)的MMS（Manufacturing Message Specification）通信網(wǎng)絡(luò)，IED（服務(wù)器）提供MMS服務(wù)，監(jiān)控系統(tǒng)（客戶(hù)端）的雙網(wǎng)口也分別連接在對(duì)應(yīng)的MMS通信網(wǎng)絡(luò)，客戶(hù)端享有服務(wù)器的服務(wù)。天廣直流改造工程中的IED與監(jiān)控系統(tǒng)間的通信層正是按照雙星形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建的，如圖2所示。圖2的下半部分為IED，服務(wù)器和工作站屬于監(jiān)控系統(tǒng)。

在這種通信冗余結(jié)構(gòu)中，天廣直流改造工程采用了雙網(wǎng)熱備用模式進(jìn)行通信冗余處理。在雙網(wǎng)熱備用模式下，雙網(wǎng)綁定同一報(bào)告實(shí)例，監(jiān)控系統(tǒng)和IED之間的A網(wǎng)正常發(fā)送報(bào)告和MMS請(qǐng)求應(yīng)答服務(wù)，B網(wǎng)只保持連接。當(dāng)A網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，IED通過(guò)TCP_KEEPALIVE參數(shù)判斷網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，置對(duì)應(yīng)的報(bào)告控制塊實(shí)例的使能標(biāo)志為FALSE，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送心跳報(bào)文等手段也判斷出A網(wǎng)故障并且IED的報(bào)告控制塊實(shí)例的使能標(biāo)志為FALSE，監(jiān)控系統(tǒng)置同一個(gè)報(bào)告控制塊實(shí)例的使能標(biāo)志為T(mén)RUE，利用BRCB的緩沖功能在B網(wǎng)發(fā)送報(bào)告，可以實(shí)現(xiàn)重要信息無(wú)丟失的網(wǎng)絡(luò)切換。但是，在單網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，判斷網(wǎng)絡(luò)的故障需要一定周期，此時(shí)如果發(fā)生電力系統(tǒng)故障，不能及時(shí)上送報(bào)告給監(jiān)控系統(tǒng)，不能做到無(wú)縫切換。

圖2 天廣直流改造工程的站LAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

基于雙網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的規(guī)范、客戶(hù)端的特殊處理、裝置實(shí)現(xiàn)的難易等因素，MMS雙網(wǎng)冗余機(jī)制建議采用雙網(wǎng)熱備用模式，同時(shí)雙網(wǎng)熱備用方案需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合天廣直流改造工程，重點(diǎn)從裝置建模和站控層通信冗余處理兩個(gè)方面闡述了IEC 61850在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前，IEC 61850已成功應(yīng)用于天廣直流改造工程，其穩(wěn)定性和可靠性都得到了很好的工程檢驗(yàn)。IEC 61850對(duì)于現(xiàn)在和將來(lái)直流輸電系統(tǒng)的數(shù)字化化技術(shù)發(fā)展方向都將產(chǎn)生重大的影響,因此有必要繼續(xù)對(duì)它進(jìn)行深入分析和研究，同時(shí)需要進(jìn)一步將IEC 61850在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

[1]茹 鋒，夏成軍，許 揚(yáng).IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].江蘇電機(jī)工程，2004，23(3)：8-12.

[2]徐禮葆，劉寶志，郝燕麗.開(kāi)放式數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的討論[J]. 繼電器，2004，32(6)：40-43.

[3]竇曉波，胡敏強(qiáng)，吳在軍，等.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的組建與冗余方案[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28(1)：38-42.

[4]張 結(jié)，盧德宏.IEC 61850的語(yǔ)義空間研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(11)：45-48.