IEC61850標準在220 kV三鄉數字化變電站的應用

吳 薇，馮劍波

（中山市電力工程有限公司，廣東 中山528400）

1 數字化變電站系統概述

數字化變電站是變電站自動化技術的發展方向，是一個不斷發展的過程，就目前技術發展現狀而言，數字化變電站是由電子式互感器、智能化開關等智能化一次設備、網絡化二次設備分層構建，建立在IEC61850通信規范基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。

IEC61850是新一代的變電站自動化系統的國際標準，它采用了面向對象的方法規范了數據的命名、數據定義、設備行為、設備的自描述特征，并且定義了通用配置語言。同傳統的IEC60870－5－103標準相比，它不僅僅是一個單純的通信規約，而是數字化變電站自動化系統的標準，它指導了變電站自動化的設計、開發、工程、維護等各個領域。該標準通過對變電站自動化系統中的對象統一建模，采用獨立于網絡結構的抽象通信服務接口，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現無縫連接。智能化一次設備和數字式變電站要求變電站自動化采用IEC61850標準。IEC61850是迄今最為完善的變電站自動化標準，它不僅規范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數字式CT、PT、智能式開關等一次設備的模型和通信接口。采用IEC61850國際標準可以大大提高變電站自動化技術水平和安全穩定運行水平，節約開發驗收維護的人力物力，實現完全的互操作。

1.1 系統構成

IEC61850標準（IEC61850－5）定義了變電站的通信接口，成為了數字化變電站系統構成的重要依據。目前國內一般將變電站自動化系統分為三層，分別是站控層、間隔層、過程層，智能化、數字化的變電站自動化系統延伸到一次設備。

1.2 系統模型

IEC61850標準建模思想最重要的特點是層次化、組件化和全面性。

（1）層次化、組件化的建模：整個廠站電氣自動化系統是由一組自動化裝置組成的，自動化裝置各自完成一定的功能，同時又相互協作，完成分布過程自動化功能。IEC61850標準規定一臺變電站自動化裝置內的信息抽象分成如下邏輯層次：服務器（Server）、邏輯設備（LogicDevice或簡稱LD）、邏輯節點（LogicNode或簡稱LN）以及數據（DATA）與數據屬性（DATAAttr）。這也就構成了IEC61850標準的基本的信息模型及通信服務模型。為了滿足變電站自動化功能對通信機制的某些特定需要，還進一步定義了各種信息交換服務。這種分層關系也可以用統一建模語言UML（Unified Modeling Language）的類圖來表示，如圖1所示。圖中同時標出了每層邏輯對象的主要“方法”（method）。變電站自動化系統是由自動化裝置、一次設備等各種物理設備組成的物理系統。從另一個角度，變電站自動化系統又可以用服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據對象等分層對象組成的邏輯系統來描述。物理系統中的自動化裝置和邏輯系統中的服務器之間存在一一對應關系。

（2）全面性的建模：IEC61850標準中變電站自動系統的邏輯接口定義為：①間隔層和變電站層之間保護數據接口；②間隔層與遠方保護之間保護數據接口；③間隔層裝置內數據接口；④過程層（如光電互感器）和間隔層之間瞬時數據（尤其是采樣數據）接口；⑤過程層和間隔層之間控制數據接口；⑥間隔和變電站層之間控制數據接口；⑦變電站層與遠方工程師站之間數據接口；⑧間隔之間數據接口；⑨變電站層內數據接口。從邏輯接口的定義可以看出，IEC61850標準是整個變電站電氣系統內的數據交換，包括功能之間可能的數據交換，而不只是裝置間的通信。因此IEC61850所建立的模型涵蓋整個變電站電氣自動化系統運行全過程的數據和功能。定義了約90個邏輯節點，覆蓋了變電站內的各種類型的保護、測控和其它自動化功能。

由此可見，在數字化變電站的設計和實現中不應僅僅從通信層面應用IEC61850，而應切實從提高系統的靈活性、可靠性、互操作性、經濟性等角度應用IEC61850。

圖1 IEC61850中變電站電氣自動化系統數據模型

1.3 對時方式

目前國內變電站自動化系統的對時方式多采用硬接點對時、IRIG－B對時、串口通信對時、網絡對時等方式。前兩種方式的對時誤差可小于100μs，但需要額外的對時連線；后兩種對時方式無需額外的對時連線，但對時精度則低于亞毫秒級（誤差大于100μs），甚至達到毫秒級。目前，變電站系統通信逐步采用以太網方式，網絡對時成為變電站自動化系統最為經濟方便的對時手段，但精度問題制約了網絡對時的應用。在數字化變電站中系統對時直接影響不同間隔甚至同一間隔內的狀態信息采集的效果，IEC61850定義了三個等級的采樣值同步精確度：T3、T4、T5。其中：T3等級的對時精度為25μs，用于配電線路保護；T4等級的對時精度為4μs，用于輸電線路保護；T5等級的對時精度為1μs，用于計量。均高于目前變電站自動化系統的對時精度要求。

2 基于IEC61850的RCS－9700三鄉數字化變電站系統結構

三鄉數字化系統是采用南京南瑞繼保公司的RCS9700監控系統、PCS900保護、PCS97XX測控、PCS997故障錄波器、PCS222智能就地裝置、RCS9698H遠動裝置、RCS9798B保信子站，該系統從整體上分為三層：站控層、間隔層和過程層（如圖2）。

圖2 220kV三鄉數字化變電站網絡結構圖

站控層包括監控主機、操作員工作站、維護工程師站等；RCS－9698H為遠動機，其功能是將變電站內信息應用于標準遠動規約和遠動通道，實現變電站信息向監控中心遠傳，并實現監控中心遠方控制；RCS－9798B為保護信息子站，其采集變電站內各種保護以及故障錄波信息，并向保護信息主站傳輸。遠動機、保護信息子站與后臺系統之間相互獨立，互不影響。所有站控層設備均采用100 M工業以太網，并按照IEC61850通信規范進行系統建模并進行信息傳輸。

間隔層主要包括PCS－900系列保護裝置、PCS－9700系列測控裝置以及其他智能設備。間隔層設備對站控層采用以太網通信方式。

變電站內還包括其他輔助設備和RCS－9794A通信裝置，其功能是將站內不支持IEC61850的智能設備（如UPS、直流屏等）轉換成能夠按照IEC61850標準進行通信；RCS－9785系列GPS對時設備，實現變電站內統一對時。

過程層的設備包括：將原有的110 kV及220 kV出線間隔的常規電壓抽取裝置（TYD）及常規電壓（PT）、電流互感器（CT）更換成南京新寧電氣公司生產的電子式電壓互感器（EVT）、電子式電流互感器（ECT）。EVT、ECT的輸出信號接至合并單元完成數據的同步和合并，同時合并單元為間隔層保護、測控、計量設備提供電流、電壓數字量；另外，通過在各間隔開關場增加一套智能就地單元的辦法，實現了適合本站特點的數字化改造。智能就地單元主要用于斷路器和刀閘的控制及信號量的采集。

3 220 kV三鄉數字化變電站工程的優勢

3.1 220 kV三鄉數字化變電站工程的優勢

（1）數字化改造可以大量減少變電站內控制電纜的數量，從而節約電纜成本；

（2）數字化改造采用了比電纜具有更好電磁兼容性能的光纜，使變電站內信號傳輸的可靠性顯著提高；

（3）使用數字信號能大大增加傳輸的帶寬和信息量。常規CT、PT更換為輸出數字信號的電子式互感器，電子式互感器沒有傳統互感器固有的TA斷線導致高壓危險、TA飽和影響差動保護、CVT暫態過程影響距離保護、鐵磁諧振、絕緣油爆炸、六氟化硫泄漏等問題。同時，電子式互感器大量的節約了鐵芯、銅線等金屬材料，與同電壓等級的傳統互感器相比具有明顯的經濟性，符合國家可持續性發展的目標。

3.2 三鄉站數字化改造過程中解決的幾大難題

（1）解決了不同廠家設備間的數據通訊問題。電壓、電流采集、傳輸都是由新寧公司設備實現，而保護、測控設備都是由南瑞繼保公司生產，如何實現兩個不同廠家設備之間的數據通訊是這次改造中碰到的首要難題。各相電壓、電流信號的采樣如何同步，數據傳輸過程中產生的延時如何處理，多路信號如何同步以及電流數字信號與模擬電流轉換數字信號后如何同步等問題在這次數字化改造過程中都得到了圓滿的解決。

（2）GOOSE網絡信號傳輸的問題。IEC61850定義了變電站的快速事件傳輸服務GOOSE。支持GOOSE的能力，也相應地開發出了支持GOOSE的高壓保護、智能操作箱、測控等裝置。通過GOOSE的應用可以減少保護、測控、錄波器等裝置之間的大量電纜連線，由于GOOSE可以通過通信過程不斷自檢，避免了傳統電纜回路故障無法發現的缺點，因此GOOSE可以提高變電站的可靠性，具有推廣應用的價值。故障錄波器也是通過從GOOSE網絡記錄開關量信息的。

（3）IEC61850建站模型的實現問題。IEC61850標準是迄今為止最為完善的變電站自動化標準。提供了完善的服務功能：報告服務（事件、遙測狀態上送）；歷史記錄上送；遙控、遙調；定值讀寫服務；錄波；保護故障報告；時間同步；文件傳輸；取代服務；快速事件傳送；采樣值傳送；IEC61850和以前使用的標準不同之處還在于面向對象的數據建模，它以服務器模型、邏輯設備模型、邏輯節點模型和數據對象模型建立了裝置和整個變電站的數據模型。

（4）常規變電站在不更換開關、刀閘設備的情況下實現數字化改造的問題。常規的開關、刀閘都是通過電纜傳輸控制信號，數字化變電站的特點是用數字網代替傳統的電纜，報文代替過去的電壓信號。

（5）在不能全站停電的情況下實現了母差的改造。母差子站設計可以實現模擬電流信號轉換成數字信號，解決了將改造前的模擬電流信號和改造后數字電流信號同時接入新母差的問題，從而可以在全站不停電的條件下，逐個實現間隔的數字化改造。

（6）在不使用套管CT后，實現了主變變高、變中開關能夠代路的問題。在傳統的主變保護CT接線方式中，主變變高、變中開關代路時必須使用主變套管CT。在三鄉改造時，由于主變套管更換成ECT的難度較大，因而主變保護全部使用開關CT。通過切換定值區使保護裝置在旁路開關與主變本側開關并列時可以計算它們的CT和電流的方法，實現了主變變高、變中開關在不使用套管CT的情況下能夠代路。

4 結束語

綜上所述，三鄉站數字化改造是探索數字化變電站的首次嘗試，它實現了常規變電站通過改造也能實現數字化的夢想，是IEC61850數字化建站模型的勇敢挑戰。從220 kV三鄉數字化變電站的建設和運行情況來看，應用IEC61850標準來建立開放式數字化變電站自動化系統是今后變電站自動化發展的趨勢。由于數字化變電站剛剛起步，在建設和運行中需要自動化專業、繼電保護專業和運行人員不斷積累經驗，解決技術方面出現的問題，完全將IEC61850標準貫徹到所有接入變電站設備，需要多方面的共同努力。