基于IEC 61850標準的水泥廠變配電監控工程

王暉，張思才，劉艾民

1 引言

變配電網絡監控與能源管理系統[1]是現代化水泥廠生產線控制系統的重要組成部分，能夠提供實時的廠區變配電監控數據，對可能出現的故障進行預報警，改善供電質量，降低電能損耗，提高供電的安全性和可靠性。另一方面，還可對水泥廠電能進行管理，以降低電耗，節約生產成本。

IEC61850標準[2]是由國際電工委員會（International Electrotechnical Commission）第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網絡和系統的國際標準。作為基于網絡通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準吸收了IEC60870系列標準[3]和UCA的經驗，同時吸收了很多先進的技術，對保護和控制等自動化產品和變電站自動化系統（SAS）的設計產生深刻的影響。IEC61850作為制定電力系統遠動無縫通信系統基礎能大幅度改善信息技術和自動化技術的設備數據集成，減少工程量、現場驗收、運行、監視、診斷和維護等費用，節約大量時間，增加自動化系統使用期間的靈活性。它解決了變配電自動化系統產品的互操作性和協議轉換問題。采用該標準還可使變配電自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，極大地方便了系統的集成，降低了變配電自動化系統的工程費用。

由于IEC61850標準能極大提高變配電自動化的技術水平、提升變配電監控與能源管理系統安全穩定運行水平、節約開發驗收維護的人力物力、實現完全的互操作性，所以，在歐美及一些海外背景的水泥工程項目，都要求變配電網絡監控與能源管理系統遵從IEC61850規約。鑒于此，本文提出一種集成在水泥廠DCS自動化控制系統中的符合IEC61850標準的變配電監控工程應用實施方案，為類似工程應用提供參考。

2 工程應用方案

本文提出的水泥廠變配電監控工程應用方案選用遵從IEC61850國際電力標準的施耐德ECI850 Sepam服務器[4]作為核心網關數據服務器，并基于其完成系統架構，以實現給水泥廠提供集成在工廠DCS自動化控制系統中符合IEC61850標準的變配電網絡監控系統與能源管理系統的需求。方案實施所用到的第三方工具包括施耐德SFT2841 ECI850組態軟件、串口調試軟件、Siemens SIMATIC PCS7[5]、IEC61850 Lib、IEC61850 Browser以及施耐德SFT850 ICD文件修改及通訊參數設備等。

圖1 變配電監控網絡架構

圖2 Ethernet&TCP/IP配置

本應用方案中，ECI850 Sepam服務器與DCS各控制器（PLC）之間采用工業以太網通訊，與配變電站自動化設備采用Profibus/Modbus(RS485/232)協議進行數據交換。在方案實施過程中，時鐘同步與高精度時間戳的歷史事件查詢，特別是各個開關設備先后動作（分、合閘）的歷史查詢是一個技術難點。在實際應用中，我們分別對具有時鐘同步功能的智能開關設備采用NTP協議的時鐘同步方案，對不具備時鐘同步功能的開關設備采用西門子SOE（高精度時間戳）的方案，并最終由中央歸檔服務器CAS統一歸檔以備歷史事件查詢。另外，為滿足所建監控系統對不同廠家智能開關電氣設備的兼容性，我們研究了施耐德ICD文件格式，設計了開放性的設備通訊接口申明文件格式和符合IEC61850標準的ICD文件格式。此外，我們根據施耐德ECI850提供的數據傳輸規約，用西門子機構化語言編輯器SCL創建了對應的功能塊FB，從而保證了與水泥廠DCS自動化控制系統的有效集成。

本變配電監控工程應用方案的具體實施過程如下所述。

2.1 變配電監控網絡設計

可將ECI850 Sepam服務器接入采取C/S架構的DCS水泥自動化系統（選用Siemens PCS7 V7.1 SP3），實現對水泥廠變配電資源的數字化監控和調度。整個變配電監控自動化系統網絡架構如圖1所示，對于水泥廠變配電監控調度部分，不再需要單獨配置工程師站及數據服務器，所有組態工作和數據服務都在水泥廠中控室的工程師站和服務器上統一進行。

2.2 ECI850 Sepam服務器組態

在工程師站上通過IE WEB訪問ECI850 Sepam服務器，設置IP地址與串口參數，分別如圖2和圖3所示。

然后，采用Schneider SFT2841 ECI850組態軟件組態ECI850 Sepam服務器及設置開關斷路器通訊參數，如圖4和圖5所示。

最后，編譯并下裝到ECI850 Sepam服務器。

2.3 開關設備ICD文件創建

創建開關設備的ICD（IEC61850配置文件）文件是變配電監控工程應用中的難點，也是能否實現IEC61850標準的關鍵。一般水泥廠的智能開關電氣設備型號多樣，如中壓柜斷路器和綜合繼電保護是施耐德電氣產品，MCC（Motor Control Center）柜智能斷路器是西門子電氣產品，變頻器的主斷路器（MCB）是ABB電氣產品，等等。部分由施耐德提供的智能開關設備能提供ICD文件，但是仍有大部分開關電氣設備不提供這類型的文件，目前也沒有這樣的ICD生成專有工具。因此，需要根據IEC61850標準將串口通訊協議RS232/485轉換成ICD文件。

在實際工程中，用串口調試軟件測試所需通訊變量地址，使用編輯器將變量地址及數據長度寫入以完成開關設備ICD文件的創建。

2.4 與水泥廠DCS控制系統集成

與水泥廠DCS系統的集成包括硬件網絡組態集成和軟件組態集成兩部分。對于硬件網絡組態集成，在PLC的硬件組態中添加SOE功能的網絡卡件，然后在西門子SIMATIC PCS7的網絡NetPro環境下，為PLC添加ISO TCP連接，如圖6所示。對于軟件組態集成，將西門子IEC 61850客戶端庫導入到工程項目庫中[6]，并根據施耐德ECI850提供的數據傳輸規約，用西門子結構化語言編輯器SCL創建功能塊FB。

3 實施效果及特點分析

依據上述應用方案，我們已在實際項目中成功為水泥廠提供了集成在工廠DCS中的變配電網絡監控系統與能源管理系統，實際項目中的變配電監控和能源管理報告分別如圖7和圖8所示。

圖3 串口參數配置

圖4 ECI850 Sepam服務器地址設置

圖5 開關設備ICD文件導入和地址分配

圖6 變配電監控網絡組態

圖7 變配電網絡監控操作界面

在方案實施過程中，針對變配電監控系統中時鐘同步與高精度時間戳歷史事件查詢的難點問題，采用了NTP時鐘同步協議與Siemens SOE（高精度時間戳）的解決方案，很好滿足了歷史事件查詢，特別是各個開關設備先后動作（分、合閘）的歷史查詢。方案采用ISO TCP與PLC的連接集成，沒有增加PLC總線掃描時間與負荷率，將各個開關設備的詳盡工作狀態信息實時完備地顯示并歸檔記錄在工廠DCS系統中，打破了Profibus單站設備通訊字節數244的限制。另外，實施方案中為非施耐德開關設備創建ICD文件，打破了ECI850只能應用于施耐德自身開關設備的限制，擴展了ECI850的應用范圍，使工廠變配電監控系統的兼容性得到極大提高。

在實施成本方面，該應用方案將變配電監控系統與水泥廠DCS系統集成，進一步減少了建設廠區變配電監控系統的資金投入和維護成本。根據目前對國內外工程現狀的調研結果可知，本文提出的工程應用實施方案所得的變配電監控系統與同類系統，如某些水泥廠單獨為變配電監控而投資開發的變配電計算機監控管理系統等相比，硬件投資少（僅需為每個電氣室或開關站配置一臺ECI850 Sepam服務器），不需要額外軟件投資（僅需要負擔自動化工程師的集成費用與ICD文件的創建費用），而統一通過水泥廠DCS系統來提供完備的變配電監控畫面、信息報警及精準的歷史歸檔功能，也更便于最終用戶的操作使用。

圖8 能源管理報告操作界面

目前，基于該實施方案的水泥廠變配電網絡監控系統與能源管理系統已成功應用于實際水泥工程項目，為水泥廠電氣安全及故障查詢、維護、檢修及診斷提供了符合IEC61850國際標準的變配電監控平臺，較大提升了水泥生產線自動化解決方案的附加值。

4 結語

隨著現代化水泥廠對供電安全性和可靠性的要求越來越高，為水泥廠提供配套的變配電網絡監控系統與能源管理系統已越來越成為水泥廠工程建設的一部分，本文在基于IEC61850標準的基礎上提出了一種集成在水泥廠DCS自動化控制系統中符合IEC61850標準的變配電監控工程應用實施方案，通過在具體水泥工程項目中的成功應用表明該方案實際可行。而且，依據該方案建設的變配電監控及能源管理系統在系統性能、兼容性、實施成本以及符合國際電力建設標準等方面與現有的同類變配電計算機監控管理系統相比具備優勢。該方案可推廣到同類規模的水泥廠中，以實現與工廠現有的監控系統無縫集成，提升同規模工廠自動化管理水平，為水泥廠的電力電氣提供強有力的事故安全分析、診斷維護平臺。

[1]楊紅梅,杜繼平.淺談水泥工廠變配電計算機監控管理系統[J].水泥技術.2011.

[2]W.S.Choi,C.H.Choi,J.H.Park,et al.The Study of Substation Automation Systems Based on IEC 61850[G].International Conference on Electrical Machines and Systems.2011.

[3]G.Z.Han,B.Y.Xu,et al.IEC 61850-based Feeder Terminal Unit Modeling and Mapping to IEC 60870-5-104[S].IEEE Transactionson Power Delivery.V 27,n 4,p 2046-2053,2012.

[4]User Manual of Sepam IEC61850 Communication.Schneider Electric.2009.

[5]Siemens PCS7 System Architecture.Siemens AG.2012.

[6]User Manual of PCS7 V7.1 Client Library IEC61850.Siemens AG.2009.■