IEC61850在變電站工程的應用

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(廣西大學電氣工程學院，廣西　南寧　530004)

1　引言

20世紀90年代以后，變電站自動化技術快速發展，涌現出了大量的保護裝置的生產廠家，變電站內存在了大量由不同廠家提供的智能保護設備，每個廠家分別都有自己的一套通信標準，造成變電站內信息的不匹配，浪費了大量的資源，使得變電站設備信息不能很好地整合在一起。既造成了資源的浪費，同時也給廠家，管理人員和操作人員帶來了不必要的麻煩[1-3]。為了適應數字化變電站發展的需要，國際電工委員會參考了現有的相關標準如：IEC60870-5-101遠動通信協議標準；IEC870-5-103繼電保護接口標準；由美國電力科學研究院制定的變電站和饋線設備通信協議體系(UCA2.0)，決定將以UCA2.0數據模型和服務為基礎，將UCA的研究結果納入IEC標準，建立世界范圍的統一標準IEC 61850。

IEC61850實現了系統的配置管理，對映射的網絡方法、網絡和數據對象進行了統一的建模，是一套比較完整的變電站自動化通信標準體系。智能變電站對IEC61850的數據傳輸提出了網絡數據傳輸實現無縫的要求，為無縫通信系統傳輸協議在智能變電站的發展奠定基礎，避免了繁瑣的協議轉換，實現了IED(智能電子設備)間的互操作[4]。因此，對故障信息處理系統軟件的開發有著重要的指導作用，我們將在實際中積極采用IEC61850標準[5]。

2　IEC 61850構成

若IEC61850系列標準IEC61850-1至IEC61850-10共14個分冊(部分)構成，從邏輯上分為6大類，分別從這六大類對IEC61850作了全面而詳細的闡述，如表1所示。

表1　IEC61850標準系統組成

2.1　IEC61850定義的通信接口模型

IEC618150定義了變電站的3層通信接口模型，如圖1所示。除了傳統的變電站層和間隔層外，將采用數字化接口的一次設備定義為過程層。

圖1　IEC變電站三層通信接口模型

IEC61850定義了變電站設備之間的通信接口關系，包括變電站層、間隔層和過程層，這三層之間的通信接口是實現不同設備信息傳輸的基礎，如表2所示。這三層通信模型，IEC61850涵蓋了所有現在和將來變電站自動化的通信要求。

表2　IEC61850定義的三層通信接口關系

2.2　IEC 61850定義的信息模型

IEC61850按照分層原則定義信息模型，如圖2所示。服務器向下級眾多邏輯設備傳輸命令，它是一個功能節點。邏輯設備管理各個邏輯節點，邏輯節點之間通過邏輯連接交換數據，而邏輯節點實現數據的采集。

圖2　IEC61850所定義的信息模型層次

基于IEC61850的功能，變電站自動化系統采用分層結構，將其分為站控層、間隔層、過程層；同一功能可以分布在不同廠家的物理設備之間，而且在物理上自由分布；邏輯節點可以理解為功能分解的最小單元，邏輯節點之間的連接稱為邏輯連接，一個物理連接可以包含多個邏輯連接。

2.3　IEC61850使用的通信協議和網絡

IEC61850對通信服務采用了分層定義的方法。將變電站內部網絡進行所需服務的定義，形成通信服務接口(ACSI)這些定義與底層網絡和協議沒有關系，所以具有通用性和穩定性，是面向未來的[6-10]。目前IEC61850-8-1定義了ACSI到MMS之間的映射關系，稱為特定通信服務映射(SCSM)，其關系如圖3所示。

圖3　ACSI與SCSM的關系

抽象通信服務接口(ACSI)分為以下9類：關聯服務、信息模型服務、定值組服務、主動上送的報告服務、日志服務、快速報文服務、采樣值服務、對時和文件服務。

2.4　IEC 61850的一致性檢測

為了檢測開發的智能電子設備(IED)是否符合IEC61850標準，IEC61850-10定義了一致性測試的程序、內容以及測驗項目。設備的一致性是其實現互操作的基礎[11]。目前，IEC61850只定義了針對服務器端的一致性測試要求。IEC61850的一致性測試主要包括：配置文件的測試項、數據模型的測試項和ACSI服務測試項，每種ACSI服務的測試項應分別進行肯定和否定兩種測試。

3　IEC 61850在變電站工程的應用

3.1　220kV塘步站設計

(1)工程簡介

為了實現IEC61850在廣西電網自動化系統中的實際應用，220kV塘步站進行了以下工程應用研究：采用國內5家不同制造廠商的保護和測控設備，驗證IEC61850的統一建模和互操作性研究；引入220kV智能操作箱，安裝在保護小室，代替傳統的操作箱，研究面向通用對象的變電站事件(GOOSE，Generic Object Oriented Substation Event)機制在繼電保護的應用，為GOOSE機制能夠廣泛應用于繼電保護提供工程運行經驗[12-14]；研究不同網絡結構的特點，測試網絡結構的可靠性、實時性和優先傳輸機制等內容。基于IEC61850標準的三層架構的變電站自動化系統如圖4所示。

圖4　三層結構IEC61850變電站結構見圖

(2)網絡結構

220kV塘步站自動化系統采用環網結構，如圖4所示。所有IED通過100Mbit/s多模光纖就近接入控制小室的工業級以太網交換機。在交換機處配置靜態VLAN和流量控制，以合理的網絡配置保證GOOSE報文在網絡傳輸中的實時性和可靠性。

從圖5可知，交換機組成兩個環都連接到交換機1與2上，兩個環的連接光纜分別用紅色與藍色表示并取不同電源供電，粗線表示經過室外的鎧裝光纜，細線表示屏內尾纜，虛線表示環網邏輯節點。

圖5　塘步站自動化系統結構

站控層主機通過電口與交換機相連；間隔層每個測控IED通過一個光口與交換機相連；保護GOOSE采用雙網冗余，存在保護GOOSE收發的保護IED通過三個光口連接到網絡上，第一個光口主要傳輸MMS報文，其他兩個光口傳輸GOOSE報文，并分別接入到兩個不同的環網，以提高GOOSE報文的網絡冗余性[15]。

(3)互操作性研究

制定IEC61850的一個最主要目的就是為了實現不同廠家設備之間的互操作性，但是國內外的多次互操作性試驗表明IEC61850仍然只是設備之間實現互操作性的基礎，設備互操作仍然與項目目標和IEC61850技術應用存在密切關系。如產品實現互操作性目標的不同對于IEC61850應用的方法可能不同等等。因此工程不僅需要研究變電站二次設備的互操作性，還需要研究語義的互操作性，將工程配置語言與設計語言統一。采用標準統一的工程語言師確保實現二次設備互操作性的重要措施。

為了驗證IEC61850互操作性，塘步站工程采用國內5家廠家提供的56臺符合IEC61850的智能設備，加上系統主機(兼人機工作站)、遠動通信裝置、保護子站、工程師工作站、網絡報文記錄分析儀等，共同組成了全站的自動化和繼電保護系統。

(4)GOOSE技術

GOOSE技術是IEC61850標準用于滿足變電站自動化系統快速報文需求的一種機制，主要應用在過程層與間隔層信息的傳遞以及間隔層水平通信，理論上課應用與繼電保護系統[16]。所有的GOOSE通信狀態均可實時監測，避免因回路接觸不良引起保護不正確動作等情況。GOOSE技術還可應用于間隔層保護測控設備的橫向聯系，如失靈啟動、重合閘閉鎖等。

220kV塘步站工程的關鍵在于GOOSE技術的應用，除了變壓器保護外，220kV線路、母差保護、母聯開關保護的跳閘、啟動和閉鎖等信號均采用GOOSE技術。GOOSE傳輸的數據類型主要有布爾量、整型、浮點型和位串。

3.2　IEC 61850在實際應用中的總結

IEC61850在解決了來自不同廠家設備的互操作問題，使得變電站結構變得簡化，并為智能一次設備的發展奠定了基礎。總而言之，IEC61580在實際應用中的總結如下：

(1)IEC61580的應用使得變電站不同廠家之間的設備可互操作，傳統變電站的大量保護管理機的協議轉換設備被取代，簡化了變電站的網絡結構，減少了中間環節，提高了變電站自動化系統的可靠性，縮短了調試時間。

(2)IEC61580定義的SCL語言將工程配置語言與工程設計語言統一，簡化了系統集成，不同廠家的設備實現了互操作，縮短了調試時間。

(3)IEC61850所具有的開放性減少了用戶對廠家的依賴，有利于用戶在設備上的長遠投資。由于IEC61850標準的開放性，使得變電站的改造、升級選擇變多。

(4)一次設備的數字化與智能化。IEC61580標準是公開的標準，加速了變電站一次設備的智能化發展。數字式的互感器替代了傳統的電磁式互感器，此外還提供光纖以太網接口。站內的斷路器、變壓器就地加裝智能終端以實現對設備上的實時監控，這樣變電站一次設備向智能化發展。

(5)IEC61580的GOOSE通信機制的出現，大大減少了電纜的使用量。GOOSE通信機制通過網絡進行邏輯的配合與閉鎖，實現變電站內不同設備之間的信息傳遞，簡化了變電站的二次回路。此外，二次側信號通過光纖以太網傳輸，不再依賴傳統的電纜，為變電站傳輸速率奠定基礎。

4　IEC 61850工程應用的展望

2006年以來，IEC61580在我國變電站建設中不僅開始試點應用，且其應用深度和范圍得到快速推進，僅在浙江電網采用IEC61580的正在運行變電站就已超過50座[17]。隨著近些年來國內外對IEC61580的深入研究和工程應用的總結與提升，IEC61580在工程中的實用性與指導性得到很大的提高。

IEC61580技術的發展和完善將是一個漸進而漫長的過程，隨著IEC61850技術的深入應用，必將會有相關新技術的不斷涌現。2009年，IEC61580被美國列為美國智能電網建設標準之一，我們可以看到IEC61580將會被廣泛地應用到未來的變電站建設中。

5　結論

IEC61850標準是變電站智能化的標志，它在未來的變電站工程建設中有著舉足輕重的地位。它的出現對未來變電站的建設、維護和運行產生深遠影響。IEC61850對變電站設備進行統一的建模，又將配置語言與工程設計語言統一，外加適應變電站自動化發展的擴展功能，實現不同廠家不同類型的IED設備的互操作與不斷擴建，是變電站自動化的歷史性變革。

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