基于IEC 61850的智能電網(wǎng)控制研究

賈亞軍，張宏偉，崔瀟，賈旭，吳蘭旭

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002）

0 引 言

隨著電網(wǎng)智能化和自動(dòng)化的發(fā)展，電網(wǎng)自動(dòng)化有效促進(jìn)了城市電網(wǎng)及居民用電的可靠性和便利性，并有效減小了維護(hù)成本。而電網(wǎng)的智能化和自動(dòng)化依賴于變電站不同設(shè)備不同層間的通信服務(wù)技術(shù)及通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的發(fā)展。IEC 61850作為一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，為設(shè)備間的即插即用和互操作提供了實(shí)現(xiàn)手段。基于IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)和模型，使得設(shè)備間通信更加透明，其成為未來(lái)智能電網(wǎng)快速發(fā)展的必然趨勢(shì)。

傳統(tǒng)的IEC通信體系中包含了IEC 61850、101、103、104等多種通信規(guī)約，各種規(guī)約間的通信需要進(jìn)行通信轉(zhuǎn)換。舊的規(guī)約只在站控層和過(guò)程層適用。而智能變電站增加了過(guò)程層，舊規(guī)約不再適應(yīng)智能電網(wǎng)的需求。IEC 61850為變電站自動(dòng)化提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)［1］重點(diǎn)研究了IEC 61850協(xié)議的三個(gè)實(shí)際應(yīng)用，如區(qū)域聯(lián)鎖保護(hù)方案，主干總線傳輸方案和減載方案。文獻(xiàn)［2］將傳統(tǒng)面向點(diǎn)的電力規(guī)約與IEC 61850進(jìn)行了對(duì)比，在現(xiàn)有變電站的基礎(chǔ)上外接協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，使變電站與網(wǎng)絡(luò)化無(wú)縫遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)相連。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下的配電終端之間的通信模型，及其與主站之間的通信模型的建立，為IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下的配電終端開發(fā)提供技術(shù)支撐［3-4］。文獻(xiàn)［5-6］利用 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立了饋線終端（FTU）、配電變壓器終端（DTU）、開閉所終端（TTU）的信息模型，并完成了其間協(xié)調(diào)配合的自動(dòng)化功能建模。學(xué)者對(duì)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建水電廠監(jiān)控系統(tǒng)信息模型的建模原則、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型以及信息建模流程進(jìn)行了深入，為IEC 61850在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用完成了有力的技術(shù)積累［7］。另外，隨著分布式電源滲透率的不斷提高微網(wǎng)技術(shù)得到了大力的發(fā)展。Taha Selim Ustun等人基于IEC 61850和IEC 61850-7-420通信協(xié)議提供的邏輯節(jié)點(diǎn)提出了一種微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)模型［8］。

然而現(xiàn)有研究并沒有對(duì)基于IEC 61850規(guī)范下的智能電網(wǎng)自動(dòng)化的分層結(jié)構(gòu)和通信控制方案，遠(yuǎn)動(dòng)控制通信模型、信息交換模型以及服務(wù)映射方法進(jìn)行了討論。此外，對(duì)直流接入后的控制功能和保護(hù)功能的模型，也少有系統(tǒng)的研究。本文系統(tǒng)深入地完善了智能電網(wǎng)下的交流部分和直流部分的模塊化和信息化內(nèi)容。

1 基于IEC 61850的智能電網(wǎng)自動(dòng)化

1.1 基于IEC 61850的通信控制方案

隨著計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)在變電站自動(dòng)化中用于數(shù)字化采集策略和保護(hù)控制數(shù)據(jù)通信中，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備間的信息共享。傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）的通信方案如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)IED通信方案Fig.1 Traditional IED communication scheme

為了對(duì)主站與變電站及設(shè)備間的通信進(jìn)行統(tǒng)一，可采用如圖2所示的基于IEC 61850的遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。IEC 61850可用于調(diào)度系統(tǒng)和變電站、過(guò)程層和間隔層以及間隔層和變電站間的通信數(shù)據(jù)交換，有效避免了規(guī)約轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

基于IEC 61850的遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)的通信傳輸模式，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度主機(jī)和各變電站主機(jī)間快速直接準(zhǔn)確的信息共享和交換［9］。

圖2 基于IEC 61850遠(yuǎn)動(dòng)控制通信方案Fig.2 Remote control communication scheme based on IEC 61850

1.2 IEC 61850的特點(diǎn)

IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)主要有四個(gè)［10］，分別為：

（1）從信息分層角度將變電站劃分為過(guò)程層、間隔層和變電站3層結(jié)構(gòu)，并定義了層間接口；

（2）基于面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，定義了客戶—服務(wù)器模型、邏輯節(jié)點(diǎn)、邏輯設(shè)備、服務(wù)器等數(shù)據(jù)對(duì)象的通信模型以及服務(wù)于信息交換的對(duì)象間通信服務(wù)模型；

（3）對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)名稱、設(shè)備名稱等數(shù)據(jù)對(duì)象建立了統(tǒng)一命名規(guī)則，以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的管理維護(hù)工作；

（4）對(duì)通信服務(wù)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行定義，抽象描述服務(wù)接口，通過(guò)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得通信服務(wù)與具體協(xié)議間相互獨(dú)立。

1.3 IEC 61850的擴(kuò)展應(yīng)用

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，IEC 61850在電網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域的使用愈來(lái)愈廣泛，其不僅用于變電站的自動(dòng)化中，而且應(yīng)用于發(fā)電、輸變電、配用電、和調(diào)度等多個(gè)領(lǐng)域［11］。

（1）發(fā)電領(lǐng)域

IEC 61400-25為風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其基于IEC 61850對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建模，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的互操作和系統(tǒng)集成。IEC 61850-7-410為水電廠的監(jiān)控國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，增加了水電廠的數(shù)據(jù)建模。IEC 61850-7-420為分布式能源的監(jiān)控國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，新增了分布式能源管理、發(fā)電系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)、電池監(jiān)視、單元控制器等應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)。IEC 61850-90-7分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏等分布式能源的控制模式等，基于IEC 61850對(duì)分布式能源接入后的電壓無(wú)功控制、緊急控制、電壓管理等功能進(jìn)行了建模。

（2）輸變電領(lǐng)域

IEC 61850用于輸變電領(lǐng)域主要為變電站系統(tǒng)的自動(dòng)化，IEC 61850 Ed2.0能夠有效滿足變電站的自動(dòng)化需求。此外，IEC 61850-90-3對(duì)輸變電應(yīng)用中包含變壓器、有載分接開關(guān)變壓器、輸電線路、輔助電源、GIS等一次設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)診斷分析進(jìn)行了分析說(shuō)明。IEC 61850-90-14對(duì)柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）進(jìn)行了建模。IEC 61869基于IEC 61850的體系結(jié)構(gòu)對(duì)電子互感器數(shù)字接口及工程配置等方面進(jìn)行了討論和分析。

（3）配用電領(lǐng)域

配用電由于涉及節(jié)點(diǎn)眾多，其通信拓?fù)浜驮O(shè)備處理能力與電廠應(yīng)用和輸變電應(yīng)用差異較大。IEC 61850-90-6討論了配用電領(lǐng)域方面的IEC 61850的應(yīng)用方案。IEC 61850-8-2對(duì)抽象通信服務(wù)和底層的通信協(xié)議間的映射進(jìn)行了規(guī)范，該規(guī)范易于實(shí)現(xiàn)、對(duì)主站資源的消耗小，并且負(fù)擔(dān)較輕，適宜于配用電自動(dòng)化的應(yīng)用。此外，IEC 61850-90-8及IEC 61850-90-9規(guī)范對(duì)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

（4）調(diào)度領(lǐng)域

為了實(shí)現(xiàn)變電站和控制中心間的無(wú)縫通信，IEC 61850體系在調(diào)度通信方面取得了重要的進(jìn)展。IEC 61850-90-2建立了變電站、控制中心間的通信技術(shù)規(guī)范，對(duì)數(shù)據(jù)完整性、安全、通信冗余等進(jìn)行了分析，并應(yīng)用于遙控、表計(jì)、故障錄波等方面，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的代理服務(wù)器及網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了建模。IEC 61850-90-5對(duì)廣域測(cè)量方面的應(yīng)用進(jìn)行了討論，其將報(bào)文信息利用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸以應(yīng)用于廣域測(cè)量的應(yīng)用環(huán)境中，靈活性更強(qiáng)。

2 基于IEC 61850的電網(wǎng)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)

2.1 分層結(jié)構(gòu)模型

配電自動(dòng)化的原有三層體系為主站層、子站層和終端層，可基于IEC 61850劃分為如圖3所示的站控層、過(guò)程層和間隔層。即主站歸為站控層，終端為間隔層，子站部分功能歸為站控層，其他功能歸為過(guò)程層。

站控層的功能主要完成主站與子站間的數(shù)據(jù)傳輸控制功能。過(guò)程層的功能主要為對(duì)一次設(shè)備的開關(guān)量和模擬量進(jìn)行采樣，并發(fā)送控制命令等。間隔層功能主要為基于本層的數(shù)據(jù)對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，如線路保護(hù)功能或設(shè)備單元控制功能。

圖3 基于IEC 61850的分層結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchical structure based on IEC 61850

2.2 通信系統(tǒng)模型

圖4 ACSI/MMS通信系統(tǒng)模型Fig.4 ACSI/MMS communication system model

針對(duì)IEC 61850-7對(duì)抽象通信服務(wù)接口（Abstract Communication Service Interface，ACSI）的相關(guān)性不夠強(qiáng)的缺點(diǎn)，可采用圖4所示的ACSI/MMS通信系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行解決。制造報(bào)文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）實(shí)體通過(guò)可提供特殊通信服務(wù)的MMS元素進(jìn)行定義。基于ISO開發(fā)環(huán)境，IEC61850將ACSI服務(wù)映射到MMS。ISO的上層包含關(guān)聯(lián)控制服務(wù)元素（Association Control Service Element，ACSE）、表示層、會(huì)話層，利用 RFC1006實(shí)現(xiàn)ISO傳輸服務(wù)。因?yàn)樵摲椒ㄡ槍?duì)IEC 61850設(shè)計(jì)，是對(duì)ACSI到MMS直接進(jìn)行映射，有效簡(jiǎn)化其映射過(guò)程，提高了基于IEC 61850的通信開發(fā)效率。

3 基于IEC 61850的信息模型

3.1 遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信模型

由于當(dāng)前IED的通信規(guī)約還主要用于多種規(guī)約系統(tǒng)下的相互轉(zhuǎn)化協(xié)調(diào)工作，因此，有必要研究基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的遠(yuǎn)動(dòng)通信模型的建立方法，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)制像IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)下的平穩(wěn)過(guò)度。

基于IEC 61850/MMS的遠(yuǎn)動(dòng)模型可設(shè)計(jì)為如圖5所示的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)控制中心和集控主站的SCADA基于IEC 61850模型設(shè)計(jì)，對(duì)變電站及間隔層的RTU、測(cè)控單元和繼電保護(hù)單元等非IEC 61850的設(shè)備單元，采用圖5提出的IEC 61850/MMS網(wǎng)關(guān)通信模型封裝處理，以實(shí)現(xiàn)快速直接的數(shù)據(jù)交換。

圖5 IEC 61850規(guī)范遠(yuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信模型Fig.5 Specification motion control system communication model based on IEC 61850

3.2 信息交換模型

對(duì)終端系統(tǒng)的信息模型建立后，需定義其信息交換的模型，信息交換模型可為信息操作管理等功能提供通信服務(wù)，其模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。信息模型對(duì)交換數(shù)據(jù)對(duì)象建立了模型，信息交換則提供了獲得信息模型的途徑。IEC 61850通過(guò)面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)通信服務(wù)進(jìn)行定義，通過(guò)抽象建模設(shè)計(jì)定義服務(wù)接口（Small Computer System Interface，SCSI），其定義了公共服務(wù)。ACSI服務(wù)主要有客戶/服務(wù)器方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式兩種。

圖6 基于IEC 61850的信息交換模型Fig.6 Information exchangemodel based on IEC61850

ACSI服務(wù)的功能主要有讀取信息模型服務(wù)、應(yīng)用關(guān)聯(lián)相關(guān)服務(wù)、獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)集相關(guān)服務(wù)、文件傳輸服務(wù)、控制相關(guān)服務(wù)、面向通用變電站事件（GOOSE）相關(guān)服務(wù)等多種服務(wù)。

3.3 服務(wù)映射原理

圖7 基于SCL/SVG/CIM的IED遠(yuǎn)程配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 IED remote configuration system architecture based on SCL/SVG/CIM

為了實(shí)現(xiàn)IED即插即用功能，還需對(duì)控制中心數(shù)據(jù)模型及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓拢刹捎萌鐖D7所示的IED遠(yuǎn)程配置結(jié)構(gòu)。借助 SCL（Substation Configuration Language）配置器和IED配置器，將SCL配置的描述文檔基于IEC 61850下對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和配置，將SCL文件所述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為SVG與CIM/XML文件，對(duì)控制站CIM模型庫(kù)及SVG庫(kù)更新。

基于IEC 61850的SCL和CIM融合和相互映射可通過(guò)如下方法建立：

（1）將SCL變電站模型與CIM拓?fù)浒灰恢碌牟糠诌M(jìn)行調(diào)整；

（2）對(duì)CIM模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并增加包含邏輯節(jié)點(diǎn)類、邏輯設(shè)備類和服務(wù)器類的IED包；

（3）對(duì)SCL和CIM中沒有定義的類型和屬性進(jìn)行定義。

新的IED接入后不僅需要更新CIM的模型庫(kù)，還需更新接線拓?fù)鋱D。

4 基于IEC 61850的保護(hù)控制模型

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，特高壓直流輸電已具備一定的規(guī)模，特高壓交流輸電也陸續(xù)建設(shè)。智能電網(wǎng)要求在電網(wǎng)自動(dòng)化中能夠有效處理相應(yīng)的控制和保護(hù)功能。鑒于交流電網(wǎng)的相關(guān)控制保護(hù)功能已較為完善，本文對(duì)直流輸電的控制保護(hù)模型進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

4.1 控制模型

直流系統(tǒng)的控制事件主要有模式順序控制（EMSQ）、功率電流控制（EPPC）、無(wú)功控制（ERPC）、過(guò)負(fù)荷控制（EOLL）、順序控制（ESSQ）、分接頭控制（ETCC）、功率調(diào)制控制（EMOD）、觸發(fā)控制（ECFC）等功能。表1為直流輸電模式順序控制數(shù)據(jù)模型。

表1 直流輸電模式順序控制數(shù)據(jù)模型Tab.1 Sequence control datamodel of DC transmission mode

其中：SPS為單點(diǎn)數(shù)據(jù)信息狀態(tài)類；SPS-V1C為含1個(gè)字符數(shù)據(jù)的狀態(tài)類；SCOM為命令字符串類。主控命令OrdMst包括升降功率、功率/電流控制模式切換等命令。

直流輸電的相關(guān)控制功能可基于IEC 61850規(guī)范對(duì)其模型庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展。此外，還可對(duì)變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置投切控制和檢測(cè)功能，特高壓交流系統(tǒng)的高抗、低容低抗等功能建立邏輯模型。

4.2 保護(hù)模型

直流輸電的保護(hù)主要有閥保護(hù)、極保護(hù)、直流線路保護(hù)、換流變保護(hù)和濾波器保護(hù)等。保護(hù)類型主要有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、諧波保護(hù)、行波保護(hù)和換相保護(hù)等種類，直流輸電部分的保護(hù)類型如表2所示。直流保護(hù)類型中的基類主要有換流器設(shè)備類 Pconv-hvdc、直流線路類 Pline-hvdc、換流變類Ptrans-hvdc等。

表2 直流輸電部分保護(hù)類型Tab.2 Protection type of DC transmission part

各個(gè)直流輸電保護(hù)類型可定義其各自的公共數(shù)據(jù)、私有數(shù)據(jù)以及行為函數(shù)等，以換相失敗保護(hù)數(shù)據(jù)類型為例，其數(shù)據(jù)模型如表3所示，包含了有狀態(tài)數(shù)據(jù)、測(cè)量值數(shù)據(jù)和定值數(shù)據(jù)等。

表3 換相失敗保護(hù)數(shù)據(jù)模型Tab.3 Commutation failure protection datamodel

通過(guò)對(duì)常有的交流輸電類庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充，新增入直流輸電的相關(guān)監(jiān)控保護(hù)控制等模型，可有效覆蓋現(xiàn)代電網(wǎng)的設(shè)備類型，并有效促進(jìn)電網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化的發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)的交直流混聯(lián)和超特高壓方向的發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化的管理提出了較高的要求，本文建立了基于IEC 61850規(guī)范下的智能電網(wǎng)自動(dòng)化的分層結(jié)構(gòu)和通信控制方案，建立了遠(yuǎn)動(dòng)控制通信模型、信息交換模型，并對(duì)服務(wù)映射方法進(jìn)行了討論。此外，本文對(duì)直流接入后的控制功能和保護(hù)功能建立了相應(yīng)的模型，完善了智能電網(wǎng)下的交流部分和直流部分的模塊化和信息化內(nèi)容。

IEC 61850規(guī)范使得控制主站和子站以及各設(shè)備間的通信得以規(guī)范和統(tǒng)一，簡(jiǎn)化了新增各種設(shè)備的接入和管理功能，基于IEC 61850通信規(guī)范可使現(xiàn)代大電網(wǎng)的監(jiān)控檢測(cè)和控制保護(hù)等更加易操作。IEC 61850通信協(xié)議將會(huì)極大促進(jìn)電網(wǎng)自動(dòng)化和智能化的發(fā)展。