數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)可行性分析

盧純義

（金華電業(yè)局，浙江 金華321001）

1 前言

由于電力系統(tǒng)的不斷擴大就提出了能夠在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)遠程控制和遠程通信等要求，而在變電站自動化系統(tǒng)中，也需要能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制和遠程通信。但各個設備生產(chǎn)廠家各自采用不同的方法來實現(xiàn)，不能夠?qū)崿F(xiàn)兼容設備之間的通信、互操作，這就需要制定相應的國際標準，也就是變電站自動化系統(tǒng)通信協(xié)議。

在現(xiàn)有的應用中，廣泛應用的變電站自動化系統(tǒng)的通信協(xié)議主要有兩個系列的標準:一個是由IEC TC57制定的IEC60870-5系列標準，另外一個就是由IEC TC57制定的IEC 61850系列標準。這兩個標準都是根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點，能夠滿足信息傳輸要求的遠動協(xié)議。因此是迄今為止最為完善的變電站自動化的通信標準，它代表了變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 IEC 61850的特征分析

2.1 變電站的信息分層結(jié)構(gòu)

變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)協(xié)議IEC 61850標準草案提出了變電站內(nèi)信息分層的概念，將變電站的通信體系分為三個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口。

2.2 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模技術(shù)

IEC 61850標準采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機/服務器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象則是由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成的公用數(shù)據(jù)類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務接口（ACSI）和服務器通信可訪問數(shù)據(jù)對象，如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)自描述

該標準定義了采用設備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數(shù)據(jù)類名建立對象名的命名規(guī)則；采用面向?qū)ο蟮姆椒?，定義了對象之間的通信服務。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進行工程物理量對應、標度轉(zhuǎn)換等工作。由于數(shù)據(jù)本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數(shù)據(jù)的管理和維護工作。

2.4 網(wǎng)絡獨立性

IEC 61850標準總結(jié)了變電站內(nèi)信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網(wǎng)絡和應用層協(xié)議的抽象通信服務接口（ASCI）。客戶通過ACSI，由專用通信服務映射（SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范（MMS）等。IEC 61850標準使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，即當網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。

2.5 IEC 61850的局限

首先是關(guān)于保護信息處理方面（定值、帶參數(shù)信息的保護動作事件、錄波），目前版本的IEC 61850規(guī)定得不夠具體甚至相互矛盾；其次在變電站描述語言這一部分已被發(fā)現(xiàn)若干錯誤；另外關(guān)于采樣值通信這部分有些超前當前網(wǎng)絡以及硬件水平。

3 數(shù)字化變電站

3.1 數(shù)字化變電站的理解

數(shù)字化變電站是一個不斷發(fā)展的概念，到目前為止，并沒有形成“數(shù)字化變電站”的嚴格的完整定義。但是經(jīng)過多年的摸索、實踐以及交流討論，業(yè)界對于“數(shù)字化變電站”的含義正在逐步達成一致，目前，普遍認為數(shù)字化變電站技術(shù)是指基于IEC 61850標準建立全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺，實現(xiàn)站內(nèi)一次設備和二次智能電子裝置的數(shù)字化通信，確保智能裝置之間的互操作性。其主要特征有：數(shù)字化的一次電氣設備；基于IEC 61850的全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及通信服務平臺；網(wǎng)絡化的二次裝置。

3.2 數(shù)字化變電站的優(yōu)勢

變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設備重復。通信網(wǎng)絡取代復雜的控制電纜。提升測量精度。提高信號傳輸?shù)目煽啃?。應用電子式互感器解決傳統(tǒng)互感器固有問題。避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題。進一步提高自動化和管理水平。減少變電站的總投資。

3.3 數(shù)字化變電站的技術(shù)基礎(chǔ)

3.3.1 計算機網(wǎng)絡技術(shù)的應用

通信環(huán)節(jié)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵，對數(shù)字化變電站具有重要影響的網(wǎng)絡技術(shù)包括：①交換式以太網(wǎng)技術(shù)；②IEEE802.1p排隊特性；③虛擬局域網(wǎng)（VLAN，virtual local area network）技術(shù)；④快速生成樹協(xié)議（IEEE802.1w rapid spanning treeprotocol）。

3.3.2 遵循IEC 61850標準建立通信架構(gòu)

通信網(wǎng)絡架構(gòu)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及自動化功能的基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站首先是建立IEC 61850的通信網(wǎng)絡架構(gòu)，即符合IEC 61850標準的數(shù)據(jù)對象，LN和抽象通信服務接口（ACSI）模型，以及服務對應的映射（SCSM）。其次是變電站的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，各IED之間需要進行大量的數(shù)據(jù)交換，對應于數(shù)據(jù)交換的不同需要，在變電站網(wǎng)絡拓補設計中，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯笤黾?，尤其是過程總線的實現(xiàn)關(guān)鍵性部分。

3.3.3 非常規(guī)互感器與智能開關(guān)技術(shù)

采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)的PT和CT，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號，利用高速以太網(wǎng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)?；谖C、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)，保護和控制命令可以通過光纖網(wǎng)絡傳輸?shù)綌嗦菲鞑僮鳈C構(gòu)的數(shù)字化接口。這些技術(shù)使變電站的過程層得以數(shù)字化，以太網(wǎng)業(yè)成為全變電站的神經(jīng)中樞。

4 數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性

4.1 完全數(shù)字化變電站

完全數(shù)字化變電站就是全面采用ECT/EVT和ESW/ECB設備，在變電站的通信網(wǎng)絡構(gòu)建中遵循IEC 61850標準，即變電站的間隔層、站控層和過程層全部實現(xiàn)數(shù)字化，過程層的測量、監(jiān)視和控制全部實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化。完全數(shù)字化變電站的系統(tǒng)實現(xiàn)方案如圖2所示。

該系統(tǒng)方案站級層后臺和間隔層裝置包括保護裝置和測控裝置的通信均應用IEC 61850通信協(xié)議標準；間隔層測控單元之間采用基于GOOSE快速報文機制的水平通信，實現(xiàn)間隔層全站聯(lián)閉鎖功能；間隔層保護裝置之間采用基于GOOSE快速報文機制的水平通信，取消保護裝置之間的屏間電纜；對于采用ECT/EPT和ESW/ECB的過程層設備，可通過合并單元將ECT/EPT上送到過程層以太網(wǎng)，通過IEC 61850-9中的SMV模型得到采樣值，GOOSE模型實現(xiàn)數(shù)字式開關(guān)的操作。

4.2 變電站升級改造方式

4.2.1 極端的改造方式

（1）“至上而下”全面驗證的方式，把現(xiàn)有符合IEC61870-5-103的變電站自動化系統(tǒng)全部更換為當前技術(shù)水平下的IEC 61850系統(tǒng)，未實現(xiàn)的IED設備采取至IEC 61850規(guī)約轉(zhuǎn)換方式接入。該方案便于充分暴露問題，但對現(xiàn)有一、二次設備均動作較大、成本較高，由于配套標準的不完善所帶來的風險也比較大。（2）“自下而上”逐步驗證的方式，分步驟采用數(shù)字化一次設備掛網(wǎng)，IEC 61850間隔規(guī)約逆轉(zhuǎn)換(專用網(wǎng)關(guān))接入IEC 61850應用，同站內(nèi)建立獨立的、標準不同的兩套自動化系統(tǒng)并列運行方式，依據(jù)IEC 61850研究進程或技術(shù)發(fā)展成熟性逐步驗證。該方式較為穩(wěn)妥或保守，可能要對現(xiàn)有系統(tǒng)不斷作出多次和多處調(diào)整，且周期較長、不易操作實施。

4.2.2 過渡策略

常規(guī)變電站改造為數(shù)字化變電站的過程中，為了降低成本，避免大規(guī)模的淘汰站內(nèi)可用的二次配接和設備，因此必須考慮從常規(guī)變電站到數(shù)字化變電站的一個過渡策略，即必須解決數(shù)字化變電站技術(shù)對于常規(guī)設備的兼容問題。

過程層中主要是電子式互感器、智能斷路器與常規(guī)互感器、斷路器之間的兼容。間隔中全部都是常規(guī)設備，則可以考慮采用硬接線聯(lián)結(jié)方式實現(xiàn)保護裝置、監(jiān)控單元與常規(guī)互感器和常規(guī)斷路器的信息交互；間隔采用非常規(guī)互感器，常規(guī)斷路器，則使用合并單元接入非常規(guī)互感器，常規(guī)斷路器仍采用點對點硬接線聯(lián)結(jié)方式；間隔都采用常規(guī)設備，但是使用了過程總線，則可以使用合并單元將常規(guī)互感器采樣值以多播方式發(fā)布到過程總線，常規(guī)斷路器則通過基于IEC 61850標準的開關(guān)控制器接入過程總線。

間隔層IED如果符合IEC 61850標準的可以直接連接到站級總線，對于不符合該標準的常規(guī)IED則需要通過虛擬設備服務器（規(guī)約轉(zhuǎn)換器）接到站級總線。

5 繼電保護測試方法進行探討

傳統(tǒng)繼電保護測試方法是調(diào)試人員采用了一臺昂立或一臺博電繼保測試儀等三相校驗設備對保護動作邏輯、特性和其他相關(guān)進行校驗，然后進行帶開關(guān)傳動和信號核對。對每臺保護裝置，調(diào)試人員都是先做安全措施、試驗接線，再根據(jù)定值手工計算故障量的大小，試驗儀不能自動讀取保護定值并計算故障量?；贗EC-61850標準的繼電保護測試方法進行探討應該有很大區(qū)別：

5.1 安全措施

傳統(tǒng)的電流、電壓、跳閘等電纜的安全措施已不存在，現(xiàn)在只要拔下相應的影響其他運行設備的網(wǎng)線即可，大大節(jié)省了時間和安全風險。

5.2 校驗設備

校驗設備將與傳統(tǒng)的完全不同，傳統(tǒng)的校驗設備要進行模擬量（電流、電壓、開關(guān)量）輸出，新設備完全是數(shù)字輸出，可以模擬任何故障，不存在過壓、過載、畦變和輸入輸出延時等問題，精度上要遠遠高于傳統(tǒng)交流量。而且它也可作模擬任何一次設備，送出相當于合并單元輸出的數(shù)字化模擬量信息給繼電保護。

5.3 方法

傳統(tǒng)的接線方式將會被網(wǎng)線所取代用于提供各種數(shù)字式模擬量、開關(guān)量和發(fā)送/接收GOOSE消息。利用接收到GOOSE消息，實現(xiàn)如南瑞HELP一樣全自動校驗，甚至可以自動生成試驗報告，真正做到“一鍵式”校驗。一臺保護測試儀通過HUB和多臺被測保護（可以是不同廠家），如500kV、220kV等雙重保護、35kV、10kV在同一段母線上保護連接。在進行保護校驗的同時可以進行信號核對，這樣大大節(jié)省接線和校驗時間。

6 結(jié)束語

未來的電力網(wǎng)絡系統(tǒng)需要新的信息架構(gòu)支持,將監(jiān)控、保護和就地自動化等前后臺信息連接成為一個整體,以保證電力系統(tǒng)安全和高效地管理。IEC61850標準為開放式數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)平臺的建立提供了通信依據(jù)。IEC61850采用面向?qū)ο蟮慕７椒ê统橄?、分層映射的技術(shù),通過規(guī)范系統(tǒng)和項目管理及一致性測試等途徑保證其目標的實現(xiàn)。它不僅適用于變電站自動化內(nèi)部網(wǎng)絡通信,也適用于配電自動化、電能計量系統(tǒng)、發(fā)電廠自動化系統(tǒng)、風力發(fā)電及其他工業(yè)自動化領(lǐng)域。因此，在工程實施過程中應根據(jù)具體情況逐步推進數(shù)字化變電站的建設深度。

[1]任雁銘,楊奇遜.IEC 61850通信協(xié)議體系介紹和分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,24。

[2]茹鋒,夏成軍,許揚.IEC 61850標準在變電站自動化系統(tǒng)中的應用探討[J].江蘇省電機工程,2004,23。

[3]朱炳銓,等.變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)IEC6 1850的過渡期策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(23)。