數(shù)字化變電站技術(shù)及其應(yīng)用

張建龍

（榆林供電局 陜西 榆林 719000）

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及電網(wǎng)運行要求的提高，對變電站控制系統(tǒng)提出了越來越高的要求，為了及時掌握電網(wǎng)的運行情況，保證電網(wǎng)安全、可靠地運行，要求變電站控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時地反映一次系統(tǒng)的狀態(tài)，同時要求變電站具有較高的可控性[1-2]。變電站二次系統(tǒng)所涉及的各個專業(yè)趨向于相互滲透融合，測量、控制、保護(hù)、通信專業(yè)整合已成必然趨勢。在確保系統(tǒng)的安全性原則前提下，保證系統(tǒng)功能的實用性。整合后的系統(tǒng)，將呈現(xiàn)數(shù)據(jù)集中、信息共享、功能分布等特點，應(yīng)能更好地體現(xiàn)各個應(yīng)用的功能定位，系統(tǒng)地整合應(yīng)站在系統(tǒng)的角度、以發(fā)展的眼光來做統(tǒng)一規(guī)劃[3-4]。在變電站的通信協(xié)議集成以及建模技術(shù)集成方面，統(tǒng)一信息模型，其意義在于為變電站自動化系統(tǒng)構(gòu)造了統(tǒng)一的語義空間；抽象通信服務(wù)接口，其意義在于使得變電站功能獨立于具體的底層通信協(xié)議；信息的自我描述，其意義在于有助于統(tǒng)一現(xiàn)在與未來的發(fā)展。

電流和電壓互感器是為電力系統(tǒng)進(jìn)行電能計量和繼電保護(hù)及測控裝置提供電流、電壓信號的重要設(shè)備，其精度及可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運行密切相關(guān)，是電力系統(tǒng)電流電壓測量的基本設(shè)備。傳統(tǒng)的電流和電壓互感器是電磁感應(yīng)式的，不能與數(shù)字化二次設(shè)備直接接口,不利于電力系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程。

1 IEC61850介紹

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動化系統(tǒng)分為過程層、間隔層、變電站層3個層次[5-6]，并為各層之間的通信劃分了邏輯接口，在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范(MMS)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備(IED，測控單元和繼電保護(hù))均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

IEC61850的主要特征：

1）信息分層。按照變電站自動化系統(tǒng)所要完成的控制、監(jiān)視和保護(hù)三大功能提出變電站內(nèi)功能分層的概念為，無論從邏輯概念上還是從物理概念上都將變電站的功能分為3層，即變電站層、間隔層和過程層。IEC61850的分層模式與現(xiàn)有大多數(shù)變電站自動化系統(tǒng)不同，現(xiàn)有系統(tǒng)中的過程層功能都是在間隔層設(shè)備實現(xiàn)的，隨著光互感器的應(yīng)用，現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層，可見IEC 61850是面向未來的開放式標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850中的每個物理裝置分為服務(wù)器層、邏輯裝置層、邏輯節(jié)點層、數(shù)據(jù)對象層、數(shù)據(jù)屬性層。

2）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器又包含一個或多個邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)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。IEC 61850建模了大多數(shù)公共實際設(shè)備和設(shè)備組件。這些模型定義了公共數(shù)據(jù)格式、標(biāo)識符、行為和控制，例如變電站和饋線設(shè)備（諸如斷路器、電壓調(diào)節(jié)器和繼電保護(hù)等）。

3）數(shù)據(jù)自描述。和采用“面向點”的數(shù)據(jù)描述方法不同（如103規(guī)約），IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對于信息均采用面向?qū)ο蟮淖悦枋?。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮芊降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。因數(shù)據(jù)本身帶有說明，這就不受預(yù)先定義的限制進(jìn)行傳輸，簡化了數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作。在實際應(yīng)用中只需要在客戶端配置服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)地址就可以訪問服務(wù)器模型，可以通過通信方式獲得測點名，無需手動配置。

4）抽象通信服務(wù)接口ACSI。ACSI定義了獨立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的公用通信服務(wù)。通信服務(wù)分為基于Client/Server，定義了諸如控制、獲取數(shù)據(jù)值服務(wù)；基于Peer-to-Peer模型，定義了諸如GOOSE服務(wù)和對模擬測量值采樣服務(wù)。

變電站內(nèi)采用IEC 61850與采用103規(guī)約相比具有明顯的優(yōu)勢，通過通信網(wǎng)絡(luò)，只需要在客戶端配置服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)IP地址，變電站內(nèi)各種應(yīng)用可以得到各個設(shè)備的數(shù)據(jù)；由于數(shù)據(jù)具有自描述特征，所有測點名可用通信方式獲得，無需人工配置，當(dāng)變電站內(nèi)增加或刪除裝置或應(yīng)用時不需要進(jìn)行通信配置；站內(nèi)所有應(yīng)用程序和智能設(shè)備采用相同的規(guī)約、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)訪問方式、命名規(guī)則和配置語言，采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺，提高了系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性和互操作性。由于互操作性強(qiáng)，在自動化系統(tǒng)集成時，應(yīng)用程序不再需要處理大量不同的通信規(guī)約、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)訪問形式，也無需進(jìn)行重復(fù)的變電站配置和對點工作，工程維護(hù)大大簡化，減少了系統(tǒng)集成工作量，同時也增強(qiáng)了變電站的可靠性和安全性。IEC 61850與IEC 61970調(diào)度通信標(biāo)準(zhǔn)具有一定的互操作性，將來可以實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)主站對變電站的直接訪問，減少了通信瓶頸和規(guī)約轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)損失。

2 光互感器簡介

光互感器是利用電子測量技術(shù)和光纖傳感技術(shù)來實現(xiàn)電力系統(tǒng)電流、電壓測量的新型互感器。它包括基于光學(xué)傳感原理的互感器，也包括其他各種利用電子測試原理的電流電壓互感器。光互感器的種類很多，但大致可分為有源型和無源型2種。有源型光互感器利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)被測信號，利用光纖傳輸信號，在傳感頭部分具有需要電源的電子電路；無源型光互感器利用Faraday磁光效應(yīng)（電流互感器）和Pockels電光效應(yīng)（電壓互感器）感應(yīng)被測信號，利用光纖傳輸信號，在傳感頭部分無需電源。

根據(jù)IEC61850要求，對光互感器與保護(hù)測控設(shè)備的數(shù)字式接口進(jìn)行了規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)定義了接口的重要組成部分——合并單元，并嚴(yán)格規(guī)范了它與保護(hù)測控設(shè)備的接口方式。光電流互感器數(shù)字輸出的額定值為2D41H（測量）及01CFH（保護(hù)）。光電壓互感器數(shù)字輸出的額定值為2D41H.

3 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）數(shù)字化變電站是以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)的信息建模、采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，基本特征為設(shè)備智能化、建模標(biāo)準(zhǔn)化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運行管理自動化。數(shù)字化變電站的功能分為3層，即變電站層、間隔層和過程層。過程層主要完成開關(guān)量I/O、模擬采樣和控制命令的數(shù)字化發(fā)送等功能，過程層設(shè)備由光互感器、智能開關(guān)設(shè)備、合并單元等設(shè)備組成；間隔層是利用本間隔的數(shù)據(jù)對一次設(shè)備進(jìn)行控制，如線路保護(hù)設(shè)備或間隔控制設(shè)備；變電站層是指利用各間隔或全站的信息對多個間隔或全站的一次設(shè)備進(jìn)行控制、管理及完成與各級調(diào)度、站內(nèi)其他智能設(shè)備之間接口相關(guān)的功能。變電站自動化系統(tǒng)的站控層和間隔層，采用單層網(wǎng)絡(luò)2層結(jié)構(gòu)，為提高系統(tǒng)的可靠性并滿足變電站內(nèi)實時信息的傳輸要求，變電站內(nèi)通信系統(tǒng)采用雙100 M/1G工業(yè)以太網(wǎng)的方式，雙網(wǎng)采用冗余方式工作，同時考慮到突發(fā)信息的快速上送，也可以實現(xiàn)雙網(wǎng)負(fù)荷均衡方式工作，即根據(jù)信息量大小，將信息在2個網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行分流傳輸，保證雙網(wǎng)負(fù)荷均衡，最大程度上利用變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬?；贗EC61850體系標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化變電站方案示意圖

2）站控層設(shè)計。站控層包括監(jiān)控后臺、遠(yuǎn)動工作站等，設(shè)備按照IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模和信息傳輸。站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間采用IEC61850進(jìn)行通信。監(jiān)控后臺主要用于實現(xiàn)當(dāng)?shù)毓δ?，實現(xiàn)變電站內(nèi)的就地監(jiān)視和控制功能，在IEC61850中，監(jiān)控后臺與其他間隔層設(shè)備一樣是一個邏輯設(shè)備，包含多個邏輯節(jié)點，這一點是和基于103規(guī)約的后臺系統(tǒng)是不同的。為提高系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)控后臺采用冗余配置，雙機(jī)之間可以實現(xiàn)無縫切換。

遠(yuǎn)動工作站實現(xiàn)變電站與各級調(diào)度系統(tǒng)之間的通信功能，使調(diào)度端實現(xiàn)對變電站的遠(yuǎn)方監(jiān)視和控制，遠(yuǎn)動工作站獨立于后臺系統(tǒng)工作，其工作不受監(jiān)控后臺運行的影響，從IEC61850的角度來看，遠(yuǎn)動機(jī)也是網(wǎng)絡(luò)上的一個邏輯設(shè)備。遠(yuǎn)動工作站實現(xiàn)主、備機(jī)冗余工作，當(dāng)主機(jī)工作異常時備機(jī)可以自動投入運行，保證變電站與調(diào)度主站的通信正常。為了與現(xiàn)有調(diào)度主站系統(tǒng)通信而又不改變現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)的工作方式，遠(yuǎn)動工作站必須具備將變電站內(nèi)IEC61850與IEC60870-5-104、IEC-60870-5-101等調(diào)度規(guī)約進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力，逐步過渡到使用IEC61850+與控制中心交換數(shù)據(jù)。

3）間隔層設(shè)計。間隔層設(shè)備包括保護(hù)裝置、測控裝置、安全自動裝置等設(shè)備，設(shè)備按照IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模和信息傳輸，應(yīng)支持GOOSE方式實現(xiàn)間隔層設(shè)備間的通信。間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備之間采用1G的以太網(wǎng)雙網(wǎng)連接，合并單元的通信協(xié)議符合IEC-61850-9-2的要求，智能控制單元采用GOOSE報文交換數(shù)據(jù)。

保護(hù)測控設(shè)備按照間隔進(jìn)行配置，實現(xiàn)對各一次設(shè)備的監(jiān)視與控制功能，同時為完成間隔層聯(lián)鎖功能以及保護(hù)信息交換需求，保護(hù)裝置之間取消電纜連接，以GOOSE相互通信。

4）過程層設(shè)計。過程層采用電子互感器采集電流電壓，通過MU單元接入過程層網(wǎng)絡(luò)，開入開出通過智能控制單元接入過程層網(wǎng)絡(luò)，過程層網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)技術(shù)以及光纖技術(shù)加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，智能控制單元以及操作箱等設(shè)備采用就地安裝，開關(guān)場與控制室之間取消電纜連接，全部采用光纜。

4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

變電站的信息交換特點之一是，信息長度較短，信息量較大，在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況時，有可能發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，而間隔層裝置普遍采用嵌入式系統(tǒng)，其處理能力不強(qiáng)，這一特點要求變電站控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗風(fēng)暴能力，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，各個裝置能夠正常工作。變電站信息交換的另一個特點是部分信息的實時性要求很高，比如保護(hù)裝置之間的信息交換，合并單元與間隔層設(shè)備之間的信息交換，要求變電站控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)具有分級交換的能力，保證高級數(shù)據(jù)的實時性。變電站控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)就像一個人的神經(jīng)，所有的命令、信息都必須通過它傳送，網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性對變電站控制系統(tǒng)來講是極其重要的，變電站控制系統(tǒng)應(yīng)該在日常運行時對網(wǎng)絡(luò)的狀況進(jìn)行監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，這就要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具有智能功能。

5 可靠性設(shè)計

可靠性是變電站控制系統(tǒng)的生命，為保證設(shè)計的數(shù)字化系統(tǒng)具有較高的可靠性，必須從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計、從系統(tǒng)開發(fā)到軟件測試、從產(chǎn)品試驗到工程應(yīng)用等各方面嚴(yán)格把握，從而達(dá)到較高的系統(tǒng)MTBF（平均無故障時間）、MTTR（平均故障修復(fù)時間）、最小故障率、最小故障范圍、最小故障后果等可靠性指標(biāo)要求。

6 GOOSE在保護(hù)功能中的應(yīng)用

GOOSE模型是IEC 61850為強(qiáng)實時通信而設(shè)計的一種快速報文機(jī)制，其主要特征在于一發(fā)多收和報文優(yōu)先傳輸。GOOSE通常應(yīng)用于過程層和間隔層間的信息傳遞以及間隔層水平通信，后者是指間隔間保護(hù)測控裝置橫向傳遞諸如失靈啟動、重合閘閉鎖等保護(hù)信息以及間隔聯(lián)閉鎖等自動化信息。一般認(rèn)為變電站保護(hù)功能至關(guān)重要，采用GOOSE通信來替代傳統(tǒng)的保護(hù)屏間二次接線也是一大突破。

7 結(jié)語

通過本項目的實施，使變電站系統(tǒng)能夠逐步實現(xiàn)數(shù)字化，在變電站維護(hù)、調(diào)試時間、土地使用、系統(tǒng)的可用性、設(shè)備安全等5個方面得到提高，使得設(shè)備能夠少校驗，甚至免校驗，減少維護(hù)工作量，變電站的土地使用得以縮減，建筑面積減少，減少變電站系統(tǒng)調(diào)試的時間，降低了設(shè)備的絕緣要求，對系統(tǒng)能夠快速維護(hù)，提高了互感器的安全。數(shù)字化變電站在總體上提高變電站的勞動生產(chǎn)率，減少人為誤操作的可能，提高運行的可靠性，促進(jìn)了變電站信息的共享，提升電網(wǎng)的技術(shù)和管理水平，提高電力工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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