基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化牽引變電所的應(yīng)用

董安平

0 前言

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵道的重要組成部分，其自動化技術(shù)的發(fā)展程度是提高牽引供電可靠性及供電質(zhì)量的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)牽引變電所的一、二次設(shè)備種類繁多，接口標(biāo)準(zhǔn)各異，各地域間技術(shù)裝備水平存在差異。目前，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的推出為變電所的進(jìn)一步技術(shù)變革指明了方向。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是IEC TC57提出的關(guān)于未來變電所自動化系統(tǒng)的通信體系標(biāo)準(zhǔn)[1]。在該標(biāo)準(zhǔn)中，將變電所設(shè)備依據(jù)所處地位劃分為變電所層、間隔層和過程層3個(gè)層次，并將以太網(wǎng)通信引入過程層，整體描繪出未來變電所從一次設(shè)備（主變壓器、開關(guān)等）向上到整個(gè)變電所全面數(shù)字化的美好藍(lán)圖?；?IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化牽引變電所將徹底取消一、二次設(shè)備間大量的電纜接線，光纜取代了電纜，數(shù)字代替了模擬，將大幅度簡化各類裝置結(jié)構(gòu)，依托更好的信息化和自動化實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的減人增效，預(yù)計(jì)數(shù)字化牽引變電所將成為未來鐵路發(fā)展的趨勢。

本文介紹了 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容和特點(diǎn)，并結(jié)合目前牽引變電所現(xiàn)狀，分析了采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化牽引變電所設(shè)計(jì)中需要解決的問題。

1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容與特點(diǎn)

1.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國際電工委員會第57技術(shù)委員會（IEC TC57）制定的一系列國際標(biāo)準(zhǔn)（國內(nèi)相應(yīng)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為DL/T860）[2]。就概念而言，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞以下4個(gè)方面展開：

（1）功能建模。從變電所自動化通信系統(tǒng)的通信性能（PICOM）要求出發(fā)，定義了變電所自動化系統(tǒng)的功能模型。

（2）數(shù)據(jù)建模。采用面向?qū)ο蟮姆椒?，定義了基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。

（3）通信協(xié)議。定義了數(shù)據(jù)訪問機(jī)制（通信服務(wù)）和向通信協(xié)議棧的映射，如在變電所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MMS（IEC 61850-8-1）。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)映射成串行單向多點(diǎn)或點(diǎn)對點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的過程總線（IEC 61850-9-2）。

（4）變電所自動化系統(tǒng)工程和一致性測試。定義了基于XML（Extensible Makeup Language）的結(jié)構(gòu)化語言，描述變電所和自動化系統(tǒng)的拓?fù)湟约癐ED結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證互操作性，參考文獻(xiàn)[2]描述了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一致性測試。

1.2 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）采用分層、分布的通訊體系。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)功能分類的不同提出了變電所信息分層概念，即變電所層、間隔層、過程層3層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。變電所層負(fù)責(zé)人機(jī)接口、報(bào)警和事件處理等功能；間隔層負(fù)責(zé)控制、自動保護(hù)、計(jì)量、記錄等功能；過程層由智能傳感器、控制電路等二次智能設(shè)備組成，獲取一次設(shè)備信號，反映一次設(shè)備的狀態(tài)和信號，并接收間隔層的命令對一次設(shè)備進(jìn)行操作。它將由一次設(shè)備構(gòu)成的過程層納入了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)中，這是基于一次設(shè)備的智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的結(jié)構(gòu)。

（2）使用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蠼Ｋ枷?，將變電所自動化系統(tǒng)中通信系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的功能分解為邏輯節(jié)點(diǎn)，并將其作為對象進(jìn)行建模。每個(gè)智能電子設(shè)備（IED）包含一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器本身又包含一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)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(shí)例。就通信而言，IED同時(shí)也扮演客戶的角色。任何一個(gè)客戶都可利用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）通過服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)對象。

（3）提供自我描述的數(shù)據(jù)對象及其服務(wù)。IEC 61850-6標(biāo)準(zhǔn)中定義了變電所配置語言SCL，該語言用于描述IED的配置和通信系統(tǒng)配置。在應(yīng)用層上，也可描述開關(guān)間隔拓?fù)浔旧硪约芭渲迷?IED上的變電所自動化功能，即邏輯節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。SCL允許將 IED配置的描述傳給通信和應(yīng)用系統(tǒng)管理工具，也可以某種兼容的方式將整個(gè)系統(tǒng)的配置描述傳遞給IED的配置工具。SCL的主要作用就是使得通信系統(tǒng)配置語言可在制造商提供的 IED裝置和系統(tǒng)配置工具之間進(jìn)行相互交換。

（4）使用 ACSI和 SCSM 技術(shù)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)歸納出變電所自動化系統(tǒng)所必須的信息傳輸服務(wù)，并對其進(jìn)行模塊化，設(shè)計(jì)出抽象通信服務(wù)接口 ACSI，使得抽象建模與具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議獨(dú)立，即與采用的網(wǎng)絡(luò)類型無關(guān)。考慮到各種各樣的通信體系的建立，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)引入了特殊通信服務(wù)映射SCSM，SCSM將抽象通信服務(wù)接口定義的服務(wù)、對象和參數(shù)映射到應(yīng)用層，適用于多種傳送協(xié)議。采用該映射模型可以使數(shù)據(jù)對象和ACSI服務(wù)有很大的靈活性，它的改變不受七層協(xié)議棧的影響。當(dāng)變電所使用不同的網(wǎng)絡(luò)類型只需要更改相應(yīng)的特定通信服務(wù)映射SCSM。

2 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 牽引變電所自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀

國內(nèi)鐵路牽引供電系統(tǒng)廣泛采用的變電所自動化系統(tǒng)是在2000年左右成型的微機(jī)型綜合自動化系統(tǒng)。目前的綜合自動化系統(tǒng)存在以下幾個(gè)主要問題：

（1）使用大量的控制電纜，提高了系統(tǒng)建設(shè)成本，增加了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（2）間隔層設(shè)備之間不能共享信息，造成硬件設(shè)備重復(fù)配置，提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性和建設(shè)成本。

（3）不同廠家的設(shè)備不能直接互換，系統(tǒng)開放性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性較差。

（4）目前牽引供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)動系統(tǒng)大多采用IEC 60870-5-104規(guī)約作為控制站和被控站之間的通信規(guī)約。由于沒有對各種實(shí)際對象進(jìn)行建模和描述，各個(gè)廠商按照各自不同的理解進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得不同系統(tǒng)之間互操作性比較差。

2.2 采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)需要解決的問題

2.2.1 電子式互感器的應(yīng)用

傳統(tǒng)電磁式互感器存在磁滯飽和問題，并且電纜連接方式存在抗干擾性差、精確度低等缺點(diǎn)，而數(shù)字化電子式互感器在低壓部分通過光纖輸出數(shù)字信號提供給二次設(shè)備，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，是互感器的發(fā)展方向。提高電子式互感器的可靠性對數(shù)字化變電所技術(shù)的推廣具有決定性作用。對于低電壓等級，目前電子式互感器的技術(shù)優(yōu)勢不明顯，而且各個(gè)間隔間的電流和電壓信號基本上不需要在多個(gè)間隔層設(shè)備之間共享，因此不必對電流和電壓信息進(jìn)行數(shù)字化處理后再以IEC 61850（或者IEC 60044-8）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸。對于低電壓等級，可以仍采用常規(guī)互感器，或者采用低功率輸出的新型互感器并與就地安裝的間隔層設(shè)備相配合，間隔層設(shè)備采用數(shù)字化接口支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 智能化一次設(shè)備

數(shù)字化牽引變電所內(nèi)的智能化一次設(shè)備主要包括數(shù)字化開關(guān)和變壓器等，其信號回路和操作驅(qū)動回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字信號和光纖代替。當(dāng)前，智能化一次設(shè)備還處于實(shí)驗(yàn)室研究和理論論證階段，國內(nèi)外均沒有成熟產(chǎn)品應(yīng)用的報(bào)道?？紤]到鐵路牽引供電系統(tǒng)原有傳統(tǒng)一次設(shè)備的改造難度，通過在互感器和開關(guān)上加裝智能采集終端及智能控制終端裝置，實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)字化傳輸和開關(guān)、刀閘的數(shù)字化操作。其中，智能終端裝置針對單個(gè)電流互感器、電壓互感器或斷路器設(shè)計(jì)，由智能采集裝置根據(jù)系統(tǒng)同步脈沖完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過光纖送至合并單元，合并單元通過高速光纖再將時(shí)標(biāo)一致的電壓和電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各保護(hù)測控單元。

2.2.3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)選型

間隔層設(shè)備安裝在開關(guān)柜上，仍采用電纜傳輸模擬信號的方式實(shí)現(xiàn)與互感器和開關(guān)的信息交換。為避免不同特點(diǎn)的數(shù)據(jù)相互之間的影響，系統(tǒng)可采用監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)和模擬數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)分離策略。監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大，傳送實(shí)時(shí)性要求不高；過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量不大，具有突發(fā)性，傳輸要求可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；模擬數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量特別大，呈周期性，傳輸?shù)囊笫菍?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性都要非常高，延時(shí)需要確定。三網(wǎng)相互獨(dú)立，分工明確，確保整個(gè)牽引變電所系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。

2.2.4 既有變電所改造過渡策略

隨著數(shù)字化變電所新技術(shù)的積極研究并逐步推廣應(yīng)用，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的既有變電所將需要進(jìn)行過渡改造以支持 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。但對于低壓既有變電所如果完全改造成采用電子式互感器，可能導(dǎo)致成本高昂，在變電所升級的過程中，變電所一般從經(jīng)濟(jì)利益的角度出發(fā)首先改造二次設(shè)備，采取更為先進(jìn)的技術(shù)與通信方式，而對一次主設(shè)備仍沿用傳統(tǒng)的老方式。因此，只建議低壓所高壓側(cè)部分采取電子式互感器。而傳統(tǒng)變電所今后應(yīng)該更側(cè)重于改造變電所層和間隔層的通信方式。最簡單的方式是一次性更換全部的舊二次設(shè)備，但經(jīng)濟(jì)成本更大，或是在變電所層與間隔層分別采用通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器逐步轉(zhuǎn)成支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。

今后，在很長一段時(shí)期內(nèi) IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)與IEC60870標(biāo)準(zhǔn)等舊協(xié)議都還將并存，因此，如何從現(xiàn)在的IEC 60870-5過渡到IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)值得考慮的問題[3]，要實(shí)現(xiàn)IEC 60870-5標(biāo)準(zhǔn)與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)，主要需要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)步驟：（1）實(shí)現(xiàn)IEC 60870-5-101服務(wù)到IEC 61850-7-2服務(wù)映射。（2）實(shí)現(xiàn)IEC60870-5-101中的ASDU類型元素到IEC 61850-7-3數(shù)據(jù)類映射。（3）實(shí)現(xiàn)IEC60870-5的數(shù)據(jù)模型到IEC 61850-7-4邏輯節(jié)點(diǎn)的映射。

3 結(jié)語

數(shù)字化變電所是變電所自動化技術(shù)的發(fā)展方向，推廣采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。但是實(shí)施IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)難度較大，它將是一個(gè)漸進(jìn)的過程。本文僅是淺顯地探討在牽引變電所數(shù)字化設(shè)計(jì)中需要解決的問題，相信在不久的將來，數(shù)字化牽引變電所能在工程中逐步實(shí)現(xiàn)，從而在鐵路牽引供電系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

[1]譚文恕.遠(yuǎn)動的無縫通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25.

[2]IEC61850: Communication Networks and Systems in Substation[S].Part l-Part 10, 2002.

[3]朱炳銓，任雁銘，姜建寧.變電所自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)IEC 61850的過渡期策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（23）：54-57.