基于61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

阿城繼電器股份有限公司 宮獻(xiàn)業(yè)

1.引言

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對變電站自動(dòng)化的要求程度越來越高，為了方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間互聯(lián)，就需要一種通用的通信方式來實(shí)現(xiàn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化形成一個(gè)規(guī)范的輸出，能夠使系統(tǒng)無縫連接，為此一種新型的基于61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)便成了當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的研究趨勢。本文將對一個(gè)新型的數(shù)字化變電站綜自系統(tǒng)按分層分布式的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化的對象建模方式以及圖形化編程技術(shù)等進(jìn)行全面的闡述。

2.61850標(biāo)準(zhǔn)簡介

61850標(biāo)準(zhǔn)是基于美國UCA2.0標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上又有所發(fā)展的國際標(biāo)準(zhǔn)，其主要特點(diǎn)是：面向設(shè)備，面向?qū)ο蠼?，面向?yīng)用開放的完善的自我描述；采用抽象通信服務(wù)接口，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議獨(dú)立；具有符合電力系統(tǒng)特點(diǎn)的通信服務(wù)，信息對象在信息源處唯一定義，數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模；采用XML的配置技術(shù)等。

3.系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的IEC61850網(wǎng)絡(luò)通信方案，具有高速的通信速率，整個(gè)系統(tǒng)分為三層：站控層、間隔層、過程層。

3.1 站控層

站控層主網(wǎng)采用IEC61850以太網(wǎng)通信機(jī)制，通過監(jiān)控主機(jī)（操作員站）、IEC61850通信管理機(jī)、通信交換機(jī)等實(shí)現(xiàn)站控層子系統(tǒng)。監(jiān)控主機(jī)及軟件冗余配置，防止硬件故障造成數(shù)據(jù)丟失和不可用。

3.2 間隔層

間隔層由具有保護(hù)測控功能的IED組成，全面支持IEC61850各通信服務(wù)模型，利用GOOSE通信實(shí)現(xiàn)了間隔層聯(lián)鎖。實(shí)現(xiàn)了變電站信息共享及設(shè)備間的互操作性，簡化了系統(tǒng)維護(hù)、配置和工程實(shí)施。

3.3 過程層

過程層主要完成開關(guān)量I/O、模擬量采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能，通過網(wǎng)絡(luò)與間隔層連接。

3.4 GOOSE實(shí)現(xiàn)方案

面向通用對象的變電站事件（GO-OSE）模型是IEC61850在智能變電站中的一個(gè)重要應(yīng)用，采用發(fā)布者/訂閱者通信結(jié)構(gòu)，支持多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn)直接通信，是一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源（即發(fā)布者）向多個(gè)接收者（即訂閱者）發(fā)送數(shù)據(jù)的最佳方案，尤其適合于數(shù)據(jù)流量大且實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)通信。

GOOSE模型是一種快速報(bào)文傳輸服務(wù)，報(bào)文傳輸直接由應(yīng)用層到表示層，經(jīng)抽象語法符號(hào)ASN.1編碼后，不經(jīng)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，目的是為避免通信堆棧造成傳輸延時(shí)。為了保證實(shí)時(shí)性和可靠性，GOOSE報(bào)文傳輸不需要回執(zhí)確認(rèn)，而是采用順序重發(fā)機(jī)制，重發(fā)過程如下圖所示。

采用GOOSE模型后，繼電保護(hù)裝置通過網(wǎng)絡(luò)傳輸跳閘和裝置之間的啟動(dòng)閉鎖信號(hào)，替代了傳統(tǒng)智能電子設(shè)備（IED）間硬接線。

在上圖中，T0為在沒有事件發(fā)生時(shí)，由發(fā)布方定期發(fā)送的心跳報(bào)文的時(shí)間間隔。（T0)為由于事件發(fā)生導(dǎo)致變短的時(shí)間間隔，T1為事件發(fā)生后最短的重發(fā)時(shí)間間隔，T2、T3為再次回到穩(wěn)定狀態(tài)前的重發(fā)時(shí)間間隔。

GOOSE模型還引入了報(bào)文存活時(shí)間（timeAllowedToLive）、事件序列計(jì)數(shù)器（SqNum)、狀態(tài)改變計(jì)時(shí)器（StNum)、狀態(tài)改變時(shí)刻（T)等狀態(tài)參數(shù)。報(bào)文存活時(shí)間提示訂閱者等待下一報(bào)文到來的最長時(shí)間。如果等待時(shí)間大于timeAllowedToLive值仍未收到有效報(bào)文時(shí)，訂閱者認(rèn)為通信發(fā)生故障，發(fā)出告警信號(hào)。

事件序列計(jì)數(shù)器指GOOSE報(bào)文傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)器，訂閱者通過SqNum能夠確認(rèn)報(bào)文傳輸無漏包。狀態(tài)改變計(jì)數(shù)器當(dāng)有新事件產(chǎn)生計(jì)數(shù)加1.

3.5 數(shù)字化變電站的工程實(shí)施

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是變電站通信的標(biāo)準(zhǔn)，而且是一個(gè)全變電站集成和實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)對工程實(shí)施的過程、支持工具、組態(tài)配置提出了詳細(xì)的要求。通過IED配置工具生成裝置的描述文件ICD文件（為XML標(biāo)準(zhǔn)格式）。ICD文件描述裝置的數(shù)據(jù)模型和能力，如包括那些邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)類型的定義、數(shù)據(jù)集定義、控制塊定義、裝置通信能力和參數(shù)的描述。

在工程實(shí)施過程中，通過系統(tǒng)配置工具生成變電站一次系統(tǒng)的描述文件SSD文件（為XML標(biāo)準(zhǔn)格式）。包括一次系統(tǒng)的單線圖、一次設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)、邏輯節(jié)點(diǎn)的類型定義等。以變電站包含的各種類型的二次設(shè)備的ICD文件和變電站的SSD文件為輸入，通過SCD配置工具生成變電站的數(shù)據(jù)SCD文件，包含變電站一次系統(tǒng)配置、二次設(shè)備配置和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置。

利用配置工具從SCD文件中導(dǎo)出裝置運(yùn)行所需的CID文件，下載到裝置中滿足變電站的運(yùn)行需求。

4.間隔層IED裝置的實(shí)現(xiàn)方案

4.1 硬件軟件通用平臺(tái)

系統(tǒng)間隔層裝置硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮數(shù)字化變電站的特點(diǎn)和要求，根據(jù)當(dāng)前電力系統(tǒng)的發(fā)展潮流，采用高性能的雙CPU硬件系統(tǒng)，配備大量的外圍資源，核心處理器選用工業(yè)級高性能嵌入式微處理器，具有快速的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力、整個(gè)硬件系統(tǒng)配備豐富的可用資源滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。

4.2 圖形化編程

數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中IED的應(yīng)用圖形化編程方式極大的簡化了對IED的配置和維護(hù)工作，且可靈活組態(tài)。對遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化編程和基于IEC61850面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想下的參數(shù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)圖形化編程與IED數(shù)據(jù)處理的技術(shù)關(guān)鍵。

模擬量、開關(guān)量、定值都是繼電保護(hù)圖元元件的參數(shù)，通過點(diǎn)擊圖形界面上圖元的引腳屬性，可以選擇模擬量通道、開關(guān)量輸入輸出通道、定值等項(xiàng)。IED裝置在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，在內(nèi)存中開辟了公用的模擬量、開關(guān)量、定值等數(shù)據(jù)區(qū)。

4.3 IEC61850通信模型實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)支持IEC61850抽象通信服務(wù)模型，包括：服務(wù)器模型、應(yīng)用連接模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點(diǎn)模型、數(shù)據(jù)類模型、數(shù)據(jù)集模型、定值控制塊模型、報(bào)告控制塊模型、日志控制塊模型、控制模型。

裝置上電讀取IED模型配置文件，完成VMD創(chuàng)建。其中包括邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集、定值控制塊、報(bào)告控制塊、日志控制塊、控制模型等。同時(shí)完成IEC61850通信數(shù)據(jù)和保護(hù)功能數(shù)據(jù)之間的映射。

4.3.1 報(bào)告控制塊的實(shí)現(xiàn)方式

緩存報(bào)告控制塊BRCB用來處理間隔層設(shè)備的大部分狀態(tài)信息、SOE信息、告警等事件信息，滿足了事件驅(qū)動(dòng)的許多緊迫要求，完成向監(jiān)控系統(tǒng)傳輸事件的功能。緩存報(bào)告模型在軟件實(shí)現(xiàn)上分為事件監(jiān)視、報(bào)告處理和報(bào)告控制三部分。當(dāng)報(bào)告模型所監(jiān)視的數(shù)據(jù)集功能約束數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，事件監(jiān)視部分檢測到數(shù)據(jù)變化，通過消息傳遞機(jī)制，將消息傳送至報(bào)告處理部分，報(bào)告處理部分通過報(bào)告控制塊屬性填充報(bào)告內(nèi)容，進(jìn)行高效編碼后，傳送至客戶端。

緩存報(bào)告控制塊在完成事件觸發(fā)的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)客戶端總啟動(dòng)和完整性周期掃描，對數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，可有效的利用帶寬。

非緩存報(bào)告控制塊用來處理模擬數(shù)據(jù)，完成測量數(shù)據(jù)的主動(dòng)上送。

4.3.2 定值控制塊的實(shí)現(xiàn)方式

定值控制塊用來實(shí)現(xiàn)對裝置定值區(qū)和定值的管理，實(shí)現(xiàn)了獲取當(dāng)前定值組、編輯定值區(qū)和激活定值區(qū)的切換、定值讀寫等功能。客戶在修改某組定值時(shí)，首先將該組定值調(diào)到編輯緩沖區(qū)，當(dāng)確認(rèn)修改后，檢查所修改定值的有效性，確定所修改內(nèi)容有效后，定值控制塊模型將編輯區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到實(shí)際存儲(chǔ)區(qū)。

4.3.3 控制模型的實(shí)現(xiàn)方式

控制模型分為常規(guī)安全的直接控制、常規(guī)安全的操作前選擇控制、增強(qiáng)安全的直接控制、增強(qiáng)安全的操作前選擇控制。每種控制模型都采用了不同的狀態(tài)機(jī)。針對不同IED裝置中遙控的執(zhí)行方式選擇不同的模型。采用的控制方式在裝置的模型配置文件中進(jìn)行預(yù)配置，通過通信服務(wù)參數(shù)的不同，執(zhí)行相應(yīng)的功能。

5.結(jié)語

本分討論的新型數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用了先進(jìn)的硬件平臺(tái)，建立在IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)之上，采用了諸如面向?qū)ο蠼！⒊橄笸ㄐ欧?wù)接口、強(qiáng)大的過程層通信等許多全新而前瞻性的技術(shù)，為數(shù)字化變電站的工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用、調(diào)試提供了全面的技術(shù)支持，為我國數(shù)字化變電站的普及和推廣做出了貢獻(xiàn)。

[1]IEC 61850-5變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng):功能通信要求和裝置模型.

[2]IEC 61850-6變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng):與變電站有關(guān)的IED通信配置描述語言.

[3]IEC 61850-7變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng):抽象通信服務(wù)接口ACSI.

[4]IEC 61850-8變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng):特定通信服務(wù)映射SCSM.

[5]殷志良,劉萬順等.基于IEC61850的統(tǒng)統(tǒng)變電站事件模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(19):45-49.

[6]吳在軍,胡敏強(qiáng).基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(10):61-65.

[7]高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2008.