IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站的應(yīng)用

吳 薇，馮劍波

（中山市電力工程有限公司，廣東 中山528400）

1 數(shù)字化變電站系統(tǒng)概述

數(shù)字化變電站是變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向，是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程，就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是由電子式互感器、智能化開(kāi)關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。

IEC61850是新一代的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它采用了面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ?guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征，并且定義了通用配置語(yǔ)言。同傳統(tǒng)的IEC60870－5－103標(biāo)準(zhǔn)相比，它不僅僅是一個(gè)單純的通信規(guī)約，而是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，它指導(dǎo)了變電站自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、工程、維護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的對(duì)象統(tǒng)一建模，采用獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強(qiáng)了設(shè)備之間的互操作性，可以在不同廠家的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。智能化一次設(shè)備和數(shù)字式變電站要求變電站自動(dòng)化采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850是迄今最為完善的變電站自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，它不僅規(guī)范保護(hù)測(cè)控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式CT、PT、智能式開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的模型和通信接口。采用IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可以大大提高變電站自動(dòng)化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，節(jié)約開(kāi)發(fā)驗(yàn)收維護(hù)的人力物力，實(shí)現(xiàn)完全的互操作。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850－5）定義了變電站的通信接口，成為了數(shù)字化變電站系統(tǒng)構(gòu)成的重要依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)一般將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為三層，分別是站控層、間隔層、過(guò)程層，智能化、數(shù)字化的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)延伸到一次設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)模型

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建模思想最重要的特點(diǎn)是層次化、組件化和全面性。

（1）層次化、組件化的建模：整個(gè)廠站電氣自動(dòng)化系統(tǒng)是由一組自動(dòng)化裝置組成的，自動(dòng)化裝置各自完成一定的功能，同時(shí)又相互協(xié)作，完成分布過(guò)程自動(dòng)化功能。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一臺(tái)變電站自動(dòng)化裝置內(nèi)的信息抽象分成如下邏輯層次：服務(wù)器（Server）、邏輯設(shè)備（LogicDevice或簡(jiǎn)稱LD）、邏輯節(jié)點(diǎn)（LogicNode或簡(jiǎn)稱LN）以及數(shù)據(jù)（DATA）與數(shù)據(jù)屬性（DATAAttr）。這也就構(gòu)成了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的基本的信息模型及通信服務(wù)模型。為了滿足變電站自動(dòng)化功能對(duì)通信機(jī)制的某些特定需要，還進(jìn)一步定義了各種信息交換服務(wù)。這種分層關(guān)系也可以用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML（Unified Modeling Language）的類圖來(lái)表示，如圖1所示。圖中同時(shí)標(biāo)出了每層邏輯對(duì)象的主要“方法”（method）。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是由自動(dòng)化裝置、一次設(shè)備等各種物理設(shè)備組成的物理系統(tǒng)。從另一個(gè)角度，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)又可以用服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象等分層對(duì)象組成的邏輯系統(tǒng)來(lái)描述。物理系統(tǒng)中的自動(dòng)化裝置和邏輯系統(tǒng)中的服務(wù)器之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）全面性的建模：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中變電站自動(dòng)系統(tǒng)的邏輯接口定義為：①間隔層和變電站層之間保護(hù)數(shù)據(jù)接口；②間隔層與遠(yuǎn)方保護(hù)之間保護(hù)數(shù)據(jù)接口；③間隔層裝置內(nèi)數(shù)據(jù)接口；④過(guò)程層（如光電互感器）和間隔層之間瞬時(shí)數(shù)據(jù)（尤其是采樣數(shù)據(jù)）接口；⑤過(guò)程層和間隔層之間控制數(shù)據(jù)接口；⑥間隔和變電站層之間控制數(shù)據(jù)接口；⑦變電站層與遠(yuǎn)方工程師站之間數(shù)據(jù)接口；⑧間隔之間數(shù)據(jù)接口；⑨變電站層內(nèi)數(shù)據(jù)接口。從邏輯接口的定義可以看出，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是整個(gè)變電站電氣系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換，包括功能之間可能的數(shù)據(jù)交換，而不只是裝置間的通信。因此IEC61850所建立的模型涵蓋整個(gè)變電站電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程的數(shù)據(jù)和功能。定義了約90個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，覆蓋了變電站內(nèi)的各種類型的保護(hù)、測(cè)控和其它自動(dòng)化功能。

由此可見(jiàn)，在數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中不應(yīng)僅僅從通信層面應(yīng)用IEC61850，而應(yīng)切實(shí)從提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性、互操作性、經(jīng)濟(jì)性等角度應(yīng)用IEC61850。

圖1 IEC61850中變電站電氣自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

1.3 對(duì)時(shí)方式

目前國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的對(duì)時(shí)方式多采用硬接點(diǎn)對(duì)時(shí)、IRIG－B對(duì)時(shí)、串口通信對(duì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)等方式。前兩種方式的對(duì)時(shí)誤差可小于100μs，但需要額外的對(duì)時(shí)連線；后兩種對(duì)時(shí)方式無(wú)需額外的對(duì)時(shí)連線，但對(duì)時(shí)精度則低于亞毫秒級(jí)（誤差大于100μs），甚至達(dá)到毫秒級(jí)。目前，變電站系統(tǒng)通信逐步采用以太網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)最為經(jīng)濟(jì)方便的對(duì)時(shí)手段，但精度問(wèn)題制約了網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的應(yīng)用。在數(shù)字化變電站中系統(tǒng)對(duì)時(shí)直接影響不同間隔甚至同一間隔內(nèi)的狀態(tài)信息采集的效果，IEC61850定義了三個(gè)等級(jí)的采樣值同步精確度：T3、T4、T5。其中：T3等級(jí)的對(duì)時(shí)精度為25μs，用于配電線路保護(hù)；T4等級(jí)的對(duì)時(shí)精度為4μs，用于輸電線路保護(hù)；T5等級(jí)的對(duì)時(shí)精度為1μs，用于計(jì)量。均高于目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的對(duì)時(shí)精度要求。

2 基于IEC61850的RCS－9700三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三鄉(xiāng)數(shù)字化系統(tǒng)是采用南京南瑞繼保公司的RCS9700監(jiān)控系統(tǒng)、PCS900保護(hù)、PCS97XX測(cè)控、PCS997故障錄波器、PCS222智能就地裝置、RCS9698H遠(yuǎn)動(dòng)裝置、RCS9798B保信子站，該系統(tǒng)從整體上分為三層：站控層、間隔層和過(guò)程層（如圖2）。

圖2 220kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

站控層包括監(jiān)控主機(jī)、操作員工作站、維護(hù)工程師站等；RCS－9698H為遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)，其功能是將變電站內(nèi)信息應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約和遠(yuǎn)動(dòng)通道，實(shí)現(xiàn)變電站信息向監(jiān)控中心遠(yuǎn)傳，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心遠(yuǎn)方控制；RCS－9798B為保護(hù)信息子站，其采集變電站內(nèi)各種保護(hù)以及故障錄波信息，并向保護(hù)信息主站傳輸。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、保護(hù)信息子站與后臺(tái)系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，互不影響。所有站控層設(shè)備均采用100 M工業(yè)以太網(wǎng)，并按照IEC61850通信規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)建模并進(jìn)行信息傳輸。

間隔層主要包括PCS－900系列保護(hù)裝置、PCS－9700系列測(cè)控裝置以及其他智能設(shè)備。間隔層設(shè)備對(duì)站控層采用以太網(wǎng)通信方式。

變電站內(nèi)還包括其他輔助設(shè)備和RCS－9794A通信裝置，其功能是將站內(nèi)不支持IEC61850的智能設(shè)備（如UPS、直流屏等）轉(zhuǎn)換成能夠按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信；RCS－9785系列GPS對(duì)時(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)統(tǒng)一對(duì)時(shí)。

過(guò)程層的設(shè)備包括：將原有的110 kV及220 kV出線間隔的常規(guī)電壓抽取裝置（TYD）及常規(guī)電壓（PT）、電流互感器（CT）更換成南京新寧電氣公司生產(chǎn)的電子式電壓互感器（EVT）、電子式電流互感器（ECT）。EVT、ECT的輸出信號(hào)接至合并單元完成數(shù)據(jù)的同步和合并，同時(shí)合并單元為間隔層保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量設(shè)備提供電流、電壓數(shù)字量；另外，通過(guò)在各間隔開(kāi)關(guān)場(chǎng)增加一套智能就地單元的辦法，實(shí)現(xiàn)了適合本站特點(diǎn)的數(shù)字化改造。智能就地單元主要用于斷路器和刀閘的控制及信號(hào)量的采集。

3 220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站工程的優(yōu)勢(shì)

3.1 220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站工程的優(yōu)勢(shì)

（1）數(shù)字化改造可以大量減少變電站內(nèi)控制電纜的數(shù)量，從而節(jié)約電纜成本；

（2）數(shù)字化改造采用了比電纜具有更好電磁兼容性能的光纜，使變電站內(nèi)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃燥@著提高；

（3）使用數(shù)字信號(hào)能大大增加傳輸?shù)膸捄托畔⒘?。常?guī)CT、PT更換為輸出數(shù)字信號(hào)的電子式互感器，電子式互感器沒(méi)有傳統(tǒng)互感器固有的TA斷線導(dǎo)致高壓危險(xiǎn)、TA飽和影響差動(dòng)保護(hù)、CVT暫態(tài)過(guò)程影響距離保護(hù)、鐵磁諧振、絕緣油爆炸、六氟化硫泄漏等問(wèn)題。同時(shí)，電子式互感器大量的節(jié)約了鐵芯、銅線等金屬材料，與同電壓等級(jí)的傳統(tǒng)互感器相比具有明顯的經(jīng)濟(jì)性，符合國(guó)家可持續(xù)性發(fā)展的目標(biāo)。

3.2 三鄉(xiāng)站數(shù)字化改造過(guò)程中解決的幾大難題

（1）解決了不同廠家設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊問(wèn)題。電壓、電流采集、傳輸都是由新寧公司設(shè)備實(shí)現(xiàn)，而保護(hù)、測(cè)控設(shè)備都是由南瑞繼保公司生產(chǎn)，如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同廠家設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊是這次改造中碰到的首要難題。各相電壓、電流信號(hào)的采樣如何同步，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的延時(shí)如何處理，多路信號(hào)如何同步以及電流數(shù)字信號(hào)與模擬電流轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)后如何同步等問(wèn)題在這次數(shù)字化改造過(guò)程中都得到了圓滿的解決。

（2）GOOSE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題。IEC61850定義了變電站的快速事件傳輸服務(wù)GOOSE。支持GOOSE的能力，也相應(yīng)地開(kāi)發(fā)出了支持GOOSE的高壓保護(hù)、智能操作箱、測(cè)控等裝置。通過(guò)GOOSE的應(yīng)用可以減少保護(hù)、測(cè)控、錄波器等裝置之間的大量電纜連線，由于GOOSE可以通過(guò)通信過(guò)程不斷自檢，避免了傳統(tǒng)電纜回路故障無(wú)法發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)，因此GOOSE可以提高變電站的可靠性，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。故障錄波器也是通過(guò)從GOOSE網(wǎng)絡(luò)記錄開(kāi)關(guān)量信息的。

（3）IEC61850建站模型的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是迄今為止最為完善的變電站自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。提供了完善的服務(wù)功能：報(bào)告服務(wù)（事件、遙測(cè)狀態(tài)上送）；歷史記錄上送；遙控、遙調(diào)；定值讀寫(xiě)服務(wù)；錄波；保護(hù)故障報(bào)告；時(shí)間同步；文件傳輸；取代服務(wù)；快速事件傳送；采樣值傳送；IEC61850和以前使用的標(biāo)準(zhǔn)不同之處還在于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模，它以服務(wù)器模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點(diǎn)模型和數(shù)據(jù)對(duì)象模型建立了裝置和整個(gè)變電站的數(shù)據(jù)模型。

（4）常規(guī)變電站在不更換開(kāi)關(guān)、刀閘設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)字化改造的問(wèn)題。常規(guī)的開(kāi)關(guān)、刀閘都是通過(guò)電纜傳輸控制信號(hào)，數(shù)字化變電站的特點(diǎn)是用數(shù)字網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜，報(bào)文代替過(guò)去的電壓信號(hào)。

（5）在不能全站停電的情況下實(shí)現(xiàn)了母差的改造。母差子站設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，解決了將改造前的模擬電流信號(hào)和改造后數(shù)字電流信號(hào)同時(shí)接入新母差的問(wèn)題，從而可以在全站不停電的條件下，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)間隔的數(shù)字化改造。

（6）在不使用套管CT后，實(shí)現(xiàn)了主變變高、變中開(kāi)關(guān)能夠代路的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的主變保護(hù)CT接線方式中，主變變高、變中開(kāi)關(guān)代路時(shí)必須使用主變套管CT。在三鄉(xiāng)改造時(shí)，由于主變套管更換成ECT的難度較大，因而主變保護(hù)全部使用開(kāi)關(guān)CT。通過(guò)切換定值區(qū)使保護(hù)裝置在旁路開(kāi)關(guān)與主變本側(cè)開(kāi)關(guān)并列時(shí)可以計(jì)算它們的CT和電流的方法，實(shí)現(xiàn)了主變變高、變中開(kāi)關(guān)在不使用套管CT的情況下能夠代路。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，三鄉(xiāng)站數(shù)字化改造是探索數(shù)字化變電站的首次嘗試，它實(shí)現(xiàn)了常規(guī)變電站通過(guò)改造也能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的夢(mèng)想，是IEC61850數(shù)字化建站模型的勇敢挑戰(zhàn)。從220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站的建設(shè)和運(yùn)行情況來(lái)看，應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立開(kāi)放式數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是今后變電站自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)。由于數(shù)字化變電站剛剛起步，在建設(shè)和運(yùn)行中需要自動(dòng)化專業(yè)、繼電保護(hù)專業(yè)和運(yùn)行人員不斷積累經(jīng)驗(yàn)，解決技術(shù)方面出現(xiàn)的問(wèn)題，完全將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)貫徹到所有接入變電站設(shè)備，需要多方面的共同努力。