IEC 61850標準在智能水電廠中的適用性分析

芮 鈞，馮漢夫，徐 潔，馬 力，胡少英，石 爽

（1.南瑞集團公司，江蘇省南京市 210003；2. 中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院，陜西省西安市 710065）

1 引言

近年來，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)以及間歇性新能源大規(guī)模接入，水電廠機組源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力、業(yè)務(wù)友好互動能力及資源協(xié)同優(yōu)化能力不足的問題日益突出。以往水電廠缺乏統(tǒng)一的信息編碼和通信標準，導致水電廠現(xiàn)地通信體系十分復雜，信息采集過程需要經(jīng)過多次協(xié)議轉(zhuǎn)換，信號采集和傳輸?shù)目煽啃圆蛔?，導致發(fā)電監(jiān)控、水情水調(diào)、大壩安全監(jiān)測等各類自動化系統(tǒng)互聯(lián)互通困難，各類相關(guān)的業(yè)務(wù)之間無法高效協(xié)同，無法有效支撐區(qū)域水電或多元能源類型聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度和在線經(jīng)濟運行。

因此，國內(nèi)相關(guān)科研單位分別提出了“智能水電廠”的理念[1，2]，旨在通過統(tǒng)一通信標準和軟件平臺等一系列措施，解決傳統(tǒng)水電廠面臨的上述問題。智能水電廠是指適應(yīng)智能電網(wǎng)源網(wǎng)協(xié)調(diào)要求，以信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)化、集成標準化、運管一體化、業(yè)務(wù)互動化、運行最優(yōu)化、決策智能化為特征，采用智能電子裝置（Intelligent Electric Device，IED）及智能設(shè)備，自動完成采集、測量、控制、保護等基本功能，具備基于一體化平臺的經(jīng)濟運行、在線分析評估決策支持、安全防護多系統(tǒng)聯(lián)動等智能應(yīng)用組件，實現(xiàn)生產(chǎn)運行安全可靠、經(jīng)濟高效、友好互動目標的水電廠。國家電網(wǎng)公司已于2012年建成了白山、松江河首批兩個智能水電廠試點工程，對智能水電廠技術(shù)成果開展了全面的應(yīng)用實踐。2012年之后，智能水電廠的相關(guān)技術(shù)成果被陸續(xù)應(yīng)用至三峽成都梯調(diào)、瀾滄江集控中心等重大工程中，取得了良好的預期效果。

目前，國內(nèi)外智能水電廠相關(guān)的論文主要集中在自動化系統(tǒng)的總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)體系、應(yīng)用功能等方面[3，4]，少數(shù)則以示例的方式簡要介紹IEC 61850標準邏輯節(jié)點使用方法[3，4]及通信軟件實現(xiàn)方法[7]。IEC 61850標準最初是IEC組織針對變電站自動化系統(tǒng)提出的，而水電廠自動化系統(tǒng)監(jiān)測對象與功能遠比變電站復雜得多，因此IEC 61850標準能否滿足水電廠通信功能和性能方面的要求，在業(yè)界仍然存在一定的爭議。本文在介紹IEC 61850標準與水電自動化相關(guān)的部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析該標準在智能水電廠中應(yīng)用的適用性，提出該標準應(yīng)用于水電廠的基本原則和方法，對統(tǒng)一和推廣智能水電廠理念、推進國內(nèi)水電廠自動化技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2 IEC 61850及在變電站中應(yīng)用現(xiàn)狀

IEC 61850標準是由國際電工委員會第57技術(shù)委員會于2003年頒布的，該標準使變電站中來自不同廠商的智能電子裝置（IED）實現(xiàn)了互操作，目前IEC 61850標準已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)[8]。從2009年開始，IEC開始發(fā)布IEC 61850 Ed 2.0，標準名稱由《變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》改為《電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》，使IEC 61850標準的應(yīng)用從變電站拓展到發(fā)電廠、分布式能源（DER）、輸變電設(shè)備監(jiān)測以及配電自動化系統(tǒng)等領(lǐng)域，極大地拓展了該標準的適用范圍。我國于2004年開始以等同采用（IDT）的方式將IEC 61850標準翻譯為中文，并采納為我國的電力行業(yè)標準DL 860。

IEC 61850主要內(nèi)容包括以下四部分：①系統(tǒng)部分。包括IEC 61850-l、IEC 61850-2、IEC 61850-3、IEC 61850-4和IEC 61850-5五個文件，從通信技術(shù)本身進行描述，并從系統(tǒng)工程管理、質(zhì)量保證、系統(tǒng)模型等方面進行敘述，使IEC 61850標準能夠更好地應(yīng)用于電力系統(tǒng)。②配置部分。IEC 61850-6定義了變電站系統(tǒng)和設(shè)備配置、功能信息及相對關(guān)系的變電站配置描述語言。③數(shù)據(jù)模型、通信服務(wù)和映射部分。包括IEC 61850-7、IEC 61850-8和IEC 61850-9三個文件，是IEC 61850核心技術(shù)部分，從技術(shù)實現(xiàn)角度描述了IEC 61850的信息模型、通信服務(wù)接口模型以及信息模型與實際通信網(wǎng)絡(luò)的映射方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)信息模型的統(tǒng)一、通信服務(wù)的統(tǒng)一和傳輸過程的一致。④測試部分。主要是IEC 61850-10，定義了一致性測試的方法、等級、環(huán)境和設(shè)備要求，用于驗證系統(tǒng)和設(shè)備的互操作性。

基于IEC 61850標準的智能變電站技術(shù)在國內(nèi)已基本發(fā)展成熟，以南京南瑞集團公司為代表的電力自動化設(shè)備企業(yè)研制出了滿足IEC 61850標準的變電站保護和測控設(shè)備，并應(yīng)用于國內(nèi)大量智能變電站建設(shè)和改造工程中。通過采用IEC 61850標準，智能變電站利用智能二次設(shè)備取代了傳統(tǒng)二次設(shè)備，利用光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，解決了電磁干擾、一點接地等問題，節(jié)約了工程投資，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保理念；簡化了二次系統(tǒng)的配置，實現(xiàn)全景數(shù)據(jù)集成、標準化后統(tǒng)一上送，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)源端維護，提高了工程調(diào)試效率和系統(tǒng)的安全性。國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《智能變電站技術(shù)導則》，明確要求“智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)應(yīng)符合 DL/T 860（IEC 61850）標準。應(yīng)建立包含電網(wǎng)實時同步信息、保護信息、設(shè)備狀態(tài)、電能質(zhì)量等各類數(shù)據(jù)的標準化信息模型，滿足基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性及一致性的要求?！?/p>

3 IEC 61850標準適用性分析

3.1 對象信息建模

IEC 61850第二版將水電廠、分布式能源等納入到標準中，為此在IEC 61850-7-4的基礎(chǔ)上，補充了分別用于水電廠和分布式能源的信息建模規(guī)范文件，制定了相應(yīng)的邏輯節(jié)點列表及定義。其中，針對水電廠的信息建模規(guī)范的文件以IEC 61850-7-#10命名，針對分布式能源的信息建模規(guī)范的文件以IEC 61850-7-#20命名。2007年，IEC首次發(fā)布了針對水電廠的IEC 61850-7-410《電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-410部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠 監(jiān)視和控制通信》標準第一版，描述了IEC 61850標準在水電廠應(yīng)用中所需的額外的公用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點以及數(shù)據(jù)對象，為IEC 61850標準應(yīng)用于水電廠奠定了基礎(chǔ)。2012年，IEC又發(fā)布了該標準的第二版，進一步補充完善了水電廠信息建模標準，使得IEC 61850標準在水電廠中的適用性進一步提高。IEC 61850-7-410第一版共收錄63個邏輯節(jié)點，其中命名以H開頭的水電站專用邏輯節(jié)點19個，通用邏輯節(jié)點44個。IEC 61850-7-410標準第二版則收錄41個邏輯節(jié)點，其中命名以H開頭的水電站專用邏輯節(jié)點26個，通用邏輯節(jié)點15個。IEC 61850-7-410第二版的邏輯節(jié)點分為自動控制、功能模塊、水電廠專用邏輯節(jié)點、接口和存檔、機械與非電氣主設(shè)備、保護功能、保護相關(guān)功能、傳感器監(jiān)視、開關(guān)設(shè)備等組，涉及電力、機械、水文、傳感器等技術(shù)領(lǐng)域。

2012年，IEC又發(fā)布了IEC 61850-7-510《電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-510部分：基本通信結(jié)構(gòu) 水力發(fā)電廠建模原理與應(yīng)用指南》技術(shù)報告，以大量示例的方式詳盡地解釋了如何使用IEC 61850-7-4以及IEC 61850-7-410系列其他文檔定義的邏輯節(jié)點對電廠（包括可變速抽水蓄能電廠）的復雜控制功能進行建模，主要內(nèi)容包括：①水電廠整體通信結(jié)構(gòu)框架，包括水電廠的整體通信結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、運行模式和基本控制策略；②控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化，包括邏輯設(shè)備建模、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、機組啟停控制等應(yīng)用的IEC 61850建模示例；③變速抽水蓄能系統(tǒng)示例，包括變速抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和機組啟?？刂频葢?yīng)用的IEC 61850建模示例；④高壓油系統(tǒng)油泵啟動優(yōu)先權(quán)；⑤尋址結(jié)構(gòu)和映射示例；⑥不同類型曲線的使用以及曲線形狀描述的示例；⑦電壓匹配功能的示例。

目前，我國已經(jīng)完成了翻譯IEC 61850-7-410和IEC 61850-7-510并等同采用為國內(nèi)電力行業(yè)標準的相關(guān)工作，即將進入正式發(fā)布該文件，作為DL 860標準的部分文件。此外，國際電工委員會第57技術(shù)委員正在組織編寫IEC 61850-7-410的修正文件，進一步完善水電廠自動化系統(tǒng)的對象信息建模。這使得IEC 61850突破了原來的變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)用局限，能夠有效地應(yīng)用于智能水電廠對象信息建模。此外，針對我國水電廠自動化系統(tǒng)的特點，南京南瑞集團公司正在牽頭組織編寫國家標準《智能水電廠公共信息模型技術(shù)規(guī)范》，進一步完善IEC 61850標準在水電廠中應(yīng)用所需的各類邏輯節(jié)點。上述工作確保了IEC 61850標準在對象信息建模方面能夠適用于智能水電廠建設(shè)，隨著模型的不斷完善將為智能水電廠推廣提供更加堅實的技術(shù)支撐。

3.2 通信性能要求

智能水電廠自動化系統(tǒng)除了需要處理與智能變電站類似的電氣量以外，還需要處理大量諸如轉(zhuǎn)速、流量、溫度、壓力、液位之類的非電氣量，完成機組開機、停機等各類順序控制，并對輔機的啟動優(yōu)先權(quán)進行管理。由此可見，水電廠中各功能之間交互信息的類型和數(shù)據(jù)量都遠多于智能變電站。因此，IEC 61850標準在水電廠大數(shù)量傳輸環(huán)境下，傳輸性能是否能夠滿足水電廠安全生產(chǎn)控制的要求成為一個至關(guān)重要的問題。從另一方面看，水電廠具有各臺機組控制功能相對獨立、順序控制流程時間長等特點，在應(yīng)用IEC 61850標準時只需要綜合采取一系列技術(shù)措施就能夠確保滿足水電機組控制性能要求，分析如下：

（1）水電廠自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量很大，但絕大多數(shù)都是反映機械裝置運行情況的數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)的變化速度較慢，屬于中速和低速報文，對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臅r間要求并不高。

（2）水電廠開機、停機等順序控制過程涉及大量信息交互，但是順序控制本身的時間相對信號采集和傳輸?shù)臅r間來說非常長，因此數(shù)據(jù)信息采集和傳輸時間的長短對流程正常執(zhí)行的影響可以忽略不計。

（3）水電廠各類自動化設(shè)備均以水電機組為單位，各機組控制子系統(tǒng)之間信息交互非常少?？梢岳迷撎攸c，通過VLAN技術(shù)或直接采用多套交換機建立多個獨立的過程層網(wǎng)，每臺機組的控制系統(tǒng)單獨使用一個過程子網(wǎng)，消除各個機組測控信息的相互干擾，有效解決水電廠自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大帶來的傳輸瓶頸問題。

（4）改變傳統(tǒng)現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)所有信息經(jīng)過PLC集中上送至廠站層網(wǎng)的信息流，單元層各IED同時連接過程層網(wǎng)（GOOSE/SV網(wǎng)）和廠站層網(wǎng)（MMS網(wǎng)），直接與廠站層計算機進行信息交互，通過信息的分散傳輸，降低了對局部網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的過高要求。

（5）采用具有采集信號智能分布式處理功能的智能控制器將逐步取代傳統(tǒng)的PLC，在現(xiàn)地完成模擬量抖動過濾、變幅報警等信號處理任務(wù)，減少了無效信息的傳輸和PLC執(zhí)行周期對系統(tǒng)性能的限制作用。

（6）對水電廠現(xiàn)地各類數(shù)據(jù)、事件報文的優(yōu)先級區(qū)分，并采用具有報文優(yōu)先級控制的工業(yè)實時以太網(wǎng)交換機，可以有效確保智能水電廠中不同重要性數(shù)據(jù)均能夠被及時處理，在完成各類常規(guī)功能的同時，對緊急事件進行優(yōu)先處理。

3.3 試點工程驗證

南京南瑞集團公司依托多年IEC 61850相關(guān)技術(shù)標準編寫、產(chǎn)品研制等方面的成果積累，自2010年起開始了白山、松江河兩個智能水電廠試點工程的改造建設(shè)。在改造過程中，采用了統(tǒng)一的IEC 61850、IEC 61970標準取代原來各廠商的各類通信協(xié)議，對于直接支持IEC 61850標準的各類保護相關(guān)測控設(shè)備，直接使用支持該標準的IED取代原測控裝置，對于其他專業(yè)不具備更新測控設(shè)備條件的，各自增設(shè)相應(yīng)的IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器，將其采集的信息轉(zhuǎn)化為IEC 61850標準建模并統(tǒng)一按照IEC 61850 MMS協(xié)議上送至一體化管控平臺。通過通信標準的改造，一體化管控平臺能夠直接采用導入各類智能測控設(shè)備的監(jiān)測信息，可以快速構(gòu)建廠站層監(jiān)控軟件平臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并確保各類智能測控設(shè)備信息與一體化管控平臺信息的一致性，解決了傳統(tǒng)水電廠自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息無自描述能力、信息表述方式不統(tǒng)一、設(shè)備互換性和交互性差等問題。

白山、松江河智能發(fā)電廠試點建設(shè)項目均于2012年底通過驗收并投入正式運行，至今運行情況良好。白山和松江河智能水電廠的建設(shè)和運行，為IEC 61850水電廠信息對象建模、水電廠智能IED設(shè)備研制、水電廠IEC 61850標準通信總線研制、一體化管控平臺研發(fā)、智能水電廠運行管理等積累了豐富的工程實踐經(jīng)驗，充分證明了IEC 61850標準在水電廠自動化系統(tǒng)的適用性，為指導和推進IEC 61850標準在國內(nèi)水電廠中的應(yīng)用做出了重要的作用，同時也證明了IEC 61850標準在智能水電廠中的適用性。

4 結(jié)論

本文介紹了IEC 61850標準與水電廠相關(guān)的文件情況及目前標準建設(shè)情況，并首次從對象信息建模、通信性能要求及試點工程驗證等角度分析了IEC 61850標準在水電廠自動化系統(tǒng)中的適用性，提出了IEC 61850標準在水電廠中應(yīng)用的各項原則，指導國內(nèi)水電自動化領(lǐng)域積極并正確應(yīng)用IEC 61850標準，進一步推動國內(nèi)水電廠智能化改造的步伐。

目前，IEC 61850標準應(yīng)用于水電廠時還面臨著支持該標準的智能電子裝置（IED）產(chǎn)品較少、智能電子裝置檢測與評估體系不完善等不足之處，需要今后在IEC 61850標準在水電廠中的具體應(yīng)用方法，即邏輯設(shè)備建模、邏輯節(jié)點建模、水電智能電子裝置互操作性測試等具體細節(jié)開展更加深入的研究工作。

[1] 劉觀標，李曉斌，李永紅，等. 智能水電廠的體系結(jié)構(gòu)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測. 2011，35（1）: 1-4.

[2] 王德寬，張毅，劉曉波，等. 智能水電廠自動化系統(tǒng)總體構(gòu)想[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測. 2011（1）: 5-9.

[3] 高磊，李永紅，鄭健兵. 智能水電廠一體化數(shù)據(jù)平臺設(shè)計[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測. 2012（1）: 11-14.

[4] 馬軍建. 基于B/S模式的智能水電廠防汛決策支持系統(tǒng)研究[J]. 水電能源科學. 2013（05）: 170-172.

[5] 彭志強，朱辰. IEC 61850在智能水電廠應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測. 2011（04）: 6-9.

[6] 閔崢，徐潔，王嘉樂. 基于IEC 61850的智能水電廠建模技術(shù)[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測. 2011（04）: 1-5.

[7] 吳家祺，郭曈曈，彭志強，等. IEC 61850標準在智能水電廠數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測. 2011（6）: 5-8.

[8] 任雁銘，操豐梅. IEC 61850新動向和新應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化. 2013（02）: 1-6.