IEC61850在變電站工程的應(yīng)用

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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西　南寧　530004)

1　引言

20世紀90年代以后，變電站自動化技術(shù)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量的保護裝置的生產(chǎn)廠家，變電站內(nèi)存在了大量由不同廠家提供的智能保護設(shè)備，每個廠家分別都有自己的一套通信標準，造成變電站內(nèi)信息的不匹配，浪費了大量的資源，使得變電站設(shè)備信息不能很好地整合在一起。既造成了資源的浪費，同時也給廠家，管理人員和操作人員帶來了不必要的麻煩[1-3]。為了適應(yīng)數(shù)字化變電站發(fā)展的需要，國際電工委員會參考了現(xiàn)有的相關(guān)標準如：IEC60870-5-101遠動通信協(xié)議標準；IEC870-5-103繼電保護接口標準；由美國電力科學(xué)研究院制定的變電站和饋線設(shè)備通信協(xié)議體系(UCA2.0)，決定將以UCA2.0數(shù)據(jù)模型和服務(wù)為基礎(chǔ)，將UCA的研究結(jié)果納入IEC標準，建立世界范圍的統(tǒng)一標準IEC 61850。

IEC61850實現(xiàn)了系統(tǒng)的配置管理，對映射的網(wǎng)絡(luò)方法、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)對象進行了統(tǒng)一的建模，是一套比較完整的變電站自動化通信標準體系。智能變電站對IEC61850的數(shù)據(jù)傳輸提出了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)無縫的要求，為無縫通信系統(tǒng)傳輸協(xié)議在智能變電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，避免了繁瑣的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了IED(智能電子設(shè)備)間的互操作[4]。因此，對故障信息處理系統(tǒng)軟件的開發(fā)有著重要的指導(dǎo)作用，我們將在實際中積極采用IEC61850標準[5]。

2　IEC 61850構(gòu)成

若IEC61850系列標準IEC61850-1至IEC61850-10共14個分冊(部分)構(gòu)成，從邏輯上分為6大類，分別從這六大類對IEC61850作了全面而詳細的闡述，如表1所示。

表1　IEC61850標準系統(tǒng)組成

2.1　IEC61850定義的通信接口模型

IEC618150定義了變電站的3層通信接口模型，如圖1所示。除了傳統(tǒng)的變電站層和間隔層外，將采用數(shù)字化接口的一次設(shè)備定義為過程層。

圖1　IEC變電站三層通信接口模型

IEC61850定義了變電站設(shè)備之間的通信接口關(guān)系，包括變電站層、間隔層和過程層，這三層之間的通信接口是實現(xiàn)不同設(shè)備信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，如表2所示。這三層通信模型，IEC61850涵蓋了所有現(xiàn)在和將來變電站自動化的通信要求。

表2　IEC61850定義的三層通信接口關(guān)系

2.2　IEC 61850定義的信息模型

IEC61850按照分層原則定義信息模型，如圖2所示。服務(wù)器向下級眾多邏輯設(shè)備傳輸命令，它是一個功能節(jié)點。邏輯設(shè)備管理各個邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點之間通過邏輯連接交換數(shù)據(jù)，而邏輯節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

圖2　IEC61850所定義的信息模型層次

基于IEC61850的功能，變電站自動化系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，將其分為站控層、間隔層、過程層；同一功能可以分布在不同廠家的物理設(shè)備之間，而且在物理上自由分布；邏輯節(jié)點可以理解為功能分解的最小單元，邏輯節(jié)點之間的連接稱為邏輯連接，一個物理連接可以包含多個邏輯連接。

2.3　IEC61850使用的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)

IEC61850對通信服務(wù)采用了分層定義的方法。將變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行所需服務(wù)的定義，形成通信服務(wù)接口(ACSI)這些定義與底層網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議沒有關(guān)系，所以具有通用性和穩(wěn)定性，是面向未來的[6-10]。目前IEC61850-8-1定義了ACSI到MMS之間的映射關(guān)系，稱為特定通信服務(wù)映射(SCSM)，其關(guān)系如圖3所示。

圖3　ACSI與SCSM的關(guān)系

抽象通信服務(wù)接口(ACSI)分為以下9類：關(guān)聯(lián)服務(wù)、信息模型服務(wù)、定值組服務(wù)、主動上送的報告服務(wù)、日志服務(wù)、快速報文服務(wù)、采樣值服務(wù)、對時和文件服務(wù)。

2.4　IEC 61850的一致性檢測

為了檢測開發(fā)的智能電子設(shè)備(IED)是否符合IEC61850標準，IEC61850-10定義了一致性測試的程序、內(nèi)容以及測驗項目。設(shè)備的一致性是其實現(xiàn)互操作的基礎(chǔ)[11]。目前，IEC61850只定義了針對服務(wù)器端的一致性測試要求。IEC61850的一致性測試主要包括：配置文件的測試項、數(shù)據(jù)模型的測試項和ACSI服務(wù)測試項，每種ACSI服務(wù)的測試項應(yīng)分別進行肯定和否定兩種測試。

3　IEC 61850在變電站工程的應(yīng)用

3.1　220kV塘步站設(shè)計

(1)工程簡介

為了實現(xiàn)IEC61850在廣西電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，220kV塘步站進行了以下工程應(yīng)用研究：采用國內(nèi)5家不同制造廠商的保護和測控設(shè)備，驗證IEC61850的統(tǒng)一建模和互操作性研究；引入220kV智能操作箱，安裝在保護小室，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的操作箱，研究面向通用對象的變電站事件(GOOSE，Generic Object Oriented Substation Event)機制在繼電保護的應(yīng)用，為GOOSE機制能夠廣泛應(yīng)用于繼電保護提供工程運行經(jīng)驗[12-14]；研究不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性、實時性和優(yōu)先傳輸機制等內(nèi)容。基于IEC61850標準的三層架構(gòu)的變電站自動化系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　三層結(jié)構(gòu)IEC61850變電站結(jié)構(gòu)見圖

(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

220kV塘步站自動化系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。所有IED通過100Mbit/s多模光纖就近接入控制小室的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。在交換機處配置靜態(tài)VLAN和流量控制，以合理的網(wǎng)絡(luò)配置保證GOOSE報文在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的實時性和可靠性。

從圖5可知，交換機組成兩個環(huán)都連接到交換機1與2上，兩個環(huán)的連接光纜分別用紅色與藍色表示并取不同電源供電，粗線表示經(jīng)過室外的鎧裝光纜，細線表示屏內(nèi)尾纜，虛線表示環(huán)網(wǎng)邏輯節(jié)點。

圖5　塘步站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站控層主機通過電口與交換機相連；間隔層每個測控IED通過一個光口與交換機相連；保護GOOSE采用雙網(wǎng)冗余，存在保護GOOSE收發(fā)的保護IED通過三個光口連接到網(wǎng)絡(luò)上，第一個光口主要傳輸MMS報文，其他兩個光口傳輸GOOSE報文，并分別接入到兩個不同的環(huán)網(wǎng)，以提高GOOSE報文的網(wǎng)絡(luò)冗余性[15]。

(3)互操作性研究

制定IEC61850的一個最主要目的就是為了實現(xiàn)不同廠家設(shè)備之間的互操作性，但是國內(nèi)外的多次互操作性試驗表明IEC61850仍然只是設(shè)備之間實現(xiàn)互操作性的基礎(chǔ)，設(shè)備互操作仍然與項目目標和IEC61850技術(shù)應(yīng)用存在密切關(guān)系。如產(chǎn)品實現(xiàn)互操作性目標的不同對于IEC61850應(yīng)用的方法可能不同等等。因此工程不僅需要研究變電站二次設(shè)備的互操作性，還需要研究語義的互操作性，將工程配置語言與設(shè)計語言統(tǒng)一。采用標準統(tǒng)一的工程語言師確保實現(xiàn)二次設(shè)備互操作性的重要措施。

為了驗證IEC61850互操作性，塘步站工程采用國內(nèi)5家廠家提供的56臺符合IEC61850的智能設(shè)備，加上系統(tǒng)主機(兼人機工作站)、遠動通信裝置、保護子站、工程師工作站、網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析儀等，共同組成了全站的自動化和繼電保護系統(tǒng)。

(4)GOOSE技術(shù)

GOOSE技術(shù)是IEC61850標準用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速報文需求的一種機制，主要應(yīng)用在過程層與間隔層信息的傳遞以及間隔層水平通信，理論上課應(yīng)用與繼電保護系統(tǒng)[16]。所有的GOOSE通信狀態(tài)均可實時監(jiān)測，避免因回路接觸不良引起保護不正確動作等情況。GOOSE技術(shù)還可應(yīng)用于間隔層保護測控設(shè)備的橫向聯(lián)系，如失靈啟動、重合閘閉鎖等。

220kV塘步站工程的關(guān)鍵在于GOOSE技術(shù)的應(yīng)用，除了變壓器保護外，220kV線路、母差保護、母聯(lián)開關(guān)保護的跳閘、啟動和閉鎖等信號均采用GOOSE技術(shù)。GOOSE傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要有布爾量、整型、浮點型和位串。

3.2　IEC 61850在實際應(yīng)用中的總結(jié)

IEC61850在解決了來自不同廠家設(shè)備的互操作問題，使得變電站結(jié)構(gòu)變得簡化，并為智能一次設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?？偠灾?，IEC61580在實際應(yīng)用中的總結(jié)如下：

(1)IEC61580的應(yīng)用使得變電站不同廠家之間的設(shè)備可互操作，傳統(tǒng)變電站的大量保護管理機的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備被取代，簡化了變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了變電站自動化系統(tǒng)的可靠性，縮短了調(diào)試時間。

(2)IEC61580定義的SCL語言將工程配置語言與工程設(shè)計語言統(tǒng)一，簡化了系統(tǒng)集成，不同廠家的設(shè)備實現(xiàn)了互操作，縮短了調(diào)試時間。

(3)IEC61850所具有的開放性減少了用戶對廠家的依賴，有利于用戶在設(shè)備上的長遠投資。由于IEC61850標準的開放性，使得變電站的改造、升級選擇變多。

(4)一次設(shè)備的數(shù)字化與智能化。IEC61580標準是公開的標準，加速了變電站一次設(shè)備的智能化發(fā)展。數(shù)字式的互感器替代了傳統(tǒng)的電磁式互感器，此外還提供光纖以太網(wǎng)接口。站內(nèi)的斷路器、變壓器就地加裝智能終端以實現(xiàn)對設(shè)備上的實時監(jiān)控，這樣變電站一次設(shè)備向智能化發(fā)展。

(5)IEC61580的GOOSE通信機制的出現(xiàn)，大大減少了電纜的使用量。GOOSE通信機制通過網(wǎng)絡(luò)進行邏輯的配合與閉鎖，實現(xiàn)變電站內(nèi)不同設(shè)備之間的信息傳遞，簡化了變電站的二次回路。此外，二次側(cè)信號通過光纖以太網(wǎng)傳輸，不再依賴傳統(tǒng)的電纜，為變電站傳輸速率奠定基礎(chǔ)。

4　IEC 61850工程應(yīng)用的展望

2006年以來，IEC61580在我國變電站建設(shè)中不僅開始試點應(yīng)用，且其應(yīng)用深度和范圍得到快速推進，僅在浙江電網(wǎng)采用IEC61580的正在運行變電站就已超過50座[17]。隨著近些年來國內(nèi)外對IEC61580的深入研究和工程應(yīng)用的總結(jié)與提升，IEC61580在工程中的實用性與指導(dǎo)性得到很大的提高。

IEC61580技術(shù)的發(fā)展和完善將是一個漸進而漫長的過程，隨著IEC61850技術(shù)的深入應(yīng)用，必將會有相關(guān)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)。2009年，IEC61580被美國列為美國智能電網(wǎng)建設(shè)標準之一，我們可以看到IEC61580將會被廣泛地應(yīng)用到未來的變電站建設(shè)中。

5　結(jié)論

IEC61850標準是變電站智能化的標志，它在未來的變電站工程建設(shè)中有著舉足輕重的地位。它的出現(xiàn)對未來變電站的建設(shè)、維護和運行產(chǎn)生深遠影響。IEC61850對變電站設(shè)備進行統(tǒng)一的建模，又將配置語言與工程設(shè)計語言統(tǒng)一，外加適應(yīng)變電站自動化發(fā)展的擴展功能，實現(xiàn)不同廠家不同類型的IED設(shè)備的互操作與不斷擴建，是變電站自動化的歷史性變革。

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