盧純義

（金華電業(yè)局，浙江 金華321001）

1 前言

由于電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大就提出了能夠在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程通信等要求，而在變電站自動化系統(tǒng)中，也需要能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程通信。但各個設(shè)備生產(chǎn)廠家各自采用不同的方法來實現(xiàn)，不能夠?qū)崿F(xiàn)兼容設(shè)備之間的通信、互操作，這就需要制定相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，也就是變電站自動化系統(tǒng)通信協(xié)議。

在現(xiàn)有的應(yīng)用中，廣泛應(yīng)用的變電站自動化系統(tǒng)的通信協(xié)議主要有兩個系列的標(biāo)準(zhǔn):一個是由IEC TC57制定的IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)，另外一個就是由IEC TC57制定的IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點，能夠滿足信息傳輸要求的遠(yuǎn)動協(xié)議。因此是迄今為止最為完善的變電站自動化的通信標(biāo)準(zhǔn)，它代表了變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 IEC 61850的特征分析

2.1 變電站的信息分層結(jié)構(gòu)

變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)草案提出了變電站內(nèi)信息分層的概念，將變電站的通信體系分為三個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口。

2.2 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模技術(shù)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。每個IED包含一個或多個服務(wù)器，每個服務(wù)器本身又包含一個或多個邏輯設(shè)備。邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數(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)類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和服務(wù)器通信可訪問數(shù)據(jù)對象，如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)自描述

該標(biāo)準(zhǔn)定義了采用設(shè)備名、邏輯節(jié)點名、實例編號和數(shù)據(jù)類名建立對象名的命名規(guī)則；采用面向?qū)ο蟮姆椒?，定義了對象之間的通信服務(wù)。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要再對數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對應(yīng)、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等工作。由于數(shù)據(jù)本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預(yù)先定義限制，簡化了對數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)工作。

2.4 網(wǎng)絡(luò)獨立性

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了變電站內(nèi)信息傳輸所必需的通信服務(wù)，設(shè)計了獨立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口（ASCI）?？蛻敉ㄟ^ACSI，由專用通信服務(wù)映射（SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范（MMS）等。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。

2.5 IEC 61850的局限

首先是關(guān)于保護(hù)信息處理方面（定值、帶參數(shù)信息的保護(hù)動作事件、錄波），目前版本的IEC 61850規(guī)定得不夠具體甚至相互矛盾；其次在變電站描述語言這一部分已被發(fā)現(xiàn)若干錯誤；另外關(guān)于采樣值通信這部分有些超前當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)以及硬件水平。

3 數(shù)字化變電站

3.1 數(shù)字化變電站的理解

數(shù)字化變電站是一個不斷發(fā)展的概念，到目前為止，并沒有形成“數(shù)字化變電站”的嚴(yán)格的完整定義。但是經(jīng)過多年的摸索、實踐以及交流討論，業(yè)界對于“數(shù)字化變電站”的含義正在逐步達(dá)成一致，目前，普遍認(rèn)為數(shù)字化變電站技術(shù)是指基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺，實現(xiàn)站內(nèi)一次設(shè)備和二次智能電子裝置的數(shù)字化通信，確保智能裝置之間的互操作性。其主要特征有：數(shù)字化的一次電氣設(shè)備；基于IEC 61850的全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及通信服務(wù)平臺；網(wǎng)絡(luò)化的二次裝置。

3.2 數(shù)字化變電站的優(yōu)勢

變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設(shè)備重復(fù)。通信網(wǎng)絡(luò)取代復(fù)雜的控制電纜。提升測量精度。提高信號傳輸?shù)目煽啃浴?yīng)用電子式互感器解決傳統(tǒng)互感器固有問題。避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題。進(jìn)一步提高自動化和管理水平。減少變電站的總投資。

3.3 數(shù)字化變電站的技術(shù)基礎(chǔ)

3.3.1 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

通信環(huán)節(jié)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵，對數(shù)字化變電站具有重要影響的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括：①交換式以太網(wǎng)技術(shù)；②IEEE802.1p排隊特性；③虛擬局域網(wǎng)（VLAN，virtual local area network）技術(shù)；④快速生成樹協(xié)議（IEEE802.1w rapid spanning treeprotocol）。

3.3.2 遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立通信架構(gòu)

通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及自動化功能的基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站首先是建立IEC 61850的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對象，LN和抽象通信服務(wù)接口（ACSI）模型，以及服務(wù)對應(yīng)的映射（SCSM）。其次是變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各IED之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，對應(yīng)于數(shù)據(jù)交換的不同需要，在變電站網(wǎng)絡(luò)拓補設(shè)計中，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯笤黾樱绕涫沁^程總線的實現(xiàn)關(guān)鍵性部分。

3.3.3 非常規(guī)互感器與智能開關(guān)技術(shù)

采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)的PT和CT，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號，利用高速以太網(wǎng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)?；谖C(jī)、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)，保護(hù)和控制命令可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌嗦菲鞑僮鳈C(jī)構(gòu)的數(shù)字化接口。這些技術(shù)使變電站的過程層得以數(shù)字化，以太網(wǎng)業(yè)成為全變電站的神經(jīng)中樞。

4 數(shù)字化變電站系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性

4.1 完全數(shù)字化變電站

完全數(shù)字化變電站就是全面采用ECT/EVT和ESW/ECB設(shè)備，在變電站的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，即變電站的間隔層、站控層和過程層全部實現(xiàn)數(shù)字化，過程層的測量、監(jiān)視和控制全部實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。完全數(shù)字化變電站的系統(tǒng)實現(xiàn)方案如圖2所示。

該系統(tǒng)方案站級層后臺和間隔層裝置包括保護(hù)裝置和測控裝置的通信均應(yīng)用IEC 61850通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；間隔層測控單元之間采用基于GOOSE快速報文機(jī)制的水平通信，實現(xiàn)間隔層全站聯(lián)閉鎖功能；間隔層保護(hù)裝置之間采用基于GOOSE快速報文機(jī)制的水平通信，取消保護(hù)裝置之間的屏間電纜；對于采用ECT/EPT和ESW/ECB的過程層設(shè)備，可通過合并單元將ECT/EPT上送到過程層以太網(wǎng)，通過IEC 61850-9中的SMV模型得到采樣值，GOOSE模型實現(xiàn)數(shù)字式開關(guān)的操作。

4.2 變電站升級改造方式

4.2.1 極端的改造方式

（1）“至上而下”全面驗證的方式，把現(xiàn)有符合IEC61870-5-103的變電站自動化系統(tǒng)全部更換為當(dāng)前技術(shù)水平下的IEC 61850系統(tǒng)，未實現(xiàn)的IED設(shè)備采取至IEC 61850規(guī)約轉(zhuǎn)換方式接入。該方案便于充分暴露問題，但對現(xiàn)有一、二次設(shè)備均動作較大、成本較高，由于配套標(biāo)準(zhǔn)的不完善所帶來的風(fēng)險也比較大。（2）“自下而上”逐步驗證的方式，分步驟采用數(shù)字化一次設(shè)備掛網(wǎng)，IEC 61850間隔規(guī)約逆轉(zhuǎn)換(專用網(wǎng)關(guān))接入IEC 61850應(yīng)用，同站內(nèi)建立獨立的、標(biāo)準(zhǔn)不同的兩套自動化系統(tǒng)并列運行方式，依據(jù)IEC 61850研究進(jìn)程或技術(shù)發(fā)展成熟性逐步驗證。該方式較為穩(wěn)妥或保守，可能要對現(xiàn)有系統(tǒng)不斷作出多次和多處調(diào)整，且周期較長、不易操作實施。

4.2.2 過渡策略

常規(guī)變電站改造為數(shù)字化變電站的過程中，為了降低成本，避免大規(guī)模的淘汰站內(nèi)可用的二次配接和設(shè)備，因此必須考慮從常規(guī)變電站到數(shù)字化變電站的一個過渡策略，即必須解決數(shù)字化變電站技術(shù)對于常規(guī)設(shè)備的兼容問題。

過程層中主要是電子式互感器、智能斷路器與常規(guī)互感器、斷路器之間的兼容。間隔中全部都是常規(guī)設(shè)備，則可以考慮采用硬接線聯(lián)結(jié)方式實現(xiàn)保護(hù)裝置、監(jiān)控單元與常規(guī)互感器和常規(guī)斷路器的信息交互；間隔采用非常規(guī)互感器，常規(guī)斷路器，則使用合并單元接入非常規(guī)互感器，常規(guī)斷路器仍采用點對點硬接線聯(lián)結(jié)方式；間隔都采用常規(guī)設(shè)備，但是使用了過程總線，則可以使用合并單元將常規(guī)互感器采樣值以多播方式發(fā)布到過程總線，常規(guī)斷路器則通過基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)控制器接入過程總線。

間隔層IED如果符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的可以直接連接到站級總線，對于不符合該標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)IED則需要通過虛擬設(shè)備服務(wù)器（規(guī)約轉(zhuǎn)換器）接到站級總線。

5 繼電保護(hù)測試方法進(jìn)行探討

傳統(tǒng)繼電保護(hù)測試方法是調(diào)試人員采用了一臺昂立或一臺博電繼保測試儀等三相校驗設(shè)備對保護(hù)動作邏輯、特性和其他相關(guān)進(jìn)行校驗，然后進(jìn)行帶開關(guān)傳動和信號核對。對每臺保護(hù)裝置，調(diào)試人員都是先做安全措施、試驗接線，再根據(jù)定值手工計算故障量的大小，試驗儀不能自動讀取保護(hù)定值并計算故障量。基于IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)測試方法進(jìn)行探討應(yīng)該有很大區(qū)別：

5.1 安全措施

傳統(tǒng)的電流、電壓、跳閘等電纜的安全措施已不存在，現(xiàn)在只要拔下相應(yīng)的影響其他運行設(shè)備的網(wǎng)線即可，大大節(jié)省了時間和安全風(fēng)險。

5.2 校驗設(shè)備

校驗設(shè)備將與傳統(tǒng)的完全不同，傳統(tǒng)的校驗設(shè)備要進(jìn)行模擬量（電流、電壓、開關(guān)量）輸出，新設(shè)備完全是數(shù)字輸出，可以模擬任何故障，不存在過壓、過載、畦變和輸入輸出延時等問題，精度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)交流量。而且它也可作模擬任何一次設(shè)備，送出相當(dāng)于合并單元輸出的數(shù)字化模擬量信息給繼電保護(hù)。

5.3 方法

傳統(tǒng)的接線方式將會被網(wǎng)線所取代用于提供各種數(shù)字式模擬量、開關(guān)量和發(fā)送/接收GOOSE消息。利用接收到GOOSE消息，實現(xiàn)如南瑞HELP一樣全自動校驗，甚至可以自動生成試驗報告，真正做到“一鍵式”校驗。一臺保護(hù)測試儀通過HUB和多臺被測保護(hù)（可以是不同廠家），如500kV、220kV等雙重保護(hù)、35kV、10kV在同一段母線上保護(hù)連接。在進(jìn)行保護(hù)校驗的同時可以進(jìn)行信號核對，這樣大大節(jié)省接線和校驗時間。

6 結(jié)束語

未來的電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要新的信息架構(gòu)支持,將監(jiān)控、保護(hù)和就地自動化等前后臺信息連接成為一個整體,以保證電力系統(tǒng)安全和高效地管理。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為開放式數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)平臺的建立提供了通信依據(jù)。IEC61850采用面向?qū)ο蟮慕７椒ê统橄?、分層映射的技術(shù),通過規(guī)范系統(tǒng)和項目管理及一致性測試等途徑保證其目標(biāo)的實現(xiàn)。它不僅適用于變電站自動化內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信,也適用于配電自動化、電能計量系統(tǒng)、發(fā)電廠自動化系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電及其他工業(yè)自動化領(lǐng)域。因此，在工程實施過程中應(yīng)根據(jù)具體情況逐步推進(jìn)數(shù)字化變電站的建設(shè)深度。

[1]任雁銘,楊奇遜.IEC 61850通信協(xié)議體系介紹和分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,24。

[2]茹鋒,夏成軍,許揚.IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].江蘇省電機(jī)工程,2004,23。

[3]朱炳銓,等.變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)IEC6 1850的過渡期策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(23)。