朱俊杰，張 蓉

（上海市電力公司檢修公司變電運維中心，上海 200063）

0 引言

數(shù)字化變電站是指基于IEC 61850標準建立全站統(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。其主要特征為：數(shù)字化的一次電氣設(shè)備；基于IEC 61850標準的全站統(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。

練塘站是上海電網(wǎng)首次在500 k V變電站的間隔層和站控層全面采用IEC 61850標準通信的變電站，其繼電保護、測控單元、遠動設(shè)備、后臺監(jiān)控系統(tǒng)、保護子站、故障錄波等系統(tǒng)集成了多家公司的二十余種型號的產(chǎn)品，這些裝置均按IEC 61850標準模型建模。數(shù)字化練塘站的建設(shè)和投運，有力地支撐了上海智能電網(wǎng)的建設(shè)。

1 IEC 61850的應(yīng)用

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

練塘站自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，間隔層和站控層之間的通信采用數(shù)字化變電站通信標準IEC 61850，通過雙星形光纖以太網(wǎng)進行傳輸。其中，間隔層完成數(shù)據(jù)的采集、測量控制和保護功能，并將采集和處理后的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)制造商信息規(guī)范（MMS）傳輸?shù)秸究貙樱瓿扇緮?shù)據(jù)處理、運行監(jiān)視、控制及信息遠傳功能。

MMS通信采用客戶／服務(wù)器通信模式，間隔層各保護和測控裝置是客戶端，站控層各設(shè)備是服務(wù)器端?？蛻舳穗p網(wǎng)采用國調(diào)實施規(guī)范中提出的“雙網(wǎng)熱備”方式，1個網(wǎng)工作，另1個網(wǎng)保持在關(guān)聯(lián)狀態(tài)；當(dāng)工作狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，保持在關(guān)聯(lián)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)切換為工作狀態(tài)。

1.2 二次設(shè)備

所有二次設(shè)備，包括各電壓等級的保護設(shè)備、測控設(shè)備、故障錄波器、保護子站等，均以IEC 61850通信規(guī)約為標準，通過MMS網(wǎng)口直接傳至MMS網(wǎng)上。

保護信號按照IEC 61850標準直接上傳至站控層網(wǎng)絡(luò)，由自動化后臺直接通過IEC 61850通信規(guī)約接收保護裝置的動作和告警軟遙信，不再需要像常規(guī)站從信息子站轉(zhuǎn)接。因此，常規(guī)站500 k V小室和220 k V小室內(nèi)接入信息子站的2臺智能接口管理機（CSC-1326）都不需要。全站只有1臺接入直流屏等智能設(shè)備的CSC-1326，從而減少了廠家通信規(guī)約接入的工作量。

測控裝置通過面向通用對象的（GOOSE）網(wǎng)絡(luò)報文，實現(xiàn)裝置之間的邏輯互鎖，取代了常規(guī)站中的電纜硬連線。

1.3 直流系統(tǒng)和不間斷電源

直流系統(tǒng)、不間斷電源（UPS）與傳統(tǒng)變電站的配置相同，分別采用奧特迅公司和許繼電氣公司的設(shè)備，需要通過公用智能接口管理機CSC-1326接入自動化后臺，使用的是北京四方公司的CSC 2000監(jiān)控系統(tǒng)而不是IEC 61850通信規(guī)約。自動化后臺可同時處理IEC 61850通信規(guī)約和CSC 2000監(jiān)控系統(tǒng)。

2 發(fā)現(xiàn)問題及思考

2.1 數(shù)據(jù)集不正常地周期上送

在500 k V練塘站IEC 61850綜合自動化系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試時，使用廠家的報文記錄儀對現(xiàn)場測控裝置的模型文件及測控裝置實際上送的大量報文進行檢測匯總分析時，發(fā)現(xiàn)測控裝置模型文件中的軟壓板數(shù)據(jù)集報文控制塊中，只定義了數(shù)值變化和品質(zhì)描述變化時主動上送報文，而沒有定義周期性主動上送，導(dǎo)致測控裝置會間隔1 min周期性地上送軟壓板數(shù)據(jù)集報文，這與其定義是自相矛盾的。

研發(fā)單位的專家對此回復(fù)：“報告的觸發(fā)選項以及周期時間有兩種配置方式，一種是在模型文件中進行離線配置；另一種是在線配置，即客戶端建立關(guān)聯(lián)后對各種數(shù)據(jù)集的報告控制塊進行設(shè)置時去規(guī)定是否允許周期性上送?，F(xiàn)場截獲的主動上送的周期報文是由客戶端在線設(shè)置的，而報文記錄儀是單純依靠模型中的離線配置條件進行分析判斷的”。

為此，對練塘站測控裝置的模型文件進行了分析。通過分析軟壓板數(shù)據(jù)集報文控制塊的定義得知，這個軟壓板數(shù)據(jù)集是個非緩沖數(shù)據(jù)集（URCB型），其觸發(fā)選項為數(shù)據(jù)變化時和品質(zhì)描述變化時都主動上送報文，但不周期上送，這就是研發(fā)單位專家所說的模型文件中對離線配置報告觸發(fā)選項的離線配置。

緊接著對練塘站監(jiān)控系統(tǒng)中CSS 61850通信子系統(tǒng)配置文件csssys.ini中的相關(guān)設(shè)置進行了檢查，發(fā)現(xiàn)RPT字段TrgOps列的設(shè)置值為0x44，其中并不包括定時周期觸發(fā)報告。因此，從理論上說V2后臺客戶端和測控裝置建立關(guān)聯(lián)后，進行在線設(shè)置時應(yīng)該不會設(shè)置定時周期，同時模型文件的離線配置中也沒有周期上送，那么現(xiàn)場記錄到的測控裝置軟壓板urcbSoftConn的周期報文是怎么來的？

最終負責(zé)計算機系統(tǒng)模擬（CSS）子系統(tǒng)研發(fā)的專家，對該問題給出了準確的解釋，這和CSS子系統(tǒng)判斷裝置通信中斷的方式有關(guān)，通信中斷信號肯定不可能由裝置自己送出來，只能由和該裝置通信的客戶端進行判斷，因此裝置通信中斷是后臺、遠動等客戶端的1個感知判斷量，而這個感知判斷量的準確性，是由客戶端判據(jù)是否合理決定的。判據(jù)合理，對裝置是否通信中斷的判斷就越準確。

目前的CSS子系統(tǒng)對裝置通信中斷共有5種判據(jù)：輪詢目錄、最小報告周期上送、所有報告周期上送、輪詢ID服務(wù)和輪詢其他信息。這5種方式同時只能使用1種，通過csssys.ini中SYS字段的commChk Mod列來設(shè)置（依次用代碼1—5對應(yīng)上述5種通信中斷的判據(jù)）。

在5種方式中，最小周期報告（commChk Mod列的設(shè)置代碼＝2）判據(jù)的效果最好。因為，每個裝置的周期報告由各裝置自己維護、互不影響、十分準確，能做到真正的硬件并行心跳方式，這樣客戶端檢測出裝置通信中斷的準確性最高。由于使用了最小周期報告判據(jù)，就需要在裝置選擇1個數(shù)據(jù)集報告將其觸發(fā)成周期上送。1個數(shù)據(jù)集周期上送時，將上送其包含的所有DO或DA元素的信息，為盡量減小網(wǎng)絡(luò)上供判斷通信中斷用的周期報文的流量，肯定選擇DO或DA元素最少的那個數(shù)據(jù)集將其觸發(fā)成周期上送來供CSS子系統(tǒng)進行通信中斷的判斷用。

模型文件中的數(shù)據(jù)集有2種，1種是帶緩存的數(shù)據(jù)集（BRCB），另1種是不帶緩存的數(shù)據(jù)集（URCB）。為了盡量減小裝置的內(nèi)存消耗，優(yōu)先選擇不帶緩存的URCB數(shù)據(jù)集，畢竟丟失1～2次這種URCB數(shù)據(jù)集周期報文，對判斷通信中斷的結(jié)果不會產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。因此，首先從所有URCB中選擇最小（即包含元素最少）的那個URCB；如果裝置模型文件中沒有URCB，就從所有BRCB中選擇1個最小的。

按照上述理解，對CSI 200EA測控裝置模型文件中的所有數(shù)據(jù)集進行了檢查與分析，匯總后如表1所示。

表1 對CSI 200EA數(shù)據(jù)集的檢查與分析

根據(jù)優(yōu)先選擇最小URCB數(shù)據(jù)集的原則，CSS子系統(tǒng)肯定選擇“dsSoftConn”軟壓板這個數(shù)據(jù)集作為判斷裝置通信中斷用的數(shù)據(jù)集，從而強制將其設(shè)置成周期上送，這和在現(xiàn)場通過報文抓包工具看到的情況一致。

這個自動周期上送的軟壓板數(shù)據(jù)集，是由CSS子系統(tǒng)這個61850客戶端自動設(shè)置的，而自動上送的周期在csssys.ini中COM字段的pdCommChk列設(shè)置，練塘站pdCommChk列的設(shè)置值是60 s，而在現(xiàn)場通過報文抓包工具檢測，發(fā)現(xiàn)這個軟壓板數(shù)據(jù)集是每間隔1 min上送一次，與pdCommChk列設(shè)置值正好吻合。

按照上述理解，對南瑞繼保PCS915母差保護模型文件中的所有數(shù)據(jù)集進行了檢查和分析，如表2所示。

表2 對PCS915數(shù)據(jù)集的檢查與分析

根據(jù)優(yōu)先選擇最小URCB數(shù)據(jù)集的原則，CSS子系統(tǒng)肯定選擇“dsRelay Ain”模擬量這個數(shù)據(jù)集，作為判斷裝置通信中斷用的數(shù)據(jù)集，從而強制將其設(shè)置成周期上送，這和現(xiàn)場通過報文抓包工具看到的情況一致。

這個自動周期上送的“dsRelay Ain”模擬量數(shù)據(jù)集也是由計算機系統(tǒng)模擬子系統(tǒng)這個61850客戶端自動設(shè)置的，而自動上送的周期在csssys.ini中COM字段的pdCommChk列設(shè)置，練塘站pdCommChk列的設(shè)置值是60 s，而現(xiàn)場通過報文抓包工具檢測，發(fā)現(xiàn)這個模擬量數(shù)據(jù)集是每間隔1 min上送1次的，這和pdCommChk列設(shè)置值也正好吻合。

通過以上分析，可以斷定廠家保護中某些數(shù)據(jù)集不正常的周期上送是由于CSS子系統(tǒng)采用了最小報告周期上送的裝置通信中斷判據(jù)引起的，要想徹底消除這種現(xiàn)象，必須對csssys.ini中RPT字段TrgOps列的設(shè)置值進行修改，選擇其他的裝置通信中斷判據(jù)。

2.2 信息配置的規(guī)范性

在現(xiàn)場調(diào)試時還發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備廠方對智能電子裝置（IED）的類型屬性填寫較為隨意，例如：有些保護裝置和測控裝置填寫“模板”，有的填寫“設(shè)備型號＋版本號”，有的填寫“measclt”；而IED的制造商對智能電子裝置屬性的填寫也很隨意，例如：有的填“SF”，有的填“sifang”；有的填“NARI”，有的填“NARI-RELAYS”。

事實上，該部分內(nèi)容在IEC 61850通信規(guī)范中的定義都十分明確，如表3所示［1］。

表3 信息配置規(guī)范

依據(jù)表3定義以及確保智能電子設(shè)備之間的互操作性，要求各廠家及時規(guī)范其IED的類型（TYPE）屬性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信堵塞

目前，練塘站內(nèi)所有保護設(shè)備、測控設(shè)備、保護子站、自動化后臺之間的通信，均通過基于IEC 61850的雙星形以太網(wǎng)快速通信；故障錄波器之間單獨組網(wǎng)，也是通過IEC 61850與保護子站通信。因此，通過保護子站，運行人員不僅可以直接調(diào)取保護裝置的動作情況，還可以調(diào)取故障錄波器的錄波文件，大大提高異常和事故情況下的應(yīng)急響應(yīng)速度。

但實際情況卻和上述設(shè)想不一致，在一次線路跳閘事故中，保護子站無法調(diào)取相關(guān)信息。經(jīng)分析，主要原因有兩方面：一是故障錄波器頻繁啟動，產(chǎn)生大量錄波文件，并上傳至保護子站。同時，保護裝置也上傳事故報文，造成網(wǎng)絡(luò)通信堵塞。二是保護子站硬件處理水平和報文解析能力欠佳，造成故障時刻裝置死機。

針對上述兩大問題，從兩方面著手改進：一是要求廠家及時升級保護子站的硬件和軟件；二是制定保護子站日常巡視制度。規(guī)定每天必須從保護子站中調(diào)取現(xiàn)場保護裝置及故障錄波器的相關(guān)信息，由此確認保護子站與保護設(shè)備、故障錄波器之間通信無異常，同時也可確認裝置本身運行狀態(tài)良好。

采取上述措施后，在第二次線路跳閘事故中，運行人員通過保護子站，快速調(diào)取相關(guān)故障波形。

3 推廣應(yīng)用與建議［2］

IEC 61850對變電站自動化信息具有完整的建模方法，不僅可支持站內(nèi)的通信語言，也為變電站信息發(fā)布提供了統(tǒng)一的模型。制定IEC 61850標準的主要目標之一，是實現(xiàn)IED的互操作性和互換性。IED設(shè)備的互操作性可以最大限度地保護用戶原來的軟硬件投資，實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品集成。

然而，由于IEC 61850通信規(guī)范的技術(shù)性和復(fù)雜性，其各項性能在網(wǎng)絡(luò)異常時的未知性以及保護、監(jiān)控系統(tǒng)對實時性的嚴格要求等諸多因素，很可能出現(xiàn)單一產(chǎn)品已經(jīng)通過一致性測試，但是將其構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)時卻不能通過現(xiàn)場應(yīng)用測試的情況。通過一致性測試，只是通過應(yīng)用測試的充分而非必要條件。

對IEC 61850標準的一致性測試還需要進一步加強研究。目前，國內(nèi)中國電力科學(xué)研究院可以提供功能一致性測試，但還只停留在相對簡單的IEC 61850各個功能服務(wù)測試，缺乏組網(wǎng)整體的性能測試以及尚缺乏相應(yīng)的數(shù)字式試驗設(shè)備，國內(nèi)急需建立1個完整全面的數(shù)字式設(shè)備測試環(huán)境。

4 結(jié)語

鑒于目前我國電力系統(tǒng)快速發(fā)展的現(xiàn)狀，對IEC 61850通信規(guī)范的研究和實踐還處于探索和應(yīng)用階段，數(shù)字化變電站的實施還將有1個過渡過程，在該過程中，IEC 61850通信規(guī)范將在變電站的各個層面逐步實現(xiàn)。

在今后數(shù)字化變電站發(fā)展過程中，不僅需要使輔助系統(tǒng)與IEC 61850通信規(guī)范保持兼容，而且需要使一次設(shè)備真正做到數(shù)字化、智能化，使設(shè)備具有實時數(shù)據(jù)的采集和處理能力，而且具有與其他智能電子設(shè)備實時交換數(shù)據(jù)的能力以及自我描述和診斷能力。

IEC 61850通信規(guī)范在上海500 k V練塘站的應(yīng)用，為今后上海電網(wǎng)推廣數(shù)字化變電站和智能變電站打下了堅實的基礎(chǔ)，通過示范工程的經(jīng)驗總結(jié)，有利于新的標準和技術(shù)的推廣應(yīng)用，同時也為將來實現(xiàn)智能化變電站積累了經(jīng)驗。

［1］ IEC 61850 Communication networks and system in substation［S］.2005.

［2］ 丁書文，史志鴻.數(shù)字化變電站的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.繼電器，2008（10）.