盧 超,李 彬,孫 毅,祁 兵,韋 磊
(1.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京 102206;2.國網(wǎng)南京供電公司,江蘇 南京 210019)
目前,在我國配電自動化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的通信規(guī)約有IEC 60870-5系列的101規(guī)約和104規(guī)約,以及DNP3.0規(guī)約。但這些規(guī)約在設(shè)備互通性方面的定義很寬泛,在實際運行時會表現(xiàn)出如下缺陷[1-2]:①信息共享困難,配電終端與控制中心之間互操作性差;②安裝調(diào)試、管理維護工作量大;③缺乏智能化的功能。因此,傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通信規(guī)約已經(jīng)不能適應(yīng)智能配電網(wǎng)的發(fā)展。
IEC 61850是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標準,用于指導變電站自動化的設(shè)計、開發(fā)、工程、維護等各個領(lǐng)域[3]。自國際電工委員會IEC于2004年發(fā)布IEC 61850 Ed 1.0以來,IEC 61850標準族不斷擴充、完善。從2009年開始陸續(xù)發(fā)布了子標準,構(gòu)成了IEC 61850 Ed 2.0。Ed 2.0通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口(Abstract Communication Service Interface, ACSI)增強了設(shè)備之間的互操作性,可在不同型號的設(shè)備之間實現(xiàn)無縫連接,從而大大提高變電站自動化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運行水平,實現(xiàn)完全互操作[4]。美國國家標準與技術(shù)研究院在2009年就將IEC 61850確立為智能電網(wǎng)輸配電領(lǐng)域的標準[5]。
隨著智能配電業(yè)務(wù)建設(shè)與應(yīng)用的深入,采用IEC 61850的配電設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣[6-7],尤其是IEC 61850標準從變電側(cè)向配電側(cè)擴展與延伸,使得配電業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、互動化、開放化的層次逐步提高。IEC 61850已經(jīng)覆蓋了配電新能源網(wǎng)絡(luò)[8]、汽車充電站系統(tǒng)[9]、雙向交互系統(tǒng)[10]、配變實時監(jiān)測系統(tǒng)[11]、遠程視頻監(jiān)控等新型配電業(yè)務(wù)領(lǐng)域。2015年8月發(fā)布的IEC 61850-90-6[12]則針對配電自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型、通信映射和工程配置等技術(shù)問題給出了解決方案,同時對IEC 61850在配電自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了用例和建議。隨著智能電網(wǎng)工程建設(shè)的不斷推進,IEC 61850標準成為智能電網(wǎng)的配電網(wǎng)信息通信體系之核心的趨勢已經(jīng)越來越明顯。近年來IEC 61850提出了該標準在配電自動化系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)草案,本文針對該框架性標準展開了進一步的應(yīng)用研究。
本文綜述了IEC 61850在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用,包括IEC 61850概況,變電站通信接口模型,配電自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),配網(wǎng)自動化通信架構(gòu),同時對IEC 61850在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用前景做了展望。
IEC 61850在變電站自動化系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,其功能可以分為控制、監(jiān)視和繼電保護,根據(jù)IEC 61850標準,將變電站自動化系統(tǒng)分為三層:變電站層、間隔層和過程層[13],并定義了三層間的9種邏輯接口。
過程層實現(xiàn)所有與一次設(shè)備接口相關(guān)的功能,包括開入/開出,模擬量采樣設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的發(fā)送等;間隔層設(shè)備對間隔層和過程層的數(shù)據(jù)信息進行匯總,完成各種保護、自動控制、邏輯控制功能的運算、判斷、命令發(fā)送,主要實現(xiàn)保護和監(jiān)控功能;變電站層完成對站內(nèi)間隔層設(shè)備、一次設(shè)備的控制,以及遠方控制中心、工程師站、人機界面的通信功能。
IEC 61850定義的這三層結(jié)構(gòu)是功能上的分層,即抽象的邏輯結(jié)構(gòu),標準本身并不規(guī)定通信拓撲。這樣的通信結(jié)構(gòu)有利于變電站內(nèi)設(shè)備以及變電站與控制中心構(gòu)成統(tǒng)一的無縫連接網(wǎng)絡(luò)。
配電自動化是一個龐大復雜的、綜合性很高的系統(tǒng)性工程,包含電力企業(yè)中與配電系統(tǒng)有關(guān)的全部功能數(shù)據(jù)流和控制流。文獻[14]將配電自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為四層:主站層、子站層、終端層和過程層,如圖1所示。
圖1 配電自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
主站層由服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件及配套軟件構(gòu)成,負責接收、處理和分析配電子站匯集轉(zhuǎn)發(fā)的配電終端信息,從而對配電網(wǎng)進行實時操作調(diào)整[15-16]。主站層從宏觀上實現(xiàn)了配電網(wǎng)的FLISR功能,是配電網(wǎng)監(jiān)控和管理系統(tǒng)的核心。
饋線層由多條饋線和通信設(shè)備組成,從整體上實現(xiàn)了對一條饋線的邏輯處理功能。一方面保證通信的無縫連接,另一方面隔離了主干網(wǎng)絡(luò)和分支網(wǎng)絡(luò),避免因分支網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的廣播信息進入主干網(wǎng)絡(luò)而造成主干網(wǎng)絡(luò)的擁塞[17]。
終端層是位于配電網(wǎng)線路上的自動化現(xiàn)場設(shè)備,包括柱上開關(guān)FTU、環(huán)網(wǎng)柜FTU、配變終端TTU、開閉所DTU等。柱上開關(guān)FTU可檢測短路或單相接地等故障,同時監(jiān)測電能質(zhì)量;環(huán)網(wǎng)柜FTU用于配電網(wǎng)電纜線路中,起著分支、分段、聯(lián)絡(luò)的功能;配變終端TTU監(jiān)測并記錄配電變壓器的運行工況,記錄電壓和電流有效值、有功、無功等數(shù)據(jù);開閉所DTU的主要功能是遙測、遙信和遙控。遙測采集所在線路的電氣參數(shù),遙信監(jiān)測開關(guān)分合、接地、過流故障等狀態(tài),遙控進行開關(guān)分/合控制。終端層的設(shè)備相互配合,完成故障隔離、負荷轉(zhuǎn)移,恢復非故障區(qū)段的供電,控制饋線上開關(guān)的分/合等任務(wù)。
過程層主要包括電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)、開關(guān)和控制傳動設(shè)備等。其中互感器利用電磁感應(yīng)原理,將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈窐藴实牡碗妷汉托‰娏?,在方便測量的同時還能隔離高壓電路,保證操作的安全。過程層設(shè)備主要實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的采集和對具體指令的響應(yīng),是配電網(wǎng)最基礎(chǔ)的組成部分。
IEC 61850協(xié)議不僅統(tǒng)一了站內(nèi)的通信,還擴展到了變電站與變電站之間,變電站與控制中心之間的通信。由IEC 61850協(xié)議構(gòu)成的無縫通信體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖 2 IEC 61850-90在配電網(wǎng)的應(yīng)用場景
IEC 61850-90-1用于變電站之間的通信,控制中心與變電站之間采用61850-90-2通信協(xié)議,主要傳輸遠動信息、故障信息及PMU信息[13];變電站內(nèi)部的監(jiān)控與控制設(shè)備采用61850-8協(xié)議;控制設(shè)備與傳感設(shè)備采用61850-9協(xié)議;而變電站之間的控制設(shè)備則采用了61850-90-1協(xié)議。
最新發(fā)布的IEC 61850-90-6標準指出配電自動化系統(tǒng)或饋線自動化系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。
a. 分布式數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)測(D-SCADA)。此功能使操作員能夠遠程監(jiān)測和控制配電網(wǎng)絡(luò),是配電自動化系統(tǒng)的基本功能。
b. 故障定位、隔離和業(yè)務(wù)恢復(FLISR)。在FLISR中有多種實現(xiàn)形式,包括安裝自動開關(guān)和自動分段斷路器,主站中心控制方案和分布式控制方案。在分布式控制方案中,智能電子設(shè)備通過端到端的通信網(wǎng)絡(luò)交換故障和控制信息。這些都是實現(xiàn)FLISR的典型方式,在實際部署時這3種方式可能會混合使用。
c. 電壓與無功控制(VVC)。VVC通過對LTC變電站變壓器、母線/饋線電壓調(diào)節(jié)器和開關(guān)并聯(lián)電容器進行相應(yīng)的配置,以減少配電網(wǎng)中的電
能損耗,改善網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布。更高級的VVC應(yīng)用也可以使用分布式電源的有功、無功注入,以及分布式如柔性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備,如配電網(wǎng)靜止同步補償器等。
d. 基于通信的抗孤島保護。一旦饋線斷路器打開,就可能產(chǎn)生電力孤島??紤]到操作員的安全、系統(tǒng)的穩(wěn)定和電能質(zhì)量等因素,在此情況下孤島內(nèi)所涉及的分布式電源將被迫停止向饋線供電。孤島感知運用了本地測量技術(shù)。
IEC 61850針對配電網(wǎng)的現(xiàn)狀,提出了四部分的內(nèi)容:設(shè)備信息模型,信息交換模型,通信服務(wù)映射,通信業(yè)務(wù)需求。這四部分所針對的對象或包含的內(nèi)容如圖3所示。
為了實現(xiàn)不同IED的無縫通信,IEC 61850先對配電網(wǎng)中的設(shè)備如柱上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、配變終端等進行建模,抽象出各自的信息模型;根據(jù)不同配電業(yè)務(wù)的特點,選擇相應(yīng)的信息交換模型來實現(xiàn)配電主站與配電終端之間或配電終端之間信息交互,如關(guān)聯(lián)模型用于通信鏈路的拆除,日歷服務(wù)模型將數(shù)據(jù)按照一定的順序存儲到服務(wù)器的日志中以待客戶查詢;為實現(xiàn)具體的通信傳輸,需要將通信服務(wù)映射為不同的通信協(xié)議,IEC 61850的服務(wù)映射有通用對象變電站事件(GOOSE)的IP映射,核心服務(wù)映射到MMS等。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型,對數(shù)據(jù)流向、通信時延和業(yè)務(wù)并發(fā)數(shù)等通信需求進行分析測算,保證通信的順利進行。
IEC 61850采用了面向?qū)ο蟮慕7椒?,使傳輸?shù)娇刂浦行牡臄?shù)據(jù)可以得到很好的識別,簡化了現(xiàn)場驗證工作,減了維護數(shù)據(jù)庫的工作量[18]。IEC 61850提供了層次化的數(shù)據(jù)模型用于描述變電站的信息模型,這些數(shù)據(jù)模型將實際設(shè)備進行虛擬化,抽象成服務(wù)器、邏輯設(shè)備(LD)、邏輯節(jié)點(LN),數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性等。與變電站自動化系統(tǒng)不同、配電網(wǎng)中還需要考慮開閉所、配電所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、配變等設(shè)備的模型,并增加四遙服務(wù)。
圖3 基于IEC 61850的配電網(wǎng)組成
IEC 61850服務(wù)器描述了設(shè)備外部可見可訪問的特性。此設(shè)備擁有一個訪問接入點AP,向上與變電站層設(shè)備通信,向下與過程層設(shè)備通信。邏輯設(shè)備LD定義為具有特定應(yīng)用功能和能使用信息的虛擬設(shè)備,由某些具有公用特性的邏輯節(jié)點和附加的功能服務(wù)聚合而成。邏輯節(jié)點LN是由數(shù)據(jù)和方法構(gòu)成的對象,是具有數(shù)據(jù)通信功能的最小單元。Ed 2.0定義了170多種LN,基本覆蓋了配電自動化應(yīng)用需求,其他未覆蓋的可依照標準對LN進行拓展[19]。數(shù)據(jù)對象包含了邏輯節(jié)點的所有信息,數(shù)據(jù)屬性則是模型中信息的最終承載者。
可以看出,IEC 61850在考慮配電網(wǎng)的升級版已經(jīng)針對電力生產(chǎn)過程的特點,歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸服務(wù),設(shè)計出抽象通信服務(wù)接口ACSI,其應(yīng)用功能、對象、服務(wù)與具體的技術(shù)及實現(xiàn)方法無關(guān)。ACSI采用GOOSE模型,以事件觸發(fā)傳輸數(shù)據(jù),適合快速可靠地在保護IED之間傳遞數(shù)據(jù)。Ed 2.0定義了60多種抽象通信服務(wù)(ACSI),這些 ACSI 可以滿足配電自動化系統(tǒng)對于通信服務(wù)的需求。按照配電網(wǎng)運行控制技術(shù)導則中規(guī)范的正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、故障狀態(tài)下的運行控制以及分布式電源并網(wǎng)與運行控制的技術(shù)需求,可通過ACSI的高層接口屏蔽不同業(yè)務(wù)類別的細節(jié)。
在信息模型方面,IEC 61968已經(jīng)定義了詳細的信息交換模型及數(shù)據(jù)交換規(guī)范,并具有一定的通用性。同時,該標準允許對操作接口進行自定義擴展。因此,采用協(xié)議層次方面與IEC 61850進行對接時,需要在信息模型層滿足其接口定義和信息組織方面的標準,并對操作接口做適當擴展。涉及到多方參與的信息交互時,可以通過協(xié)議接口適配器進行轉(zhuǎn)換。
圖4描述了智能配電網(wǎng)的信息模型的層次化結(jié)構(gòu),除了考慮配網(wǎng)饋線、環(huán)網(wǎng)柜、故障指示器、開閉所、配電終端等信息模型外,還需要考慮諸如饋線自動化設(shè)備FTU等配網(wǎng)的采集信息以及控制信息(D-SCADA、小電流接地檢測、電能質(zhì)量檢測、故障錄波及故障報告等)。圖中空心菱形箭頭表示聚合關(guān)系,表示上一層的類由多個下一層的類聚合而成;實心箭頭表示數(shù)據(jù)流。信息模型是數(shù)據(jù)與功能服務(wù)的聚合,模型中的數(shù)據(jù)和功能服務(wù)相互對應(yīng),信息交換必須通過對應(yīng)的功能服務(wù)來實現(xiàn),數(shù)據(jù)與功能服務(wù)的緊密結(jié)合使之具備良好的穩(wěn)定性、可重構(gòu)性和易維護性。在協(xié)議對接方面,充分發(fā)揮ACSI接口的適配作用,完成104規(guī)約、DNP3.0等協(xié)議向Web服務(wù)的映射。并將配網(wǎng)的遙測、遙信、遙控映射到IEC 61850的邏輯節(jié)點中。
圖4 信息模型層次化的結(jié)構(gòu)
IEC 61850在與已有IEC 61968系統(tǒng)對接時,可采用標準的請求/應(yīng)答或者發(fā)布/訂閱方式實現(xiàn)信息的傳遞,所有消息的傳遞通常伴隨著事件的觸發(fā)。根據(jù)《電力信息交換總線技術(shù)導則》的規(guī)定,信息交換總線結(jié)構(gòu)應(yīng)當滿足SOA體系架構(gòu),并滿足IEC CIM的信息格式。信息模型適配器建立了用于數(shù)據(jù)交換的對象,信息交互模型則定義了獲取信息模型的方法,主要有以下幾種:①關(guān)聯(lián)模型,通信雙方或者多方廣播通信鏈路的建立和拆除;② C/S主從模型,是核心ACSI服務(wù);③采樣值(Sampling Value, SV)模型,用于實現(xiàn)過程層的快速數(shù)據(jù)傳輸;④通用變電站事件GSE(Generic Substation Event),包括面向通用對象的變電站事件GOOSE和通用變電站狀態(tài)事件 GSSE(Generic Substation Status Event);⑤報告和日志等。
統(tǒng)一的信息模型和信息交互模型創(chuàng)建了一致、確定和可擴展的層次化語義空間,并成為IED之間信息交互的內(nèi)容和方式的約定,有利于實現(xiàn)配電終端之間的互操作。IEC 61850的信息交換模型提供了信息對象的獲取、實時數(shù)據(jù)交換方式等,同樣適用于配網(wǎng)自動化主站與配電終端、配電終端與配電終端之間的信息交換。
在最新的IEC 61850-90-6標準規(guī)范中,針對FLISR、VVC、D-SCADA、孤島保護等用例進行了業(yè)務(wù)流程分析,并完成了對應(yīng)的邏輯節(jié)點的映射關(guān)系。ACSI的具體報文需要通過特定通信服務(wù)映射(Specific Communication Service Mapping,SCSM)映射到具體的實現(xiàn)方式上。這種上層的通信服務(wù)與下層的實現(xiàn)方式獨立的結(jié)構(gòu),保證了標準上層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,即當有新的通信技術(shù)出現(xiàn)時,IEC 61850只需增加對應(yīng)于此新技術(shù)的SCSM映射,而無需改變上層的通信服務(wù)和信息交換模型。圖5為通常的映射方式。
根據(jù)文獻[14],文獻[20-21],圖5給出了3種典型的映射方法,分別是C/S、GOOSE和SV模式下映射到以太網(wǎng),其中第二部分的標號表示了在映射中所用到的標準,如9-1表示從SV映射到以太網(wǎng)使用了IEC 61850-9-1標準。C/S模式映射到以太網(wǎng)又有3種方式:映射到制造報文規(guī)范(Manufacturing Message Specification, MMS)、104規(guī)約和公共對象請求代理機構(gòu)(Common Object Request Broker Architecture,CORBA)。
圖5 IEC 61850中通信服務(wù)映射方式
MMS和104規(guī)約的底層均采用了TCP/IP協(xié)議。MMS映射主要用于電力遠動通信,如主站和配電終端的通信。在現(xiàn)有的IEC 61850標準體系里,已經(jīng)建立了與MMS對象、MMS實例、MMS服務(wù)的映射關(guān)系,在新制定的IEC 61850-80-1中也詳細地規(guī)范了IEC 61850信息模型向104規(guī)約的映射方法以及數(shù)據(jù)類型。為了減少配網(wǎng)FTU所用的LD,可以為FTU分配應(yīng)用數(shù)據(jù)報文的公共地址,對于四遙信息可以從IEC 61850的邏輯節(jié)點中進行組合構(gòu)建。MMS能夠支持所有的ACSI服務(wù),但實現(xiàn)起來較復雜,對通信網(wǎng)絡(luò)的要求高??紤]到目前仍有相當數(shù)量的配電網(wǎng)通信采用的是104規(guī)約,將IEC 61850映射到104規(guī)約為一個好的選擇:既避免了資源的重復投資,實現(xiàn)了技術(shù)的平滑過渡,又能支持配電網(wǎng)監(jiān)控與保護控制服務(wù)。104規(guī)約可用于變電站與控制中心之間的通信,但與MMS相比,104規(guī)約并不支持所有ACSI服務(wù)。對于不支持的服務(wù),目前最具前景的方法是使用Web Service映射,或?qū)?04規(guī)約進行擴展。在IEC 61850-90-6中也給出了MMS的Web映射方法,同時還定義了104規(guī)約,DNP3.0協(xié)議向IEC 61850-80-1的映射規(guī)則。CORBA[22]是對象管理組織提出的公用對象請求代理程序結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)范,其目標是解決面向?qū)ο螽悩?gòu)應(yīng)用之間的互操作問題。在電力遠動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的點到點通信中,CORBA能夠起到代理機制的作用,它允許多個客戶同時訪問同一個對象。CORBA的終端設(shè)備一般采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā),實現(xiàn)起來比較困難。
GOOSE是IEC 61850中用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速報文需求的機制,具有良好的實時性,可用于傳輸如跳閘/重合閘命令、閉鎖等高優(yōu)先級的信息[23-24]。在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中,故障通道指示與故障檢測保護與原有保護系統(tǒng)具有一些共同的特征。對于配網(wǎng)的故障指示器上報的信息,也可產(chǎn)生相同的操作信號并發(fā)送給對應(yīng)的斷路器,并設(shè)定預置的操控邏輯,當所定義任何操作和跳閘信號瞬態(tài)故障清除時,所有狀態(tài)為將被重新設(shè)置。
GOOSE通信服務(wù)內(nèi)容采用ASN.1進行編碼,在映射時跳過了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層而直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層,避免了中間協(xié)議的編碼耗時,保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。采樣值SV表示終端傳輸給變電站的數(shù)字化信號,此信號來自于由新型低耗能電壓和電流傳感器聚合的初級電力系統(tǒng)的信息[25],已是過程層中最為重要的信息流。9-2標準SV采樣數(shù)據(jù)具有靈活可配置的優(yōu)點[26],在工程實施中可以根據(jù)其規(guī)定的配置項對采樣數(shù)據(jù)集的內(nèi)容進行設(shè)置,完成實際應(yīng)用的需求。
配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)是連接控制中心主站系統(tǒng)和用于監(jiān)視配電網(wǎng)運行的各種自動化裝置的通信網(wǎng)絡(luò)和通信機制。文獻[14]提出了基于IEC 61850的配網(wǎng)自動化通信架構(gòu),如圖6所示。
圖6 基于IEC 61850的配網(wǎng)自動化通信架構(gòu)
配網(wǎng)饋線終端的自動化設(shè)備采集配電網(wǎng)的工況信息,在服務(wù)器內(nèi)對這些信息進行面向?qū)ο蟮慕5玫?.1節(jié)所述的配網(wǎng)自動化信息模型,再定義抽象的信息交互模,最后將信息交換模型通過映射,映射到具體的通信協(xié)議如制造報文規(guī)范MMS和以太網(wǎng)等,并采用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)??蛻魴C以相反的順序?qū)π畔⑦M行處理后交由控制主站。
本文針對配電自動化系統(tǒng)的技術(shù)需求,結(jié)合IEC 61850-90的最新標準化進展,分析了IEC 61850-90系列標準在配網(wǎng)的擴展方式。目前,雖然IEC 61850已經(jīng)針對饋線、環(huán)網(wǎng)柜進行了模型化的描述,但是在底層通信協(xié)議的高效利用上還存在很大的提升空間。此外,售電側(cè)放開后,配網(wǎng)將出現(xiàn)部分由信息化帶動的新型業(yè)務(wù)及與用戶的互動方式,未來該標準還需要完善擴充,以進一步滿足國內(nèi)市場的應(yīng)用需求。
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