基于61850标准的数字化变电站自动化系统的设计与实现

阿城继电器股份有限公司 宫献业

1.引言

随着电力技术的不断发展，电力系统对变电站自动化的要求程度越来越高，为了方便变电站中各种IED的管理以及设备间互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC61850标准提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化形成一个规范的输出，能够使系统无缝连接，为此一种新型的基于61850标准的数字化变电站综合自动化系统的设计与实现便成了当前电力系统发展的研究趋势。本文将对一个新型的数字化变电站综自系统按分层分布式的结构化设计、优化的对象建模方式以及图形化编程技术等进行全面的阐述。

2.61850标准简介

61850标准是基于美国UCA2.0标准在此基础上又有所发展的国际标准，其主要特点是：面向设备，面向对象建模，面向应用开放的完善的自我描述；采用抽象通信服务接口，网络的应用层协议和网络传输层协议独立；具有符合电力系统特点的通信服务，信息对象在信息源处唯一定义，数据对象统一建模；采用XML的配置技术等。

3.系统组成及特点

数字化变电站自动化系统采用分层分布式结构和先进的IEC61850网络通信方案，具有高速的通信速率，整个系统分为三层：站控层、间隔层、过程层。

3.1 站控层

站控层主网采用IEC61850以太网通信机制，通过监控主机（操作员站）、IEC61850通信管理机、通信交换机等实现站控层子系统。监控主机及软件冗余配置，防止硬件故障造成数据丢失和不可用。

3.2 间隔层

间隔层由具有保护测控功能的IED组成，全面支持IEC61850各通信服务模型，利用GOOSE通信实现了间隔层联锁。实现了变电站信息共享及设备间的互操作性，简化了系统维护、配置和工程实施。

3.3 过程层

过程层主要完成开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能，通过网络与间隔层连接。

3.4 GOOSE实现方案

面向通用对象的变电站事件（GO-OSE）模型是IEC61850在智能变电站中的一个重要应用，采用发布者/订阅者通信结构，支持多个通信节点之间的点对点直接通信，是一个或多个数据源（即发布者）向多个接收者（即订阅者）发送数据的最佳方案，尤其适合于数据流量大且实时性要求高的数据通信。

GOOSE模型是一种快速报文传输服务，报文传输直接由应用层到表示层，经抽象语法符号ASN.1编码后，不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层，目的是为避免通信堆栈造成传输延时。为了保证实时性和可靠性，GOOSE报文传输不需要回执确认，而是采用顺序重发机制，重发过程如下图所示。

采用GOOSE模型后，继电保护装置通过网络传输跳闸和装置之间的启动闭锁信号，替代了传统智能电子设备（IED）间硬接线。

在上图中，T0为在没有事件发生时，由发布方定期发送的心跳报文的时间间隔。（T0)为由于事件发生导致变短的时间间隔，T1为事件发生后最短的重发时间间隔，T2、T3为再次回到稳定状态前的重发时间间隔。

GOOSE模型还引入了报文存活时间（timeAllowedToLive）、事件序列计数器（SqNum)、状态改变计时器（StNum)、状态改变时刻（T)等状态参数。报文存活时间提示订阅者等待下一报文到来的最长时间。如果等待时间大于timeAllowedToLive值仍未收到有效报文时，订阅者认为通信发生故障，发出告警信号。

事件序列计数器指GOOSE报文传输次数计数器，订阅者通过SqNum能够确认报文传输无漏包。状态改变计数器当有新事件产生计数加1.

3.5 数字化变电站的工程实施

IEC61850标准不仅仅是变电站通信的标准，而且是一个全变电站集成和实施的标准。标准对工程实施的过程、支持工具、组态配置提出了详细的要求。通过IED配置工具生成装置的描述文件ICD文件（为XML标准格式）。ICD文件描述装置的数据模型和能力，如包括那些逻辑设备、逻辑节点、数据类型的定义、数据集定义、控制块定义、装置通信能力和参数的描述。

在工程实施过程中，通过系统配置工具生成变电站一次系统的描述文件SSD文件（为XML标准格式）。包括一次系统的单线图、一次设备的逻辑节点、逻辑节点的类型定义等。以变电站包含的各种类型的二次设备的ICD文件和变电站的SSD文件为输入，通过SCD配置工具生成变电站的数据SCD文件，包含变电站一次系统配置、二次设备配置和网络参数配置。

利用配置工具从SCD文件中导出装置运行所需的CID文件，下载到装置中满足变电站的运行需求。

4.间隔层IED装置的实现方案

4.1 硬件软件通用平台

系统间隔层装置硬件平台设计时，要充分考虑数字化变电站的特点和要求，根据当前电力系统的发展潮流，采用高性能的双CPU硬件系统，配备大量的外围资源，核心处理器选用工业级高性能嵌入式微处理器，具有快速的数据运算处理能力、整个硬件系统配备丰富的可用资源满足系统运行需求。

4.2 图形化编程

数字化变电站自动化系统中IED的应用图形化编程方式极大的简化了对IED的配置和维护工作，且可灵活组态。对遵循IEC61131-3标准的图形化编程和基于IEC61850面向对象的设计思想下的参数关联和数据结构设计是实现图形化编程与IED数据处理的技术关键。

模拟量、开关量、定值都是继电保护图元元件的参数，通过点击图形界面上图元的引脚属性，可以选择模拟量通道、开关量输入输出通道、定值等项。IED装置在软件实现时，在内存中开辟了公用的模拟量、开关量、定值等数据区。

4.3 IEC61850通信模型实现

数字化变电站自动化系统支持IEC61850抽象通信服务模型，包括：服务器模型、应用连接模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据类模型、数据集模型、定值控制块模型、报告控制块模型、日志控制块模型、控制模型。

装置上电读取IED模型配置文件，完成VMD创建。其中包括逻辑节点、数据集、定值控制块、报告控制块、日志控制块、控制模型等。同时完成IEC61850通信数据和保护功能数据之间的映射。

4.3.1 报告控制块的实现方式

缓存报告控制块BRCB用来处理间隔层设备的大部分状态信息、SOE信息、告警等事件信息，满足了事件驱动的许多紧迫要求，完成向监控系统传输事件的功能。缓存报告模型在软件实现上分为事件监视、报告处理和报告控制三部分。当报告模型所监视的数据集功能约束数据发生变化时，事件监视部分检测到数据变化，通过消息传递机制，将消息传送至报告处理部分，报告处理部分通过报告控制块属性填充报告内容，进行高效编码后，传送至客户端。

缓存报告控制块在完成事件触发的同时，还可实现客户端总启动和完整性周期扫描，对数据集数据进行监视，可有效的利用带宽。

非缓存报告控制块用来处理模拟数据，完成测量数据的主动上送。

4.3.2 定值控制块的实现方式

定值控制块用来实现对装置定值区和定值的管理，实现了获取当前定值组、编辑定值区和激活定值区的切换、定值读写等功能。客户在修改某组定值时，首先将该组定值调到编辑缓冲区，当确认修改后，检查所修改定值的有效性，确定所修改内容有效后，定值控制块模型将编辑区的内容复制到实际存储区。

4.3.3 控制模型的实现方式

控制模型分为常规安全的直接控制、常规安全的操作前选择控制、增强安全的直接控制、增强安全的操作前选择控制。每种控制模型都采用了不同的状态机。针对不同IED装置中遥控的执行方式选择不同的模型。采用的控制方式在装置的模型配置文件中进行预配置，通过通信服务参数的不同，执行相应的功能。

5.结语

本分讨论的新型数字化变电站自动化系统采用了先进的硬件平台，建立在IEC61850通信标准之上，采用了诸如面向对象建模、抽象通信服务接口、强大的过程层通信等许多全新而前瞻性的技术，为数字化变电站的工程设计、应用、调试提供了全面的技术支持，为我国数字化变电站的普及和推广做出了贡献。

[1]IEC 61850-5变电站通信网络和系统:功能通信要求和装置模型.

[2]IEC 61850-6变电站通信网络和系统:与变电站有关的IED通信配置描述语言.

[3]IEC 61850-7变电站通信网络和系统:抽象通信服务接口ACSI.

[4]IEC 61850-8变电站通信网络和系统:特定通信服务映射SCSM.

[5]殷志良,刘万顺等.基于IEC61850的统统变电站事件模型[J].电力系统自动化,2005,29(19):45-49.

[6]吴在军,胡敏强.基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究[J].电网技术,2003,27(10):61-65.

[7]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008.