IEC 61850标准在智能水电厂中的适用性分析

芮 钧，冯汉夫，徐 洁，马 力，胡少英，石 爽

（1.南瑞集团公司，江苏省南京市 210003；2. 中国电建集团西北勘测设计研究院，陕西省西安市 710065）

1 引言

近年来，随着智能电网建设以及间歇性新能源大规模接入，水电厂机组源网协调能力、业务友好互动能力及资源协同优化能力不足的问题日益突出。以往水电厂缺乏统一的信息编码和通信标准，导致水电厂现地通信体系十分复杂，信息采集过程需要经过多次协议转换，信号采集和传输的可靠性不足，导致发电监控、水情水调、大坝安全监测等各类自动化系统互联互通困难，各类相关的业务之间无法高效协同，无法有效支撑区域水电或多元能源类型联合优化调度和在线经济运行。

因此，国内相关科研单位分别提出了“智能水电厂”的理念[1，2]，旨在通过统一通信标准和软件平台等一系列措施，解决传统水电厂面临的上述问题。智能水电厂是指适应智能电网源网协调要求，以信息数字化、通信网络化、集成标准化、运管一体化、业务互动化、运行最优化、决策智能化为特征，采用智能电子装置（Intelligent Electric Device，IED）及智能设备，自动完成采集、测量、控制、保护等基本功能，具备基于一体化平台的经济运行、在线分析评估决策支持、安全防护多系统联动等智能应用组件，实现生产运行安全可靠、经济高效、友好互动目标的水电厂。国家电网公司已于2012年建成了白山、松江河首批两个智能水电厂试点工程，对智能水电厂技术成果开展了全面的应用实践。2012年之后，智能水电厂的相关技术成果被陆续应用至三峡成都梯调、澜沧江集控中心等重大工程中，取得了良好的预期效果。

目前，国内外智能水电厂相关的论文主要集中在自动化系统的总体架构、数据库、业务体系、应用功能等方面[3，4]，少数则以示例的方式简要介绍IEC 61850标准逻辑节点使用方法[3，4]及通信软件实现方法[7]。IEC 61850标准最初是IEC组织针对变电站自动化系统提出的，而水电厂自动化系统监测对象与功能远比变电站复杂得多，因此IEC 61850标准能否满足水电厂通信功能和性能方面的要求，在业界仍然存在一定的争议。本文在介绍IEC 61850标准与水电自动化相关的部分内容的基础上，分析该标准在智能水电厂中应用的适用性，提出该标准应用于水电厂的基本原则和方法，对统一和推广智能水电厂理念、推进国内水电厂自动化技术发展具有重要意义。

2 IEC 61850及在变电站中应用现状

IEC 61850标准是由国际电工委员会第57技术委员会于2003年颁布的，该标准使变电站中来自不同厂商的智能电子装置（IED）实现了互操作，目前IEC 61850标准已经被广泛应用于变电站自动化系统[8]。从2009年开始，IEC开始发布IEC 61850 Ed 2.0，标准名称由《变电站自动化通信网络和系统》改为《电力自动化通信网络和系统》，使IEC 61850标准的应用从变电站拓展到发电厂、分布式能源（DER）、输变电设备监测以及配电自动化系统等领域，极大地拓展了该标准的适用范围。我国于2004年开始以等同采用（IDT）的方式将IEC 61850标准翻译为中文，并采纳为我国的电力行业标准DL 860。

IEC 61850主要内容包括以下四部分：①系统部分。包括IEC 61850-l、IEC 61850-2、IEC 61850-3、IEC 61850-4和IEC 61850-5五个文件，从通信技术本身进行描述，并从系统工程管理、质量保证、系统模型等方面进行叙述，使IEC 61850标准能够更好地应用于电力系统。②配置部分。IEC 61850-6定义了变电站系统和设备配置、功能信息及相对关系的变电站配置描述语言。③数据模型、通信服务和映射部分。包括IEC 61850-7、IEC 61850-8和IEC 61850-9三个文件，是IEC 61850核心技术部分，从技术实现角度描述了IEC 61850的信息模型、通信服务接口模型以及信息模型与实际通信网络的映射方法，实现了系统信息模型的统一、通信服务的统一和传输过程的一致。④测试部分。主要是IEC 61850-10，定义了一致性测试的方法、等级、环境和设备要求，用于验证系统和设备的互操作性。

基于IEC 61850标准的智能变电站技术在国内已基本发展成熟，以南京南瑞集团公司为代表的电力自动化设备企业研制出了满足IEC 61850标准的变电站保护和测控设备，并应用于国内大量智能变电站建设和改造工程中。通过采用IEC 61850标准，智能变电站利用智能二次设备取代了传统二次设备，利用光缆代替传统电缆，解决了电磁干扰、一点接地等问题，节约了工程投资，体现了节能环保理念；简化了二次系统的配置，实现全景数据集成、标准化后统一上送，实现了数据源端维护，提高了工程调试效率和系统的安全性。国家电网公司发布的《智能变电站技术导则》，明确要求“智能变电站的通信网络与系统应符合 DL/T 860（IEC 61850）标准。应建立包含电网实时同步信息、保护信息、设备状态、电能质量等各类数据的标准化信息模型，满足基础数据的完整性及一致性的要求。”

3 IEC 61850标准适用性分析

3.1 对象信息建模

IEC 61850第二版将水电厂、分布式能源等纳入到标准中，为此在IEC 61850-7-4的基础上，补充了分别用于水电厂和分布式能源的信息建模规范文件，制定了相应的逻辑节点列表及定义。其中，针对水电厂的信息建模规范的文件以IEC 61850-7-#10命名，针对分布式能源的信息建模规范的文件以IEC 61850-7-#20命名。2007年，IEC首次发布了针对水电厂的IEC 61850-7-410《电力自动化通信网络和系统 第7-410部分：基本通信结构 水力发电厂 监视和控制通信》标准第一版，描述了IEC 61850标准在水电厂应用中所需的额外的公用数据类、逻辑节点以及数据对象，为IEC 61850标准应用于水电厂奠定了基础。2012年，IEC又发布了该标准的第二版，进一步补充完善了水电厂信息建模标准，使得IEC 61850标准在水电厂中的适用性进一步提高。IEC 61850-7-410第一版共收录63个逻辑节点，其中命名以H开头的水电站专用逻辑节点19个，通用逻辑节点44个。IEC 61850-7-410标准第二版则收录41个逻辑节点，其中命名以H开头的水电站专用逻辑节点26个，通用逻辑节点15个。IEC 61850-7-410第二版的逻辑节点分为自动控制、功能模块、水电厂专用逻辑节点、接口和存档、机械与非电气主设备、保护功能、保护相关功能、传感器监视、开关设备等组，涉及电力、机械、水文、传感器等技术领域。

2012年，IEC又发布了IEC 61850-7-510《电力自动化通信网络和系统 第7-510部分：基本通信结构 水力发电厂建模原理与应用指南》技术报告，以大量示例的方式详尽地解释了如何使用IEC 61850-7-4以及IEC 61850-7-410系列其他文档定义的逻辑节点对电厂（包括可变速抽水蓄能电厂）的复杂控制功能进行建模，主要内容包括：①水电厂整体通信结构框架，包括水电厂的整体通信结构、通信网络、运行模式和基本控制策略；②控制系统结构化，包括逻辑设备建模、励磁系统、调速系统、机组启停控制等应用的IEC 61850建模示例；③变速抽水蓄能系统示例，包括变速抽水蓄能电站励磁系统、调速系统和机组启停控制等应用的IEC 61850建模示例；④高压油系统油泵启动优先权；⑤寻址结构和映射示例；⑥不同类型曲线的使用以及曲线形状描述的示例；⑦电压匹配功能的示例。

目前，我国已经完成了翻译IEC 61850-7-410和IEC 61850-7-510并等同采用为国内电力行业标准的相关工作，即将进入正式发布该文件，作为DL 860标准的部分文件。此外，国际电工委员会第57技术委员正在组织编写IEC 61850-7-410的修正文件，进一步完善水电厂自动化系统的对象信息建模。这使得IEC 61850突破了原来的变电站自动化系统应用局限，能够有效地应用于智能水电厂对象信息建模。此外，针对我国水电厂自动化系统的特点，南京南瑞集团公司正在牵头组织编写国家标准《智能水电厂公共信息模型技术规范》，进一步完善IEC 61850标准在水电厂中应用所需的各类逻辑节点。上述工作确保了IEC 61850标准在对象信息建模方面能够适用于智能水电厂建设，随着模型的不断完善将为智能水电厂推广提供更加坚实的技术支撑。

3.2 通信性能要求

智能水电厂自动化系统除了需要处理与智能变电站类似的电气量以外，还需要处理大量诸如转速、流量、温度、压力、液位之类的非电气量，完成机组开机、停机等各类顺序控制，并对辅机的启动优先权进行管理。由此可见，水电厂中各功能之间交互信息的类型和数据量都远多于智能变电站。因此，IEC 61850标准在水电厂大数量传输环境下，传输性能是否能够满足水电厂安全生产控制的要求成为一个至关重要的问题。从另一方面看，水电厂具有各台机组控制功能相对独立、顺序控制流程时间长等特点，在应用IEC 61850标准时只需要综合采取一系列技术措施就能够确保满足水电机组控制性能要求，分析如下：

（1）水电厂自动化系统的数据量很大，但绝大多数都是反映机械装置运行情况的数据，这部分数据的变化速度较慢，属于中速和低速报文，对数据采集和传输的时间要求并不高。

（2）水电厂开机、停机等顺序控制过程涉及大量信息交互，但是顺序控制本身的时间相对信号采集和传输的时间来说非常长，因此数据信息采集和传输时间的长短对流程正常执行的影响可以忽略不计。

（3）水电厂各类自动化设备均以水电机组为单位，各机组控制子系统之间信息交互非常少。可以利用该特点，通过VLAN技术或直接采用多套交换机建立多个独立的过程层网，每台机组的控制系统单独使用一个过程子网，消除各个机组测控信息的相互干扰，有效解决水电厂自动化系统数据量大带来的传输瓶颈问题。

（4）改变传统现地监控系统所有信息经过PLC集中上送至厂站层网的信息流，单元层各IED同时连接过程层网（GOOSE/SV网）和厂站层网（MMS网），直接与厂站层计算机进行信息交互，通过信息的分散传输，降低了对局部网络传输性能的过高要求。

（5）采用具有采集信号智能分布式处理功能的智能控制器将逐步取代传统的PLC，在现地完成模拟量抖动过滤、变幅报警等信号处理任务，减少了无效信息的传输和PLC执行周期对系统性能的限制作用。

（6）对水电厂现地各类数据、事件报文的优先级区分，并采用具有报文优先级控制的工业实时以太网交换机，可以有效确保智能水电厂中不同重要性数据均能够被及时处理，在完成各类常规功能的同时，对紧急事件进行优先处理。

3.3 试点工程验证

南京南瑞集团公司依托多年IEC 61850相关技术标准编写、产品研制等方面的成果积累，自2010年起开始了白山、松江河两个智能水电厂试点工程的改造建设。在改造过程中，采用了统一的IEC 61850、IEC 61970标准取代原来各厂商的各类通信协议，对于直接支持IEC 61850标准的各类保护相关测控设备，直接使用支持该标准的IED取代原测控装置，对于其他专业不具备更新测控设备条件的，各自增设相应的IEC61850规约转换器，将其采集的信息转化为IEC 61850标准建模并统一按照IEC 61850 MMS协议上送至一体化管控平台。通过通信标准的改造，一体化管控平台能够直接采用导入各类智能测控设备的监测信息，可以快速构建厂站层监控软件平台数据库系统，并确保各类智能测控设备信息与一体化管控平台信息的一致性，解决了传统水电厂自动化系统数据信息无自描述能力、信息表述方式不统一、设备互换性和交互性差等问题。

白山、松江河智能发电厂试点建设项目均于2012年底通过验收并投入正式运行，至今运行情况良好。白山和松江河智能水电厂的建设和运行，为IEC 61850水电厂信息对象建模、水电厂智能IED设备研制、水电厂IEC 61850标准通信总线研制、一体化管控平台研发、智能水电厂运行管理等积累了丰富的工程实践经验，充分证明了IEC 61850标准在水电厂自动化系统的适用性，为指导和推进IEC 61850标准在国内水电厂中的应用做出了重要的作用，同时也证明了IEC 61850标准在智能水电厂中的适用性。

4 结论

本文介绍了IEC 61850标准与水电厂相关的文件情况及目前标准建设情况，并首次从对象信息建模、通信性能要求及试点工程验证等角度分析了IEC 61850标准在水电厂自动化系统中的适用性，提出了IEC 61850标准在水电厂中应用的各项原则，指导国内水电自动化领域积极并正确应用IEC 61850标准，进一步推动国内水电厂智能化改造的步伐。

目前，IEC 61850标准应用于水电厂时还面临着支持该标准的智能电子装置（IED）产品较少、智能电子装置检测与评估体系不完善等不足之处，需要今后在IEC 61850标准在水电厂中的具体应用方法，即逻辑设备建模、逻辑节点建模、水电智能电子装置互操作性测试等具体细节开展更加深入的研究工作。

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