IEC61850在变电站工程的应用

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(广西大学电气工程学院，广西　南宁　530004)

1　引言

20世纪90年代以后，变电站自动化技术快速发展，涌现出了大量的保护装置的生产厂家，变电站内存在了大量由不同厂家提供的智能保护设备，每个厂家分别都有自己的一套通信标准，造成变电站内信息的不匹配，浪费了大量的资源，使得变电站设备信息不能很好地整合在一起。既造成了资源的浪费，同时也给厂家，管理人员和操作人员带来了不必要的麻烦[1-3]。为了适应数字化变电站发展的需要，国际电工委员会参考了现有的相关标准如：IEC60870-5-101远动通信协议标准；IEC870-5-103继电保护接口标准；由美国电力科学研究院制定的变电站和馈线设备通信协议体系(UCA2.0)，决定将以UCA2.0数据模型和服务为基础，将UCA的研究结果纳入IEC标准，建立世界范围的统一标准IEC 61850。

IEC61850实现了系统的配置管理，对映射的网络方法、网络和数据对象进行了统一的建模，是一套比较完整的变电站自动化通信标准体系。智能变电站对IEC61850的数据传输提出了网络数据传输实现无缝的要求，为无缝通信系统传输协议在智能变电站的发展奠定基础，避免了繁琐的协议转换，实现了IED(智能电子设备)间的互操作[4]。因此，对故障信息处理系统软件的开发有着重要的指导作用，我们将在实际中积极采用IEC61850标准[5]。

2　IEC 61850构成

若IEC61850系列标准IEC61850-1至IEC61850-10共14个分册(部分)构成，从逻辑上分为6大类，分别从这六大类对IEC61850作了全面而详细的阐述，如表1所示。

表1　IEC61850标准系统组成

2.1　IEC61850定义的通信接口模型

IEC618150定义了变电站的3层通信接口模型，如图1所示。除了传统的变电站层和间隔层外，将采用数字化接口的一次设备定义为过程层。

图1　IEC变电站三层通信接口模型

IEC61850定义了变电站设备之间的通信接口关系，包括变电站层、间隔层和过程层，这三层之间的通信接口是实现不同设备信息传输的基础，如表2所示。这三层通信模型，IEC61850涵盖了所有现在和将来变电站自动化的通信要求。

表2　IEC61850定义的三层通信接口关系

2.2　IEC 61850定义的信息模型

IEC61850按照分层原则定义信息模型，如图2所示。服务器向下级众多逻辑设备传输命令，它是一个功能节点。逻辑设备管理各个逻辑节点，逻辑节点之间通过逻辑连接交换数据，而逻辑节点实现数据的采集。

图2　IEC61850所定义的信息模型层次

基于IEC61850的功能，变电站自动化系统采用分层结构，将其分为站控层、间隔层、过程层；同一功能可以分布在不同厂家的物理设备之间，而且在物理上自由分布；逻辑节点可以理解为功能分解的最小单元，逻辑节点之间的连接称为逻辑连接，一个物理连接可以包含多个逻辑连接。

2.3　IEC61850使用的通信协议和网络

IEC61850对通信服务采用了分层定义的方法。将变电站内部网络进行所需服务的定义，形成通信服务接口(ACSI)这些定义与底层网络和协议没有关系，所以具有通用性和稳定性，是面向未来的[6-10]。目前IEC61850-8-1定义了ACSI到MMS之间的映射关系，称为特定通信服务映射(SCSM)，其关系如图3所示。

图3　ACSI与SCSM的关系

抽象通信服务接口(ACSI)分为以下9类：关联服务、信息模型服务、定值组服务、主动上送的报告服务、日志服务、快速报文服务、采样值服务、对时和文件服务。

2.4　IEC 61850的一致性检测

为了检测开发的智能电子设备(IED)是否符合IEC61850标准，IEC61850-10定义了一致性测试的程序、内容以及测验项目。设备的一致性是其实现互操作的基础[11]。目前，IEC61850只定义了针对服务器端的一致性测试要求。IEC61850的一致性测试主要包括：配置文件的测试项、数据模型的测试项和ACSI服务测试项，每种ACSI服务的测试项应分别进行肯定和否定两种测试。

3　IEC 61850在变电站工程的应用

3.1　220kV塘步站设计

(1)工程简介

为了实现IEC61850在广西电网自动化系统中的实际应用，220kV塘步站进行了以下工程应用研究：采用国内5家不同制造厂商的保护和测控设备，验证IEC61850的统一建模和互操作性研究；引入220kV智能操作箱，安装在保护小室，代替传统的操作箱，研究面向通用对象的变电站事件(GOOSE，Generic Object Oriented Substation Event)机制在继电保护的应用，为GOOSE机制能够广泛应用于继电保护提供工程运行经验[12-14]；研究不同网络结构的特点，测试网络结构的可靠性、实时性和优先传输机制等内容。基于IEC61850标准的三层架构的变电站自动化系统如图4所示。

图4　三层结构IEC61850变电站结构见图

(2)网络结构

220kV塘步站自动化系统采用环网结构，如图4所示。所有IED通过100Mbit/s多模光纤就近接入控制小室的工业级以太网交换机。在交换机处配置静态VLAN和流量控制，以合理的网络配置保证GOOSE报文在网络传输中的实时性和可靠性。

从图5可知，交换机组成两个环都连接到交换机1与2上，两个环的连接光缆分别用红色与蓝色表示并取不同电源供电，粗线表示经过室外的铠装光缆，细线表示屏内尾缆，虚线表示环网逻辑节点。

图5　塘步站自动化系统结构

站控层主机通过电口与交换机相连；间隔层每个测控IED通过一个光口与交换机相连；保护GOOSE采用双网冗余，存在保护GOOSE收发的保护IED通过三个光口连接到网络上，第一个光口主要传输MMS报文，其他两个光口传输GOOSE报文，并分别接入到两个不同的环网，以提高GOOSE报文的网络冗余性[15]。

(3)互操作性研究

制定IEC61850的一个最主要目的就是为了实现不同厂家设备之间的互操作性，但是国内外的多次互操作性试验表明IEC61850仍然只是设备之间实现互操作性的基础，设备互操作仍然与项目目标和IEC61850技术应用存在密切关系。如产品实现互操作性目标的不同对于IEC61850应用的方法可能不同等等。因此工程不仅需要研究变电站二次设备的互操作性，还需要研究语义的互操作性，将工程配置语言与设计语言统一。采用标准统一的工程语言师确保实现二次设备互操作性的重要措施。

为了验证IEC61850互操作性，塘步站工程采用国内5家厂家提供的56台符合IEC61850的智能设备，加上系统主机(兼人机工作站)、远动通信装置、保护子站、工程师工作站、网络报文记录分析仪等，共同组成了全站的自动化和继电保护系统。

(4)GOOSE技术

GOOSE技术是IEC61850标准用于满足变电站自动化系统快速报文需求的一种机制，主要应用在过程层与间隔层信息的传递以及间隔层水平通信，理论上课应用与继电保护系统[16]。所有的GOOSE通信状态均可实时监测，避免因回路接触不良引起保护不正确动作等情况。GOOSE技术还可应用于间隔层保护测控设备的横向联系，如失灵启动、重合闸闭锁等。

220kV塘步站工程的关键在于GOOSE技术的应用，除了变压器保护外，220kV线路、母差保护、母联开关保护的跳闸、启动和闭锁等信号均采用GOOSE技术。GOOSE传输的数据类型主要有布尔量、整型、浮点型和位串。

3.2　IEC 61850在实际应用中的总结

IEC61850在解决了来自不同厂家设备的互操作问题，使得变电站结构变得简化，并为智能一次设备的发展奠定了基础。总而言之，IEC61580在实际应用中的总结如下：

(1)IEC61580的应用使得变电站不同厂家之间的设备可互操作，传统变电站的大量保护管理机的协议转换设备被取代，简化了变电站的网络结构，减少了中间环节，提高了变电站自动化系统的可靠性，缩短了调试时间。

(2)IEC61580定义的SCL语言将工程配置语言与工程设计语言统一，简化了系统集成，不同厂家的设备实现了互操作，缩短了调试时间。

(3)IEC61850所具有的开放性减少了用户对厂家的依赖，有利于用户在设备上的长远投资。由于IEC61850标准的开放性，使得变电站的改造、升级选择变多。

(4)一次设备的数字化与智能化。IEC61580标准是公开的标准，加速了变电站一次设备的智能化发展。数字式的互感器替代了传统的电磁式互感器，此外还提供光纤以太网接口。站内的断路器、变压器就地加装智能终端以实现对设备上的实时监控，这样变电站一次设备向智能化发展。

(5)IEC61580的GOOSE通信机制的出现，大大减少了电缆的使用量。GOOSE通信机制通过网络进行逻辑的配合与闭锁，实现变电站内不同设备之间的信息传递，简化了变电站的二次回路。此外，二次侧信号通过光纤以太网传输，不再依赖传统的电缆，为变电站传输速率奠定基础。

4　IEC 61850工程应用的展望

2006年以来，IEC61580在我国变电站建设中不仅开始试点应用，且其应用深度和范围得到快速推进，仅在浙江电网采用IEC61580的正在运行变电站就已超过50座[17]。随着近些年来国内外对IEC61580的深入研究和工程应用的总结与提升，IEC61580在工程中的实用性与指导性得到很大的提高。

IEC61580技术的发展和完善将是一个渐进而漫长的过程，随着IEC61850技术的深入应用，必将会有相关新技术的不断涌现。2009年，IEC61580被美国列为美国智能电网建设标准之一，我们可以看到IEC61580将会被广泛地应用到未来的变电站建设中。

5　结论

IEC61850标准是变电站智能化的标志，它在未来的变电站工程建设中有着举足轻重的地位。它的出现对未来变电站的建设、维护和运行产生深远影响。IEC61850对变电站设备进行统一的建模，又将配置语言与工程设计语言统一，外加适应变电站自动化发展的扩展功能，实现不同厂家不同类型的IED设备的互操作与不断扩建，是变电站自动化的历史性变革。

[1]黄新波.智能变电站原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2]黄建峰，陈小川，樊陈，等.MMS在基于IEC61850的变电站自动化系统中的应用研究[J].机电工程技术,2007，36(4)：52-54.

[3]缪文贵，何卫，李金，等.MMS对象在IEC61850中的应用[J].电网技术，2006，10(30)：252-256.

[4]吴介一，费翔.制造报文规范中的虚拟制造设备及实设备入网技术[J].微电子学与计算机，1995，23(6)：37-41.

[5]沈云，赵振宏.异构环境中MMS协议的研究与实现[J].清华大学学报(自然科学版)，1998，3(10)：93-96.

[6]高翔.数字化变电站技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[7]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍[J].电网技术，2001，25(9)：112-117.

[8]丁峰，陆承宇.基于IEC61850标准的变电站防误闭锁工程应用[J].电力系统保护与控制，2010，38(9)：18-24.

[9]赵琳，刘振.220kV数字化变电站测控保护一体化的实现方式[J].中国电力，2010，43(4)：28-34.

[10]苏昊，夏勇军，胡刚，等.IEC61850及其在变电站自动化系统中的应用[J].湖北电力，2007，5(31)：1-3.

[11]易永辉.基于IEC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究[D].浙江大学，2008.

[12]越云.基于IEC61850标准的电气设备只能监测系统研究[D].华北电力大学，2012.

[13]顾衍璋.IEC61850标准在500kV狮洋变电站自动化系统的应用及组网分析[J].广东电力，2011，24(5)：76-79.

[14]陈安伟.IEC61850在变电站中的工程应用[M].北京：中国电力出版社，2012.

[15]韦明邑.IEC61850在500kV变电站的应用[J].南方电网技术，2009，3(2)：89-70.i

[16]陈炯聪，高新华，潘璠，等.IEC61850互操作测试分析[J].电力系统保护与控制，2009，37(15)：121-123.

[17]李瑞生，王锐，许沛丰，等.基于IEC61850的洛阳金谷园110kV数字化变电站工程应用实践[J].电力系统保护与控制，2009，37(10)：76-78.