數字化變電站系統實現可行性分析

盧純義

（金華電業局，浙江 金華321001）

1 前言

由于電力系統的不斷擴大就提出了能夠在電力系統中實現遠程控制和遠程通信等要求，而在變電站自動化系統中，也需要能夠實現遠程控制和遠程通信。但各個設備生產廠家各自采用不同的方法來實現，不能夠實現兼容設備之間的通信、互操作，這就需要制定相應的國際標準，也就是變電站自動化系統通信協議。

在現有的應用中，廣泛應用的變電站自動化系統的通信協議主要有兩個系列的標準:一個是由IEC TC57制定的IEC60870-5系列標準，另外一個就是由IEC TC57制定的IEC 61850系列標準。這兩個標準都是根據電力系統生產過程的特點，能夠滿足信息傳輸要求的遠動協議。因此是迄今為止最為完善的變電站自動化的通信標準，它代表了變電站綜合自動化系統的發展方向。

2 IEC 61850的特征分析

2.1 變電站的信息分層結構

變電站通信網絡和系統協議IEC 61850標準草案提出了變電站內信息分層的概念，將變電站的通信體系分為三個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口。

2.2 面向對象的數據建模技術

IEC 61850標準采用面向對象的建模技術，定義了基于客戶機/服務器結構數據模型。每個IED包含一個或多個服務器，每個服務器本身又包含一個或多個邏輯設備。邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據對象。數據對象則是由數據屬性構成的公用數據類的命名實例。從通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶可通過抽象通信服務接口（ACSI）和服務器通信可訪問數據對象，如圖1所示。

2.3 數據自描述

該標準定義了采用設備名、邏輯節點名、實例編號和數據類名建立對象名的命名規則；采用面向對象的方法，定義了對象之間的通信服務。面向對象的數據自描述在數據源就對數據本身進行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行工程物理量對應、標度轉換等工作。由于數據本身帶有說明，所以傳輸時可以不受預先定義限制，簡化了對數據的管理和維護工作。

2.4 網絡獨立性

IEC 61850標準總結了變電站內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網絡和應用層協議的抽象通信服務接口（ASCI）。客戶通過ACSI，由專用通信服務映射（SCSM）映射到所采用的具體協議棧，例如制造報文規范（MMS）等。IEC 61850標準使用ACSI和SCSM技術，解決了標準的穩定性與未來網絡技術發展之間的矛盾，即當網絡技術發展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。

2.5 IEC 61850的局限

首先是關于保護信息處理方面（定值、帶參數信息的保護動作事件、錄波），目前版本的IEC 61850規定得不夠具體甚至相互矛盾；其次在變電站描述語言這一部分已被發現若干錯誤；另外關于采樣值通信這部分有些超前當前網絡以及硬件水平。

3 數字化變電站

3.1 數字化變電站的理解

數字化變電站是一個不斷發展的概念，到目前為止，并沒有形成“數字化變電站”的嚴格的完整定義。但是經過多年的摸索、實踐以及交流討論，業界對于“數字化變電站”的含義正在逐步達成一致，目前，普遍認為數字化變電站技術是指基于IEC 61850標準建立全站統一的數據模型和數據通信平臺，實現站內一次設備和二次智能電子裝置的數字化通信，確保智能裝置之間的互操作性。其主要特征有：數字化的一次電氣設備；基于IEC 61850的全站統一的數據模型及通信服務平臺；網絡化的二次裝置。

3.2 數字化變電站的優勢

變電站的各種功能可共享統一的信息平臺，避免設備重復。通信網絡取代復雜的控制電纜。提升測量精度。提高信號傳輸的可靠性。應用電子式互感器解決傳統互感器固有問題。避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題。進一步提高自動化和管理水平。減少變電站的總投資。

3.3 數字化變電站的技術基礎

3.3.1 計算機網絡技術的應用

通信環節是變電站自動化系統的關鍵，對數字化變電站具有重要影響的網絡技術包括：①交換式以太網技術；②IEEE802.1p排隊特性；③虛擬局域網（VLAN，virtual local area network）技術；④快速生成樹協議（IEEE802.1w rapid spanning treeprotocol）。

3.3.2 遵循IEC 61850標準建立通信架構

通信網絡架構是實現數據傳輸以及自動化功能的基礎。數字化變電站首先是建立IEC 61850的通信網絡架構，即符合IEC 61850標準的數據對象，LN和抽象通信服務接口（ACSI）模型，以及服務對應的映射（SCSM）。其次是變電站的網絡結構，各IED之間需要進行大量的數據交換，對應于數據交換的不同需要，在變電站網絡拓補設計中，對數據傳輸的帶寬要求增加，尤其是過程總線的實現關鍵性部分。

3.3.3 非常規互感器與智能開關技術

采用低功率、數字化的新型互感器代替常規的PT和CT，將高電壓、大電流直接變換為數字信號，利用高速以太網構成數據采集及傳輸系統。基于微機、電力電子技術和新型傳感器建立新的斷路器二次系統，保護和控制命令可以通過光纖網絡傳輸到斷路器操作機構的數字化接口。這些技術使變電站的過程層得以數字化，以太網業成為全變電站的神經中樞。

4 數字化變電站系統實現的可行性

4.1 完全數字化變電站

完全數字化變電站就是全面采用ECT/EVT和ESW/ECB設備，在變電站的通信網絡構建中遵循IEC 61850標準，即變電站的間隔層、站控層和過程層全部實現數字化，過程層的測量、監視和控制全部實現數字化、網絡化。完全數字化變電站的系統實現方案如圖2所示。

該系統方案站級層后臺和間隔層裝置包括保護裝置和測控裝置的通信均應用IEC 61850通信協議標準；間隔層測控單元之間采用基于GOOSE快速報文機制的水平通信，實現間隔層全站聯閉鎖功能；間隔層保護裝置之間采用基于GOOSE快速報文機制的水平通信，取消保護裝置之間的屏間電纜；對于采用ECT/EPT和ESW/ECB的過程層設備，可通過合并單元將ECT/EPT上送到過程層以太網，通過IEC 61850-9中的SMV模型得到采樣值，GOOSE模型實現數字式開關的操作。

4.2 變電站升級改造方式

4.2.1 極端的改造方式

（1）“至上而下”全面驗證的方式，把現有符合IEC61870-5-103的變電站自動化系統全部更換為當前技術水平下的IEC 61850系統，未實現的IED設備采取至IEC 61850規約轉換方式接入。該方案便于充分暴露問題，但對現有一、二次設備均動作較大、成本較高，由于配套標準的不完善所帶來的風險也比較大。（2）“自下而上”逐步驗證的方式，分步驟采用數字化一次設備掛網，IEC 61850間隔規約逆轉換(專用網關)接入IEC 61850應用，同站內建立獨立的、標準不同的兩套自動化系統并列運行方式，依據IEC 61850研究進程或技術發展成熟性逐步驗證。該方式較為穩妥或保守，可能要對現有系統不斷作出多次和多處調整，且周期較長、不易操作實施。

4.2.2 過渡策略

常規變電站改造為數字化變電站的過程中，為了降低成本，避免大規模的淘汰站內可用的二次配接和設備，因此必須考慮從常規變電站到數字化變電站的一個過渡策略，即必須解決數字化變電站技術對于常規設備的兼容問題。

過程層中主要是電子式互感器、智能斷路器與常規互感器、斷路器之間的兼容。間隔中全部都是常規設備，則可以考慮采用硬接線聯結方式實現保護裝置、監控單元與常規互感器和常規斷路器的信息交互；間隔采用非常規互感器，常規斷路器，則使用合并單元接入非常規互感器，常規斷路器仍采用點對點硬接線聯結方式；間隔都采用常規設備，但是使用了過程總線，則可以使用合并單元將常規互感器采樣值以多播方式發布到過程總線，常規斷路器則通過基于IEC 61850標準的開關控制器接入過程總線。

間隔層IED如果符合IEC 61850標準的可以直接連接到站級總線，對于不符合該標準的常規IED則需要通過虛擬設備服務器（規約轉換器）接到站級總線。

5 繼電保護測試方法進行探討

傳統繼電保護測試方法是調試人員采用了一臺昂立或一臺博電繼保測試儀等三相校驗設備對保護動作邏輯、特性和其他相關進行校驗，然后進行帶開關傳動和信號核對。對每臺保護裝置，調試人員都是先做安全措施、試驗接線，再根據定值手工計算故障量的大小，試驗儀不能自動讀取保護定值并計算故障量。基于IEC-61850標準的繼電保護測試方法進行探討應該有很大區別：

5.1 安全措施

傳統的電流、電壓、跳閘等電纜的安全措施已不存在，現在只要拔下相應的影響其他運行設備的網線即可，大大節省了時間和安全風險。

5.2 校驗設備

校驗設備將與傳統的完全不同，傳統的校驗設備要進行模擬量（電流、電壓、開關量）輸出，新設備完全是數字輸出，可以模擬任何故障，不存在過壓、過載、畦變和輸入輸出延時等問題，精度上要遠遠高于傳統交流量。而且它也可作模擬任何一次設備，送出相當于合并單元輸出的數字化模擬量信息給繼電保護。

5.3 方法

傳統的接線方式將會被網線所取代用于提供各種數字式模擬量、開關量和發送/接收GOOSE消息。利用接收到GOOSE消息，實現如南瑞HELP一樣全自動校驗，甚至可以自動生成試驗報告，真正做到“一鍵式”校驗。一臺保護測試儀通過HUB和多臺被測保護（可以是不同廠家），如500kV、220kV等雙重保護、35kV、10kV在同一段母線上保護連接。在進行保護校驗的同時可以進行信號核對，這樣大大節省接線和校驗時間。

6 結束語

未來的電力網絡系統需要新的信息架構支持,將監控、保護和就地自動化等前后臺信息連接成為一個整體,以保證電力系統安全和高效地管理。IEC61850標準為開放式數字化變電站自動化系統平臺的建立提供了通信依據。IEC61850采用面向對象的建模方法和抽象、分層映射的技術,通過規范系統和項目管理及一致性測試等途徑保證其目標的實現。它不僅適用于變電站自動化內部網絡通信,也適用于配電自動化、電能計量系統、發電廠自動化系統、風力發電及其他工業自動化領域。因此，在工程實施過程中應根據具體情況逐步推進數字化變電站的建設深度。

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