基于IEC 61850標準的數字化牽引變電所的應用

董安平

0 前言

牽引供電系統是電氣化鐵道的重要組成部分，其自動化技術的發展程度是提高牽引供電可靠性及供電質量的關鍵之一。傳統牽引變電所的一、二次設備種類繁多，接口標準各異，各地域間技術裝備水平存在差異。目前，IEC 61850標準的推出為變電所的進一步技術變革指明了方向。IEC 61850標準是IEC TC57提出的關于未來變電所自動化系統的通信體系標準[1]。在該標準中，將變電所設備依據所處地位劃分為變電所層、間隔層和過程層3個層次，并將以太網通信引入過程層，整體描繪出未來變電所從一次設備（主變壓器、開關等）向上到整個變電所全面數字化的美好藍圖。基于 IEC 61850標準的數字化牽引變電所將徹底取消一、二次設備間大量的電纜接線，光纜取代了電纜，數字代替了模擬，將大幅度簡化各類裝置結構，依托更好的信息化和自動化實現進一步的減人增效，預計數字化牽引變電所將成為未來鐵路發展的趨勢。

本文介紹了 IEC 61850標準的主要內容和特點，并結合目前牽引變電所現狀，分析了采用IEC 61850標準進行數字化牽引變電所設計中需要解決的問題。

1 IEC 61850標準的內容與特點

1.1 IEC 61850標準的內容

IEC 61850標準是由國際電工委員會第57技術委員會（IEC TC57）制定的一系列國際標準（國內相應的電力行業標準為DL/T860）[2]。就概念而言，IEC 61850標準主要圍繞以下4個方面展開：

（1）功能建模。從變電所自動化通信系統的通信性能（PICOM）要求出發，定義了變電所自動化系統的功能模型。

（2）數據建模。采用面向對象的方法，定義了基于客戶/服務器結構的數據模型。

（3）通信協議。定義了數據訪問機制（通信服務）和向通信協議棧的映射，如在變電所層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到MMS（IEC 61850-8-1）。在間隔層和過程層之間的網絡映射成串行單向多點或點對點傳輸網絡（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3標準的過程總線（IEC 61850-9-2）。

（4）變電所自動化系統工程和一致性測試。定義了基于XML（Extensible Makeup Language）的結構化語言，描述變電所和自動化系統的拓撲以及IED結構化數據。為了驗證互操作性，參考文獻[2]描述了IEC 61850標準一致性測試。

1.2 IEC 61850標準的特點

IEC 61850標準的主要特點有以下幾個方面：

（1）采用分層、分布的通訊體系。IEC 61850標準根據功能分類的不同提出了變電所信息分層概念，即變電所層、間隔層、過程層3層通信網絡結構模型。變電所層負責人機接口、報警和事件處理等功能；間隔層負責控制、自動保護、計量、記錄等功能；過程層由智能傳感器、控制電路等二次智能設備組成，獲取一次設備信號，反映一次設備的狀態和信號，并接收間隔層的命令對一次設備進行操作。它將由一次設備構成的過程層納入了統一的結構中，這是基于一次設備的智能化和網絡化發展的結構。

（2）使用面向對象建模技術。IEC 61850標準采用面向對象建模思想，將變電所自動化系統中通信系統及相關設備的功能分解為邏輯節點，并將其作為對象進行建模。每個智能電子設備（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。就通信而言，IED同時也扮演客戶的角色。任何一個客戶都可利用抽象通信服務接口（ACSI）通過服務器訪問數據對象。

（3）提供自我描述的數據對象及其服務。IEC 61850-6標準中定義了變電所配置語言SCL，該語言用于描述IED的配置和通信系統配置。在應用層上，也可描述開關間隔拓撲本身以及配置在 IED上的變電所自動化功能，即邏輯節點的關系。SCL允許將 IED配置的描述傳給通信和應用系統管理工具，也可以某種兼容的方式將整個系統的配置描述傳遞給IED的配置工具。SCL的主要作用就是使得通信系統配置語言可在制造商提供的 IED裝置和系統配置工具之間進行相互交換。

（4）使用 ACSI和 SCSM 技術。IEC 61850標準歸納出變電所自動化系統所必須的信息傳輸服務，并對其進行模塊化，設計出抽象通信服務接口 ACSI，使得抽象建模與具體的網絡應用層協議獨立，即與采用的網絡類型無關。考慮到各種各樣的通信體系的建立，IEC 61850標準引入了特殊通信服務映射SCSM，SCSM將抽象通信服務接口定義的服務、對象和參數映射到應用層，適用于多種傳送協議。采用該映射模型可以使數據對象和ACSI服務有很大的靈活性，它的改變不受七層協議棧的影響。當變電所使用不同的網絡類型只需要更改相應的特定通信服務映射SCSM。

2 IEC 61850標準在牽引供電系統的應用

2.1 牽引變電所自動化系統現狀

國內鐵路牽引供電系統廣泛采用的變電所自動化系統是在2000年左右成型的微機型綜合自動化系統。目前的綜合自動化系統存在以下幾個主要問題：

（1）使用大量的控制電纜，提高了系統建設成本，增加了運行風險。

（2）間隔層設備之間不能共享信息，造成硬件設備重復配置，提高了系統的復雜性和建設成本。

（3）不同廠家的設備不能直接互換，系統開放性、可擴展性和可維護性較差。

（4）目前牽引供電系統的遠動系統大多采用IEC 60870-5-104規約作為控制站和被控站之間的通信規約。由于沒有對各種實際對象進行建模和描述，各個廠商按照各自不同的理解進行設計，使得不同系統之間互操作性比較差。

2.2 采用IEC 61850標準需要解決的問題

2.2.1 電子式互感器的應用

傳統電磁式互感器存在磁滯飽和問題，并且電纜連接方式存在抗干擾性差、精確度低等缺點，而數字化電子式互感器在低壓部分通過光纖輸出數字信號提供給二次設備，具有抗電磁干擾能力強、頻率響應范圍寬等優點，是互感器的發展方向。提高電子式互感器的可靠性對數字化變電所技術的推廣具有決定性作用。對于低電壓等級，目前電子式互感器的技術優勢不明顯，而且各個間隔間的電流和電壓信號基本上不需要在多個間隔層設備之間共享，因此不必對電流和電壓信息進行數字化處理后再以IEC 61850（或者IEC 60044-8）標準進行傳輸。對于低電壓等級，可以仍采用常規互感器，或者采用低功率輸出的新型互感器并與就地安裝的間隔層設備相配合，間隔層設備采用數字化接口支持IEC 61850標準。

2.2.2 智能化一次設備

數字化牽引變電所內的智能化一次設備主要包括數字化開關和變壓器等，其信號回路和操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字信號和光纖代替。當前，智能化一次設備還處于實驗室研究和理論論證階段，國內外均沒有成熟產品應用的報道。考慮到鐵路牽引供電系統原有傳統一次設備的改造難度，通過在互感器和開關上加裝智能采集終端及智能控制終端裝置，實現模擬量數字化傳輸和開關、刀閘的數字化操作。其中，智能終端裝置針對單個電流互感器、電壓互感器或斷路器設計，由智能采集裝置根據系統同步脈沖完成模數轉換，并將數據通過光纖送至合并單元，合并單元通過高速光纖再將時標一致的電壓和電流數據轉發給各保護測控單元。

2.2.3 系統的網絡選型

間隔層設備安裝在開關柜上，仍采用電纜傳輸模擬信號的方式實現與互感器和開關的信息交換。為避免不同特點的數據相互之間的影響，系統可采用監控層網絡、過程層網絡和模擬數據傳送網絡三網分離策略。監控層網絡數據的特點是突發性強、數據量大，傳送實時性要求不高；過程層網絡數據的特點是數據量不大，具有突發性，傳輸要求可靠性高、實時性強；模擬數據傳送網絡數據的特點是數據量特別大，呈周期性，傳輸的要求是實時性、穩定性、可靠性都要非常高，延時需要確定。三網相互獨立，分工明確，確保整個牽引變電所系統的安全和穩定。

2.2.4 既有變電所改造過渡策略

隨著數字化變電所新技術的積極研究并逐步推廣應用，IEC 61850標準將得到廣泛應用，傳統的既有變電所將需要進行過渡改造以支持 IEC 61850標準。但對于低壓既有變電所如果完全改造成采用電子式互感器，可能導致成本高昂，在變電所升級的過程中，變電所一般從經濟利益的角度出發首先改造二次設備，采取更為先進的技術與通信方式，而對一次主設備仍沿用傳統的老方式。因此，只建議低壓所高壓側部分采取電子式互感器。而傳統變電所今后應該更側重于改造變電所層和間隔層的通信方式。最簡單的方式是一次性更換全部的舊二次設備，但經濟成本更大，或是在變電所層與間隔層分別采用通信規約轉換器逐步轉成支持IEC 61850標準。

今后，在很長一段時期內 IEC 61850標準與IEC60870標準等舊協議都還將并存，因此，如何從現在的IEC 60870-5過渡到IEC 61850標準是一個值得考慮的問題[3]，要實現IEC 60870-5標準與IEC 61850標準的網關，主要需要實現以下3個步驟：（1）實現IEC 60870-5-101服務到IEC 61850-7-2服務映射。（2）實現IEC60870-5-101中的ASDU類型元素到IEC 61850-7-3數據類映射。（3）實現IEC60870-5的數據模型到IEC 61850-7-4邏輯節點的映射。

3 結語

數字化變電所是變電所自動化技術的發展方向，推廣采用IEC 61850標準勢在必行。但是實施IEC 61850標準技術難度較大，它將是一個漸進的過程。本文僅是淺顯地探討在牽引變電所數字化設計中需要解決的問題，相信在不久的將來，數字化牽引變電所能在工程中逐步實現，從而在鐵路牽引供電系統中發揮重要的作用。

[1]譚文恕.遠動的無縫通信系統體系結構[J].電網技術，2001，25.

[2]IEC61850: Communication Networks and Systems in Substation[S].Part l-Part 10, 2002.

[3]朱炳銓，任雁銘，姜建寧.變電所自動化系統實現IEC 61850的過渡期策略[J].電力系統自動化，2005，29（23）：54-57.