IEC 61850在高壓直流輸電系統中的應用

景乾明 ，薛海平 ，曹衛國 ，葉 周

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106)

隨著國民經濟和電力工業的高速發展，電網正面臨著空前的發展局面，而直流輸電在電網發展中占有非常重要的位置。直流輸電電壓等級和輸電容量的不斷擴大，使得實時信息傳送量成倍增多，對直流輸電系統的數據通信提出了更高的要求。傳輸規約和傳輸網絡的標準化，是實現可靠快速通信的保證[1]。

考慮到通信技術發展很快，即使最新制訂出的通信標準也不一定能代表出版時的最新技術[2]。為此，IEC 61850基于電力系統的服務和對象定義了獨立于具體通信技術的抽象通信服務接口（ACSI），并為不同的應用制定不同通信服務映射（SCSM）。將IEC 61850的應用推廣至直流輸電系統中，可以解決專用或自定義通信協議帶來的設備接入困難和信息共享困難等問題，更可提高換流站的數字化水平，促進自動化技術的發展，實現設備互操作性。

1 直流輸電系統的通信要求

直流控制保護信號具有信息量大、采樣復雜、相互配合多等特點，因此對系統通信提出了可靠、安全、準確、快速、冗余的要求。無論是通信線路還是通信接口都應充分滿足直流系統運行的要求，而直流控制系統應滿足在通信故障情況下和無通信情況下直流系統仍能繼續運行。

（1）實時性。實時性是直流輸電系統首先考慮的問題。對系統的數據傳送都有嚴格的實時性指標。要求數據通信網絡能及時地傳輸現場的實時運行信息和操作控制信息。直流輸電控制系統響應時間應小于等于10 ms，因此，通信模塊必須能夠保證數據通信的實時性。

（2）準確性。由于直流輸電系統是連續運行的，數據通信網絡必須連續、可靠地運行，通信網絡的準確性會影響整個輸電系統的運行。

（3）冗余性。為了保證直流輸電系統的安全性和可靠性，直流控制系統對設備層和通信層都進行了冗余配置。網絡冗余是提高網絡容錯能力的主要手段[3]，要求通信模塊能夠自動檢測和判別網絡故障，并及時、快速地進行自動切換。

2 IEC 61850在直流輸電系統中的應用

為了保證IEC 61850在直流輸電系統中的應用和推廣，在進行IEC 61850的設計與開發中應注意以下幾點：

（1）遵循IEC 61850標準的各項規范；

（2）對整個直流輸電系統的體系、功能、技術等方面作出審視和規范；

（3）對IEC 61850的各項規范進行適當裁剪和擴展，符合直流輸電系統。

（4）IEC 61850對直流輸電系統中的數據對象進行統一建模。

2.1 基于IEC 61850的裝置建模方法

為了滿足數據通信的要求，IEC 61850提供了建立通信數據模型的方法。在天廣直流改造工程中，基于直流輸電系統的特點，將換流站內的每一臺直流主機（即直流控制保護裝置），例如直流站控DCC、極控PCP、極保護PPR、交流站控ACC等，作為一個整體建模。每個實際裝置就是一個智能電子設備（IED），直流應用中的每一種獨立功能可定義為一個邏輯節點實例，根據直流主機的功能實現和分布，通常一個IED由若干個邏輯節點實例構成。每一個IED均由服務器和應用組成，服務器（Server）可分層為邏輯裝置（LogicalDevice），邏輯節點（LogicalNode），數據對象（DataObject），數據屬性（DataAttributes）[4]。服務器（即IED的通信接口）通過訪問點接入至通信網絡，功能類似的邏輯節點實例與服務構成了邏輯裝置，直流主機的信號信息存儲在邏輯節點實例下的數據對象中。

以天廣直流改造工程中的交流站控裝置為例，該設備由2個邏輯裝置組成，可通過訪問點訪問服務器下的這些功能和數據。如圖1所示?；谥绷鬏旊娤到y的特點和重要性，交流站控主機進行了完全雙重化配置，所以圖1中的IED1和IED2是完全冗余的、互為主備的2個裝置，它們的信息模型是完全一致的。

圖1 天廣直流改造工程的某交流站控IED信息模型

圖1中給出了由高壓設備斷路器CB、隔離刀閘DS、接地刀閘ES和電流互感器（TA）組成的交流場的某個間隔。交流站控設備IED1和IED2分別采集一次設備的相關狀態信息。由于IED1和IED2的信息模型是完全一致的，現以IED1為例進行信息模型的說明。

IED1是由2個邏輯裝置DSP和MAINCPU組成。邏輯裝置DSP主要是進行模擬量的采集、計算和相關邏輯處理。DSP包含3個邏輯節點，分別為MACM，ESUP，SSPS。MACM為模擬量采集和計算功能塊，采集一次設備的測量量并進行計算處理；ESUP和SSPS為邏輯處理功能塊，將計算后的測量量進行邏輯處理，產生相應的事件信息。邏輯裝置MAINCPU主要是進行狀態量的采集、計算和相關邏輯處理。MAINCPU包含10個邏輯節點，分別為ESUP，CSUP，XACB，EACB，XADS，EADS，XAES，EAES，QAYC，CSWL。ESUP 為系統監視功能塊，監視系統的故障狀態 （設備運行情況）；CSUP為系統控制功能塊，進行故障狀態的邏輯切換處理；XACB為交流場開關狀態監視功能塊，采集斷路器的狀態并進行處理；EACB為交流場開關控制功能塊，對斷路器進行控制操作；XADS為交流場刀閘狀態監視功能塊，采集隔離刀閘的狀態并進行處理；EADS為交流場刀閘控制功能塊，對隔離刀閘進行控制操作；XADS為交流場地刀狀態監視功能塊，采集接地刀閘的狀態并進行處理；EADS為交流場地刀控制功能塊，對接地刀閘進行控制操作；QAYC為系統間通訊監視功能塊，監視冗余設備間的通訊狀態；CSWL為設備狀態切換功能塊，進行冗余設備的運行狀態邏輯切換處理。

IED與一次設備之間的連接由虛線表示，如圖1所示。單箭頭實線為各邏輯節點之間的邏輯連接，表明相連的邏輯節點之間有信息交換，雙箭頭實線給出了IED1和 IED2之間的物理連接，IED1和IED2通過LAN連接，實現信息的交互和監視。

2.2 基于IEC 61850的通信冗余處理方法

在直流輸電系統中，為了確保系統運行的安全性和可靠性，站控層進行了冗余配置。早期的直流輸電系統，其通信冗余處理采用單環網的通信網絡拓撲結構，TCP/IP協議使用了虛擬網絡鏡像 （虛擬IP地址）技術，2個不同的物理網絡使用單一IP地址，而采用的通信規約為60870-5-103或104規約。

隨著計算機技術和通信技術的發展，特別是工業以太網技術的發展，基于IEC 61850的雙星形網絡將會成為通信冗余實施方案的主流。雙星形網絡使用獨立子網IP地址進行通信。雙星形獨立子網的通信冗余的具體實現是：IED之間使用雙星形網絡進行連接，IED雙網口使用不同的子網IP地址分別接入對應的MMS（Manufacturing Message Specification）通信網絡，IED（服務器）提供MMS服務，監控系統（客戶端）的雙網口也分別連接在對應的MMS通信網絡，客戶端享有服務器的服務。天廣直流改造工程中的IED與監控系統間的通信層正是按照雙星形網絡進行組建的，如圖2所示。圖2的下半部分為IED，服務器和工作站屬于監控系統。

在這種通信冗余結構中，天廣直流改造工程采用了雙網熱備用模式進行通信冗余處理。在雙網熱備用模式下，雙網綁定同一報告實例，監控系統和IED之間的A網正常發送報告和MMS請求應答服務，B網只保持連接。當A網發生故障時，IED通過TCP_KEEPALIVE參數判斷網絡連接狀態，置對應的報告控制塊實例的使能標志為FALSE，監控系統發送心跳報文等手段也判斷出A網故障并且IED的報告控制塊實例的使能標志為FALSE，監控系統置同一個報告控制塊實例的使能標志為TRUE，利用BRCB的緩沖功能在B網發送報告，可以實現重要信息無丟失的網絡切換。但是，在單網絡發生故障時，判斷網絡的故障需要一定周期，此時如果發生電力系統故障，不能及時上送報告給監控系統，不能做到無縫切換。

圖2 天廣直流改造工程的站LAN網絡結構示意圖

基于雙網實現的規范、客戶端的特殊處理、裝置實現的難易等因素，MMS雙網冗余機制建議采用雙網熱備用模式，同時雙網熱備用方案需要進一步優化。

3 結束語

本文結合天廣直流改造工程，重點從裝置建模和站控層通信冗余處理兩個方面闡述了IEC 61850在直流輸電系統中的應用。目前，IEC 61850已成功應用于天廣直流改造工程，其穩定性和可靠性都得到了很好的工程檢驗。IEC 61850對于現在和將來直流輸電系統的數字化化技術發展方向都將產生重大的影響,因此有必要繼續對它進行深入分析和研究，同時需要進一步將IEC 61850在直流輸電系統中的應用進行標準化、規范化。

[1]茹 鋒，夏成軍，許 揚.IEC 61850標準在變電站自動化系統中的應用探討[J].江蘇電機工程，2004，23(3)：8-12.

[2]徐禮葆，劉寶志，郝燕麗.開放式數字化變電站自動化系統的討論[J]. 繼電器，2004，32(6)：40-43.

[3]竇曉波，胡敏強，吳在軍，等.數字化變電站通信網絡的組建與冗余方案[J].電力自動化設備，2008，28(1)：38-42.

[4]張 結，盧德宏.IEC 61850的語義空間研究[J].電力系統自動化，2004，28(11)：45-48.