IEC61850標準在220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站的應(yīng)用

吳 薇，馮劍波

（中山市電力工程有限公司，廣東 中山528400）

1 數(shù)字化變電站系統(tǒng)概述

數(shù)字化變電站是變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向，是一個不斷發(fā)展的過程，就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是由電子式互感器、智能化開關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。

IEC61850是新一代的變電站自動化系統(tǒng)的國際標準，它采用了面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ?guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征，并且定義了通用配置語言。同傳統(tǒng)的IEC60870－5－103標準相比，它不僅僅是一個單純的通信規(guī)約，而是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標準，它指導(dǎo)了變電站自動化的設(shè)計、開發(fā)、工程、維護等各個領(lǐng)域。該標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模，采用獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強了設(shè)備之間的互操作性，可以在不同廠家的設(shè)備之間實現(xiàn)無縫連接。智能化一次設(shè)備和數(shù)字式變電站要求變電站自動化采用IEC61850標準。IEC61850是迄今最為完善的變電站自動化標準，它不僅規(guī)范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式CT、PT、智能式開關(guān)等一次設(shè)備的模型和通信接口。采用IEC61850國際標準可以大大提高變電站自動化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運行水平，節(jié)約開發(fā)驗收維護的人力物力，實現(xiàn)完全的互操作。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

IEC61850標準（IEC61850－5）定義了變電站的通信接口，成為了數(shù)字化變電站系統(tǒng)構(gòu)成的重要依據(jù)。目前國內(nèi)一般將變電站自動化系統(tǒng)分為三層，分別是站控層、間隔層、過程層，智能化、數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)延伸到一次設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)模型

IEC61850標準建模思想最重要的特點是層次化、組件化和全面性。

（1）層次化、組件化的建模：整個廠站電氣自動化系統(tǒng)是由一組自動化裝置組成的，自動化裝置各自完成一定的功能，同時又相互協(xié)作，完成分布過程自動化功能。IEC61850標準規(guī)定一臺變電站自動化裝置內(nèi)的信息抽象分成如下邏輯層次：服務(wù)器（Server）、邏輯設(shè)備（LogicDevice或簡稱LD）、邏輯節(jié)點（LogicNode或簡稱LN）以及數(shù)據(jù)（DATA）與數(shù)據(jù)屬性（DATAAttr）。這也就構(gòu)成了IEC61850標準的基本的信息模型及通信服務(wù)模型。為了滿足變電站自動化功能對通信機制的某些特定需要，還進一步定義了各種信息交換服務(wù)。這種分層關(guān)系也可以用統(tǒng)一建模語言UML（Unified Modeling Language）的類圖來表示，如圖1所示。圖中同時標出了每層邏輯對象的主要“方法”（method）。變電站自動化系統(tǒng)是由自動化裝置、一次設(shè)備等各種物理設(shè)備組成的物理系統(tǒng)。從另一個角度，變電站自動化系統(tǒng)又可以用服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象等分層對象組成的邏輯系統(tǒng)來描述。物理系統(tǒng)中的自動化裝置和邏輯系統(tǒng)中的服務(wù)器之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。

（2）全面性的建模：IEC61850標準中變電站自動系統(tǒng)的邏輯接口定義為：①間隔層和變電站層之間保護數(shù)據(jù)接口；②間隔層與遠方保護之間保護數(shù)據(jù)接口；③間隔層裝置內(nèi)數(shù)據(jù)接口；④過程層（如光電互感器）和間隔層之間瞬時數(shù)據(jù)（尤其是采樣數(shù)據(jù)）接口；⑤過程層和間隔層之間控制數(shù)據(jù)接口；⑥間隔和變電站層之間控制數(shù)據(jù)接口；⑦變電站層與遠方工程師站之間數(shù)據(jù)接口；⑧間隔之間數(shù)據(jù)接口；⑨變電站層內(nèi)數(shù)據(jù)接口。從邏輯接口的定義可以看出，IEC61850標準是整個變電站電氣系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換，包括功能之間可能的數(shù)據(jù)交換，而不只是裝置間的通信。因此IEC61850所建立的模型涵蓋整個變電站電氣自動化系統(tǒng)運行全過程的數(shù)據(jù)和功能。定義了約90個邏輯節(jié)點，覆蓋了變電站內(nèi)的各種類型的保護、測控和其它自動化功能。

由此可見，在數(shù)字化變電站的設(shè)計和實現(xiàn)中不應(yīng)僅僅從通信層面應(yīng)用IEC61850，而應(yīng)切實從提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性、互操作性、經(jīng)濟性等角度應(yīng)用IEC61850。

圖1 IEC61850中變電站電氣自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

1.3 對時方式

目前國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)的對時方式多采用硬接點對時、IRIG－B對時、串口通信對時、網(wǎng)絡(luò)對時等方式。前兩種方式的對時誤差可小于100μs，但需要額外的對時連線；后兩種對時方式無需額外的對時連線，但對時精度則低于亞毫秒級（誤差大于100μs），甚至達到毫秒級。目前，變電站系統(tǒng)通信逐步采用以太網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)對時成為變電站自動化系統(tǒng)最為經(jīng)濟方便的對時手段，但精度問題制約了網(wǎng)絡(luò)對時的應(yīng)用。在數(shù)字化變電站中系統(tǒng)對時直接影響不同間隔甚至同一間隔內(nèi)的狀態(tài)信息采集的效果，IEC61850定義了三個等級的采樣值同步精確度：T3、T4、T5。其中：T3等級的對時精度為25μs，用于配電線路保護；T4等級的對時精度為4μs，用于輸電線路保護；T5等級的對時精度為1μs，用于計量。均高于目前變電站自動化系統(tǒng)的對時精度要求。

2 基于IEC61850的RCS－9700三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三鄉(xiāng)數(shù)字化系統(tǒng)是采用南京南瑞繼保公司的RCS9700監(jiān)控系統(tǒng)、PCS900保護、PCS97XX測控、PCS997故障錄波器、PCS222智能就地裝置、RCS9698H遠動裝置、RCS9798B保信子站，該系統(tǒng)從整體上分為三層：站控層、間隔層和過程層（如圖2）。

圖2 220kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

站控層包括監(jiān)控主機、操作員工作站、維護工程師站等；RCS－9698H為遠動機，其功能是將變電站內(nèi)信息應(yīng)用于標準遠動規(guī)約和遠動通道，實現(xiàn)變電站信息向監(jiān)控中心遠傳，并實現(xiàn)監(jiān)控中心遠方控制；RCS－9798B為保護信息子站，其采集變電站內(nèi)各種保護以及故障錄波信息，并向保護信息主站傳輸。遠動機、保護信息子站與后臺系統(tǒng)之間相互獨立，互不影響。所有站控層設(shè)備均采用100 M工業(yè)以太網(wǎng)，并按照IEC61850通信規(guī)范進行系統(tǒng)建模并進行信息傳輸。

間隔層主要包括PCS－900系列保護裝置、PCS－9700系列測控裝置以及其他智能設(shè)備。間隔層設(shè)備對站控層采用以太網(wǎng)通信方式。

變電站內(nèi)還包括其他輔助設(shè)備和RCS－9794A通信裝置，其功能是將站內(nèi)不支持IEC61850的智能設(shè)備（如UPS、直流屏等）轉(zhuǎn)換成能夠按照IEC61850標準進行通信；RCS－9785系列GPS對時設(shè)備，實現(xiàn)變電站內(nèi)統(tǒng)一對時。

過程層的設(shè)備包括：將原有的110 kV及220 kV出線間隔的常規(guī)電壓抽取裝置（TYD）及常規(guī)電壓（PT）、電流互感器（CT）更換成南京新寧電氣公司生產(chǎn)的電子式電壓互感器（EVT）、電子式電流互感器（ECT）。EVT、ECT的輸出信號接至合并單元完成數(shù)據(jù)的同步和合并，同時合并單元為間隔層保護、測控、計量設(shè)備提供電流、電壓數(shù)字量；另外，通過在各間隔開關(guān)場增加一套智能就地單元的辦法，實現(xiàn)了適合本站特點的數(shù)字化改造。智能就地單元主要用于斷路器和刀閘的控制及信號量的采集。

3 220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站工程的優(yōu)勢

3.1 220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站工程的優(yōu)勢

（1）數(shù)字化改造可以大量減少變電站內(nèi)控制電纜的數(shù)量，從而節(jié)約電纜成本；

（2）數(shù)字化改造采用了比電纜具有更好電磁兼容性能的光纜，使變電站內(nèi)信號傳輸?shù)目煽啃燥@著提高；

（3）使用數(shù)字信號能大大增加傳輸?shù)膸捄托畔⒘俊３Ｒ?guī)CT、PT更換為輸出數(shù)字信號的電子式互感器，電子式互感器沒有傳統(tǒng)互感器固有的TA斷線導(dǎo)致高壓危險、TA飽和影響差動保護、CVT暫態(tài)過程影響距離保護、鐵磁諧振、絕緣油爆炸、六氟化硫泄漏等問題。同時，電子式互感器大量的節(jié)約了鐵芯、銅線等金屬材料，與同電壓等級的傳統(tǒng)互感器相比具有明顯的經(jīng)濟性，符合國家可持續(xù)性發(fā)展的目標。

3.2 三鄉(xiāng)站數(shù)字化改造過程中解決的幾大難題

（1）解決了不同廠家設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊問題。電壓、電流采集、傳輸都是由新寧公司設(shè)備實現(xiàn)，而保護、測控設(shè)備都是由南瑞繼保公司生產(chǎn)，如何實現(xiàn)兩個不同廠家設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊是這次改造中碰到的首要難題。各相電壓、電流信號的采樣如何同步，數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的延時如何處理，多路信號如何同步以及電流數(shù)字信號與模擬電流轉(zhuǎn)換數(shù)字信號后如何同步等問題在這次數(shù)字化改造過程中都得到了圓滿的解決。

（2）GOOSE網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)膯栴}。IEC61850定義了變電站的快速事件傳輸服務(wù)GOOSE。支持GOOSE的能力，也相應(yīng)地開發(fā)出了支持GOOSE的高壓保護、智能操作箱、測控等裝置。通過GOOSE的應(yīng)用可以減少保護、測控、錄波器等裝置之間的大量電纜連線，由于GOOSE可以通過通信過程不斷自檢，避免了傳統(tǒng)電纜回路故障無法發(fā)現(xiàn)的缺點，因此GOOSE可以提高變電站的可靠性，具有推廣應(yīng)用的價值。故障錄波器也是通過從GOOSE網(wǎng)絡(luò)記錄開關(guān)量信息的。

（3）IEC61850建站模型的實現(xiàn)問題。IEC61850標準是迄今為止最為完善的變電站自動化標準。提供了完善的服務(wù)功能：報告服務(wù)（事件、遙測狀態(tài)上送）；歷史記錄上送；遙控、遙調(diào)；定值讀寫服務(wù)；錄波；保護故障報告；時間同步；文件傳輸；取代服務(wù)；快速事件傳送；采樣值傳送；IEC61850和以前使用的標準不同之處還在于面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模，它以服務(wù)器模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點模型和數(shù)據(jù)對象模型建立了裝置和整個變電站的數(shù)據(jù)模型。

（4）常規(guī)變電站在不更換開關(guān)、刀閘設(shè)備的情況下實現(xiàn)數(shù)字化改造的問題。常規(guī)的開關(guān)、刀閘都是通過電纜傳輸控制信號，數(shù)字化變電站的特點是用數(shù)字網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜，報文代替過去的電壓信號。

（5）在不能全站停電的情況下實現(xiàn)了母差的改造。母差子站設(shè)計可以實現(xiàn)模擬電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，解決了將改造前的模擬電流信號和改造后數(shù)字電流信號同時接入新母差的問題，從而可以在全站不停電的條件下，逐個實現(xiàn)間隔的數(shù)字化改造。

（6）在不使用套管CT后，實現(xiàn)了主變變高、變中開關(guān)能夠代路的問題。在傳統(tǒng)的主變保護CT接線方式中，主變變高、變中開關(guān)代路時必須使用主變套管CT。在三鄉(xiāng)改造時，由于主變套管更換成ECT的難度較大，因而主變保護全部使用開關(guān)CT。通過切換定值區(qū)使保護裝置在旁路開關(guān)與主變本側(cè)開關(guān)并列時可以計算它們的CT和電流的方法，實現(xiàn)了主變變高、變中開關(guān)在不使用套管CT的情況下能夠代路。

4 結(jié)束語

綜上所述，三鄉(xiāng)站數(shù)字化改造是探索數(shù)字化變電站的首次嘗試，它實現(xiàn)了常規(guī)變電站通過改造也能實現(xiàn)數(shù)字化的夢想，是IEC61850數(shù)字化建站模型的勇敢挑戰(zhàn)。從220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站的建設(shè)和運行情況來看，應(yīng)用IEC61850標準來建立開放式數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)是今后變電站自動化發(fā)展的趨勢。由于數(shù)字化變電站剛剛起步，在建設(shè)和運行中需要自動化專業(yè)、繼電保護專業(yè)和運行人員不斷積累經(jīng)驗，解決技術(shù)方面出現(xiàn)的問題，完全將IEC61850標準貫徹到所有接入變電站設(shè)備，需要多方面的共同努力。