基于IEC61850標準的智能變電站自動化系統(tǒng)實施問題分析

喻 亮

（廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧530022）

0 引言

當(dāng)前變電站自動化設(shè)計面臨的主要挑戰(zhàn)在于有效實現(xiàn)站內(nèi)不同廠家設(shè)備之間的互操作性。但是，目前幾乎所有廠家都還在使用自己的專有通信協(xié)議，其投資巨大，協(xié)議轉(zhuǎn)換復(fù)雜。為了解決這些問題，IEC TC57工作組在2003年出版了IEC61850標準《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》。IEC61850標準不僅定義了如何通信，還明確了其通信內(nèi)容，以標準定義的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和通用配置語言來實現(xiàn)不同智能設(shè)備間的互操作性。不過，實現(xiàn)基于IEC61850標準的變電站自動化系統(tǒng)還需要解決一些目前懸而未決的問題。

1 采用IEC61850標準的變電站自動化系統(tǒng)

1.1 IEC61850通信系統(tǒng)的特點

1.1.1 IEC61850標準的功能層次結(jié)構(gòu)和接口

IEC61850標準智能變電站從功能結(jié)構(gòu)上分3個層次：（1）過程層，包括開關(guān)場設(shè)備，如CT／PT、遠程I／O、開關(guān)設(shè)備等。（2）間隔層，主要包括不同間隔的保護和控制設(shè)備。（3）站控層，從各個間隔采集數(shù)據(jù)的功能在站控層實現(xiàn)。

接口：（1）過程層網(wǎng)絡(luò)：有利于保護和控制設(shè)備與過程層之間的時間要求嚴格的通信，如采樣值、二進制狀態(tài)信號或二進制控制信號。（2）站控層網(wǎng)絡(luò)：有利于站控層和間隔層之間的通信，且能實現(xiàn)不同間隔之間的通信。

1.1.2 IEC61850標準的數(shù)據(jù)定義

IEC61850標準將智能變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸分為3種，即監(jiān)控報文（MMS）、采樣值報文（SV）和狀態(tài)報文（GOOSE）。MMS報文不用快速傳輸，一般用來實現(xiàn)保護、測控等裝置與監(jiān)控系統(tǒng)間的信息交互；SV報文須快速傳輸，主要用于保護、測控、錄波和計量等裝置所需的采樣值信號，如電流、電壓等；GOOSE報文也須快速傳輸，用于傳遞開關(guān)量信號，如開入量狀態(tài)信號、跳合閘信號等。

1.1.3 過程層合并單元

為了降低開關(guān)場和主控室之間的電纜成本，IEC61850－9建議采用過程層數(shù)字通信方式，即過程層網(wǎng)絡(luò)。過程層的合并單元是其中的一個關(guān)鍵因素。合并單元采集開關(guān)場內(nèi)的各類信息，如電流、電壓等。所有這些模擬量被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并合并到一個標準格式的數(shù)據(jù)包。這個數(shù)據(jù)包從過程層以太網(wǎng)被發(fā)送到間隔層內(nèi)各相應(yīng)的保護及測控裝置。

1.2 IEC61850標準的主要優(yōu)點

IEC61850標準在實施上主要有如下優(yōu)點：（1）互操作性。不同供應(yīng)商可以把完整的功能集成在1個或2個IED內(nèi)。（2）免費配置。所有變電站保護和控制功能都可以集成在間隔層IED內(nèi)。（3）結(jié)構(gòu)簡單。點對點電纜接線減少，改為結(jié)構(gòu)及連線更簡單明了的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，該結(jié)構(gòu)提高了通信網(wǎng)絡(luò)的實時性。（4）整體成本的節(jié)約。過程層的高速數(shù)字通信取代了傳統(tǒng)意義的電纜布線，可以為變電站綜合自動化系統(tǒng)節(jié)省大量的時間和成本。

2 基于IEC61850標準的變電站自動化系統(tǒng)實施問題

2.1 過程層網(wǎng)絡(luò)問題

過程層網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)所面臨的主要挑戰(zhàn)是我們目前沒有足夠的實踐經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)來指導(dǎo)過程層網(wǎng)絡(luò)的工作。此外，由于過程層網(wǎng)絡(luò)必須完成實時信息的處理，如GOOSE報文和原始數(shù)據(jù)包等。因此，變電站內(nèi)絕大部分保護及控制功能的實現(xiàn)依賴于過程層網(wǎng)絡(luò)的性能。其中涉及過程層網(wǎng)絡(luò)通信的主要問題可以分為：（1）過程層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的問題。決定以太網(wǎng)性能和特點的關(guān)鍵技術(shù)之一是局域網(wǎng)（LAN）的拓撲結(jié)構(gòu)。總線型拓撲結(jié)構(gòu)對于交換機數(shù)量的要求可以滿足IEC61850標準，但是其所能達到的時間延遲卻不能滿足IEC61850標準對可靠性的要求；環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)比總線型方式覆蓋距離更遠，處理故障也更容易，可同樣不能達到IEC61850所要求的時間延遲。而星型拓撲結(jié)構(gòu)的消息傳輸延時能力符合IEC61850標準的要求，卻很容易受到站內(nèi)環(huán)境與電磁干擾的影響。目前，根據(jù)國內(nèi)已有經(jīng)驗，站控層網(wǎng)絡(luò)采用雙星型拓撲結(jié)構(gòu)，冗余網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)雙工方式運行，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無縫切換。站控層網(wǎng)絡(luò)采用MMS、GOOSE、SNTP時間同步三網(wǎng)合一、共網(wǎng)運行，過程層網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)100 M以太網(wǎng)。（2）通信網(wǎng)絡(luò)的性能問題。過程層網(wǎng)絡(luò)負責(zé)傳輸開關(guān)場內(nèi)各狀態(tài)量、控制量及采樣值，其通信網(wǎng)絡(luò)的性能主要取決于實時信息傳輸?shù)难舆t。IEC61850標準明確了信息傳輸延時的要求，為此，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該配置具有優(yōu)先級標記功能的以太網(wǎng)交換機和IED。但是，在過程層中采用這種昂貴且可靠性不高的以太網(wǎng)交換機，必須考慮成本—效益的關(guān)系問題。（3）時間同步問題。開關(guān)場內(nèi)采樣值的數(shù)字化輸出及時間同步性是當(dāng)前智能變電站亟待解決的重要問題之一。在變電站內(nèi)各裝置之間的時間同步問題一直存在，而智能變電站過程層內(nèi)合并單元需要采集同一個時間點上多個互感器的信號，對站內(nèi)時間同步提出了更高的要求。IEC61850建議采用簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）來實現(xiàn)局域網(wǎng)的時間同步。然而，SNTP只能提供1 ms的精度，不滿足采樣信號的要求。而采用基于IEEE1588的IRIG－B同步信號，需要一個外部的時間同步源，采樣值的精度取決于時間同步源的可靠性和質(zhì)量。我們必須從實用性、準確性及復(fù)雜性來綜合考慮站內(nèi)時間同步系統(tǒng)。（4）抗電磁干擾能力。變電站經(jīng)常遭受各種電磁干擾，一般工業(yè)抗電磁干擾度不滿足變電站的要求。IEC61850－3中規(guī)定了EMI抗擾性要求。所有的變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備必須符合這些EMI抗擾度標準，尤其是過程層設(shè)備。（5）環(huán)境要求。一般情況下，智能變電站過程層通信設(shè)備安裝于戶外屏柜內(nèi)，因此，室外安裝的通信裝置要滿足IEC61850對設(shè)備的環(huán)境要求，如溫度、濕度、氣壓、機械性能、地震、污染和腐蝕等。

2.2 站控層問題

（1）通信網(wǎng)絡(luò)問題。站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間在站控層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，而間隔層內(nèi)各設(shè)備也在站控層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信。站控層內(nèi)保護和控制的實時信息，如斷路器故障跳閘、母線差動保護跳閘等，將通過站控層網(wǎng)絡(luò)來傳輸。因此，對站控層的實時信息傳輸?shù)脑u估是必須的。（2）變電站與遠程控制中心的通信。站控層變電站設(shè)備和遠程控制中心之間的控制數(shù)據(jù)交換是屬于IEC61850標準范圍之外的內(nèi)容。然而，IEC61850還是有部分內(nèi)容專門討論變電站之間及變電站與遠程控制中心的通信問題。

2.3 變電站自動化系統(tǒng)功能問題

（1）變電站自動化系統(tǒng)構(gòu)架問題。目前，變電站內(nèi)保護和控制系統(tǒng)的每個功能區(qū)域都由一個單獨的模塊控制，由某一個廠商做維護。而IEC61850標準將各種功能分布到每個功能區(qū)域的幾個模塊內(nèi)。這種新結(jié)構(gòu)使得各類設(shè)備來自不同的供貨商，他們有自己的硬件模塊，這可能會影響系統(tǒng)的性能。即便所有廠商遵守IEC61850標準，這個問題仍然可能存在。（2）可靠性和冗余性問題。按照IEC61850－3可靠性的要求，某一點的故障不能引起變電站系統(tǒng)的癱瘓。但是，IEC61850對系統(tǒng)的冗余性卻不做要求。在實際應(yīng)用中，設(shè)計人員要充分考慮系統(tǒng)的可靠性及冗余性。（3）可維護性問題。智能變電站系統(tǒng)的可維護性將轉(zhuǎn)向IED的內(nèi)部運行上，這使廠家在可維護性問題上將承擔(dān)更大的責(zé)任。（4）數(shù)據(jù)完整性問題。當(dāng)出現(xiàn)傳輸和程序錯誤、傳輸延時改變、設(shè)備故障等設(shè)備問題時，變電站通信系統(tǒng)應(yīng)提供可靠的數(shù)據(jù)。這不僅要求時間上要同步，同時也會增加成本，影響系統(tǒng)的可靠性。另外，在變電站自動化系統(tǒng)中，還需更好地解決數(shù)據(jù)安全以及版本升級中存在的問題。在規(guī)劃階段，必須考慮變電站自動化系統(tǒng)方案的復(fù)雜性及成本問題、功能分配問題、系統(tǒng)擴建的規(guī)劃問題以及對變電站運行人員通信技術(shù)的培訓(xùn)問題等。

3 結(jié)語

IEC61850標準可以有效實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通，且配置自由，節(jié)約成本，已被國內(nèi)外各大公司接受。然而，為了實現(xiàn)這些優(yōu)勢，我們必須解決實際應(yīng)用中所面臨的各類挑戰(zhàn)。本文從各方面對主要實施問題進行分析討論，旨在為智能變電站內(nèi)IEC61850標準的工程實施提供參考。

［1］梁國堅，段新輝，高新華.數(shù)字化變電站過程層組網(wǎng)方案［J］.電力自動化設(shè)備，2011（2）

［2］Q／GDW383—2009 智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［S］