淺析基于IEC 61850的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：文章首先介紹智能變電站發(fā)展的背景和意義，并簡要闡述計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)，然后依照模塊化思想，設(shè)計(jì)了智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將其劃分成三層，詳細(xì)分析各層需要實(shí)現(xiàn)的功能及設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：IEC 61850；智能化；監(jiān)控系統(tǒng)；智能變電站

中圖分類號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0126-02

1 概述

隨著供電可靠性和安全性要求的提高及各種技術(shù)的推動(dòng)，智能變電站概念愈發(fā)清晰。而智能化一次設(shè)備的應(yīng)用、在線檢測(cè)方法的發(fā)展及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，促使智能變電站成為當(dāng)今電力的發(fā)展趨勢(shì)。

2 變電站監(jiān)控系統(tǒng)

變電站監(jiān)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)、通信和信息處理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變電站二次設(shè)備的各類功能，對(duì)站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視、測(cè)量的一種自動(dòng)化

系統(tǒng)。

目前，變電站監(jiān)控系統(tǒng)多采用分層分布體系結(jié)構(gòu)，以數(shù)字化和智能化為發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中作用變得更為重要。

3 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是基于網(wǎng)絡(luò)通信的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行功能特點(diǎn)定義、系統(tǒng)模型建立和系統(tǒng)層次劃分，規(guī)范其數(shù)據(jù)的命名與定義、設(shè)備的行為與特征描述、通用語言配置使各類智能設(shè)備之間的信息共享和相互操作成為一種可能。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的核心概念就是要在智能站內(nèi)建立基于IEC 61850的系統(tǒng)模型。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)按照站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的控制、監(jiān)視和保護(hù)等功能提出變電站功能按三層劃分的概念：即站控層、間隔層及過程層。其站控層的設(shè)備采用100M工業(yè)以太網(wǎng)，并按照IEC 61850規(guī)約進(jìn)行系統(tǒng)建模來實(shí)現(xiàn)信息傳輸。目前，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為變電站監(jiān)控系統(tǒng)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)體系，已成為智能變電站實(shí)現(xiàn)互操作性和無縫通信的基石。

4 智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

一次設(shè)備的智能化、二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化及數(shù)據(jù)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化是智能變電站的主要特點(diǎn)。基于上述特征，智能變電站從傳統(tǒng)硬電纜接線改變?yōu)楣饫w網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)絡(luò)連接站內(nèi)各二次設(shè)備，因此智能變電站對(duì)比常規(guī)變電站的主要區(qū)別在于二次回路的網(wǎng)絡(luò)化，這是智能變電站的核心內(nèi)容。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將智能變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸分為若干類型，主要有3類：監(jiān)控報(bào)文（MMS）、采樣值報(bào)文（SV）和狀態(tài)報(bào)文（GOOSE）。

MMS報(bào)文屬于不用快速傳輸?shù)膱?bào)文，雙向傳遞數(shù)據(jù)。SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文屬于快速傳輸?shù)膱?bào)文，單向傳遞數(shù)據(jù)。SV報(bào)文采用等間隔發(fā)送機(jī)制，一直以基于采樣頻率的固定間隔發(fā)送。GOOSE報(bào)文采用變位發(fā)送機(jī)制，正常時(shí)以最大發(fā)送間隔重復(fù)發(fā)送。

MMS報(bào)文一般用來實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)控等裝置與監(jiān)控系統(tǒng)間的信息交互；SV報(bào)文則主要用于保護(hù)、測(cè)控、錄波和計(jì)量等裝置所需的采樣值信號(hào)，如電流、電壓等；而GOOSE報(bào)文傳遞開關(guān)量信號(hào)，如開入量狀態(tài)信號(hào)、跳合閘信

號(hào)等。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將監(jiān)控系統(tǒng)分為三層，即站控層、間隔層、過程層，并約束這三類設(shè)備之間的通信服務(wù)，它主要包含通信要求、通信協(xié)議、信息模型、一致性檢測(cè)和工程管理等方面內(nèi)容，且支持各層間的通信，完全可以滿足當(dāng)前智能變電站的要求。

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

4.1.1 過程層。智能變電站的過程層是保護(hù)、測(cè)控等裝置與斷路器、互感器等設(shè)備的連接點(diǎn)，必須完成控制操作的驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行，在線檢測(cè)各運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)等

功能。

過程層需完成電氣模擬量的采集、輸入和基本狀態(tài)量的輸入輸出任務(wù)，主要為斷路器、互感器、合并單元、傳感器單元、智能輸入輸出單元等設(shè)備。其控制操作功能主要體現(xiàn)在分合斷路器、投切補(bǔ)償裝置、低頻低壓減載、調(diào)節(jié)有載變壓器的分接頭等，且要求能判別命令真?zhèn)渭昂?/p>

理性。

4.1.2 間隔層。智能變電站間隔層設(shè)備執(zhí)行一個(gè)間隔內(nèi)與過程層操作有關(guān)的任務(wù)，如完成本間隔防誤鎖、實(shí)施同期合閘及其他控制、實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的保護(hù)控制、匯總本間隔內(nèi)各類數(shù)據(jù)信息等功能，且能按優(yōu)先級(jí)別完成數(shù)據(jù)采集、控制命令及統(tǒng)計(jì)運(yùn)算等功能。間隔層設(shè)備主要為保護(hù)、測(cè)控、錄波等功能性裝置，在過程層和站控層之間發(fā)揮承上啟下的功能以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.1.3 站控層。智能變電站站控層必須完成人機(jī)接口、遠(yuǎn)方通信、后臺(tái)信息處理等任務(wù)，主要包括運(yùn)動(dòng)裝置、操作員工作站、工程師站等。變電站站控層接收調(diào)度端下達(dá)的的控制命令，由間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備去執(zhí)行；并需匯總站內(nèi)運(yùn)行信息，將各類信息以既定規(guī)約送向調(diào)度端或集控中心。站控層還須具有各類在線功能，如可編程防誤閉鎖，對(duì)間隔層及過程層設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、組態(tài)、修改參數(shù)等功能。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)為“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，由站控層、間隔層、過程層組成。采用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接。本文以220kV某變電站為例介紹智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案。

4.2.1 過程層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。過程層一般由合并單元、智能終端等構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)過程層設(shè)備、間隔層設(shè)備間的連接。過程層網(wǎng)絡(luò)可傳輸SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文。SV可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、獨(dú)立組網(wǎng)或與GOOSE共同組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文傳輸；GOOSE可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、獨(dú)立組網(wǎng)或與SV共同組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文傳輸。過程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式可以采用共享雙網(wǎng)、雙套獨(dú)立雙網(wǎng)或雙單網(wǎng)。

過程層按單間隔配置交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)故障僅影響本間隔，與保護(hù)及測(cè)控裝置的聯(lián)系只是屏內(nèi)光纖跳線，可靠性高，但成本較高。過程層按多間隔配置交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)故障將影響多個(gè)間隔，與各間隔的保護(hù)、測(cè)控裝置聯(lián)系需經(jīng)室內(nèi)電纜溝拉光纜或尾纜實(shí)現(xiàn)，各間隔的界面不夠清晰，但成本較低。

經(jīng)綜合比較，220kV電壓等級(jí)SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)分網(wǎng)設(shè)計(jì)，均按雙套物理獨(dú)立的單網(wǎng)配置，按間隔配置交換機(jī)。

4.2.2 間隔層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。間隔層由若干二次子系統(tǒng)構(gòu)成，如保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、計(jì)量表計(jì)、故障錄波器、安全穩(wěn)定裝置等。當(dāng)站控層網(wǎng)絡(luò)失效進(jìn)，仍可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。智能變電站內(nèi)保護(hù)、測(cè)控裝置和傳統(tǒng)裝置功能基本一致，但其信息的輸入輸出采用以太網(wǎng)串行通信來實(shí)現(xiàn)，裝置內(nèi)以光電轉(zhuǎn)換接口插件替換原來的模數(shù)轉(zhuǎn)換插件。其他無本質(zhì)差異。

4.2.3 站控層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。變電站站控層一般由主機(jī)兼操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、保護(hù)信息管理子站及其它各類在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，形成全站監(jiān)控管理中心，并與調(diào)度端實(shí)現(xiàn)通信，主要完成站控層與間隔層間設(shè)備的信息交互。站控層網(wǎng)絡(luò)為雙星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以雙網(wǎng)雙工方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無縫切換。站控層網(wǎng)絡(luò)三網(wǎng)合一、共網(wǎng)運(yùn)行；MMS傳遞后臺(tái)操控命令、告警信息、一次設(shè)備狀態(tài)信息、保護(hù)測(cè)控動(dòng)作信息等，GOOSE用于傳輸五防閉鎖信息，SNTP用于站內(nèi)設(shè)備對(duì)時(shí)。

5 結(jié)語

基于一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和運(yùn)行管理系統(tǒng)自動(dòng)化的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，智能變電站實(shí)現(xiàn)了各種功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)，使變電站新增功能和擴(kuò)展規(guī)模，且光纖取代電纜，電磁兼容性能優(yōu)越；還能提高測(cè)量精度和信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴？傊贗EC 61850的智能變電站正成為當(dāng)今電力發(fā)展的主流。

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作者簡介：喻亮（1981—），男，廣西桂林人，供職于廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。