基于IEC61850的智能水電廠測試流程及關鍵技術研究

胡少英，姜 曉，芮 鈞，王銘業，曹 曲(南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，南京 210000)

0 引 言

智能水電廠是智能電網的重要組成部分，注重水電廠的安全和效益[1]，建立在集成、統一、可靠的軟硬件平臺基礎上，具有信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態可視化等主要技術特征[2]。通過智能化建設，提高水電廠生產管理和設備安全運行水平，實現全廠系統間的無縫連接與互操作。

IEC61850標準基于通用網絡通信平臺，提出了公共的通信標準，通過規范化設備的信息建模及功能接口，實現了不同設備及系統之間的無縫連接，是電力系統自動化領域通用標準，具有信息分層、面向對象的數據對象統一建模、數據自描述、抽象通信服務接口與特定通信服務映射統一的特點[3]。基于IEC61850標準，統一了水電廠數據建模標準，規范了智能水電廠監視和控制的公用數據類、邏輯節點和數據對象[4]，促進系統內部、與其他系統之間的設備互操作及信息共享。

智能水電廠與傳統水電廠相比是一種巨大的變革，對智能水電廠設計與研究的成果需要通過大量試驗來驗證目標的符合程度，通過研究智能化的需求及實現的途徑，研究檢測的方法與工具，建立評估與測試的環境平臺等，確保水電廠符合IEC61850標準，滿足智能水電廠的建設需求。

1 智能水電廠體系結構

智能水電廠采用橫向分區、縱向分層的體系結構，橫向劃分為安全I區、安全II區和管理信息大區；縱向根據IEC61850標準，將智能水電廠劃分為過程層、單元層和廠站層，系統的體系架構如圖1。

過程層部署各類一次設備和智能組件構成的智能設備、合并單元、智能終端等[5]，設備根據IEC61850標準進行建模[6]。單元層部署各類現地自動化系統，包括繼電保護系統、勵磁系統、調速系統等二次設備，基于IEC61850標準與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。廠站層部署橫跨安全I區、安全II區和管理信息大區的分布式一體化管控平臺，并在該平臺上部署實時監控、信息管理、調度控制、狀態檢修等各類智能應用組件，并提供對外的統一接口[5]。

圖1 智能水電廠分層架構Fig.1 Hierarchical structure of intelligent hydropower plant

智能水電廠廠站層與單元層采用IEC 61850-8-1的MMS(Manufacturing Message Specification，制造報文規范)報文通信，單元層與過程層采樣值采用SMV(Sampled Measured Value，采樣測量值)報文通信， 跳閘等實時性要求高的通信則采用GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件)報文傳送。

2 基于IEC 61850的智能水電廠測試驗證流程

智能水電廠引入了IEC61850標準，促進了水電站運行管理向一體化、智能化模式轉變。為了確保智能水電廠的建設需求，在投入工程應用前要進行產品質量的檢驗，研究檢測的方法與工具、評估的范圍，建立評估與測試的環境平臺，驗證產品的有效性及目標的符合程度。IEC61850標準也在第十部分規定了實現一致性測試的標準技術，提出了設備一致性測試和性能測試的方法。

與傳統的測試流程類似，基于IEC61850的智能水電廠測試驗證也可按照以下3個階段進行：

(1)單元測試：單元測試是對系統中最小可測單元進行檢查和驗證。從智能水電廠的分層結構來看，單元測試階段的測試主要是測試系統各組成部分的功能實現，如保護、監控、測量等。

(2)集成測試：是在單元測試的基礎上，將單元組裝成模塊、子系統或系統，測試各部分是否達到或實現智能水電廠的技術指標及要求。基于IEC61850，集成測試內容主要是IEC61850標準中定義的一致性測試。

(3)系統測試：是將已經確認的軟件、計算機硬件、外設、網絡等其他元素結合在一起，針對整個智能水電廠產品系統進行測試，驗證系統是否滿足了需求規格的定義，是否可協調完成智能水電廠的功能以及所期望的性能要求。基于IEC61850標準，即驗證系統通信及設備的互操作性。

3 基于IEC61850的智能水電廠測試關鍵內容

智能水電廠建立在IEC61850標準基礎上，IED(Intelligent Electronic Device，智能電子設備)按照IEC61850通信規約進行通信，實現了信息模型應用的一致性、通信服務應用的一致性、通信服務映射和通信協議棧實現的一致性。相比傳統設備，除了驗證智能設備的功能，還需要驗證IED通信接口與標準要求的一致性、互操作性及通訊網絡[7]。

3.1 IED一致性測試

一致性測試表明IED按照標準規定方法與其他IED互聯運行的能力，能夠明顯減少系統集成時出現問題的風險，確保交付的自動化系統符合規范。IEC61850-10規定了實現一致性測試的標準技術，并對一致性測試環境的搭建提出了指導。

一致性測試[8]主要按照設備的協議實現一致性陳述(Protocol Implementation Conformance Statement, PICS)、協議實現額外信息(Protocol Implementation eXtra Information, PIXIT)、模型實現一致性陳述(Model Implementation Conformance Statement, MICS)中表明的能力進行測試，主要內容包括：

(1)文件和設備控制版本檢查：檢查設備的PICS、MICS以及PIXIT文件和被測設備的軟硬件版本是否相符。

(2)配置文件測試：測試ICD(IED Capability Description，IED能力描述文件)配置文件與SCL(Substation Configuration Description Language，變電站配置描述語言) XML模型定義是否一致；檢查ICD配置文件與待測設備的實際數據、數據類型和服務是否相符；采用SCD(Substation Configuration Description，變電站配置描述)配置工具改變配置參數，檢查配置與SCD文件是否相符。

(3)數據模型測試：包括數據模型、數據模型擴展和數據模型映射。

(4)抽象通信服務接口模型和服務映射測試：對DL/T860.72-2004中為模型規定的各類與水電廠相關的服務進行肯定和否定測試。

3.2 通信測試

智能水電廠現地控制系統采集的各類數據，通過通信協議上送至智能一體化管控平臺，實現了全廠數據共享互動化[6]。智能水電廠IEC61850通信服務端軟件運行于單元層，實現了IEC61850標準的關聯模型、服務器類模型、邏輯設備模型、邏輯節點模型、數據模型、數據集模型和報告控制塊模型[6]，通過調用相關的模型服務，獲取IED設備模型，通過報告方式將遙測和遙信數據發送至客戶端，并通過控制模型為客戶端提供遙調和遙控。IEC61850通信客戶端軟件運行于廠站層，管理與通信服務端的連接、接收服務端發出的遙測和遙信數據并將平臺的遙控和遙調命令下發至現地設備。

對通信的測試，主要內容包括網絡通信過程、MMS/ ACSI、GOOSE過程[7]，如：①連接管理，包括連接的建立、釋放和放棄；②報文傳輸的完整性及正確性；③遙調及遙控等控制操作是否可正確解析并實現；④網絡異常或設備故障等情況下的服務重連、數據緩存、數據重傳等；⑤通信性能，包括實時性能、緩存容量等。

4 結 語

為了確保智能水電廠中的各類智能設備滿足IEC61850標準，需要建立評估與測試的環境平臺，研究檢測的方法、工具，將測試活動貫穿于智能水電廠系統設計開發的全過程中。本文探討了基于IEC61850的智能水電廠的測試策略與驗證流程，并重點研究了基于IEC61850標準的一致性測試與通信測試。今后，還有待于進一步研究基于IEC61850的互操作性及自動化檢測平臺技術，保障智能水電廠建設過程的安全和可靠。

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[1] 王德寬,張 毅,劉曉波,等. 智能水電廠自動化系統總體構想初探[J]. 水電廠自動化與大壩監測, 2011,36(1):1-5.

[2] 劉觀標,李曉斌,李永紅,等. 智能水電廠的體系結構[J]. 水電廠自動化與大壩監測, 2011,35(1):1-5.

[3] 王 哲. 基于IEC61850的變電站過程層與間隔層技術研究[D]. 武漢：華中科技大學,2008.

[4] 彭志強,朱 辰. IEC 61850在智能水電廠應用的相關技術[J]. 水電廠自動化與大壩監測,2011,35(5):6-9.

[5] 彭志強,朱 辰,徐 潔. 基于IEC 61850標準探討智能水電廠建設[J]. 能源技術經濟,2011,23(9):24-28.

[6] 吳家祺,郭瞳瞳,彭志強,等.IEC 61850標準在智能水電廠數據通信中的應用[J]. 水電廠自動化與大壩監測,2011,35(6):5-8.

[7] 吳俊興,胡敏強,吳在軍,等. 基于IEC618850標準的智能電子設備及變電站自動化系統的測試[J]. 電網技術, 2007,31(2):70-74.

[8] DL/T 860.10-2006, 變電站通信網絡和系統第10部分：一致性測試[S].