IEC 61850標準在智能水電廠中的適用性分析

芮 鈞，馮漢夫，徐 潔，馬 力，胡少英，石 爽

（1.南瑞集團公司，江蘇省南京市 210003；2. 中國電建集團西北勘測設計研究院，陜西省西安市 710065）

1 引言

近年來，隨著智能電網建設以及間歇性新能源大規模接入，水電廠機組源網協調能力、業務友好互動能力及資源協同優化能力不足的問題日益突出。以往水電廠缺乏統一的信息編碼和通信標準，導致水電廠現地通信體系十分復雜，信息采集過程需要經過多次協議轉換，信號采集和傳輸的可靠性不足，導致發電監控、水情水調、大壩安全監測等各類自動化系統互聯互通困難，各類相關的業務之間無法高效協同，無法有效支撐區域水電或多元能源類型聯合優化調度和在線經濟運行。

因此，國內相關科研單位分別提出了“智能水電廠”的理念[1，2]，旨在通過統一通信標準和軟件平臺等一系列措施，解決傳統水電廠面臨的上述問題。智能水電廠是指適應智能電網源網協調要求，以信息數字化、通信網絡化、集成標準化、運管一體化、業務互動化、運行最優化、決策智能化為特征，采用智能電子裝置（Intelligent Electric Device，IED）及智能設備，自動完成采集、測量、控制、保護等基本功能，具備基于一體化平臺的經濟運行、在線分析評估決策支持、安全防護多系統聯動等智能應用組件，實現生產運行安全可靠、經濟高效、友好互動目標的水電廠。國家電網公司已于2012年建成了白山、松江河首批兩個智能水電廠試點工程，對智能水電廠技術成果開展了全面的應用實踐。2012年之后，智能水電廠的相關技術成果被陸續應用至三峽成都梯調、瀾滄江集控中心等重大工程中，取得了良好的預期效果。

目前，國內外智能水電廠相關的論文主要集中在自動化系統的總體架構、數據庫、業務體系、應用功能等方面[3，4]，少數則以示例的方式簡要介紹IEC 61850標準邏輯節點使用方法[3，4]及通信軟件實現方法[7]。IEC 61850標準最初是IEC組織針對變電站自動化系統提出的，而水電廠自動化系統監測對象與功能遠比變電站復雜得多，因此IEC 61850標準能否滿足水電廠通信功能和性能方面的要求，在業界仍然存在一定的爭議。本文在介紹IEC 61850標準與水電自動化相關的部分內容的基礎上，分析該標準在智能水電廠中應用的適用性，提出該標準應用于水電廠的基本原則和方法，對統一和推廣智能水電廠理念、推進國內水電廠自動化技術發展具有重要意義。

2 IEC 61850及在變電站中應用現狀

IEC 61850標準是由國際電工委員會第57技術委員會于2003年頒布的，該標準使變電站中來自不同廠商的智能電子裝置（IED）實現了互操作，目前IEC 61850標準已經被廣泛應用于變電站自動化系統[8]。從2009年開始，IEC開始發布IEC 61850 Ed 2.0，標準名稱由《變電站自動化通信網絡和系統》改為《電力自動化通信網絡和系統》，使IEC 61850標準的應用從變電站拓展到發電廠、分布式能源（DER）、輸變電設備監測以及配電自動化系統等領域，極大地拓展了該標準的適用范圍。我國于2004年開始以等同采用（IDT）的方式將IEC 61850標準翻譯為中文，并采納為我國的電力行業標準DL 860。

IEC 61850主要內容包括以下四部分：①系統部分。包括IEC 61850-l、IEC 61850-2、IEC 61850-3、IEC 61850-4和IEC 61850-5五個文件，從通信技術本身進行描述，并從系統工程管理、質量保證、系統模型等方面進行敘述，使IEC 61850標準能夠更好地應用于電力系統。②配置部分。IEC 61850-6定義了變電站系統和設備配置、功能信息及相對關系的變電站配置描述語言。③數據模型、通信服務和映射部分。包括IEC 61850-7、IEC 61850-8和IEC 61850-9三個文件，是IEC 61850核心技術部分，從技術實現角度描述了IEC 61850的信息模型、通信服務接口模型以及信息模型與實際通信網絡的映射方法，實現了系統信息模型的統一、通信服務的統一和傳輸過程的一致。④測試部分。主要是IEC 61850-10，定義了一致性測試的方法、等級、環境和設備要求，用于驗證系統和設備的互操作性。

基于IEC 61850標準的智能變電站技術在國內已基本發展成熟，以南京南瑞集團公司為代表的電力自動化設備企業研制出了滿足IEC 61850標準的變電站保護和測控設備，并應用于國內大量智能變電站建設和改造工程中。通過采用IEC 61850標準，智能變電站利用智能二次設備取代了傳統二次設備，利用光纜代替傳統電纜，解決了電磁干擾、一點接地等問題，節約了工程投資，體現了節能環保理念；簡化了二次系統的配置，實現全景數據集成、標準化后統一上送，實現了數據源端維護，提高了工程調試效率和系統的安全性。國家電網公司發布的《智能變電站技術導則》，明確要求“智能變電站的通信網絡與系統應符合 DL/T 860（IEC 61850）標準。應建立包含電網實時同步信息、保護信息、設備狀態、電能質量等各類數據的標準化信息模型，滿足基礎數據的完整性及一致性的要求。”

3 IEC 61850標準適用性分析

3.1 對象信息建模

IEC 61850第二版將水電廠、分布式能源等納入到標準中，為此在IEC 61850-7-4的基礎上，補充了分別用于水電廠和分布式能源的信息建模規范文件，制定了相應的邏輯節點列表及定義。其中，針對水電廠的信息建模規范的文件以IEC 61850-7-#10命名，針對分布式能源的信息建模規范的文件以IEC 61850-7-#20命名。2007年，IEC首次發布了針對水電廠的IEC 61850-7-410《電力自動化通信網絡和系統 第7-410部分：基本通信結構 水力發電廠 監視和控制通信》標準第一版，描述了IEC 61850標準在水電廠應用中所需的額外的公用數據類、邏輯節點以及數據對象，為IEC 61850標準應用于水電廠奠定了基礎。2012年，IEC又發布了該標準的第二版，進一步補充完善了水電廠信息建模標準，使得IEC 61850標準在水電廠中的適用性進一步提高。IEC 61850-7-410第一版共收錄63個邏輯節點，其中命名以H開頭的水電站專用邏輯節點19個，通用邏輯節點44個。IEC 61850-7-410標準第二版則收錄41個邏輯節點，其中命名以H開頭的水電站專用邏輯節點26個，通用邏輯節點15個。IEC 61850-7-410第二版的邏輯節點分為自動控制、功能模塊、水電廠專用邏輯節點、接口和存檔、機械與非電氣主設備、保護功能、保護相關功能、傳感器監視、開關設備等組，涉及電力、機械、水文、傳感器等技術領域。

2012年，IEC又發布了IEC 61850-7-510《電力自動化通信網絡和系統 第7-510部分：基本通信結構 水力發電廠建模原理與應用指南》技術報告，以大量示例的方式詳盡地解釋了如何使用IEC 61850-7-4以及IEC 61850-7-410系列其他文檔定義的邏輯節點對電廠（包括可變速抽水蓄能電廠）的復雜控制功能進行建模，主要內容包括：①水電廠整體通信結構框架，包括水電廠的整體通信結構、通信網絡、運行模式和基本控制策略；②控制系統結構化，包括邏輯設備建模、勵磁系統、調速系統、機組啟停控制等應用的IEC 61850建模示例；③變速抽水蓄能系統示例，包括變速抽水蓄能電站勵磁系統、調速系統和機組啟停控制等應用的IEC 61850建模示例；④高壓油系統油泵啟動優先權；⑤尋址結構和映射示例；⑥不同類型曲線的使用以及曲線形狀描述的示例；⑦電壓匹配功能的示例。

目前，我國已經完成了翻譯IEC 61850-7-410和IEC 61850-7-510并等同采用為國內電力行業標準的相關工作，即將進入正式發布該文件，作為DL 860標準的部分文件。此外，國際電工委員會第57技術委員正在組織編寫IEC 61850-7-410的修正文件，進一步完善水電廠自動化系統的對象信息建模。這使得IEC 61850突破了原來的變電站自動化系統應用局限，能夠有效地應用于智能水電廠對象信息建模。此外，針對我國水電廠自動化系統的特點，南京南瑞集團公司正在牽頭組織編寫國家標準《智能水電廠公共信息模型技術規范》，進一步完善IEC 61850標準在水電廠中應用所需的各類邏輯節點。上述工作確保了IEC 61850標準在對象信息建模方面能夠適用于智能水電廠建設，隨著模型的不斷完善將為智能水電廠推廣提供更加堅實的技術支撐。

3.2 通信性能要求

智能水電廠自動化系統除了需要處理與智能變電站類似的電氣量以外，還需要處理大量諸如轉速、流量、溫度、壓力、液位之類的非電氣量，完成機組開機、停機等各類順序控制，并對輔機的啟動優先權進行管理。由此可見，水電廠中各功能之間交互信息的類型和數據量都遠多于智能變電站。因此，IEC 61850標準在水電廠大數量傳輸環境下，傳輸性能是否能夠滿足水電廠安全生產控制的要求成為一個至關重要的問題。從另一方面看，水電廠具有各臺機組控制功能相對獨立、順序控制流程時間長等特點，在應用IEC 61850標準時只需要綜合采取一系列技術措施就能夠確保滿足水電機組控制性能要求，分析如下：

（1）水電廠自動化系統的數據量很大，但絕大多數都是反映機械裝置運行情況的數據，這部分數據的變化速度較慢，屬于中速和低速報文，對數據采集和傳輸的時間要求并不高。

（2）水電廠開機、停機等順序控制過程涉及大量信息交互，但是順序控制本身的時間相對信號采集和傳輸的時間來說非常長，因此數據信息采集和傳輸時間的長短對流程正常執行的影響可以忽略不計。

（3）水電廠各類自動化設備均以水電機組為單位，各機組控制子系統之間信息交互非常少。可以利用該特點，通過VLAN技術或直接采用多套交換機建立多個獨立的過程層網，每臺機組的控制系統單獨使用一個過程子網，消除各個機組測控信息的相互干擾，有效解決水電廠自動化系統數據量大帶來的傳輸瓶頸問題。

（4）改變傳統現地監控系統所有信息經過PLC集中上送至廠站層網的信息流，單元層各IED同時連接過程層網（GOOSE/SV網）和廠站層網（MMS網），直接與廠站層計算機進行信息交互，通過信息的分散傳輸，降低了對局部網絡傳輸性能的過高要求。

（5）采用具有采集信號智能分布式處理功能的智能控制器將逐步取代傳統的PLC，在現地完成模擬量抖動過濾、變幅報警等信號處理任務，減少了無效信息的傳輸和PLC執行周期對系統性能的限制作用。

（6）對水電廠現地各類數據、事件報文的優先級區分，并采用具有報文優先級控制的工業實時以太網交換機，可以有效確保智能水電廠中不同重要性數據均能夠被及時處理，在完成各類常規功能的同時，對緊急事件進行優先處理。

3.3 試點工程驗證

南京南瑞集團公司依托多年IEC 61850相關技術標準編寫、產品研制等方面的成果積累，自2010年起開始了白山、松江河兩個智能水電廠試點工程的改造建設。在改造過程中，采用了統一的IEC 61850、IEC 61970標準取代原來各廠商的各類通信協議，對于直接支持IEC 61850標準的各類保護相關測控設備，直接使用支持該標準的IED取代原測控裝置，對于其他專業不具備更新測控設備條件的，各自增設相應的IEC61850規約轉換器，將其采集的信息轉化為IEC 61850標準建模并統一按照IEC 61850 MMS協議上送至一體化管控平臺。通過通信標準的改造，一體化管控平臺能夠直接采用導入各類智能測控設備的監測信息，可以快速構建廠站層監控軟件平臺數據庫系統，并確保各類智能測控設備信息與一體化管控平臺信息的一致性，解決了傳統水電廠自動化系統數據信息無自描述能力、信息表述方式不統一、設備互換性和交互性差等問題。

白山、松江河智能發電廠試點建設項目均于2012年底通過驗收并投入正式運行，至今運行情況良好。白山和松江河智能水電廠的建設和運行，為IEC 61850水電廠信息對象建模、水電廠智能IED設備研制、水電廠IEC 61850標準通信總線研制、一體化管控平臺研發、智能水電廠運行管理等積累了豐富的工程實踐經驗，充分證明了IEC 61850標準在水電廠自動化系統的適用性，為指導和推進IEC 61850標準在國內水電廠中的應用做出了重要的作用，同時也證明了IEC 61850標準在智能水電廠中的適用性。

4 結論

本文介紹了IEC 61850標準與水電廠相關的文件情況及目前標準建設情況，并首次從對象信息建模、通信性能要求及試點工程驗證等角度分析了IEC 61850標準在水電廠自動化系統中的適用性，提出了IEC 61850標準在水電廠中應用的各項原則，指導國內水電自動化領域積極并正確應用IEC 61850標準，進一步推動國內水電廠智能化改造的步伐。

目前，IEC 61850標準應用于水電廠時還面臨著支持該標準的智能電子裝置（IED）產品較少、智能電子裝置檢測與評估體系不完善等不足之處，需要今后在IEC 61850標準在水電廠中的具體應用方法，即邏輯設備建模、邏輯節點建模、水電智能電子裝置互操作性測試等具體細節開展更加深入的研究工作。

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