IEC 61850標準的技術動態與配電自動化系統應用研究

賀 俊， 高錦成

1. 上海矩奉電機自動化有限公司 上海 200331 2. 勝利油田電力分公司 山東東營 257000

1 研究背景

2003年，國際電工委員會(IEC) TC57工作組正式發布了IEC 61850標準，標準名稱為《變電站通信網絡和系統》(Communication Networks and Systems in Substations)。這一標準以美國電科院變電站和饋線設備通信協議體系UCA 2.0(Utility Communication Architecture 2.0)為基礎，吸收了IEC 60870-5-101/103/104標準和歐洲實踐經驗，共分為10大部分，13個文件[1]。盡管標準名稱冠以變電站，但是IEC 61850標準的應用已經不僅僅局限于變電站，于是，IEC從2009年開始對這一標準進行修訂并發布新標準，將標準名稱改為《電力自動化通信網絡和系統》(Communication Networks and Systems for Power Utility Automation)，這也體現了IEC方面拓展這一標準應用范圍的意愿。現如今，IEC 61850標準的應用涉及發電[2-3]、輸電[4-5]、配電[6-7]與電力調度[8-9]全過程，發電端還包含分布式能源[10-11]，是堅強智能電網建設的重要基礎性標準。筆者對IEC 61850的技術動態進行介紹，并結合工作實踐對IEC 61850在配電自動化系統應用中需要關注的重點問題進行研究。

2 IEC 61850標準的技術動態

2.1 IEC 61850標準明細

根據IEC提供的目錄，目前IEC 61850標準主要明細如下(由于近兩三年公布的一些新標準國內尚無等同標準，因此英文名稱一并給出)：

IEC TR 61850-1： 2013《引言和綜述》(Introduction and Overview)、IEC TS 61850-2： 2003《術語》(Glossary)、IEC 61850-3： 2013《總體要求》(General Requirements)、IEC 61850-4： 2011《系統和項目管理》(System and Project Management)、IEC 61850-5： 2013《功能和設備模塊的通信要求》(Communication Requirements for Functions and Device Models)、IEC 61850-6： 2009《與智能電子設備有關的變電站通信配置描述語言》(Configuration Language for Communication in Electrical Substations Related to IEDs)、IEC 61850-7-1： 2011《基本通信結構原理和模型》(Basic Communication Structure—Principles and Models)、IEC 61850-7-2： 2010《基本通信結構 抽象通信服務接口》[Basic Communication Structure—Abstract Communication Service Interface(ACSI)]、IEC 61850-7-3： 2010《基本通信結構 公用數據類》(Basic Communication Structure—Common Data Classes)、IEC 61850-7-4： 2010《基本通信結構 兼容邏輯節點類和數據類》(Basic Communication Structure—Compatible Logical Node Classes and Data Classes)、IEC 61850-7-410： 2012《基本通信結構 水力發電廠 監測和控制通信》(Basic Communication Structure—Hydroelectric Power Plants—Communication for Monitoring and Control)、IEC 61850-7-420： 2009《基本通信結構 分布式能源邏輯節點》(Basic Communication Structure—Distributed Energy Resources Logical Nodes)、IEC TR 61850-7-510： 2012《基本通信結構 水力發電廠 建模概念和準則》(Basic Communication Structure—Hydroelectric Power Plants—Modelling Concepts and Guidelines)、IEC 61850-8-1： 2011《特定通信服務映射 多媒體短信服務(ISO 9506-1和ISO 9506-2)和ISO/IEC 8802-3上的映射》[Specific Communication Service Mapping(SCSM)—Mappings to Manufacturing Message Specification MMS(ISO 9506-1 and ISO 9506-2)and to ISO/IEC 8802-3]、IEC 61850-9-2： 2011《特定通信服務映射 通過ISO/IEC 8802-3的采樣值》[Specific Communication Service Mapping(SCSM)—Sampled Values over ISO/IEC 8802-3]、IEC/IEEE 61850-9-3： 2016《電力自動化精確時間協議的配置》(Precision Time Protocol Profile for Power Utility Automation)、IEC 61850-10： 2012《一致性試驗》(Conformance Testing)、IEC TS 61850-80-1： 2016《應用IEC 60870-5-101或IEC 60870-5-104交換基于公用數據類的數據模型信息導則》(Guideline to Exchanging Information from a CDC-based Data Model Using IEC 60870-5-101 or IEC 60870-5-104)、IEC TR 61850-80-3： 2015《網絡協議映射 要求和技術選擇》(Mapping to Web Protocols—Requirements and Technical Choices)、IEC TS 61850-80-4： 2016《能源計量配套規范對象模塊(IEC 62056)至IEC 61850數據模塊的轉換》[Translation from the COSEM Object Model(IEC 62056)to the IEC 61850 Data Model]、IEC TR 61850-90-1： 2010《IEC 61850在變電站間通信的應用》(Use of IEC 61850 for the Communication between Substations)、IEC TR 61850-90-2： 2016《IEC 61850在變電站與控制中心間通信的應用》(Using IEC 61850 for Communication between Substations and Control Centres)、IEC TR 61850-90-3： 2016《IEC 61850在狀態監控診斷和分析的應用》(Using IEC 61850 for Condition Monitoring Diagnosis and Analysis)、IEC TR 61850-90-4： 2013《網絡工程指南》(Network Engineering Guidelines)、IEC TR 61850-90-5： 2012《IEC 61850在按IEEE C37.118傳輸同步向量信息的應用》(Use of IEC 61850 to Transmit Synchrophasor Information According to IEEE C37.118)、IEC TR 61850-90-7： 2013《分布式能源系統中功率變流器的對象模塊》[Object Models for Power Converters in Distributed Energy Resources(DER)Systems]、IEC TR 61850-90-8： 2016《電動交通對象模塊》(Object Model for E-mobility)、IEC TR 61850-90-12： 2015《廣域網絡工程指南》(Wide Area Network Engineering Guidelines)。

標準號中TR代表技術報告，TS代表技術規范。

2.2 技術動態分析

由上述IEC 61850主要標準明細可以看出，自2009年起，IEC幾乎對所有2003年發布的61850標準文件進行了修訂，并發布了一系列新文件。2003年發布的IEC 61850標準文件中，僅IEC TS 61850-2： 2003保留至今，其余均進行了修訂和完善，且修訂和完善主要體現在數據模型、工程配置文件、通信一致性測試和更正等方面[12]。

關于現行IEC 61850標準與2003版IEC 61850標準的不同，以及現行IEC 61850標準的技術特點，國內已有多篇文獻[12-16]進行過介紹，筆者在此不再贅述。綜合而言，IEC 61850-7-410： 2012、IEC 61850-7-420： 2009、IEC TR 61850-7-510： 2012等文件鮮明地體現出IEC順應技術發展與時代潮流，將61850標準由變電站拓展至水力發電廠、分布式能源等領域，增強了這一標準的適用性；IEC TR 61850-90-1： 2010、IEC TR 61850-90-2： 2016、IEC TR 61850-90-3： 2016等文件給出了在應用IEC 61850標準時的參考模型，涵蓋變電站間通信、變電站與控制中心通信、狀態監控診斷、同步向量信息傳輸等領域，提升了這一標準的指導意義和實用價值；類似IEC TR 61850-90-8： 2016這樣的最新文件，更是將IEC 61850標準與電動交通聯系在一起，可見IEC 61850標準在未來的電力行業各分支中都將不可或缺。

目前，IEC工作組仍在對61850標準進行修訂和完善，未來一段時間的重點主要為以下幾方面。

(1) 數據建模。變電站的主要過程對象及保護和控制功能能夠被建模為不同標準的邏輯節點，這些邏輯節點同時能夠被分為不同的邏輯設備組別。實際建模中，存在與邏輯設備和物理設備相關的數據及功能邏輯節點。

(2) 報文格式。包括緩沖報告控制塊(BRCB)和非緩沖報告控制塊(URCB)在內，有多種來自服務器的數據報文格式，并且可以通過預先設定的觸發條件進行觸發。

(3) 事件快速傳輸。通過通用變電站事件(GSE)，可以快速傳輸對等通信模式的事件數據。通用變電站事件具體細分為面向通用對象的變電站事件(GOOSE)和通用變電站狀態事件(GSSE)。

(4) 定值組。通過定義定值組控制塊(SGCB)來處理定值組，以便用戶可以根據需要切換至任意活動組。

(5) 采樣數據傳輸。通過采樣值控制塊(SVCB)可以傳輸采樣數據和采樣值。

(6) 指令。IEC 61850標準支持包括直接操作指令和操作前選擇(SBO)指令在內的多種指令，這些指令既有普通安全級別的，也有增強安全級別的。

(7) 數據存儲。通過變電站配置語言(SCL)，可以以特定格式完整地存儲變電站組態數據。

3 IEC 61850標準在配電自動化系統中的應用

3.1 應用現狀

從IEC 61850標準發布至今，眾多業內人員對其在配電自動化系統中的應用問題進行了研究，并得出了不少研究成果。文獻[17]給出了一個配電自動化系統應用IEC 61850標準進行工程配置與維護的實例，以一組智能電子設備為對象研究配置流程，從首次配置、配置更新、信息安全保障等方面進行了詳細介紹。文獻[18]給出了一個應用IEC 61850標準進行配電自動化系統終端設計的案例，在已有電力調度數據專網、光纖網絡通信、電力無線專網和電力線載波的基礎上，將終端設計為配電過程單元、配電間隔單元、配電站控單元三部分。文獻[19]研究了基于IEC 61850標準的配電自動化系統終端即插即用體系，分析了體系結構、通信模式與模型映射，并進行了試驗，確認了所設計的即插即用體系的合理性。文獻[20]研究了如何應用IEC 61850標準建立智能配電饋線終端模型，給出了邏輯節點的信息交換、報文信息分類和面向通用對象的變電站事件報文傳輸方式。文獻[21]研究了基于IEC 61850標準的高級配電自動化系統開放式通信體系，對高級配電自動化進行了定義，對信息模型、網絡結構、信息交換與關鍵技術進行了分析。文獻[22]給出了一個IEC 61850標準在上海浦東新區配電網中應用的實例，并對這一標準在配電自動化系統中應用的意義進行了分析。

3.2 需要注意的問題

配電自動化系統是未來堅強智能電網的重要組成部分，結構靈活，具有較強的潮流優化能力和可再生能源接入能力，可實現分布式發電、微電網與儲能系統的接入與控制。在配電自動化系統中應用IEC 61850標準已成為業內研究的熱點，這樣做既有助于協調配電自動化系統與輸電網的信息交換，也有助于配電自動化系統與分布式能源的信息交換。需要注意的是，配電自動化系統與變電站自動化系統相比，從層次結構到內容，兩者差異都很大，IEC 61850標準在變電站中的應用經驗可以被借鑒至配電自動化系統，但并不能完全照搬。以下筆者對IEC 61850標準在配電自動化領域應用時需要注意的幾個問題進行分析。

(1) 系統架構。IEC于2003年推出61850標準時的初衷是為變電站自動化系統提供網絡與系統解決方案，因此，工作組在制定這一標準時對變電站自動化系統的通信關系與架構做了深入研究，并提出了包括站控層、間隔層和過程層在內的變電站內三層通信模型，定義了各層之間的通信及同一層內不同設備間的通信。這一模型基本上涵蓋了變電站自動化系統內部及對外的網絡通信關系，基于這一模型可以構建起變電站自動化系統應用IEC 61850標準的基本架構。但是，對于配電自動化系統而言，無論是配網終端、配電線路，還是饋線、控制中心等，在結構層次與內容方面都與變電站自動化系統存在較大差異。當前，隨著分布式能源系統的不斷發展，配電網也在向有源配網方向發展，接入分布式能源系統后，配電自動化系統的層次和內容更為復雜，且智能電子設備數量多，所占用的物理空間大，需要根據具體情況采用三層以太網技術、廣域網技術或無線通信技術等。可見，在配電自動化系統中應用IEC 61850標準，不能照搬三層模型架構，而是需要根據實際情況和需求，設計適合配電自動化系統的網絡架構。

(2) 數據模型。2003年版IEC 61850標準中定義了90多種邏輯節點，現行IEC 61850標準則定義了170多種邏輯節點，這些邏輯節點可以滿足絕大部分配電自動化系統的應用需求。對于一些IEC 61850標準中尚未涉及到的邏輯節點，可以進行補充，如針對短路故障檢測的邏輯節點，以及針對小電流接地故障檢測與選線的邏輯節點等。IEC 61850-7-420： 2009直接給出了針對分布式能源的邏輯節點與數據模型，如配電自動化系統已接入分布式能源，可以直接采用。如需要對配電開關及斷路器進行狀態監測，則可以采用IEC 61850-7-4： 2010和IEC TR 61850-90-3： 2016等文件中所定義的邏輯節點。

(3) 通信服務。現行IEC 61850標準定義了60多種抽象通信服務接口(ACSI)，這些抽象通信服務接口可以滿足配電自動化系統在通信服務方面的需求。抽象通信服務接口在低層可以采用特定通信服務映射(SCSM)，從而實現上層通信服務與低層分離的結構，避免了標準體系中上層穩定性與低層通信技術發展之間的矛盾。這樣，隨著新技術的發展，IEC 61850標準不需要改變上層通信服務與數據模型，而是只需要增加新的特定通信服務映射即可。在配電自動化系統中，一般情況下智能電子設備硬件配置與實時性要求并不高，可選擇復雜度較低的特定通信服務映射，具體映射關系可以參照IEC 61400-25《風電場監控系統通信》。

(4) 工程配置。由于變電站自動化系統中智能電子設備數量有限，建設周期基本確定，因此變電站自動化系統的工程配置主要是基于數據模型文件的靜態配置。IEC 61850-6： 2009中定義了6種配置文件格式： ① ICD文件，即智能電子設備能力描述文件；② SSD文件，即系統規范描述文件；③ SCD文件，即系統配置文件；④ CID文件，即智能電子設備配置信息文件；⑤ IID文件，即實例化的智能電子設備描述文件；⑥ SED文件，即系統交換文件。而如前所述，配電自動化系統中智能電子設備數量多，工程配置與維護量大，需要分批分區分階段進行，因此在配電自動化系統中應用IEC 61850標準時，在工程配置方面提出了新的要求。

配電自動化系統的智能電子設備數量多，且分布在饋線上，常采用廣域網通信技術。由于同一饋線上的設備聯系緊密，而饋線之間的聯系則相對松散，因此配置時可以面向饋線進行集成，并將同一條饋線上的智能電子設備劃入一個邏輯子網。當前，配電自動化系統以分布式控制為發展方向[23-24]，分布式控制為點對點對等通信模式，適合于網際協議網絡，故障處理快速，不依賴于主站，但應用中需要一次拓撲信息來實現相關的終端功能。例如，在進行故障隔離與定位時，需要明確相鄰斷路器的故障檢測信息，進而判斷故障區間并進行隔離，此處，斷路器的相鄰關系就是配電網拓撲的基本單元，基于相鄰關系便能夠獲得拓撲信息[25]。支持分布式控制時，應用終端需要使用包含拓撲信息的配置文件，并配置一次拓撲信息與智能電子設備接口。

配電自動化系統工程配置需要分批分區分階段進行，具體可以采用面向互聯饋線的分區配置和面向饋線設備的分批配置。采用面向互聯饋線的分區配置時，以中壓母線為邊界，由多個互相聯絡的饋線組成分區。若涉及到整條饋線或整個分區，且終端較多時，可以按區域由總到分進行配置。若配置對象為局部單個或少數幾個饋線設備，所涉及的終端較少，則適宜采用面向饋線設備的分批配置，由分到總進行配置。

(5) 終端設備即插即用。出于簡化工程的目的，配電自動化系統的終端設備要求支持即插即用，這就要求抽象通信服務接口能夠支持更多的數據模型，并通過合理的應答與識別機制來滿足終端設備即插即用的要求。

(6) 一致性測試。IEC 61850-10： 2012對一致性測試的環境、要求等進行了規定，并給出了案例，是現行IEC 61850標準的重要組成部分，用于保證設備能夠實現互操作。IEC 61850-10： 2012基本可用于配電自動化系統，但還需要針對新增模型與設備即插即用等進行補充和完善。

4 結束語

從2003年首次發布至今，IEC 61850標準已有14年歷史，標準從最初的針對變電站拓展至分布式能源、發輸變電、電力調度等多個領域，且仍在不斷修訂與完善中。作為堅強智能電網中的重要組成部分，配電自動化系統應用IEC 61850標準是一個長期研究熱點。相信隨著研究的不斷深入，新理論和應用成果將不斷涌現，配電自動化系統和IEC 61850標準也將緊密地結合在一起。

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