IEC61850标准与数字化变电站设备

产品技术　Ｃｈａｎｐｉｒｔ　Ｊｉｓｈｕ　ＩＥＣ６　１　８　５　０标准与数字化变电站设备　程成　曹军　李明全。　（１．法国阿海珐输配电有限公司南京办事处，江苏南京２１００２４；２．中共江苏省委办公厅，江苏南京２１０００３）　１　引言　术；（２）使用分布、分层体系；（３）使用抽象通信服务接口　（ＡＣＳＩ）、特殊通信服务映射ＳＣＳＭ技术；（４）使用ＭＭＳ　５）具有互操作性；（６）具有面向未来的、开放的体　变电站综合自动化系统自２０世纪９０年代以来，一　技术；（直是我国电力行业中的热点之～。的确变电站自动化监　系结构。　控系统的应用大大提高了电网的自动化水平及供电的　可靠性。但是其中也存在一个显著的问题，就是各厂家　３　ＩＥＣ６１８５０标准的核心概念　的自动化产品采用了不同的设计和不同的通讯规约，使　得在工程实施过程中耗费了大量的时间和精力来实现　纵览ＩＥＣ６１８５０标准，从中又不难发现：ＩＥＣ６１８５０标　多种通讯规约的系统接入，无法保证网络通讯的实时性　准通信协议的核心概念之一是必须要在变电站内建立　ＥＣ６１８５０标准的数据模型。正如图１所示，建模的实　和可靠性。因此迫切需要一个统一和开放的国际标准，　遵循Ｉ２）第二步是抽象　终于在２００３年正式发布了变电站自动化唯一的国际性　现包括３个过程：（１）第一步是虚拟化。（标准——ＩＥＣ６１８５０标准。　化，所谓抽象体现在２个方面：１）仅对可见的且可通过　网络访问到的真实设备（例如断路器）或真实功能的特　２　ＩＥＣ６１８５０标准的特点　性建模；２）仅定义了概念性的协调工作，不定义具体的　交换信息。（３）第三步是分解，正如ＩＥＣ６１８５０—５中所描述　ＩＥＣ　６１８５０的主要特点是：（１）使用面向对象建模技　的，为支持功能的自由配置，对功能作了适当分解，分解　机电信息２００８年第２期总第１７６期４７　维普资讯 http://www.cqvip.com 产品技术　ｅｈａ｜　ｐｊ　Ｊｉｓｈｕ　图１　建模的过程　成相互通信的逻辑结点。由于ＩＥＣ６１８５０建模了大多数公　共实际设备和设备组件，这些模型定义了公共数据格式、　标识符、行为和控制。充分利用ＩＥＣ６１８５０的自我描述、可　重复使用的建模用标准名和类型信息这一特性，降低整　个系统设计、工程、运行、维护等费用，节约时间。　４　基于ＩＥＣ６１８５０标准的数字化变电站设备　ＩＥＣ６１８５０标准是全世界唯一的变电站网络通信标　准，也将成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站　内、配电自动化无缝自动化标准，还可望成为通用网络　通信平台的工业控制通信标准。当前，生产相关产品的　国内外各大公司都在围绕ＩＥＣ６１８５０开展工作，纷纷推　出基于ＩＥＣ６１８５０平台的相关产品及解决方案。　如图２所示，由于ＩＥＣ６１８５０将变电站从逻辑上分　为３层：站控层、间隔层和过程层。因而各大电力设备公　司都相继开发了针对这三层的全系列产品。包括针对站　控级人机界面而开发的支持ＩＥＣ６１８５０的监控后台机软　件；针对间隔级的支持ＩＥＣ６１８５０的以太网交换机、间隔　测控单元、继电保护和测量装置；以及针对过程级的非　传统互感器及状态检测装置等，甚至在构想未来的智能　断路器。　４．１　站控层　变电站层的功能分为２类：一是与过程相关的功　能，主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全　４８招标投标・２００８年１月　站的一次设备发生作用的功能；二是与接口相关的功　能，主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面的通　信，通过逻辑接口完成通信功能。　图２变电站自动化系统结构图　４　１．１基于ＩＥＣ６１８５０标准的太网交换机　未来的ＩＥＣ６１８５０规约要求，变电站数据总线上的　时间数据（ＳＯＥ）传输延迟必须低于４　ｍｓ。根据这个要　求，未来的计算机监控系统将具有２层以太网。第一层　为变电站总线，在变电站的总线网络上，采用１００　Ｍｂｐｓ　交换时以太网完全可以满足未来的ＩＥＣ６１８５０规约的实　时要求。第二层为过程总线，由于数据量太大，未来的　ＩＥＣ６１８５０规约把这层分成２个网络结构来处理，一是　ＩＥＣ６１８５０—９一ｌ，一台智能一次设备和相应的保护测控装　置在一个以太网段。另一部分是ＩＥＣ６１８５０－９－２，智能一　次设备和相应的保护测控装置可以在多个以太网段。　为了满足ＩＥＣ６１８５０规约对网络的要求，以太网交　换机必须支持ＶＬＡＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｂｒｉｄｇｅｄ　Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔ．　ｗｏｒｋｓ）技术。即按照逻辑而非物理连接划分网络，例如　保护的智能设备ＩＥＤ和监控的智能设备ＩＥＤ可以分配　在不同的ＶＬＡＮ中。ＶＬＡＮ的标准是ＩＥＥＥ提出的８０２．１Ｑ　协议，８０２．１Ｐ是ＩＥＥＥ　８０２．１Ｑ标准的扩充协议，它们协同　工作，如图３所示。　实际上，ＶＬＡＮ成员的定义可以分为４种：（１）根据端　口划分，ＩＥＥＥ８０２．１Ｑ协议规定的就是如何根据交换机的　端口来划分ＶＬＡＮ。（２）根据ＭＡＣ地址划分；（３）根据ＩＰ　划分；（４）根据用户划分。使用ＶＬＡＮ技术的优势非常明　维普资讯 http://www.cqvip.com

图３　ＩＥＥＥ８０２．１标准以太网构　显：（１）增加了网络连接的灵活性；（２）控制网络上的广　播；（３）增加网络的安全性。　４．２间隔层　间隔层主要是继保、测控设备层。它对相关一次设　备进行保护、测量和控制，响应就地层、变电站层、远方　主站的操作要求，对采集的信息进行处理上送，并在变　电站层、远方主站控制失效的情况下仍能完成保护、测　量和控制功能。　未来数字化变电站的二次设备全部基于标准化、模　块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高　速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的　Ｉ／Ｏ现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，　常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。　４．２．１　数字化变电站自动化系统的设备模型和信息模　型　ＩＥＣ６１８５０中，每个物理装置由服务器和应用组成，　服务器分为逻辑装置一逻辑节点一数据对象一数据属　性；从应用方面来看，服务器包含通信网络和Ｉ／Ｏ。从通　信的角度来看，服务器通过子网和站网相连，每１个ＩＥＤ　（智能电子装置）既可扮演服务器角色也可扮演客户的　角色。　这种分层，需要有相应的抽象服务来实现数据交　换。这就是ＩＥＣ６１８５０的另一个特点：抽象通信服务接口　（ＡＣＳＩ），它独立于具体的网络应用层协议（例如目前采　用的ＭＭＳ）￣／采用的网络（例如现在采用的ＩＰ网络）无关。　ＡＣＳＩ　Ｊ］￣务有服务器模型、逻辑装置模型、逻辑节点模　产品技术　Ｃｈａｎｐｉｎ　Ｊｉｓｈｕ　型、数据模型和数据集模型。　这样提供了直接访问现场设备，对各个制造厂的设　备都用同一种方法进行访问。这种方法可以用于重构配　置，很容易获得新加入的设备的名称和用于管理设备的　属性。　４．２．２基于ＩＥＣ６１８５０标准的保护装置　智能电子装置ＩＥＤ是一个实体，一个在一定范围　内，接口限定的条件下，能够完成一个或多个指定逻辑　节点任务的实体。逻辑节点是装置交换数据、执行任务　的最小功能单元。在ＩＥＣ６１８５０中，保护整定值及其相关　的动作信息是建模在各相关的逻辑节点中的。而逻辑节　点包含着大量的数据信息和数据属性。这样一来，过去　传统的以单片机或小型微处理器为主的ＣＰＵ板硬件平　台已经难以满足规约应用的需求。　因此必须为ＩＥＣ６１８５０装置提供高端的硬件支撑平　台，包括扩展高性能的微处理芯片，并为该ＣＰＵ提供大　量的存储ＦＬＡＳＨ和其他外围辅助设备。同时软件系统　框架结构应该清晰，并具有较强的兼容性和可扩展性。　４．２＿３基于ＩＥＣ６１８５０标准的测控装置　今后的测控装置除了要完成传统的“四遥”功能、定　值组操作功能以外，还必须在间隔层实现全站的五防联　闭锁功能。在ＩＥＣ６１８５０标准中，开关联闭锁功能直接在　ＧＯＯＳＥ（－－般性面向对象的变电站事件）机制中实现，其　报文可以根据优先级别在间隔控制单元间传送。　ＧＯＯＳＥ支持由数据集ＤＡＴＡ—ＳＥＴ组织的公共数据的　交换，每次由数据集ＤＡＴＡ—ｓＥＴ引用的一个或多个成员　值改变，就发送ＧＯＯＳＥ报文。抽象的ＧＯＯＳＥ报文格式　规定了包含在ＧＯＯＳＥ报文的信息。　４．３过程层　过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过　程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要　功能分３类：（１）电力运行实时的电气量检测；（２）运行　设备的状态参数检测；（３）操作控制执行与驱动。　机电信息２００８年第２期总第１７６期４９　维普资讯 http://www.cqvip.com 产品技术　Ｃ，ｔ，ｍａｔａ￣ａａｉａｈｕ　４．３．１　电子式互感器　设备。　电子式互感器又称为光电式或光学互感器，一般意　合并单元位于过程层，提供多个专门的电子传感器　义上是指一、二次电流或电压通过光纤来传输的互感　输入接口和一个串行输出接口或以太网输出接口，输出　器。电子式互感器的出现，克服了传统互感器绝缘复杂、　接口负责与间隔层通信以传输采样值。有些国外公司还　体积大、重量重，ＣＴ动态范围小、易饱和，ＰＴ易铁磁谐　赋予了合并单元更强的功能，不仅提供电子传感器接　振，易燃易爆等诸多缺点。　口，还提供传统互感器的模拟量接口，这使得变电站设　依照国际电工委员会的标准，电子式互感器可以分　计更加具有灵活性。　为有源式和无源式两类：（１）基于ＲＯＧＯＷＳＫＩ线圈ＣＴ（　电磁感应原理，但无铁芯），电容（电阻、电感）分压式　５　结束语　ＰＴ，先将高电压大电流变换成小电压信号，就近经Ａ／Ｄ　变换成数字信号后通过光缆送出给接收端，高压端电子　ＩＥＣ６１８５０标准是全世界唯一的变电站网络通信标　设备需要供电，称为有源式互感器。（２）利用光学材料的　准，它的逐步推广和应用对变电站设备的影响是全面和　电光效应、磁光效应将电压电流信号转变成光信号，经　深远的，其中有很多思想对于变电站综合自动化技术的　光缆送到低压区，解调成电信号或数字信号，用光纤送　发展、数字化变电站的建设有重要的借鉴意义。当前，生　给二次设备。因高压区不需电源，称为无源型互感器。　产相关产品的国外各大公司都在围绕ＩＥＣ６１８５０开展工　其中无源光电式电流互感器是利用了法拉第磁光　作，并提出ＩＥＣ６１８５０的发展方向是实现“即插即用”，在　效应测量电流。以磁场作用于玻璃，当一束线偏振光沿　工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标　磁场方向通过玻璃时，其偏振面发生了旋转。那么已知　准”。　偏振光在磁光材料中绕载流导体一周后其偏振面将发　生旋转，线偏振光旋转的角度与被测电流Ｉ成正比，利用　［参考文献】　检偏器将角度的变化转换为输出光强的变化，经光电变　［１］　ＩＥＣ６１８５０．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　换及相应的信号处理便可求得被测电流Ｉ。　ＳｕｂｓｔａｔｉＯＦＩＳ．２００３　无源光电式电压互感器是利用Ｐｏｃｋｅｌｓ电光效应测　［２］　赵祖康．变电站自动化技术综述．电力系统自动化，　电压。在外加电压作用下，线偏振光经电光晶体后发生　２０００　双折射，双折射两光束的相位差与外加电压成正比，利　［３］　李茂峰，岳陈熙．区域控制模式下５００　ｋＶ数字化变电　用偏振器将相位差的变化转化为输出光强的变化，经光　站的建设．中国南方电网公司第三届电网技术论坛　电变化及相应的信号处理便可求得被测电压。　［４］　李国杰．ＩＥＣ６１８５０与未来计算机监控系统．见：中国科　协２００５年学术会１１分会场暨中国电机工程学会　４．３．２合并单元　２００５年学术年会论文集．２００５　对于测量值的采集，ＩＥＣ６１８５０—９提出了合并单元的　［５］　范建忠．基于ＩＥＣ６１８５０标准的变电站监控系统数据模　概念。合并单元（ＭＵ，ＭｅｒｇｉｎｇＵｎｉｔ）是电子式互感器与　型的建立与通信实现：［硕士学位论文］．北京：中国电　二次设备接口的组成部分。它是针对数字化输出的电子　力科学研究院，２００５　式互感器而定义的，其主要功能是同步采集三相电流和　电压信息，并按照一定的格式汇总输出给二次保护控制　５０招标投标・２００８年１月