張  巖1，張  璇2

　　（1. 國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075;2. 國網北京市電力公司物資分公司，北京 100053）

　　摘  要： 變電站自動化系統是一種包含著智能電子設備以及提供了系統控制、繼電保護、監視監控等的現代通信網絡的新型電力系統。自動化系統能夠完整地行使其功能取決于各部分組件的協調與配合，而不同制造廠商的智能電子設備從通信協議、接口調試等方面都限制著變電站自動化系統的發展與應用。闡述了為解決上述問題而產生的IEC61850標準的優勢，以及對現代變電自動化系統的重要影響，并簡單探究了應用IEC61850的變電站自動化系統發展趨勢。

　　關鍵詞： 變電站自動化系統；智能電子設備；IEC61850；繼電保護

0 引言

　　在變電站自動化系統中，能否準確地實現自動化系統的各類功能在很大程度上取決于不同生產廠家的智能電子設備是否可以整體運行。從工程管理角度分析，良好的整體運行意味著各種電子設備聯結使用時可以比獨自運行產生更好更優的結果。而在電力系統高電壓等級的變電站中，各類、不同生產廠家的電子設備在繼電保護與自動化控制中的相互協調作用是尤為關鍵和必要的。然而不同的生產廠家的設備無法統一相同的協議，這給系統的整體運行提出了很大的挑戰。由于各生產廠家從事變電站自動化系統服務多年，每家都擁有著自己設備型號獨自的規約與協議，例如PON、Profibus、EFIP等等[1]。IEC60870-5-103 提供了一種主-從模型，一定程度上解決了數字繼電保護裝置的通信問題。即使如此，這套標準受限于不同協議之間傳輸的數據速率問題，仍存在較大的改進空間。為了進一步改善、規范變電站自動化系統各設備間的互操作性、信息接入和信息維護等方面的問題，國際電工委員會終于在2006年正式完善發布了完整的IEC61850規約，實現了各生產廠家不同設備之間的互操作性等問題。

　　本文將具體闡述IEC61850的一些特性，并對現代變電站自動化系統上應用IEC61850進行探究。

1 IEC61850 主要特性與功能

　　IEC61850規約針對不同種類、不同型號、不同廠家的繼電保護及自動化裝置提供了一個更友好廣闊的平臺，其主要的特性與功能如下：

　　（1）設備的互操作性 :不同生產廠家的智能電子設備具備信息交換、協同操作能力；

　　（2）高速率數據同等延遲機制通信替代原始主-從通信模型；

　　（3）系統功能的自由分配 :智能電子設備和站控層所完成的變電站自動化功能并非固定不變 ,各功能可在不同設備間自由分配；

　　（4）建立在面向對象導向的數據識別模型包含了所有數據信息，替代了原始只能通過地址識別的單一導向模型；

　　（5）系統性和完整性：能夠滿足變電站所有必需的信息描述和信息傳輸功能；

　　（6）系統的開放性和穩定性：IEC61850規約具有開放性和長期穩定性的特征，適應通信技術與變電站自動化系統發展的客觀要求[2]。

2 基于IEC61850規約的垂直層面通信

　　IEC61850規約的分層技術將變電站通信體系從邏輯概念和物理概念上都分為變電站層（站層）、間隔層和過程層的三層結構形式。

　　電網SCADA系統位于遠程終端，其數據通信處于IEC61850垂直層的站層，SCADA連接有遠方控制中心、工程師站及人機界面，具有控制監控的權限，從最高級的控制層一直到下層的刀閘變位、斷路器信息、變壓器信息、事件警報等。

　　站層與間隔層之間設有終端-服務器模型，用以協調兩層之間的通信；位于間隔層的智能電子設備作為服務器進行與站層及過程層的數據傳輸與接收。數據依據終端需求或自動傳送至更高級別的服務器，而終端通常依據各類情況發布控制指令進行各類設備的操作。在IEC61850規約平臺下，終端-服務器模型具有較快的傳輸速度與效率，并且可以同時進行多線程指令操作。

　　隨著電子式互感器、智能化一次設備的逐步采用 ,現代電力技術的發展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層中去, IEC61850通過層間功能接口體現了這一發展趨勢。

3 基于IEC61850規約的水平層面通信

　　對于不同層級中的數據傳輸，IEC61850的水平通信功能極大地提高了傳輸速度，可以同時實現多種功能的同時運行。典型的數據傳輸有：線路保護與自動重合閘之間的數據傳輸；層間斷路器故障的數據交互；不同層間的連鎖信息傳遞。

　　這些功能獨立于用戶操作并且由于其較高的安全優先級，需要極快的速度（毫秒級）響應。出于這樣的考慮，終端-服務器模型已經不能滿足如此高速傳輸的需求。通常情況下，不同的功能信息存放于不同的智能電子設備中，帶有輔助繼電器功能的銅導線以及串行網絡被應用于數據傳輸中，不同智能電子設備之間也通過水平層通信進行數據交換[3]。

　　基于此種類型的數據交換，多個智能電子設備通過串行網絡相連，使用基于對等通信模型的面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event, GOOSE)用以高速傳輸數據。如圖1所示，GOOSE信息以組播形式在各設備器件之間傳遞信息。

4 IEC61850的過程層連接架構

　　變電站自動化系統必須通過IEC61850的過程層實現變電站自動化系統與高壓電器設備的數據交互，例如：

　　電流、電壓波形；開關、刀閘變位狀態；控制指令。

　　數據交互通過銅導線或串行通信網絡實現，IEC61850中使用合并單元對一次互感器傳輸過來的電氣量進行合并和同步處理，并將處理后的數字信號按照特定格式轉發給間隔層設備使用。其中關鍵數據通過GOOSE信號傳遞，例如繼電保護裝置對斷路器發送的觸發信號；非關鍵數據則通過終端-服務器模型傳送，例如SCADA應用。通過不同優先級的數據傳輸，極大地提高了變電站自動化系統的通信效率。

5 基于IEC61850的變電站配置描述語言（SCL）

　　IEC61850-6提出一種變電站配置描述語言（SCL），以擴展標記語言（XML）為基礎，描述了智能電子設備與通信系統的配置信息，實現了智能電子設備與自動化系統時間的實時共享。變電站配置描述語言的出現，很大程度上簡化了不同生產廠商不同型號設備之間配置信息的采集，有助于更好地堆變電站自動化系統及智能電子設備的控制與維護。同時SCL用于描述通信相關的IED配置和參數、通信系統結構、開關間隔結構及它們之間的關系。

　　SCL編寫的配置文件分類：根據描述的內容和用途的不同分類，通過擴展名區分[4]。

　　（1）SSD文件－系統規范描述文件System Specification Description，描述變電站的單線圖、電壓等級、一次設備等信息，文件包括變電站描述、數據類型模板等。

　　（2）ICD文件－IED能力描述文件IED Capability Description，與IED一一對應，描述IED裝置的能力，使用模板定義邏輯節點、數據和服務。

　　（3）SCD文件－變電站配置描述文件Substation Configuration Description，由系統配置從SSD文件和ICD文件生成，描述完整的變電站、IED以及通信系統。

　　（4）CID文件－IED配置描述文件Configured?IED?Description，跟ICD一樣與IED一一對應，是最終的配置文件。

6 傳統變電站自動化系統與IEC61850變電站自動化系統的對比

　　6.1 傳統變電站自動化系統結構

　　如圖2所示，傳統變電站系統主要由以下結構組成：實現各種功能的智能電子設備；并行硬線連接的智能電子設備與一次設備；應用于控制及繼電保護的智能電子設備串行通信；網關與網絡控制中心采用串行連接；繼電保護單元、控制單元。

　　間隔層的設備主要實現繼電保護、自動化控制、遠程錄波、時間同步等功能；站層的設備主要實現與遠程控制中心的通信、時間報警、數據監測、狀態監測等功能[5]。

　　6.2 應用IEC61850的變電站自動化系統結構

　　如圖3所示，應用IEC61850的變電站自動化系統主要包括以下結構組成：各類功能的智能電子設備；智能電子設備與一次設備在IEC61850-9-1與IEC61850-9-2協議基礎上，通過串行通信連接；智能電子設備與遠程控制、人機界面等站層基于IEC61850-8-1協議通過串行通信連接；網關與網絡控制中心通過串行通信連接。

　　間隔層主要包括：繼電保護裝置、控制裝置、擾動記錄器、數據采集裝置等；

　　站層主要包括：遠程控制中心通信、支路通信、站層人機互動界面、時間警報處理、監控裝置、狀態監測、時間同步裝置等。

　　6.3 傳統變電站自動化系統與IEC61850變電站自動化系統功能對比

　　如表1所示，對傳統變電站自動化系統與IEC61850變電站自動化系統部分功能進行了對比[3]。

7 基于IEC61850的變電站自動化系統的應用

　　近些年，ABB、西門子、GE等生產廠家已陸續推出了基于IEC61850的變電站自動化系統配套產品，并逐漸廣泛應用于中國及海外市場。我國自主研發的基于IEC61850變電站自動化系統及相關試驗也日益增多，例如：國電南瑞公司的NS3000系統、南瑞繼保電氣有限公司的PCS9700 系統、以及國調中心推行的交互性試驗、北京500 kV順義站自動化系統試驗等都取得了較好的成果。截止2015年2月，國網北京市電力公司已擁有220 kV、110 kV應用IEC61850的新型智能變電站40余所[6]。

　　雖然基于IEC61850的變電站自動化系統正廣泛應用試點，但IEC61850 本身各種模型的細化、細化后的統一還在進一步磨合過程中，

8 結論

　　IEC61850是國際電工技術委員會最新發布的變電站自動化規約，目的是為了統一目前紛雜的變電站自動化系統，增強自動化系統的開放性、交互性及可延伸性。該標準已用于通信的解耦，并通過變電站配置描述語言（SCL），為不同生產廠家的不同型號設備實現交互和集成提供了方式方法。

　　相較傳統變電站自動化系統，基于 IEC61850標準變電站自動化產品在設備互操作性、信息接入和信息維護等方面都有傳統變電站不可比擬的優勢, 并且已在國內外變電站自動化和數字化領域得到成功應用。 IEC61850標準將成為變電站自動化系統的重要的 發展趨勢。

參考文獻

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　　[2]夏勇軍, 蘇 昊, 胡 剛, 等.數字化變電站研究與應用展望[J] .湖北電力, 2007(3):9-12.

　　[3]VADIATI M, GHORBANI M A EBRAHIMI A R. M. Arshia, future trends of substation automation system by applying 61850[Z].Informational Technologies，2006.

　　[4]吳永超,王增平,呂燕石,等.變電站配置語言的應用及解析[J]. 電力系統保護與控制, 2009,37（15）:38-41.

　　[5]張結.應用 IEC61850 實現產品互操作性的思考[J].電力系統自動化. 2004, 28(23): 76-80.

　　[6]任雁銘, 操豐梅, IEC 61850新動向和新應用[J].電力系統自動化, 2013,37(2):1-6.