IEC 61850在变电站的应用（力通公司成功案例）
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新闻综述
IEC 61850在变电站的应用（力通公司成功案例）
2008-8-1 | admin
摘要：IEC 61850协议体系标准实现是未来电力自动化系统的发展方向，是数字化变电站系统实现的重要而基本的内容。本项目采用GE公司提供的保护和北京德威特力通系统控制技术有限公司自主研发的软件系统，在河南南召岳庄35KV变电站进行了应用。本项目产品必将在由传统通信协议向“IEC 61850标准”转化及互联方面发挥巨大作用，对促进我国电力自动化系统的通信标准化发展具有十分重要的意义，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础。

关键词：变电站；IEC 61850；数字化

0 概述
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，近几年来，在电网改造与建设中大量的变电站采用了自动化技术实现无人值班，大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可靠性，降低了变电站建设的总造价。然而，在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍是不同厂家的智能设备（简称IED），甚至同一厂家不同型号的IED所采用的通信协议和用户界面的不同，因为需要额外的硬件（如规约转换器）和软件来实现 IED互联，实现自动化系统的无缝集成和互操作造成一定的困难，这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和意义。因此，变电站自动化系统在实现功能之外，还应具备互操作性、开放式的系统联接、选择设备不依赖于生产厂家（支持IEC 61850均可）、可以经济最优化选择可靠的设备、工程管理和运行管理成本最小化、有大容量和大范围的数据库等性能。这在以往系统分析和设计过程中通常是被忽视的。
国际IEC委员会在充分考虑上述变电站自动化系统的功能和要求，特别是互操作性要求的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信标准体系IEC 61850标准。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了有效的途径。该标准的制定及其内容已超出变电站自动化系统的范围，将会扩展到其他工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制的国际标准。当前, 国内外电力设备生产商都在围绕IEC 61850 开展研究和应用工作，并提出IEC 61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
本项目采用GE公司提供的保护和北京德威特力通系统控制技术有限公司自主研发的IEC 61850通信软件系统，在河南南召岳庄35KV变电站进行了应用。本项目必将在由传统通信协议向“IEC 61850标准”转化升级方面发挥巨大作用，对促进我国电力自动化系统的通信标准化发展具有十分重要的意义，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础。

1 系统介绍
岳庄35KV变电站建成于2001年，有5条馈线（岳供一、岳供二、岳供三、岳供五、岳供六）和一台35/10KV变压器（岳一主变）处于运行状态，其保护、监控、电量计费等系统相互独立且不能实现数据远传，由于和电站中控室相距较远，造成运行和日常巡视检查上的不便。本项目基于IEC61850变电站通信体系对岳庄35KV变电站进行监控及保护综合自动化改造，实现保护信息和控制信息等的实时远方监控，使整个变电站的保护自动化系统提升到一个较高的水平，满足未来系统全信息化和升级方便的需求并适应未来若干年系统运行要求及电力系统信息化改造的要求，同时使系统易于扩展升级。
全部改造工程分二期实现，第一期计划完成各馈线和变压器保护装置的信息化改造及电站其他信息的集中处理与自动录波、分析功能；第二期计划实现电站保护和监控信息的远传。

2 系统配置
2.1系统结构
变电站IEC 61850综合自动化采用分层分布式系统。系统分为三层：站控层、网络层、现场监控保护设备层（间隔层）。各现场监控保护设备直接以以太网星形组网，可靠性高，便于扩展（未来增加网络交换机就可以）。系统配置多路冗余通讯接口，便于采集电站原来所安装不同厂家的自动化装置、电表、直流屏，并能适应各种不同通讯协议。
2.2网络结构
变电站综合自动化配置如图1。
图1 系统配置图
2.3站控层
系统站控层由嵌入式工业计算机构成，兼顾通讯管理及规约转换职能。该综自系统功能齐全、可靠性高、结构紧凑、操作简单。监控软件可灵活运行于WINDOWS2000/XP等WINDOWS XPE操作系统，监控软件采用面向对象的Visual C++编程软件开发，结合电力综合自动化诸多的特点，是一个组态灵活、开放性的实时数据库管理系统。
所有IEC 61850综合保护装置均直接集中组屏安装在监控柜上，设备通讯采用以太网连接。现场的直流装置、电度表等将采集的过程数据通过各自的私有通信协议传输到网关软件模块系统中，服务器将信息转换成符合IEC 61850标准的信息格式和通信服务，从而实现非IEC 61850标准设备（系统）与后台主站之间的IEC 61850标准通信功能。IEC 61850通讯软件模块汇集IEC 61850通信网所有信息，与站外调度（集控站）进行通讯连接。
2.4网络层
通讯采集管理单元采用与站控层主机一体化的工业级嵌入式计算机，就地组屏安装。系统主通讯网均采用10/100M以太网，可与电厂信息网联接，接口充分考虑未来扩展的需求。对目前的系统，利用原有的电站自动化系统中电度表、直流屏等微机接口设备，进行信息抽取和数据整合，实现电力信息的汇总管理。
2.5现场监控保护设备层（间隔层）
间隔层的主要IEDs（保护装置、测控装置、直流系统、电量计费系统）和站层之间的通信均应用IEC 61850通信协议标准实现。信息在高速以太网上交换。系统对时采用全站SNTP网络统一对时方式，同时设置独立的GPS系统。
在保护方面采用GE公司的UR系列保护装置，该系列保护具有嵌入式IEC 61850通讯功能。本工程用了T35变压器监控保护装置和F35多馈线监控保护装置。岳一主变的保护配置一台T35作为主保护和后备保护，该保护通过内部模块配置可实现带比率制动的电流差动保护、差流速断保护以及高、低压侧过流及速断的后备保护功能。通过配置I/O模块可实现瓦斯保护的动作和报警功能。5条10KV馈线保护采用一台F35，通过模块化配置可对五条馈线在物理上提供相对独立的保护监控单元功能，可以满足目前系统运行的监控及保护需求，F35所提供的主要功能为瞬时及延时过流保护。
2.6 保护测控装置采用集中组屏安装方式,如图2所示。
3系统软件功能
综合自动化软件系统由多个软件功能模块体系构成，可以进行配电系统的一次接线图的显示与操作、相关参数设置、遥控闭锁操作、报警、事件记录、分析曲线、棒图、实时与历史报表打印、智能报警、负荷分析、定值计算等功能，通讯管理系统软件可以实时采集站内各设备信息，并可同时向上一级自动化系统通过标准规约进行运行监测数据的传输。
3.1电力信息的采集与处理
实现各类电气设备信息监控和四遥功能：提供开放的ActiveX控件接口，通过网络节点可以远程访问实时和历史数据；通过ODBC接口实现与关系数据库双向数据交换；符合工业自动化的标准通讯，能够以OPC标准和第三方软件进行数据交换；支持INTERNET/INTRANET直接访问，可以用IE浏览器作为一个瘦客户端软件来访问服务器的数据及监控画面。
3.2图形功能
可通过运行工况图显示变电站的地理位置图、一次接线图、电气主接线图、实时系统运行工况图、故障报警的详细记录、 跳闸设定的曲线对比图、模拟指针表图等。
分析曲线对实时数据以曲线的方式进行显示，可以对实时电流、电压和能耗等进行显示，并可以灵活的进行设置。
3.3报表功能
通过报表工具可以制作实时数据报表和历史数据报表。报警记录功能可对系统模拟量的越限报警、开关跳闸报警进行记录；事件记录功能可记录系统发生的事件信息和操作信息，并且可以对各线路情况进行查询。
3.4打印功能
定时打印报表，包括运行日志、开关操作记录及事件顺序记录。
3.5安全权限管理
为保证系统的安全性，系统可根据各工作站的不同用途设置相应权限，系统提供基于用户权限的安全管理系统，可设置系统操作员、系统工程师、外部有关人员等多级的操作权限，每个用户都有自己加密的个人口令密码。
3.6软件系统开放性
数据库开放接口提供开放的ActiveX控件接口，通过网络节点可以远程访问实时和历史数据,ODBC接口实现与关系数据库双向数据交换,OPC架构符合工业自动化的标准通讯，能够以OPC标准和第三方软件进行数据交换。
3.7事件处理机制
系统含有完善的事件记录服务机制，任何对数据库的访问、通讯数据的事件传送、现场采集数据的变化报警、网络通讯状态等均产生相应的带时间戳的事件，并可被历史记录，用户可以访问和查询这些记录。特别对SOE事件，严格按电力系统的相关规定处理，事件的存储、分类、查询及读取十分方便。

4 方案特点
4.1 IEC61850保护配置特点
采用F35先进的多馈线监控保护装置，本站的自动化系统升级为IEC 61850体系仅需1面屏就可完成（屏面预留备用F35位置）。作为典型35kV电站仅需2面屏就可完成，对未来35kV电站自动化系统的升级改造具有重要的参考价值。装置间GOOSE闭锁功能的实现使全站总体运行的安全性及可靠性提升到较高的水平。
4.2站内通讯系统的高兼容性、高可靠性和接口的多样化
作为无人值守自动化的要求，采用嵌入计算机、触摸屏完成就地监控、数据集中和信息远传功能。达到系统配置高可靠性和配置最优。计算机结构采用工业级无风扇、全密封，上架式19”的1U结构，嵌入式安装于主保护监控屏上。
通过IEC 61850网络通讯交换机、后台监控主机、网络通讯管理机的通讯接入均可获取全站完整模型信息。整个系统具有良好的信息互联开放性。
4.3与站外电厂监控中心通讯
该功能由安装于主保护监控屏上嵌入计算机采用丰富的通讯接口来完成，采用以太网方式，按IEC-104通讯规约，将电站运行信息与电厂信息系统互联通讯。
系统调试完成后，可在17”触摸显示器，对全站主变、出线及站内其他自动化设备进行监视、控制。
4.4 本项目的实现在国内达到以下几个技术领域的创新成果：
第一个以完整信息实现的变电站IEC61850应用项目
第一个实现以IEC61850系统与电厂信息系统互联的变电站
第一个站内直流、电度表系统设备级转换接入IEC61850系统的变电站改造项目
第一个变电站IEC61850系统实现站内装置GOOSE信息闭锁应用的项目

5 未来展望
随着电子式互感器及智能化开关设备技术的发展，使得一次设备与二次设备可通过光纤以太网交换信息。电子式互感器具有体积小、无铁芯、因此无饱和现象，且线性度好，可输出信号直接与IEC接口。智能开关除了具有开关设备的基本功能，还具有数字化接口、在线监视、智能控制等一系列的高智能化功能。未来变电站IEC 61580的模式如图3所示。


6 总结
IEC 61850协议体系标准实现是未来电力自动化系统的发展方向，是数字化变电站系统实现的重要而基本的内容。国家电力公司已将IEC 61850标准的推广和应用作为近年重大应用项目列入国家电力发展规划中。
数字化变电站应用中面临新老自动化系统交替、互联共存的现实问题，在电力自动化系统基于IEC 61850通信标准化、通信协议转换方面进行研究和应用，能促进电力自动化的标准化发展，带来巨大的经济效益。缓解长期困扰电力自动化系统用户和设备制造商的系统设备联接和系统联网问题。将来能适应国际电力自动化系统通信技术的发展，及时提高电力自动化系统通信协议体系对“IEC 61850标准”的适应性。“IEC 61850标准”全面在我国电力行业推广实施会有一个过程，但它对推进变电站数字化的发展将产生重大而长远的影响。

参考文献
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[2] Data Access Custom Interface Standard Version2.05
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[6] ISO/IEC 8650-1:1996, Information technology – Open Systems Interconnection – Connection-oriented protocol for the Association Control Service Element: Protocol specification
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[8] ISO/IEC 8327-1:1997, Information technology – Open Systems Interconnection – Connection-oriented session protocols: Protocol specification
[9] ISO/IEC 8823-1:1994, Information technology – Open Systems Interconnection – Connection-oriented presentation protocol: Protocol specification
[10] RFC 1698,Octet Sequences for Upper - Layer OSI to Support Basic Communications Application
[11] The Impact of Standardized Models, Programming Interfaces, and Protocols on Substation Ralph. Mackiewics, Vice President SISCO, In.
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