数字化变电站系统实现可行性分析

卢纯义

（金华电业局，浙江 金华321001）

1 前言

由于电力系统的不断扩大就提出了能够在电力系统中实现远程控制和远程通信等要求，而在变电站自动化系统中，也需要能够实现远程控制和远程通信。但各个设备生产厂家各自采用不同的方法来实现，不能够实现兼容设备之间的通信、互操作，这就需要制定相应的国际标准，也就是变电站自动化系统通信协议。

在现有的应用中，广泛应用的变电站自动化系统的通信协议主要有两个系列的标准:一个是由IEC TC57制定的IEC60870-5系列标准，另外一个就是由IEC TC57制定的IEC 61850系列标准。这两个标准都是根据电力系统生产过程的特点，能够满足信息传输要求的远动协议。因此是迄今为止最为完善的变电站自动化的通信标准，它代表了变电站综合自动化系统的发展方向。

2 IEC 61850的特征分析

2.1 变电站的信息分层结构

变电站通信网络和系统协议IEC 61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念，将变电站的通信体系分为三个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口。

2.2 面向对象的数据建模技术

IEC 61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口（ACSI）和服务器通信可访问数据对象，如图1所示。

2.3 数据自描述

该标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则；采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务。面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。

2.4 网络独立性

IEC 61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI）。客户通过ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（MMS）等。IEC 61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要修改ACSI。

2.5 IEC 61850的局限

首先是关于保护信息处理方面（定值、带参数信息的保护动作事件、录波），目前版本的IEC 61850规定得不够具体甚至相互矛盾；其次在变电站描述语言这一部分已被发现若干错误；另外关于采样值通信这部分有些超前当前网络以及硬件水平。

3 数字化变电站

3.1 数字化变电站的理解

数字化变电站是一个不断发展的概念，到目前为止，并没有形成“数字化变电站”的严格的完整定义。但是经过多年的摸索、实践以及交流讨论，业界对于“数字化变电站”的含义正在逐步达成一致，目前，普遍认为数字化变电站技术是指基于IEC 61850标准建立全站统一的数据模型和数据通信平台，实现站内一次设备和二次智能电子装置的数字化通信，确保智能装置之间的互操作性。其主要特征有：数字化的一次电气设备；基于IEC 61850的全站统一的数据模型及通信服务平台；网络化的二次装置。

3.2 数字化变电站的优势

变电站的各种功能可共享统一的信息平台，避免设备重复。通信网络取代复杂的控制电缆。提升测量精度。提高信号传输的可靠性。应用电子式互感器解决传统互感器固有问题。避免电缆带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题。进一步提高自动化和管理水平。减少变电站的总投资。

3.3 数字化变电站的技术基础

3.3.1 计算机网络技术的应用

通信环节是变电站自动化系统的关键，对数字化变电站具有重要影响的网络技术包括：①交换式以太网技术；②IEEE802.1p排队特性；③虚拟局域网（VLAN，virtual local area network）技术；④快速生成树协议（IEEE802.1w rapid spanning treeprotocol）。

3.3.2 遵循IEC 61850标准建立通信架构

通信网络架构是实现数据传输以及自动化功能的基础。数字化变电站首先是建立IEC 61850的通信网络架构，即符合IEC 61850标准的数据对象，LN和抽象通信服务接口（ACSI）模型，以及服务对应的映射（SCSM）。其次是变电站的网络结构，各IED之间需要进行大量的数据交换，对应于数据交换的不同需要，在变电站网络拓补设计中，对数据传输的带宽要求增加，尤其是过程总线的实现关键性部分。

3.3.3 非常规互感器与智能开关技术

采用低功率、数字化的新型互感器代替常规的PT和CT，将高电压、大电流直接变换为数字信号，利用高速以太网构成数据采集及传输系统。基于微机、电力电子技术和新型传感器建立新的断路器二次系统，保护和控制命令可以通过光纤网络传输到断路器操作机构的数字化接口。这些技术使变电站的过程层得以数字化，以太网业成为全变电站的神经中枢。

4 数字化变电站系统实现的可行性

4.1 完全数字化变电站

完全数字化变电站就是全面采用ECT/EVT和ESW/ECB设备，在变电站的通信网络构建中遵循IEC 61850标准，即变电站的间隔层、站控层和过程层全部实现数字化，过程层的测量、监视和控制全部实现数字化、网络化。完全数字化变电站的系统实现方案如图2所示。

该系统方案站级层后台和间隔层装置包括保护装置和测控装置的通信均应用IEC 61850通信协议标准；间隔层测控单元之间采用基于GOOSE快速报文机制的水平通信，实现间隔层全站联闭锁功能；间隔层保护装置之间采用基于GOOSE快速报文机制的水平通信，取消保护装置之间的屏间电缆；对于采用ECT/EPT和ESW/ECB的过程层设备，可通过合并单元将ECT/EPT上送到过程层以太网，通过IEC 61850-9中的SMV模型得到采样值，GOOSE模型实现数字式开关的操作。

4.2 变电站升级改造方式

4.2.1 极端的改造方式

（1）“至上而下”全面验证的方式，把现有符合IEC61870-5-103的变电站自动化系统全部更换为当前技术水平下的IEC 61850系统，未实现的IED设备采取至IEC 61850规约转换方式接入。该方案便于充分暴露问题，但对现有一、二次设备均动作较大、成本较高，由于配套标准的不完善所带来的风险也比较大。（2）“自下而上”逐步验证的方式，分步骤采用数字化一次设备挂网，IEC 61850间隔规约逆转换(专用网关)接入IEC 61850应用，同站内建立独立的、标准不同的两套自动化系统并列运行方式，依据IEC 61850研究进程或技术发展成熟性逐步验证。该方式较为稳妥或保守，可能要对现有系统不断作出多次和多处调整，且周期较长、不易操作实施。

4.2.2 过渡策略

常规变电站改造为数字化变电站的过程中，为了降低成本，避免大规模的淘汰站内可用的二次配接和设备，因此必须考虑从常规变电站到数字化变电站的一个过渡策略，即必须解决数字化变电站技术对于常规设备的兼容问题。

过程层中主要是电子式互感器、智能断路器与常规互感器、断路器之间的兼容。间隔中全部都是常规设备，则可以考虑采用硬接线联结方式实现保护装置、监控单元与常规互感器和常规断路器的信息交互；间隔采用非常规互感器，常规断路器，则使用合并单元接入非常规互感器，常规断路器仍采用点对点硬接线联结方式；间隔都采用常规设备，但是使用了过程总线，则可以使用合并单元将常规互感器采样值以多播方式发布到过程总线，常规断路器则通过基于IEC 61850标准的开关控制器接入过程总线。

间隔层IED如果符合IEC 61850标准的可以直接连接到站级总线，对于不符合该标准的常规IED则需要通过虚拟设备服务器（规约转换器）接到站级总线。

5 继电保护测试方法进行探讨

传统继电保护测试方法是调试人员采用了一台昂立或一台博电继保测试仪等三相校验设备对保护动作逻辑、特性和其他相关进行校验，然后进行带开关传动和信号核对。对每台保护装置，调试人员都是先做安全措施、试验接线，再根据定值手工计算故障量的大小，试验仪不能自动读取保护定值并计算故障量。基于IEC-61850标准的继电保护测试方法进行探讨应该有很大区别：

5.1 安全措施

传统的电流、电压、跳闸等电缆的安全措施已不存在，现在只要拔下相应的影响其他运行设备的网线即可，大大节省了时间和安全风险。

5.2 校验设备

校验设备将与传统的完全不同，传统的校验设备要进行模拟量（电流、电压、开关量）输出，新设备完全是数字输出，可以模拟任何故障，不存在过压、过载、畦变和输入输出延时等问题，精度上要远远高于传统交流量。而且它也可作模拟任何一次设备，送出相当于合并单元输出的数字化模拟量信息给继电保护。

5.3 方法

传统的接线方式将会被网线所取代用于提供各种数字式模拟量、开关量和发送/接收GOOSE消息。利用接收到GOOSE消息，实现如南瑞HELP一样全自动校验，甚至可以自动生成试验报告，真正做到“一键式”校验。一台保护测试仪通过HUB和多台被测保护（可以是不同厂家），如500kV、220kV等双重保护、35kV、10kV在同一段母线上保护连接。在进行保护校验的同时可以进行信号核对，这样大大节省接线和校验时间。

6 结束语

未来的电力网络系统需要新的信息架构支持,将监控、保护和就地自动化等前后台信息连接成为一个整体,以保证电力系统安全和高效地管理。IEC61850标准为开放式数字化变电站自动化系统平台的建立提供了通信依据。IEC61850采用面向对象的建模方法和抽象、分层映射的技术,通过规范系统和项目管理及一致性测试等途径保证其目标的实现。它不仅适用于变电站自动化内部网络通信,也适用于配电自动化、电能计量系统、发电厂自动化系统、风力发电及其他工业自动化领域。因此，在工程实施过程中应根据具体情况逐步推进数字化变电站的建设深度。

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