基于IEC 61850标准的数字化牵引变电所的应用

董安平

0 前言

牵引供电系统是电气化铁道的重要组成部分，其自动化技术的发展程度是提高牵引供电可靠性及供电质量的关键之一。传统牵引变电所的一、二次设备种类繁多，接口标准各异，各地域间技术装备水平存在差异。目前，IEC 61850标准的推出为变电所的进一步技术变革指明了方向。IEC 61850标准是IEC TC57提出的关于未来变电所自动化系统的通信体系标准[1]。在该标准中，将变电所设备依据所处地位划分为变电所层、间隔层和过程层3个层次，并将以太网通信引入过程层，整体描绘出未来变电所从一次设备（主变压器、开关等）向上到整个变电所全面数字化的美好蓝图。基于 IEC 61850标准的数字化牵引变电所将彻底取消一、二次设备间大量的电缆接线，光缆取代了电缆，数字代替了模拟，将大幅度简化各类装置结构，依托更好的信息化和自动化实现进一步的减人增效，预计数字化牵引变电所将成为未来铁路发展的趋势。

本文介绍了 IEC 61850标准的主要内容和特点，并结合目前牵引变电所现状，分析了采用IEC 61850标准进行数字化牵引变电所设计中需要解决的问题。

1 IEC 61850标准的内容与特点

1.1 IEC 61850标准的内容

IEC 61850标准是由国际电工委员会第57技术委员会（IEC TC57）制定的一系列国际标准（国内相应的电力行业标准为DL/T860）[2]。就概念而言，IEC 61850标准主要围绕以下4个方面展开：

（1）功能建模。从变电所自动化通信系统的通信性能（PICOM）要求出发，定义了变电所自动化系统的功能模型。

（2）数据建模。采用面向对象的方法，定义了基于客户/服务器结构的数据模型。

（3）通信协议。定义了数据访问机制（通信服务）和向通信协议栈的映射，如在变电所层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS（IEC 61850-8-1）。在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络（IEC 61850-9-1）或映射成基于IEEE 802.3标准的过程总线（IEC 61850-9-2）。

（4）变电所自动化系统工程和一致性测试。定义了基于XML（Extensible Makeup Language）的结构化语言，描述变电所和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。为了验证互操作性，参考文献[2]描述了IEC 61850标准一致性测试。

1.2 IEC 61850标准的特点

IEC 61850标准的主要特点有以下几个方面：

（1）采用分层、分布的通讯体系。IEC 61850标准根据功能分类的不同提出了变电所信息分层概念，即变电所层、间隔层、过程层3层通信网络结构模型。变电所层负责人机接口、报警和事件处理等功能；间隔层负责控制、自动保护、计量、记录等功能；过程层由智能传感器、控制电路等二次智能设备组成，获取一次设备信号，反映一次设备的状态和信号，并接收间隔层的命令对一次设备进行操作。它将由一次设备构成的过程层纳入了统一的结构中，这是基于一次设备的智能化和网络化发展的结构。

（2）使用面向对象建模技术。IEC 61850标准采用面向对象建模思想，将变电所自动化系统中通信系统及相关设备的功能分解为逻辑节点，并将其作为对象进行建模。每个智能电子设备（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。就通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户都可利用抽象通信服务接口（ACSI）通过服务器访问数据对象。

（3）提供自我描述的数据对象及其服务。IEC 61850-6标准中定义了变电所配置语言SCL，该语言用于描述IED的配置和通信系统配置。在应用层上，也可描述开关间隔拓扑本身以及配置在 IED上的变电所自动化功能，即逻辑节点的关系。SCL允许将 IED配置的描述传给通信和应用系统管理工具，也可以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给IED的配置工具。SCL的主要作用就是使得通信系统配置语言可在制造商提供的 IED装置和系统配置工具之间进行相互交换。

（4）使用 ACSI和 SCSM 技术。IEC 61850标准归纳出变电所自动化系统所必须的信息传输服务，并对其进行模块化，设计出抽象通信服务接口 ACSI，使得抽象建模与具体的网络应用层协议独立，即与采用的网络类型无关。考虑到各种各样的通信体系的建立，IEC 61850标准引入了特殊通信服务映射SCSM，SCSM将抽象通信服务接口定义的服务、对象和参数映射到应用层，适用于多种传送协议。采用该映射模型可以使数据对象和ACSI服务有很大的灵活性，它的改变不受七层协议栈的影响。当变电所使用不同的网络类型只需要更改相应的特定通信服务映射SCSM。

2 IEC 61850标准在牵引供电系统的应用

2.1 牵引变电所自动化系统现状

国内铁路牵引供电系统广泛采用的变电所自动化系统是在2000年左右成型的微机型综合自动化系统。目前的综合自动化系统存在以下几个主要问题：

（1）使用大量的控制电缆，提高了系统建设成本，增加了运行风险。

（2）间隔层设备之间不能共享信息，造成硬件设备重复配置，提高了系统的复杂性和建设成本。

（3）不同厂家的设备不能直接互换，系统开放性、可扩展性和可维护性较差。

（4）目前牵引供电系统的远动系统大多采用IEC 60870-5-104规约作为控制站和被控站之间的通信规约。由于没有对各种实际对象进行建模和描述，各个厂商按照各自不同的理解进行设计，使得不同系统之间互操作性比较差。

2.2 采用IEC 61850标准需要解决的问题

2.2.1 电子式互感器的应用

传统电磁式互感器存在磁滞饱和问题，并且电缆连接方式存在抗干扰性差、精确度低等缺点，而数字化电子式互感器在低压部分通过光纤输出数字信号提供给二次设备，具有抗电磁干扰能力强、频率响应范围宽等优点，是互感器的发展方向。提高电子式互感器的可靠性对数字化变电所技术的推广具有决定性作用。对于低电压等级，目前电子式互感器的技术优势不明显，而且各个间隔间的电流和电压信号基本上不需要在多个间隔层设备之间共享，因此不必对电流和电压信息进行数字化处理后再以IEC 61850（或者IEC 60044-8）标准进行传输。对于低电压等级，可以仍采用常规互感器，或者采用低功率输出的新型互感器并与就地安装的间隔层设备相配合，间隔层设备采用数字化接口支持IEC 61850标准。

2.2.2 智能化一次设备

数字化牵引变电所内的智能化一次设备主要包括数字化开关和变压器等，其信号回路和操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字信号和光纤代替。当前，智能化一次设备还处于实验室研究和理论论证阶段，国内外均没有成熟产品应用的报道。考虑到铁路牵引供电系统原有传统一次设备的改造难度，通过在互感器和开关上加装智能采集终端及智能控制终端装置，实现模拟量数字化传输和开关、刀闸的数字化操作。其中，智能终端装置针对单个电流互感器、电压互感器或断路器设计，由智能采集装置根据系统同步脉冲完成模数转换，并将数据通过光纤送至合并单元，合并单元通过高速光纤再将时标一致的电压和电流数据转发给各保护测控单元。

2.2.3 系统的网络选型

间隔层设备安装在开关柜上，仍采用电缆传输模拟信号的方式实现与互感器和开关的信息交换。为避免不同特点的数据相互之间的影响，系统可采用监控层网络、过程层网络和模拟数据传送网络三网分离策略。监控层网络数据的特点是突发性强、数据量大，传送实时性要求不高；过程层网络数据的特点是数据量不大，具有突发性，传输要求可靠性高、实时性强；模拟数据传送网络数据的特点是数据量特别大，呈周期性，传输的要求是实时性、稳定性、可靠性都要非常高，延时需要确定。三网相互独立，分工明确，确保整个牵引变电所系统的安全和稳定。

2.2.4 既有变电所改造过渡策略

随着数字化变电所新技术的积极研究并逐步推广应用，IEC 61850标准将得到广泛应用，传统的既有变电所将需要进行过渡改造以支持 IEC 61850标准。但对于低压既有变电所如果完全改造成采用电子式互感器，可能导致成本高昂，在变电所升级的过程中，变电所一般从经济利益的角度出发首先改造二次设备，采取更为先进的技术与通信方式，而对一次主设备仍沿用传统的老方式。因此，只建议低压所高压侧部分采取电子式互感器。而传统变电所今后应该更侧重于改造变电所层和间隔层的通信方式。最简单的方式是一次性更换全部的旧二次设备，但经济成本更大，或是在变电所层与间隔层分别采用通信规约转换器逐步转成支持IEC 61850标准。

今后，在很长一段时期内 IEC 61850标准与IEC60870标准等旧协议都还将并存，因此，如何从现在的IEC 60870-5过渡到IEC 61850标准是一个值得考虑的问题[3]，要实现IEC 60870-5标准与IEC 61850标准的网关，主要需要实现以下3个步骤：（1）实现IEC 60870-5-101服务到IEC 61850-7-2服务映射。（2）实现IEC60870-5-101中的ASDU类型元素到IEC 61850-7-3数据类映射。（3）实现IEC60870-5的数据模型到IEC 61850-7-4逻辑节点的映射。

3 结语

数字化变电所是变电所自动化技术的发展方向，推广采用IEC 61850标准势在必行。但是实施IEC 61850标准技术难度较大，它将是一个渐进的过程。本文仅是浅显地探讨在牵引变电所数字化设计中需要解决的问题，相信在不久的将来，数字化牵引变电所能在工程中逐步实现，从而在铁路牵引供电系统中发挥重要的作用。

[1]谭文恕.远动的无缝通信系统体系结构[J].电网技术，2001，25.

[2]IEC61850: Communication Networks and Systems in Substation[S].Part l-Part 10, 2002.

[3]朱炳铨，任雁铭，姜建宁.变电所自动化系统实现IEC 61850的过渡期策略[J].电力系统自动化，2005，29（23）：54-57.