IEC61850标准在220 kV三乡数字化变电站的应用

吴 薇，冯剑波

（中山市电力工程有限公司，广东 中山528400）

1 数字化变电站系统概述

数字化变电站是变电站自动化技术的发展方向，是一个不断发展的过程，就目前技术发展现状而言，数字化变电站是由电子式互感器、智能化开关等智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

IEC61850是新一代的变电站自动化系统的国际标准，它采用了面向对象的方法规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征，并且定义了通用配置语言。同传统的IEC60870－5－103标准相比，它不仅仅是一个单纯的通信规约，而是数字化变电站自动化系统的标准，它指导了变电站自动化的设计、开发、工程、维护等各个领域。该标准通过对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。智能化一次设备和数字式变电站要求变电站自动化采用IEC61850标准。IEC61850是迄今最为完善的变电站自动化标准，它不仅规范保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了数字式CT、PT、智能式开关等一次设备的模型和通信接口。采用IEC61850国际标准可以大大提高变电站自动化技术水平和安全稳定运行水平，节约开发验收维护的人力物力，实现完全的互操作。

1.1 系统构成

IEC61850标准（IEC61850－5）定义了变电站的通信接口，成为了数字化变电站系统构成的重要依据。目前国内一般将变电站自动化系统分为三层，分别是站控层、间隔层、过程层，智能化、数字化的变电站自动化系统延伸到一次设备。

1.2 系统模型

IEC61850标准建模思想最重要的特点是层次化、组件化和全面性。

（1）层次化、组件化的建模：整个厂站电气自动化系统是由一组自动化装置组成的，自动化装置各自完成一定的功能，同时又相互协作，完成分布过程自动化功能。IEC61850标准规定一台变电站自动化装置内的信息抽象分成如下逻辑层次：服务器（Server）、逻辑设备（LogicDevice或简称LD）、逻辑节点（LogicNode或简称LN）以及数据（DATA）与数据属性（DATAAttr）。这也就构成了IEC61850标准的基本的信息模型及通信服务模型。为了满足变电站自动化功能对通信机制的某些特定需要，还进一步定义了各种信息交换服务。这种分层关系也可以用统一建模语言UML（Unified Modeling Language）的类图来表示，如图1所示。图中同时标出了每层逻辑对象的主要“方法”（method）。变电站自动化系统是由自动化装置、一次设备等各种物理设备组成的物理系统。从另一个角度，变电站自动化系统又可以用服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象等分层对象组成的逻辑系统来描述。物理系统中的自动化装置和逻辑系统中的服务器之间存在一一对应关系。

（2）全面性的建模：IEC61850标准中变电站自动系统的逻辑接口定义为：①间隔层和变电站层之间保护数据接口；②间隔层与远方保护之间保护数据接口；③间隔层装置内数据接口；④过程层（如光电互感器）和间隔层之间瞬时数据（尤其是采样数据）接口；⑤过程层和间隔层之间控制数据接口；⑥间隔和变电站层之间控制数据接口；⑦变电站层与远方工程师站之间数据接口；⑧间隔之间数据接口；⑨变电站层内数据接口。从逻辑接口的定义可以看出，IEC61850标准是整个变电站电气系统内的数据交换，包括功能之间可能的数据交换，而不只是装置间的通信。因此IEC61850所建立的模型涵盖整个变电站电气自动化系统运行全过程的数据和功能。定义了约90个逻辑节点，覆盖了变电站内的各种类型的保护、测控和其它自动化功能。

由此可见，在数字化变电站的设计和实现中不应仅仅从通信层面应用IEC61850，而应切实从提高系统的灵活性、可靠性、互操作性、经济性等角度应用IEC61850。

图1 IEC61850中变电站电气自动化系统数据模型

1.3 对时方式

目前国内变电站自动化系统的对时方式多采用硬接点对时、IRIG－B对时、串口通信对时、网络对时等方式。前两种方式的对时误差可小于100μs，但需要额外的对时连线；后两种对时方式无需额外的对时连线，但对时精度则低于亚毫秒级（误差大于100μs），甚至达到毫秒级。目前，变电站系统通信逐步采用以太网方式，网络对时成为变电站自动化系统最为经济方便的对时手段，但精度问题制约了网络对时的应用。在数字化变电站中系统对时直接影响不同间隔甚至同一间隔内的状态信息采集的效果，IEC61850定义了三个等级的采样值同步精确度：T3、T4、T5。其中：T3等级的对时精度为25μs，用于配电线路保护；T4等级的对时精度为4μs，用于输电线路保护；T5等级的对时精度为1μs，用于计量。均高于目前变电站自动化系统的对时精度要求。

2 基于IEC61850的RCS－9700三乡数字化变电站系统结构

三乡数字化系统是采用南京南瑞继保公司的RCS9700监控系统、PCS900保护、PCS97XX测控、PCS997故障录波器、PCS222智能就地装置、RCS9698H远动装置、RCS9798B保信子站，该系统从整体上分为三层：站控层、间隔层和过程层（如图2）。

图2 220kV三乡数字化变电站网络结构图

站控层包括监控主机、操作员工作站、维护工程师站等；RCS－9698H为远动机，其功能是将变电站内信息应用于标准远动规约和远动通道，实现变电站信息向监控中心远传，并实现监控中心远方控制；RCS－9798B为保护信息子站，其采集变电站内各种保护以及故障录波信息，并向保护信息主站传输。远动机、保护信息子站与后台系统之间相互独立，互不影响。所有站控层设备均采用100 M工业以太网，并按照IEC61850通信规范进行系统建模并进行信息传输。

间隔层主要包括PCS－900系列保护装置、PCS－9700系列测控装置以及其他智能设备。间隔层设备对站控层采用以太网通信方式。

变电站内还包括其他辅助设备和RCS－9794A通信装置，其功能是将站内不支持IEC61850的智能设备（如UPS、直流屏等）转换成能够按照IEC61850标准进行通信；RCS－9785系列GPS对时设备，实现变电站内统一对时。

过程层的设备包括：将原有的110 kV及220 kV出线间隔的常规电压抽取装置（TYD）及常规电压（PT）、电流互感器（CT）更换成南京新宁电气公司生产的电子式电压互感器（EVT）、电子式电流互感器（ECT）。EVT、ECT的输出信号接至合并单元完成数据的同步和合并，同时合并单元为间隔层保护、测控、计量设备提供电流、电压数字量；另外，通过在各间隔开关场增加一套智能就地单元的办法，实现了适合本站特点的数字化改造。智能就地单元主要用于断路器和刀闸的控制及信号量的采集。

3 220 kV三乡数字化变电站工程的优势

3.1 220 kV三乡数字化变电站工程的优势

（1）数字化改造可以大量减少变电站内控制电缆的数量，从而节约电缆成本；

（2）数字化改造采用了比电缆具有更好电磁兼容性能的光缆，使变电站内信号传输的可靠性显著提高；

（3）使用数字信号能大大增加传输的带宽和信息量。常规CT、PT更换为输出数字信号的电子式互感器，电子式互感器没有传统互感器固有的TA断线导致高压危险、TA饱和影响差动保护、CVT暂态过程影响距离保护、铁磁谐振、绝缘油爆炸、六氟化硫泄漏等问题。同时，电子式互感器大量的节约了铁芯、铜线等金属材料，与同电压等级的传统互感器相比具有明显的经济性，符合国家可持续性发展的目标。

3.2 三乡站数字化改造过程中解决的几大难题

（1）解决了不同厂家设备间的数据通讯问题。电压、电流采集、传输都是由新宁公司设备实现，而保护、测控设备都是由南瑞继保公司生产，如何实现两个不同厂家设备之间的数据通讯是这次改造中碰到的首要难题。各相电压、电流信号的采样如何同步，数据传输过程中产生的延时如何处理，多路信号如何同步以及电流数字信号与模拟电流转换数字信号后如何同步等问题在这次数字化改造过程中都得到了圆满的解决。

（2）GOOSE网络信号传输的问题。IEC61850定义了变电站的快速事件传输服务GOOSE。支持GOOSE的能力，也相应地开发出了支持GOOSE的高压保护、智能操作箱、测控等装置。通过GOOSE的应用可以减少保护、测控、录波器等装置之间的大量电缆连线，由于GOOSE可以通过通信过程不断自检，避免了传统电缆回路故障无法发现的缺点，因此GOOSE可以提高变电站的可靠性，具有推广应用的价值。故障录波器也是通过从GOOSE网络记录开关量信息的。

（3）IEC61850建站模型的实现问题。IEC61850标准是迄今为止最为完善的变电站自动化标准。提供了完善的服务功能：报告服务（事件、遥测状态上送）；历史记录上送；遥控、遥调；定值读写服务；录波；保护故障报告；时间同步；文件传输；取代服务；快速事件传送；采样值传送；IEC61850和以前使用的标准不同之处还在于面向对象的数据建模，它以服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型和数据对象模型建立了装置和整个变电站的数据模型。

（4）常规变电站在不更换开关、刀闸设备的情况下实现数字化改造的问题。常规的开关、刀闸都是通过电缆传输控制信号，数字化变电站的特点是用数字网代替传统的电缆，报文代替过去的电压信号。

（5）在不能全站停电的情况下实现了母差的改造。母差子站设计可以实现模拟电流信号转换成数字信号，解决了将改造前的模拟电流信号和改造后数字电流信号同时接入新母差的问题，从而可以在全站不停电的条件下，逐个实现间隔的数字化改造。

（6）在不使用套管CT后，实现了主变变高、变中开关能够代路的问题。在传统的主变保护CT接线方式中，主变变高、变中开关代路时必须使用主变套管CT。在三乡改造时，由于主变套管更换成ECT的难度较大，因而主变保护全部使用开关CT。通过切换定值区使保护装置在旁路开关与主变本侧开关并列时可以计算它们的CT和电流的方法，实现了主变变高、变中开关在不使用套管CT的情况下能够代路。

4 结束语

综上所述，三乡站数字化改造是探索数字化变电站的首次尝试，它实现了常规变电站通过改造也能实现数字化的梦想，是IEC61850数字化建站模型的勇敢挑战。从220 kV三乡数字化变电站的建设和运行情况来看，应用IEC61850标准来建立开放式数字化变电站自动化系统是今后变电站自动化发展的趋势。由于数字化变电站刚刚起步，在建设和运行中需要自动化专业、继电保护专业和运行人员不断积累经验，解决技术方面出现的问题，完全将IEC61850标准贯彻到所有接入变电站设备，需要多方面的共同努力。