基于IEC61850的数字化变电站技术

青海海南供电公司 焦煜 陈虎顺

0 引言

近十几年来，电子行业的数字化技术飞速发展，这对电力行业产生了重大影响。新的通信标准IEC61850的主要目的之一是实现电力自动化通讯领域内设备的互操作性。互操纵性是指来自同一个厂家或不同厂家的职能电子设备之间交换信息和正确使用信息协同操作的能力[1]。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职能设备（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，因而需要额外的硬件（如规约转换器）和软件来实现IED互联，对自动化系统的无缝集成和互操作造成一定的困难，这在很大程度上消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，还应具备互操作性的开放式系统连接。

IEC61850标准采用分层分布式体系，面向对象的建模技术，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了有效途径。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IEC61850开展研究和应用工作，并提出IEC61850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”。

1 数字化变电站通讯系统的要求

通信常常在电力系统实时操作中起关键作用。随着进入数字时代，变电站单个IED(智能电子设备)里面可以应用数以千计的模数数据点，通信带宽不再是限制因素。通信数据通道的传输速度在每秒64,000比特的变电站已经很普遍。数据采集系统花费的时间用于配置和归档。所以，通信系统的一个重要组成部分是根据数据和服务（IED的通信功能）进行自我描述的能力。除此之外，还有其他要求：

·变电站的网络化

·高可靠性

·确保传输次数

·多用户互操作

·支持电压电流采样数据

·支持自动配置

·支持安全性

根据上述要求，下一代通信结构的工作始于1988年UCA(The Utility Communication Architecture)的开发。这项工作为国际标准协会的OSI（Open System Interconnection）通信系统模型的各层提供了协议的大致轮廓。该通信结构产生了协议轮廓和数据模型的定义，以及以UCA著名的抽象服务定义。UCA内的概念和基础工作成为IECTC 57第10、11、12工作组的工作基础，该工作使国际标准IEC61850变电站通信网络和系统产生。

2 IEC61850的范围

IEC61850标准定义了变电站通信网络的各个方面，包括以下十个主要部分：

部分 名称

介绍和概括

术语

总体要求

系统和工程管理

功能和设备模型的通信要求

变电站自动化系统结构语言

7-1 变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构—原理和模型

7-2 变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构—抽象通信服务接口（ACSI）

7-3 变电站和线路（馈线）设备的基本通信结构—公共数据类

7-4 变电站和线路（馈线）设备的基本 通信结构—兼容的逻辑节点类和数据类

8-1 特定通信服务映射(SCSM)到制造信息特征

9-1 特定通信服务映射(SCSM)—通过单向多路点对点串行通信链路的采样值

9-2 特定通信服务映射(SCSM)—通过ISO/IEC8802-3的采样值

10 一致性测试

3 IEC61850的特点

IEC61850除了将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之外，每个物理装置又由服务器和应用组成，将服务器分为逻辑装置、逻辑节点、数据对象、数据属性，物理装置内包含服务器和应用。从应用方面看，服务器包含通信网络和I/O。从IEC61850看，服务器包含逻辑装置，逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性。IEC61850提供了服务器目录、逻辑节点目录和读数据定义等各种服务[2]。

1）信息分层

IEC61850提出了变电站内信息分层的概念，将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层。随着光CT/VT的使用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能放到过程层。现有变电站自动化系统中过程层的功能是由间隔层设备来实现，IEC61850将这一功能由智能传感器等电子设备来实现，符合电力技术发展趋势。

2）面向对象的数据对象统一建模

IEC61850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。从通信而言，IED有时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过ACSI和服务器通信访问数据对象。

3）数据自描述

面向对象的数据自我描述在数据源对数据进行的自我描述和传输到接受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，简化了数据管理和维护工作。IEC61850对于信息采用面向对象自我描述的方法，满足了在变电站自动化系统发展中需要不断传输新信息的要求。

IEC 61850提供了80多种逻辑节点名字代码和350多种数据对象代码，23个公共数据类，涵盖了变电站所有功能和数据对象，提供了扩展新的逻辑节点的方法，并规定了由一套数据对象代码组成的方法，这些方法有机地组合在一起，完全解决了面向对象自我描述的问题。

4）抽象通信服务接口

电力系统信息传输有轻重缓急之分，并且应能实现时间同步。IEC 61850总结了电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所需的信息传输网络服务，设计出独立于具体的网络应用层协议（如目前采用的MMS）和网络的ACSI，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾。当网络技术发展时只改动SCSM，而不需要修改ACSI。

4 数字化变电站基本结构

从物理上看，数字化变电站包括智能化的一次设备和网络化的二次设备。从逻辑上看，数字化变电站分三层，各层次内部及层次之间采用高速网络通信，以下是这三层的介绍。

1）过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：a.实时运行电气量检测；b. 运行设备状态检测；c.操作控制命令执行。

2）间隔层

间隔层的主要功能是汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备的保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其它控制功能；对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别控制；执行数据的承上启下通信传输功能，同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。

3）变电站层

变电站层的主要任务：通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实施数据库，按时登陆历史数据库；将有关数据信息送往电网调度或控制中心；接收电网调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态、在线修改参数等功能。

5 总结和展望

数字化变电站应用中面临新老自动化系统交替、互联共存的问题，在电力自动化系统基于IEC61850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，并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连接和系统联网问题。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IEC61850标准的适应性。

[1] 张欣,王东盛.IEC61850标准的互操作性问题的探讨[J].电力应用, 2007.

[2] 陈冬.IEC61850规约的理解及使用[J].湖北电力,2008.