基于IEC 61850标准的水泥厂变配电监控工程

王晖，张思才，刘艾民

1 引言

变配电网络监控与能源管理系统[1]是现代化水泥厂生产线控制系统的重要组成部分，能够提供实时的厂区变配电监控数据，对可能出现的故障进行预报警，改善供电质量，降低电能损耗，提高供电的安全性和可靠性。另一方面，还可对水泥厂电能进行管理，以降低电耗，节约生产成本。

IEC61850标准[2]是由国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准，IEC61850标准吸收了IEC60870系列标准[3]和UCA的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统（SAS）的设计产生深刻的影响。IEC61850作为制定电力系统远动无缝通信系统基础能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变配电自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变配电自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用（Plug and Play）的特性，极大地方便了系统的集成，降低了变配电自动化系统的工程费用。

由于IEC61850标准能极大提高变配电自动化的技术水平、提升变配电监控与能源管理系统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现完全的互操作性，所以，在欧美及一些海外背景的水泥工程项目，都要求变配电网络监控与能源管理系统遵从IEC61850规约。鉴于此，本文提出一种集成在水泥厂DCS自动化控制系统中的符合IEC61850标准的变配电监控工程应用实施方案，为类似工程应用提供参考。

2 工程应用方案

本文提出的水泥厂变配电监控工程应用方案选用遵从IEC61850国际电力标准的施耐德ECI850 Sepam服务器[4]作为核心网关数据服务器，并基于其完成系统架构，以实现给水泥厂提供集成在工厂DCS自动化控制系统中符合IEC61850标准的变配电网络监控系统与能源管理系统的需求。方案实施所用到的第三方工具包括施耐德SFT2841 ECI850组态软件、串口调试软件、Siemens SIMATIC PCS7[5]、IEC61850 Lib、IEC61850 Browser以及施耐德SFT850 ICD文件修改及通讯参数设备等。

图1 变配电监控网络架构

图2 Ethernet&TCP/IP配置

本应用方案中，ECI850 Sepam服务器与DCS各控制器（PLC）之间采用工业以太网通讯，与配变电站自动化设备采用Profibus/Modbus(RS485/232)协议进行数据交换。在方案实施过程中，时钟同步与高精度时间戳的历史事件查询，特别是各个开关设备先后动作（分、合闸）的历史查询是一个技术难点。在实际应用中，我们分别对具有时钟同步功能的智能开关设备采用NTP协议的时钟同步方案，对不具备时钟同步功能的开关设备采用西门子SOE（高精度时间戳）的方案，并最终由中央归档服务器CAS统一归档以备历史事件查询。另外，为满足所建监控系统对不同厂家智能开关电气设备的兼容性，我们研究了施耐德ICD文件格式，设计了开放性的设备通讯接口申明文件格式和符合IEC61850标准的ICD文件格式。此外，我们根据施耐德ECI850提供的数据传输规约，用西门子机构化语言编辑器SCL创建了对应的功能块FB，从而保证了与水泥厂DCS自动化控制系统的有效集成。

本变配电监控工程应用方案的具体实施过程如下所述。

2.1 变配电监控网络设计

可将ECI850 Sepam服务器接入采取C/S架构的DCS水泥自动化系统（选用Siemens PCS7 V7.1 SP3），实现对水泥厂变配电资源的数字化监控和调度。整个变配电监控自动化系统网络架构如图1所示，对于水泥厂变配电监控调度部分，不再需要单独配置工程师站及数据服务器，所有组态工作和数据服务都在水泥厂中控室的工程师站和服务器上统一进行。

2.2 ECI850 Sepam服务器组态

在工程师站上通过IE WEB访问ECI850 Sepam服务器，设置IP地址与串口参数，分别如图2和图3所示。

然后，采用Schneider SFT2841 ECI850组态软件组态ECI850 Sepam服务器及设置开关断路器通讯参数，如图4和图5所示。

最后，编译并下装到ECI850 Sepam服务器。

2.3 开关设备ICD文件创建

创建开关设备的ICD（IEC61850配置文件）文件是变配电监控工程应用中的难点，也是能否实现IEC61850标准的关键。一般水泥厂的智能开关电气设备型号多样，如中压柜断路器和综合继电保护是施耐德电气产品，MCC（Motor Control Center）柜智能断路器是西门子电气产品，变频器的主断路器（MCB）是ABB电气产品，等等。部分由施耐德提供的智能开关设备能提供ICD文件，但是仍有大部分开关电气设备不提供这类型的文件，目前也没有这样的ICD生成专有工具。因此，需要根据IEC61850标准将串口通讯协议RS232/485转换成ICD文件。

在实际工程中，用串口调试软件测试所需通讯变量地址，使用编辑器将变量地址及数据长度写入以完成开关设备ICD文件的创建。

2.4 与水泥厂DCS控制系统集成

与水泥厂DCS系统的集成包括硬件网络组态集成和软件组态集成两部分。对于硬件网络组态集成，在PLC的硬件组态中添加SOE功能的网络卡件，然后在西门子SIMATIC PCS7的网络NetPro环境下，为PLC添加ISO TCP连接，如图6所示。对于软件组态集成，将西门子IEC 61850客户端库导入到工程项目库中[6]，并根据施耐德ECI850提供的数据传输规约，用西门子结构化语言编辑器SCL创建功能块FB。

3 实施效果及特点分析

依据上述应用方案，我们已在实际项目中成功为水泥厂提供了集成在工厂DCS中的变配电网络监控系统与能源管理系统，实际项目中的变配电监控和能源管理报告分别如图7和图8所示。

图3 串口参数配置

图4 ECI850 Sepam服务器地址设置

图5 开关设备ICD文件导入和地址分配

图6 变配电监控网络组态

图7 变配电网络监控操作界面

在方案实施过程中，针对变配电监控系统中时钟同步与高精度时间戳历史事件查询的难点问题，采用了NTP时钟同步协议与Siemens SOE（高精度时间戳）的解决方案，很好满足了历史事件查询，特别是各个开关设备先后动作（分、合闸）的历史查询。方案采用ISO TCP与PLC的连接集成，没有增加PLC总线扫描时间与负荷率，将各个开关设备的详尽工作状态信息实时完备地显示并归档记录在工厂DCS系统中，打破了Profibus单站设备通讯字节数244的限制。另外，实施方案中为非施耐德开关设备创建ICD文件，打破了ECI850只能应用于施耐德自身开关设备的限制，扩展了ECI850的应用范围，使工厂变配电监控系统的兼容性得到极大提高。

在实施成本方面，该应用方案将变配电监控系统与水泥厂DCS系统集成，进一步减少了建设厂区变配电监控系统的资金投入和维护成本。根据目前对国内外工程现状的调研结果可知，本文提出的工程应用实施方案所得的变配电监控系统与同类系统，如某些水泥厂单独为变配电监控而投资开发的变配电计算机监控管理系统等相比，硬件投资少（仅需为每个电气室或开关站配置一台ECI850 Sepam服务器），不需要额外软件投资（仅需要负担自动化工程师的集成费用与ICD文件的创建费用），而统一通过水泥厂DCS系统来提供完备的变配电监控画面、信息报警及精准的历史归档功能，也更便于最终用户的操作使用。

图8 能源管理报告操作界面

目前，基于该实施方案的水泥厂变配电网络监控系统与能源管理系统已成功应用于实际水泥工程项目，为水泥厂电气安全及故障查询、维护、检修及诊断提供了符合IEC61850国际标准的变配电监控平台，较大提升了水泥生产线自动化解决方案的附加值。

4 结语

随着现代化水泥厂对供电安全性和可靠性的要求越来越高，为水泥厂提供配套的变配电网络监控系统与能源管理系统已越来越成为水泥厂工程建设的一部分，本文在基于IEC61850标准的基础上提出了一种集成在水泥厂DCS自动化控制系统中符合IEC61850标准的变配电监控工程应用实施方案，通过在具体水泥工程项目中的成功应用表明该方案实际可行。而且，依据该方案建设的变配电监控及能源管理系统在系统性能、兼容性、实施成本以及符合国际电力建设标准等方面与现有的同类变配电计算机监控管理系统相比具备优势。该方案可推广到同类规模的水泥厂中，以实现与工厂现有的监控系统无缝集成，提升同规模工厂自动化管理水平，为水泥厂的电力电气提供强有力的事故安全分析、诊断维护平台。

[1]杨红梅,杜继平.浅谈水泥工厂变配电计算机监控管理系统[J].水泥技术.2011.

[2]W.S.Choi,C.H.Choi,J.H.Park,et al.The Study of Substation Automation Systems Based on IEC 61850[G].International Conference on Electrical Machines and Systems.2011.

[3]G.Z.Han,B.Y.Xu,et al.IEC 61850-based Feeder Terminal Unit Modeling and Mapping to IEC 60870-5-104[S].IEEE Transactionson Power Delivery.V 27,n 4,p 2046-2053,2012.

[4]User Manual of Sepam IEC61850 Communication.Schneider Electric.2009.

[5]Siemens PCS7 System Architecture.Siemens AG.2012.

[6]User Manual of PCS7 V7.1 Client Library IEC61850.Siemens AG.2009.■