数字化变电站系统研究

薛瑶

【摘要】随着电子式互感器和光纤通信技术在变电站的逐步推广应用、IEC 61850 标准的颁布实施，数字化变电站已成为变电站自动化系统的发展方向。IEC 61850 应用的一个关键问题是如何根据标准规范对实际的IED 建立相关的信息模型。本文在分析研究数字化变电站的基础上，描述IEC 61850标准的核心技术要素、内容及其特点。GOOSE是IEC61850的重要组成部分，它提供了快速和可靠的系统范围内传输输入、输出数据值。本文详细分析介绍了SAV模型和GOOSE模型，并从多方面将两者进行比较分析。

【关键词】数字化变电站；GOOSE；IEC 61850规约

1 数字化变电站概述

所谓数字化变电站就是使变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。数字化变电站的主要一次设备和二次设备都应为智能设备。理想的数字化变电站的信息充分共享，满足功能分布实现的要求。变电站中所有设备均从通信系统中获取所需要的其他设备的信息，并通过通信系统向其他设备传输输出信息和控制命令。按IEC61850通信协议，可传输设备的完整信息，包括状态、配置参数、工作参数、与其他设备的逻辑关系、软硬件版本等。

1.1 数字化变电站系统结构

数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类即智能化的一次设备和网络化的二次设备。在逻辑结构上相分为三个层次，依据IEC 61850，数字化变电站的结构可分为过程层 、间隔层、变电站层。

1.2 数字化变电站主要特点

数字化变电站中采用数字化的新型电流和电压互感器代替常规的TA和TV；将高电压、大电流直接变换为低电平信号或数字信号，利用高速以太网构成变电站数据采集及传输系统，实现基于IEC 61850 标准的信息建模，并采用智能断路器等技术。数字化变电站具有智能化的一次設备、网络化的二次设备、自动化的运行管理系统，系统结构紧凑。

2 IEC 61850标准概述

当变电站内不同厂家设备采用的通信协议、应用程序接口、数据描述方式等缺乏统一的标准时，设备间的互操作性实现困难。另外，现有变电站自动化系统中，有时同一数据或功能在站内不同地方中应用时，必须重新进行设置，既繁琐又浪费资源。这些缺陷都需要通过制定能够规范和整合站内信息资源，并满足互操作性和共享要求的变电站通信规约体系。IEC 61850标准的制定在一定程度上解决了这些问题，使标准化成为可能。

2.1 IEC 61850标准特点

IEC 61850标准是由国际电工委员会（International Electro technical 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。它将不仅应用在变电站内，而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。与传统通信协议体系相比，在技术上IEC 61850有如下特点：（1）定义了变电站的信息分层结构；（2）采用了面向对象的数据建模技术 ； （3）数据自描述 ；（4） 网络独立性；（5）互操作性。

2.2 IEC 61850标准实现

总的来说，实现IEC 61850 标准一般遵循以下步骤：

（1） 分配、合并、定义装置的自动化功能，从逻辑节点库中提取对应的逻辑节点，

组建成装置对应的逻辑设备，构建出信息模型的框架；用数据对象及其属性对模型进行填充、描述，实例化信息模型的属性。

（2） 依照抽象通信服务接口（ACSI），根据信息模型的属性构建出信息模型的服务。

（3） 依照特定通信服务映射（SCSM）将抽象的通信服务映射到具体的通信网络及协议上，服务借助通信得以实现。

（4） 依照变电站配置语言（SCL）组织并发布装置的配置文件，实现装置信息和

功能服务的自我描述，服务可被识别和享用。

3 数据传输

3.1 采样值传输

采样值传输的通信过程由发布者的采样值控制（SVC）模块控制。在一个发布方和一个或多个订户之间有两种交换采样值的方法：一种方法采用MSVCB（多路广播应用关联控制块），为广播/组播方式；另一种方法采用USVCB（单路传播采样值控制块），为单播方式。

采样值控制（SVC）模型适用于数据集的数值交换，数据集对电流逻辑节点（TCTR）和电压逻辑节点（TVTR）的数据对象及其属性进行数据集聚。数据集的数据为公用数据类SAV。采样值传输模型如图4-1 所示。模型采用发布者/订阅者的工作方式。发布者在发送端的缓冲区写入采样值信息，订阅者在接收端的缓冲区读取采样值信息，通信系统负责更新接收端缓冲区。订阅者通过采样计数器能够检测采样值数据包是否丢失。为了保证采样值传输的实时性，当由于通信网络问题导致数据包丢失时，发布者并不重发。

3.2 GOOSE报文传输

IEC 61850标准中定义了通用变电站事件GSE（Generic Substation Event）模型，GSE分为2种不同的控制类和报文结构：一种是面向对象的变电站事件GOOSE，支持由数据集（Data-Set）组织的公共数据交换；另一种是通用变电站状态事件GSSE（Generic Substation State Event），用于传输状态变位信息。

GOOSE的出发点是功能的分布式实现，它以高速点对点P2P（peer-to—peer）通信为基础，替代了传统智能电子设备（1ED）之间硬接线的通信方式，为逻辑节点之间的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号。

3.3 GSSE与SVC的比较

3.3.1信息交换的比较

对于SAV，发布方是通过采样值控制（SVC）来控制通信过程；而对于GOOSE和GSSE，发布方分别通过通用变电站事件控制类和GSSE控制类来控制通信过程。

从信息交换内容的角度来看，SAV 用于交换数据集组成的公用数据类。GSE用于数据属性集合值的交换，但SAV传输的主要信息是电流、电压值，而GOOSE并未强制所传输的信息内容，其数据集的数据对象可灵活定义。

GOOSE模型利用多路广播应用关联向多个物理设备同时传送同一个通用变电站事件信息，GSSE模型的信息传输通信方式与GOOSE模型类似；SAV 的 信 息交换通常包括两种方法：一种方法采用多路广播应用关联控制块（MSVCB）；另一种方法采用单路传播采样值（USVCB）。

从可靠性的角度来看，GOOSE能够保证变电站事件在系统范围内（如间隔层与过程层）快速传输，GOOSE/GSSE报文传输的时间延迟规定在4 ms内， GOOSE常用于紧急跳闸等需要快速传递信息的场合；SAV模型要求成组地在时间与频率受控的情况下由过程层IED快速传送电流、电压模拟量给间隔层IED，还能实现采样的同步。由此可知，两种模型都可以达到一定的要求。

参考文献

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[2]范建忠.马千里.GOOSE通信与应用[J].电力系统自动化.2007，31（19）：85-90.

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