基于IEC 61850的智能电网控制研究

贾亚军，张宏伟，崔潇，贾旭，吴兰旭

（国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266002）

0 引 言

随着电网智能化和自动化的发展，电网自动化有效促进了城市电网及居民用电的可靠性和便利性，并有效减小了维护成本。而电网的智能化和自动化依赖于变电站不同设备不同层间的通信服务技术及通信标准化协议的发展。IEC 61850作为一个统一标准通信协议，为设备间的即插即用和互操作提供了实现手段。基于IEC 61850通信标准和模型，使得设备间通信更加透明，其成为未来智能电网快速发展的必然趋势。

传统的IEC通信体系中包含了IEC 61850、101、103、104等多种通信规约，各种规约间的通信需要进行通信转换。旧的规约只在站控层和过程层适用。而智能变电站增加了过程层，旧规约不再适应智能电网的需求。IEC 61850为变电站自动化提供了统一的标准。文献［1］重点研究了IEC 61850协议的三个实际应用，如区域联锁保护方案，主干总线传输方案和减载方案。文献［2］将传统面向点的电力规约与IEC 61850进行了对比，在现有变电站的基础上外接协议转换网关，使变电站与网络化无缝远动通信系统相连。IEC 61850标准下的配电终端之间的通信模型，及其与主站之间的通信模型的建立，为IEC 61850标准下的配电终端开发提供技术支撑［3-4］。文献［5-6］利用 IEC 61850标准建立了馈线终端（FTU）、配电变压器终端（DTU）、开闭所终端（TTU）的信息模型，并完成了其间协调配合的自动化功能建模。学者对基于IEC 61850标准构建水电厂监控系统信息模型的建模原则、结构、数据类型以及信息建模流程进行了深入，为IEC 61850在发电侧的应用完成了有力的技术积累［7］。另外，随着分布式电源渗透率的不断提高微网技术得到了大力的发展。Taha Selim Ustun等人基于IEC 61850和IEC 61850-7-420通信协议提供的逻辑节点提出了一种微网保护系统模型［8］。

然而现有研究并没有对基于IEC 61850规范下的智能电网自动化的分层结构和通信控制方案，远动控制通信模型、信息交换模型以及服务映射方法进行了讨论。此外，对直流接入后的控制功能和保护功能的模型，也少有系统的研究。本文系统深入地完善了智能电网下的交流部分和直流部分的模块化和信息化内容。

1 基于IEC 61850的智能电网自动化

1.1 基于IEC 61850的通信控制方案

随着计算机通信的发展，以太网技术在变电站自动化中用于数字化采集策略和保护控制数据通信中，实现了不同设备间的信息共享。传统的智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）的通信方案如图1所示。

图1 传统IED通信方案Fig.1 Traditional IED communication scheme

为了对主站与变电站及设备间的通信进行统一，可采用如图2所示的基于IEC 61850的远动控制系统结构。IEC 61850可用于调度系统和变电站、过程层和间隔层以及间隔层和变电站间的通信数据交换，有效避免了规约转换问题。

基于IEC 61850的远动控制系统突破了传统远动体系结构的通信传输模式，可实现调度主机和各变电站主机间快速直接准确的信息共享和交换［9］。

图2 基于IEC 61850远动控制通信方案Fig.2 Remote control communication scheme based on IEC 61850

1.2 IEC 61850的特点

IEC 61850通信标准的主要特点主要有四个［10］，分别为：

（1）从信息分层角度将变电站划分为过程层、间隔层和变电站3层结构，并定义了层间接口；

（2）基于面向对象建模技术，定义了客户—服务器模型、逻辑节点、逻辑设备、服务器等数据对象的通信模型以及服务于信息交换的对象间通信服务模型；

（3）对逻辑节点名称、设备名称等数据对象建立了统一命名规则，以简化数据的管理维护工作；

（4）对通信服务基于面向对象技术进行定义，抽象描述服务接口，通过独立网络技术使得通信服务与具体协议间相互独立。

1.3 IEC 61850的扩展应用

随着智能电网的发展，IEC 61850在电网自动化领域的使用愈来愈广泛，其不仅用于变电站的自动化中，而且应用于发电、输变电、配用电、和调度等多个领域［11］。

（1）发电领域

IEC 61400-25为风电场的监控系统国际标准，其基于IEC 61850对风电场建模，实现了风电场设备的互操作和系统集成。IEC 61850-7-410为水电厂的监控国际标准，增加了水电厂的数据建模。IEC 61850-7-420为分布式能源的监控国际标准，新增了分布式能源管理、发电系统、联网、电池监视、单元控制器等应用的逻辑节点。IEC 61850-90-7分析了储能系统、光伏等分布式能源的控制模式等，基于IEC 61850对分布式能源接入后的电压无功控制、紧急控制、电压管理等功能进行了建模。

（2）输变电领域

IEC 61850用于输变电领域主要为变电站系统的自动化，IEC 61850 Ed2.0能够有效满足变电站的自动化需求。此外，IEC 61850-90-3对输变电应用中包含变压器、有载分接开关变压器、输电线路、辅助电源、GIS等一次设备状态的监测诊断分析进行了分析说明。IEC 61850-90-14对柔性交流输电系统（FACTS）进行了建模。IEC 61869基于IEC 61850的体系结构对电子互感器数字接口及工程配置等方面进行了讨论和分析。

（3）配用电领域

配用电由于涉及节点众多，其通信拓扑和设备处理能力与电厂应用和输变电应用差异较大。IEC 61850-90-6讨论了配用电领域方面的IEC 61850的应用方案。IEC 61850-8-2对抽象通信服务和底层的通信协议间的映射进行了规范，该规范易于实现、对主站资源的消耗小，并且负担较轻，适宜于配用电自动化的应用。此外，IEC 61850-90-8及IEC 61850-90-9规范对电动汽车、储能等的应用进行了讨论。

（4）调度领域

为了实现变电站和控制中心间的无缝通信，IEC 61850体系在调度通信方面取得了重要的进展。IEC 61850-90-2建立了变电站、控制中心间的通信技术规范，对数据完整性、安全、通信冗余等进行了分析，并应用于遥控、表计、故障录波等方面，对关键设备的代理服务器及网关进行了建模。IEC 61850-90-5对广域测量方面的应用进行了讨论，其将报文信息利用IP网络传输以应用于广域测量的应用环境中，灵活性更强。

2 基于IEC 61850的电网自动化结构

2.1 分层结构模型

配电自动化的原有三层体系为主站层、子站层和终端层，可基于IEC 61850划分为如图3所示的站控层、过程层和间隔层。即主站归为站控层，终端为间隔层，子站部分功能归为站控层，其他功能归为过程层。

站控层的功能主要完成主站与子站间的数据传输控制功能。过程层的功能主要为对一次设备的开关量和模拟量进行采样，并发送控制命令等。间隔层功能主要为基于本层的数据对一次设备进行相应的控制，如线路保护功能或设备单元控制功能。

图3 基于IEC 61850的分层结构Fig.3 Hierarchical structure based on IEC 61850

2.2 通信系统模型

图4 ACSI/MMS通信系统模型Fig.4 ACSI/MMS communication system model

针对IEC 61850-7对抽象通信服务接口（Abstract Communication Service Interface，ACSI）的相关性不够强的缺点，可采用图4所示的ACSI/MMS通信系统模型结构进行解决。制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）实体通过可提供特殊通信服务的MMS元素进行定义。基于ISO开发环境，IEC61850将ACSI服务映射到MMS。ISO的上层包含关联控制服务元素（Association Control Service Element，ACSE）、表示层、会话层，利用 RFC1006实现ISO传输服务。因为该方法针对IEC 61850设计，是对ACSI到MMS直接进行映射，有效简化其映射过程，提高了基于IEC 61850的通信开发效率。

3 基于IEC 61850的信息模型

3.1 远动控制系统通信模型

由于当前IED的通信规约还主要用于多种规约系统下的相互转化协调工作，因此，有必要研究基于IEC 61850标准协议下的远动通信模型的建立方法，以实现传统机制像IEC 61850通信标准下的平稳过度。

基于IEC 61850/MMS的远动模型可设计为如图5所示的模型结构，对控制中心和集控主站的SCADA基于IEC 61850模型设计，对变电站及间隔层的RTU、测控单元和继电保护单元等非IEC 61850的设备单元，采用图5提出的IEC 61850/MMS网关通信模型封装处理，以实现快速直接的数据交换。

图5 IEC 61850规范远动控制系统通信模型Fig.5 Specification motion control system communication model based on IEC 61850

3.2 信息交换模型

对终端系统的信息模型建立后，需定义其信息交换的模型，信息交换模型可为信息操作管理等功能提供通信服务，其模型结构如图6所示。信息模型对交换数据对象建立了模型，信息交换则提供了获得信息模型的途径。IEC 61850通过面向对象技术对通信服务进行定义，通过抽象建模设计定义服务接口（Small Computer System Interface，SCSI），其定义了公共服务。ACSI服务主要有客户/服务器方式和点对点方式两种。

图6 基于IEC 61850的信息交换模型Fig.6 Information exchangemodel based on IEC61850

ACSI服务的功能主要有读取信息模型服务、应用关联相关服务、获取实时数据服务、数据集相关服务、文件传输服务、控制相关服务、面向通用变电站事件（GOOSE）相关服务等多种服务。

3.3 服务映射原理

图7 基于SCL/SVG/CIM的IED远程配置系统结构Fig.7 IED remote configuration system architecture based on SCL/SVG/CIM

为了实现IED即插即用功能，还需对控制中心数据模型及网络拓扑更新，可采用如图7所示的IED远程配置结构。借助 SCL（Substation Configuration Language）配置器和IED配置器，将SCL配置的描述文档基于IEC 61850下对网络进行远程管理和配置，将SCL文件所述拓扑结构转化为SVG与CIM/XML文件，对控制站CIM模型库及SVG库更新。

基于IEC 61850的SCL和CIM融合和相互映射可通过如下方法建立：

（1）将SCL变电站模型与CIM拓扑包不一致的部分进行调整；

（2）对CIM模型的结构进行调整，并增加包含逻辑节点类、逻辑设备类和服务器类的IED包；

（3）对SCL和CIM中没有定义的类型和属性进行定义。

新的IED接入后不仅需要更新CIM的模型库，还需更新接线拓扑图。

4 基于IEC 61850的保护控制模型

随着电网的发展，特高压直流输电已具备一定的规模，特高压交流输电也陆续建设。智能电网要求在电网自动化中能够有效处理相应的控制和保护功能。鉴于交流电网的相关控制保护功能已较为完善，本文对直流输电的控制保护模型进行重点介绍。

4.1 控制模型

直流系统的控制事件主要有模式顺序控制（EMSQ）、功率电流控制（EPPC）、无功控制（ERPC）、过负荷控制（EOLL）、顺序控制（ESSQ）、分接头控制（ETCC）、功率调制控制（EMOD）、触发控制（ECFC）等功能。表1为直流输电模式顺序控制数据模型。

表1 直流输电模式顺序控制数据模型Tab.1 Sequence control datamodel of DC transmission mode

其中：SPS为单点数据信息状态类；SPS-V1C为含1个字符数据的状态类；SCOM为命令字符串类。主控命令OrdMst包括升降功率、功率/电流控制模式切换等命令。

直流输电的相关控制功能可基于IEC 61850规范对其模型库进行扩展。此外，还可对变电站的无功补偿装置投切控制和检测功能，特高压交流系统的高抗、低容低抗等功能建立逻辑模型。

4.2 保护模型

直流输电的保护主要有阀保护、极保护、直流线路保护、换流变保护和滤波器保护等。保护类型主要有过流保护、过压保护、差动保护、谐波保护、行波保护和换相保护等种类，直流输电部分的保护类型如表2所示。直流保护类型中的基类主要有换流器设备类 Pconv-hvdc、直流线路类 Pline-hvdc、换流变类Ptrans-hvdc等。

表2 直流输电部分保护类型Tab.2 Protection type of DC transmission part

各个直流输电保护类型可定义其各自的公共数据、私有数据以及行为函数等，以换相失败保护数据类型为例，其数据模型如表3所示，包含了有状态数据、测量值数据和定值数据等。

表3 换相失败保护数据模型Tab.3 Commutation failure protection datamodel

通过对常有的交流输电类库进行扩充，新增入直流输电的相关监控保护控制等模型，可有效覆盖现代电网的设备类型，并有效促进电网的自动化和智能化的发展。

5 结束语

电网的交直流混联和超特高压方向的发展对电网的自动化和智能化的管理提出了较高的要求，本文建立了基于IEC 61850规范下的智能电网自动化的分层结构和通信控制方案，建立了远动控制通信模型、信息交换模型，并对服务映射方法进行了讨论。此外，本文对直流接入后的控制功能和保护功能建立了相应的模型，完善了智能电网下的交流部分和直流部分的模块化和信息化内容。

IEC 61850规范使得控制主站和子站以及各设备间的通信得以规范和统一，简化了新增各种设备的接入和管理功能，基于IEC 61850通信规范可使现代大电网的监控检测和控制保护等更加易操作。IEC 61850通信协议将会极大促进电网自动化和智能化的发展。