IEC 61850标准的技术动态与配电自动化系统应用研究

2018-03-19高锦成

上海电气技术 2018年2期

贺俊，高锦成

1. 上海矩奉电机自动化有限公司上海 200331 2. 胜利油田电力分公司山东东营 257000

1 研究背景

2003年，国际电工委员会(IEC) TC57工作组正式发布了IEC 61850标准，标准名称为《变电站通信网络和系统》(Communication Networks and Systems in Substations)。这一标准以美国电科院变电站和馈线设备通信协议体系UCA 2.0(Utility Communication Architecture 2.0)为基础，吸收了IEC 60870-5-101/103/104标准和欧洲实践经验，共分为10大部分，13个文件[1]。尽管标准名称冠以变电站，但是IEC 61850标准的应用已经不仅仅局限于变电站，于是，IEC从2009年开始对这一标准进行修订并发布新标准，将标准名称改为《电力自动化通信网络和系统》(Communication Networks and Systems for Power Utility Automation)，这也体现了IEC方面拓展这一标准应用范围的意愿。现如今，IEC 61850标准的应用涉及发电[2-3]、输电[4-5]、配电[6-7]与电力调度[8-9]全过程，发电端还包含分布式能源[10-11]，是坚强智能电网建设的重要基础性标准。笔者对IEC 61850的技术动态进行介绍，并结合工作实践对IEC 61850在配电自动化系统应用中需要关注的重点问题进行研究。

2 IEC 61850标准的技术动态

2.1 IEC 61850标准明细

根据IEC提供的目录，目前IEC 61850标准主要明细如下(由于近两三年公布的一些新标准国内尚无等同标准，因此英文名称一并给出)：

IEC TR 61850-1： 2013《引言和综述》(Introduction and Overview)、IEC TS 61850-2： 2003《术语》(Glossary)、IEC 61850-3： 2013《总体要求》(General Requirements)、IEC 61850-4： 2011《系统和项目管理》(System and Project Management)、IEC 61850-5： 2013《功能和设备模块的通信要求》(Communication Requirements for Functions and Device Models)、IEC 61850-6： 2009《与智能电子设备有关的变电站通信配置描述语言》(Configuration Language for Communication in Electrical Substations Related to IEDs)、IEC 61850-7-1： 2011《基本通信结构原理和模型》(Basic Communication Structure—Principles and Models)、IEC 61850-7-2： 2010《基本通信结构抽象通信服务接口》[Basic Communication Structure—Abstract Communication Service Interface(ACSI)]、IEC 61850-7-3： 2010《基本通信结构公用数据类》(Basic Communication Structure—Common Data Classes)、IEC 61850-7-4： 2010《基本通信结构兼容逻辑节点类和数据类》(Basic Communication Structure—Compatible Logical Node Classes and Data Classes)、IEC 61850-7-410： 2012《基本通信结构水力发电厂监测和控制通信》(Basic Communication Structure—Hydroelectric Power Plants—Communication for Monitoring and Control)、IEC 61850-7-420： 2009《基本通信结构分布式能源逻辑节点》(Basic Communication Structure—Distributed Energy Resources Logical Nodes)、IEC TR 61850-7-510： 2012《基本通信结构水力发电厂建模概念和准则》(Basic Communication Structure—Hydroelectric Power Plants—Modelling Concepts and Guidelines)、IEC 61850-8-1： 2011《特定通信服务映射多媒体短信服务(ISO 9506-1和ISO 9506-2)和ISO/IEC 8802-3上的映射》[Specific Communication Service Mapping(SCSM)—Mappings to Manufacturing Message Specification MMS(ISO 9506-1 and ISO 9506-2)and to ISO/IEC 8802-3]、IEC 61850-9-2： 2011《特定通信服务映射通过ISO/IEC 8802-3的采样值》[Specific Communication Service Mapping(SCSM)—Sampled Values over ISO/IEC 8802-3]、IEC/IEEE 61850-9-3： 2016《电力自动化精确时间协议的配置》(Precision Time Protocol Profile for Power Utility Automation)、IEC 61850-10： 2012《一致性试验》(Conformance Testing)、IEC TS 61850-80-1： 2016《应用IEC 60870-5-101或IEC 60870-5-104交换基于公用数据类的数据模型信息导则》(Guideline to Exchanging Information from a CDC-based Data Model Using IEC 60870-5-101 or IEC 60870-5-104)、IEC TR 61850-80-3： 2015《网络协议映射要求和技术选择》(Mapping to Web Protocols—Requirements and Technical Choices)、IEC TS 61850-80-4： 2016《能源计量配套规范对象模块(IEC 62056)至IEC 61850数据模块的转换》[Translation from the COSEM Object Model(IEC 62056)to the IEC 61850 Data Model]、IEC TR 61850-90-1： 2010《IEC 61850在变电站间通信的应用》(Use of IEC 61850 for the Communication between Substations)、IEC TR 61850-90-2： 2016《IEC 61850在变电站与控制中心间通信的应用》(Using IEC 61850 for Communication between Substations and Control Centres)、IEC TR 61850-90-3： 2016《IEC 61850在状态监控诊断和分析的应用》(Using IEC 61850 for Condition Monitoring Diagnosis and Analysis)、IEC TR 61850-90-4： 2013《网络工程指南》(Network Engineering Guidelines)、IEC TR 61850-90-5： 2012《IEC 61850在按IEEE C37.118传输同步向量信息的应用》(Use of IEC 61850 to Transmit Synchrophasor Information According to IEEE C37.118)、IEC TR 61850-90-7： 2013《分布式能源系统中功率变流器的对象模块》[Object Models for Power Converters in Distributed Energy Resources(DER)Systems]、IEC TR 61850-90-8： 2016《电动交通对象模块》(Object Model for E-mobility)、IEC TR 61850-90-12： 2015《广域网络工程指南》(Wide Area Network Engineering Guidelines)。

标准号中TR代表技术报告，TS代表技术规范。

2.2 技术动态分析

由上述IEC 61850主要标准明细可以看出，自2009年起，IEC几乎对所有2003年发布的61850标准文件进行了修订，并发布了一系列新文件。2003年发布的IEC 61850标准文件中，仅IEC TS 61850-2： 2003保留至今，其余均进行了修订和完善，且修订和完善主要体现在数据模型、工程配置文件、通信一致性测试和更正等方面[12]。

关于现行IEC 61850标准与2003版IEC 61850标准的不同，以及现行IEC 61850标准的技术特点，国内已有多篇文献[12-16]进行过介绍，笔者在此不再赘述。综合而言，IEC 61850-7-410： 2012、IEC 61850-7-420： 2009、IEC TR 61850-7-510： 2012等文件鲜明地体现出IEC顺应技术发展与时代潮流，将61850标准由变电站拓展至水力发电厂、分布式能源等领域，增强了这一标准的适用性；IEC TR 61850-90-1： 2010、IEC TR 61850-90-2： 2016、IEC TR 61850-90-3： 2016等文件给出了在应用IEC 61850标准时的参考模型，涵盖变电站间通信、变电站与控制中心通信、状态监控诊断、同步向量信息传输等领域，提升了这一标准的指导意义和实用价值；类似IEC TR 61850-90-8： 2016这样的最新文件，更是将IEC 61850标准与电动交通联系在一起，可见IEC 61850标准在未来的电力行业各分支中都将不可或缺。

目前，IEC工作组仍在对61850标准进行修订和完善，未来一段时间的重点主要为以下几方面。

(1) 数据建模。变电站的主要过程对象及保护和控制功能能够被建模为不同标准的逻辑节点，这些逻辑节点同时能够被分为不同的逻辑设备组别。实际建模中，存在与逻辑设备和物理设备相关的数据及功能逻辑节点。

(2) 报文格式。包括缓冲报告控制块(BRCB)和非缓冲报告控制块(URCB)在内，有多种来自服务器的数据报文格式，并且可以通过预先设定的触发条件进行触发。

(3) 事件快速传输。通过通用变电站事件(GSE)，可以快速传输对等通信模式的事件数据。通用变电站事件具体细分为面向通用对象的变电站事件(GOOSE)和通用变电站状态事件(GSSE)。

(4) 定值组。通过定义定值组控制块(SGCB)来处理定值组，以便用户可以根据需要切换至任意活动组。

(5) 采样数据传输。通过采样值控制块(SVCB)可以传输采样数据和采样值。

(6) 指令。IEC 61850标准支持包括直接操作指令和操作前选择(SBO)指令在内的多种指令，这些指令既有普通安全级别的，也有增强安全级别的。

(7) 数据存储。通过变电站配置语言(SCL)，可以以特定格式完整地存储变电站组态数据。

3 IEC 61850标准在配电自动化系统中的应用

3.1 应用现状

从IEC 61850标准发布至今，众多业内人员对其在配电自动化系统中的应用问题进行了研究，并得出了不少研究成果。文献[17]给出了一个配电自动化系统应用IEC 61850标准进行工程配置与维护的实例，以一组智能电子设备为对象研究配置流程，从首次配置、配置更新、信息安全保障等方面进行了详细介绍。文献[18]给出了一个应用IEC 61850标准进行配电自动化系统终端设计的案例，在已有电力调度数据专网、光纤网络通信、电力无线专网和电力线载波的基础上，将终端设计为配电过程单元、配电间隔单元、配电站控单元三部分。文献[19]研究了基于IEC 61850标准的配电自动化系统终端即插即用体系，分析了体系结构、通信模式与模型映射，并进行了试验，确认了所设计的即插即用体系的合理性。文献[20]研究了如何应用IEC 61850标准建立智能配电馈线终端模型，给出了逻辑节点的信息交换、报文信息分类和面向通用对象的变电站事件报文传输方式。文献[21]研究了基于IEC 61850标准的高级配电自动化系统开放式通信体系，对高级配电自动化进行了定义，对信息模型、网络结构、信息交换与关键技术进行了分析。文献[22]给出了一个IEC 61850标准在上海浦东新区配电网中应用的实例，并对这一标准在配电自动化系统中应用的意义进行了分析。

3.2 需要注意的问题

配电自动化系统是未来坚强智能电网的重要组成部分，结构灵活，具有较强的潮流优化能力和可再生能源接入能力，可实现分布式发电、微电网与储能系统的接入与控制。在配电自动化系统中应用IEC 61850标准已成为业内研究的热点，这样做既有助于协调配电自动化系统与输电网的信息交换，也有助于配电自动化系统与分布式能源的信息交换。需要注意的是，配电自动化系统与变电站自动化系统相比，从层次结构到内容，两者差异都很大，IEC 61850标准在变电站中的应用经验可以被借鉴至配电自动化系统，但并不能完全照搬。以下笔者对IEC 61850标准在配电自动化领域应用时需要注意的几个问题进行分析。

(1) 系统架构。IEC于2003年推出61850标准时的初衷是为变电站自动化系统提供网络与系统解决方案，因此，工作组在制定这一标准时对变电站自动化系统的通信关系与架构做了深入研究，并提出了包括站控层、间隔层和过程层在内的变电站内三层通信模型，定义了各层之间的通信及同一层内不同设备间的通信。这一模型基本上涵盖了变电站自动化系统内部及对外的网络通信关系，基于这一模型可以构建起变电站自动化系统应用IEC 61850标准的基本架构。但是，对于配电自动化系统而言，无论是配网终端、配电线路，还是馈线、控制中心等，在结构层次与内容方面都与变电站自动化系统存在较大差异。当前，随着分布式能源系统的不断发展，配电网也在向有源配网方向发展，接入分布式能源系统后，配电自动化系统的层次和内容更为复杂，且智能电子设备数量多，所占用的物理空间大，需要根据具体情况采用三层以太网技术、广域网技术或无线通信技术等。可见，在配电自动化系统中应用IEC 61850标准，不能照搬三层模型架构，而是需要根据实际情况和需求，设计适合配电自动化系统的网络架构。

(2) 数据模型。2003年版IEC 61850标准中定义了90多种逻辑节点，现行IEC 61850标准则定义了170多种逻辑节点，这些逻辑节点可以满足绝大部分配电自动化系统的应用需求。对于一些IEC 61850标准中尚未涉及到的逻辑节点，可以进行补充，如针对短路故障检测的逻辑节点，以及针对小电流接地故障检测与选线的逻辑节点等。IEC 61850-7-420： 2009直接给出了针对分布式能源的逻辑节点与数据模型，如配电自动化系统已接入分布式能源，可以直接采用。如需要对配电开关及断路器进行状态监测，则可以采用IEC 61850-7-4： 2010和IEC TR 61850-90-3： 2016等文件中所定义的逻辑节点。

(3) 通信服务。现行IEC 61850标准定义了60多种抽象通信服务接口(ACSI)，这些抽象通信服务接口可以满足配电自动化系统在通信服务方面的需求。抽象通信服务接口在低层可以采用特定通信服务映射(SCSM)，从而实现上层通信服务与低层分离的结构，避免了标准体系中上层稳定性与低层通信技术发展之间的矛盾。这样，随着新技术的发展，IEC 61850标准不需要改变上层通信服务与数据模型，而是只需要增加新的特定通信服务映射即可。在配电自动化系统中，一般情况下智能电子设备硬件配置与实时性要求并不高，可选择复杂度较低的特定通信服务映射，具体映射关系可以参照IEC 61400-25《风电场监控系统通信》。

(4) 工程配置。由于变电站自动化系统中智能电子设备数量有限，建设周期基本确定，因此变电站自动化系统的工程配置主要是基于数据模型文件的静态配置。IEC 61850-6： 2009中定义了6种配置文件格式： ① ICD文件，即智能电子设备能力描述文件；② SSD文件，即系统规范描述文件；③ SCD文件，即系统配置文件；④ CID文件，即智能电子设备配置信息文件；⑤ IID文件，即实例化的智能电子设备描述文件；⑥ SED文件，即系统交换文件。而如前所述，配电自动化系统中智能电子设备数量多，工程配置与维护量大，需要分批分区分阶段进行，因此在配电自动化系统中应用IEC 61850标准时，在工程配置方面提出了新的要求。

配电自动化系统的智能电子设备数量多，且分布在馈线上，常采用广域网通信技术。由于同一馈线上的设备联系紧密，而馈线之间的联系则相对松散，因此配置时可以面向馈线进行集成，并将同一条馈线上的智能电子设备划入一个逻辑子网。当前，配电自动化系统以分布式控制为发展方向[23-24]，分布式控制为点对点对等通信模式，适合于网际协议网络，故障处理快速，不依赖于主站，但应用中需要一次拓扑信息来实现相关的终端功能。例如，在进行故障隔离与定位时，需要明确相邻断路器的故障检测信息，进而判断故障区间并进行隔离，此处，断路器的相邻关系就是配电网拓扑的基本单元，基于相邻关系便能够获得拓扑信息[25]。支持分布式控制时，应用终端需要使用包含拓扑信息的配置文件，并配置一次拓扑信息与智能电子设备接口。

配电自动化系统工程配置需要分批分区分阶段进行，具体可以采用面向互联馈线的分区配置和面向馈线设备的分批配置。采用面向互联馈线的分区配置时，以中压母线为边界，由多个互相联络的馈线组成分区。若涉及到整条馈线或整个分区，且终端较多时，可以按区域由总到分进行配置。若配置对象为局部单个或少数几个馈线设备，所涉及的终端较少，则适宜采用面向馈线设备的分批配置，由分到总进行配置。

(5) 终端设备即插即用。出于简化工程的目的，配电自动化系统的终端设备要求支持即插即用，这就要求抽象通信服务接口能够支持更多的数据模型，并通过合理的应答与识别机制来满足终端设备即插即用的要求。

(6) 一致性测试。IEC 61850-10： 2012对一致性测试的环境、要求等进行了规定，并给出了案例，是现行IEC 61850标准的重要组成部分，用于保证设备能够实现互操作。IEC 61850-10： 2012基本可用于配电自动化系统，但还需要针对新增模型与设备即插即用等进行补充和完善。

4 结束语

从2003年首次发布至今，IEC 61850标准已有14年历史，标准从最初的针对变电站拓展至分布式能源、发输变电、电力调度等多个领域，且仍在不断修订与完善中。作为坚强智能电网中的重要组成部分，配电自动化系统应用IEC 61850标准是一个长期研究热点。相信随着研究的不断深入，新理论和应用成果将不断涌现，配电自动化系统和IEC 61850标准也将紧密地结合在一起。

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