數(shù)字化變電站過(guò)渡方案的研究

1、數(shù)字化變電站過(guò)渡方案的研究古樹平1，陳奇志1, 2，陳旺虎1，楊俊1，揭海寶1，陳可1（1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川省 成都市 610031； 2. 成都交大光芒實(shí)業(yè)有限公司，四川省 成都市 610031）摘要：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)研究的逐步深入與電子式互感器等智能電子設(shè)備的發(fā)展，使變電站實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化成為可能。分析了傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站的區(qū)別，闡明了IEC61850與原有協(xié)議的差異，并結(jié)合現(xiàn)有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際情況，提出了過(guò)渡期數(shù)字化變電站的解決方案。關(guān)鍵字：IEC61850；數(shù)字化變電站；電子式互感器；通信協(xié)議Research on the Transitional Sch

2、emes of Digital SubstationGU Shu-ping1, CHEN Qi-zhi1,2, CHEN Wang-hu1, YANG Jun1,JIE Hai-bao1,CHEN Ke1(1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. CHENGDU GIAODA GUANGMANG CO.LTD., Chengdu 610031, China)Abstract: The Digital Substation can be realized

3、with the development of IEC61850 and Intelligent Electronic Device such as Electronic Transformer. This paper discusses the difference between Traditional Substation and Digital Substation and also presents the distinction of IEC61850 and the existing protocols. Base on that, the Transitional Scheme

4、s of Digital Substation are proposed, which are feasible at the present stage.Key words: IEC61850; Digital Substation; Electronic Transformer; Communication Protocol0 引言 新一代變電站自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)IEC61850的推廣和應(yīng)用給變電站數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及電子式互感器等智能電子設(shè)備的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站提供了有力前提。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的弊端越來(lái)越明顯，數(shù)字化變電站的發(fā)展成為趨勢(shì)，但受電

5、子式互感器、智能斷路器等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用不成熟的制約，期間必然存在一個(gè)過(guò)渡期。因此，現(xiàn)階段對(duì)傳統(tǒng)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造具有實(shí)際意義，可為將來(lái)實(shí)現(xiàn)變電站全數(shù)字化積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。1 傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站的比較 1.1 傳統(tǒng)變電站存在的問(wèn)題隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)變電站的局限逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，傳統(tǒng)變電站主要存在以下問(wèn)題：在結(jié)構(gòu)上，一次設(shè)備和二次測(cè)控保護(hù)裝置的連接需要大量電纜，設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行維護(hù)都要耗費(fèi)大量人力物力，設(shè)備可靠性差，占地面積大。在運(yùn)行上，二次接線的復(fù)雜使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，自動(dòng)化功能獨(dú)立、堆砌，缺少集成應(yīng)用和協(xié)同操作，數(shù)據(jù)缺乏有效利用。在通信上，早期的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用的是RS-42

6、2/RS-485通信接口，其通信方式多為查詢方式，通信效率低，難以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求，且整個(gè)通信網(wǎng)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對(duì)通信進(jìn)行管理和控制，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)的通信將無(wú)法進(jìn)行。后來(lái)發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)總線，再到以太網(wǎng)，在通信效率上有了很大提高，但是各廠家在已有通信規(guī)約的語(yǔ)義理解上存在差異，導(dǎo)致采用的應(yīng)用層協(xié)議不同，不同廠家的設(shè)備之間只有采用協(xié)議轉(zhuǎn)換器才能解決不兼容，無(wú)法從根本上解決設(shè)備間的互操作問(wèn)題12。此外，傳統(tǒng)變電站還存在諸如安全性、可靠性不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，供電質(zhì)量缺乏科學(xué)的保證，不利于提高運(yùn)行管理水平等問(wèn)題。這些問(wèn)題大多是由于變電站整體數(shù)字化、信息化水平不高，缺乏能夠完備實(shí)現(xiàn)信

7、息標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)備之間互操作的變電站通信標(biāo)準(zhǔn)造成的。1.2 數(shù)字化變電站的特點(diǎn)與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站的特點(diǎn)可簡(jiǎn)單歸納為：智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備和變電站的信息化，圖1對(duì)傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站在結(jié)構(gòu)、功能和通信方式上做了簡(jiǎn)單的比較。圖1 傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站比較示意圖Fig.1 The Comparison of Traditional Substation and Digital Substation數(shù)字化變電站具體表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：采用電子式互感器等非常規(guī)互感器，直接輸出數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中避免了電磁干擾3。簡(jiǎn)化二次接線，取消傳統(tǒng)的硬接線，系統(tǒng)采用功能分布式結(jié)構(gòu)，各功能之

8、間的邏輯配合關(guān)系建立在信息交換的基礎(chǔ)上。電子式互感器、智能一次設(shè)備的測(cè)量信息和狀態(tài)信息通過(guò)合并單元傳輸至過(guò)程總線，測(cè)控保護(hù)裝置通過(guò)過(guò)程總線實(shí)現(xiàn)信息共享。由于采用IEC61850做為站內(nèi)統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，符合IEC61850的智能電子設(shè)備間能方便地實(shí)現(xiàn)互操作，變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信，同時(shí)變電站為遠(yuǎn)方控制中心提供一次設(shè)備監(jiān)測(cè)信息、二次設(shè)備監(jiān)測(cè)信息、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息、電網(wǎng)故障信息、計(jì)量信息等豐富數(shù)據(jù)，與控制中心之間真正達(dá)到信息共享。此外，數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的運(yùn)行管理46，運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)找出故障原因和處理意見(jiàn)，系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改為“狀態(tài)檢修”

9、。2 IEC61850與原有協(xié)議在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用比較2.1 IEC60870-5-103規(guī)約的特點(diǎn)和局限傳輸規(guī)約IEC60870-5-103（以下簡(jiǎn)稱103規(guī)約）繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)是IECTC-57技術(shù)委員會(huì)在IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的，在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)頒布之前，通常采用IEC60870-5-103規(guī)約作為變電站內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)使變電站內(nèi)不同繼電保護(hù)設(shè)備和測(cè)控裝置達(dá)到互換，提高了變電站通信的實(shí)時(shí)性。103規(guī)約與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）七層參考模型相比，是一種簡(jiǎn)化的通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)模型為增強(qiáng)性能結(jié)構(gòu)，只有物理層、鏈路層和應(yīng)用層三層

10、。103規(guī)約采用非平衡傳輸，工作站、遠(yuǎn)動(dòng)站組成主站，繼電保護(hù)設(shè)備(或間隔單元)為從站(子站)。配套標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種信息交換方法:一種是基于嚴(yán)格規(guī)定的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDUs)和“標(biāo)準(zhǔn)化”提出報(bào)文的傳輸應(yīng)用過(guò)程的方法；另一種是使用通用分類服務(wù)可以傳輸幾乎所有可能信息的方法。該協(xié)議的特點(diǎn)是詳細(xì)地描述了遙測(cè)、遙信、遙脈、遙控、保護(hù)事件信息、保護(hù)定值、錄波等數(shù)據(jù)傳輸格式和傳輸規(guī)則，可以滿足變電站傳輸保護(hù)和監(jiān)控的信息78。雖然103規(guī)約被廣泛用于系統(tǒng)內(nèi)部通信，但規(guī)約對(duì)通用分類服務(wù)的語(yǔ)法沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，容易引起歧義，且為面向信號(hào)的協(xié)議，只強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)格式而對(duì)傳輸過(guò)程的說(shuō)明不夠詳細(xì)，這也導(dǎo)致不同設(shè)備制造商在理解

11、上存在差異，各廠家設(shè)備之間的互操作性也就難以實(shí)現(xiàn)。2.2 IEC60850標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系IEC 61850的應(yīng)用，使不同廠家的設(shè)備間達(dá)到信息共享并可實(shí)現(xiàn)互操作性。與IEC60870-5-103相比IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)：使用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使用分布分層體系，應(yīng)用層傳輸協(xié)議是面向?qū)ο笞晕颐枋龅模瑪?shù)據(jù)對(duì)象是分層的，定義了收集這些信息的方法，數(shù)據(jù)對(duì)象，邏輯結(jié)點(diǎn)和邏輯設(shè)備的代號(hào)，并規(guī)定了名字的造句法，使任何對(duì)象的標(biāo)識(shí)成為唯一的。IEC 61850使用抽象通信服務(wù)接口(ACSI)、特殊通信服務(wù)映射SCSM和MMS技術(shù)，可根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)歸納所需的服務(wù)類911

12、。此外，IEC61850涵蓋了IEC 60870-5-103的數(shù)據(jù)對(duì)象，具有互操作性，是面向未來(lái)的、開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在邏輯上將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為變電站層、間隔層、過(guò)程層三層，并將功能分解成相互聯(lián)系的幾個(gè)部分，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享，如圖2所示。圖2 數(shù)字化變電站系統(tǒng)接口模型Fig.2 The Interface Model of Digital Substation各接口含義為：、間隔層和變電站層之間的數(shù)據(jù)交換；間隔層與遠(yuǎn)方保護(hù)之間的數(shù)據(jù)交換；間隔層內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換；、過(guò)程層與間隔層之間的數(shù)據(jù)交換；變電站與遠(yuǎn)方工程師辦公地的數(shù)據(jù)交換；間隔層之間的數(shù)據(jù)交換；變電站層內(nèi)的

13、數(shù)據(jù)交換。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布解決了同一廠商或者不同廠商的多個(gè)IED之間的互操作性問(wèn)題，該標(biāo)準(zhǔn)必將成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，它的推廣和應(yīng)用為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。3 數(shù)字化變電站過(guò)渡期解決方案實(shí)現(xiàn)變電站全數(shù)字化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，國(guó)內(nèi)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用研究還需不斷深入探索，非常規(guī)互感器的穩(wěn)定性還需要一段時(shí)間的實(shí)際檢驗(yàn)12，智能斷路器技術(shù)發(fā)展尚不成熟，期間必然存在一個(gè)過(guò)渡期。在過(guò)渡期內(nèi)，可采用進(jìn)入實(shí)用化階段的電子式互感器和智能斷路器控制裝置，本文結(jié)合現(xiàn)有系統(tǒng)的實(shí)際情況，同時(shí)考慮新型智能電子設(shè)備與常規(guī)設(shè)備的兼容，提出了過(guò)渡期內(nèi)可行的解決方案。本方案對(duì)傳統(tǒng)變電站進(jìn)

14、行了兩種不同的數(shù)字化改造。如圖3所示，方案中間隔A采用支持IEC61850的測(cè)控和保護(hù)裝置，在目前相對(duì)成熟的變電站層和間隔層之間實(shí)現(xiàn)IEC61850通信，實(shí)現(xiàn)了不同廠家IED之間的互聯(lián)和互操作。常規(guī)斷路器等開(kāi)關(guān)設(shè)備仍采用硬接線形式與測(cè)控保護(hù)裝置連接，采用電子式互感器與常規(guī)互感器相兼容的方式達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并通過(guò)合并單元把數(shù)據(jù)上送至測(cè)控保護(hù)裝置。相比原有系統(tǒng)，間隔A方案只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數(shù)字化改造，但相比傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)，數(shù)字化程度高，運(yùn)行維護(hù)工作量大大減少，此方案為后一步增設(shè)過(guò)程總線做了一定準(zhǔn)備，在過(guò)渡期采用這種方案是可行的也是較容易實(shí)現(xiàn)的。間隔B方案為采用IEC61850協(xié)議和電子式互感器的實(shí)用型

15、數(shù)字化變電站方案。站控層和間隔層實(shí)現(xiàn)IEC61850-8-1通信，過(guò)程層采用100M以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了IEC61850-9-1通信，并達(dá)到了信息共享。方案采用電子式互感器，通過(guò)光纖接入合并單元，合并單元處理后再將數(shù)據(jù)上送至過(guò)程總線，常規(guī)斷路器則通過(guò)數(shù)字化斷路器控制單元將自身狀態(tài)信息送至過(guò)程層。支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控保護(hù)裝置再收集來(lái)自過(guò)程總線的數(shù)據(jù)送至站級(jí)總線。相比間隔A方案，該方案數(shù)字化程度更高，且過(guò)程層、站控層均實(shí)現(xiàn)IEC61850新標(biāo)準(zhǔn)通信，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和智能電子設(shè)備間的互操作。圖3 數(shù)字化變電站過(guò)渡期解決方案Fig.3 The Transitional Schemes of D

16、igital Substation上述方案考慮了基于IEC61850的新系統(tǒng)與基于傳統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)有系統(tǒng)之間的兼容，通過(guò)改造，變電站數(shù)字化程度明顯提高。隨著變電站數(shù)字化改造經(jīng)驗(yàn)的積累以及數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用的逐步成熟，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的完全數(shù)字化變電站必將實(shí)現(xiàn)。4 結(jié)語(yǔ)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系的應(yīng)用研究，為變電站自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了重大突破。數(shù)字化變電站特點(diǎn)為一次設(shè)備的智能化、二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和變電站的信息化，實(shí)現(xiàn)變電站全數(shù)字化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，需要不斷從實(shí)際中積累經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)階段推廣切實(shí)可行的數(shù)字化變電站工程方案有助于推動(dòng)變電站數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。非常規(guī)互感器、智能斷路器技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)數(shù)

17、字化的有力前提，實(shí)現(xiàn)變電站全面數(shù)字化將是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)1 黃益莊. 變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)M. 北京：中國(guó)電力出版社，2000. HUANG Yi-zhuang.Substation Automation System TechnologyM.Beijing:China Electric Power Press,2000.(in Chinese)2 高鵬宇，游大海，劉國(guó)民.符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站內(nèi)部通信的實(shí)現(xiàn)J.繼電器，2006，34（12）:69-72.GAOPeng-yu,YOUDa-hai,LIUGuo-ming.Implement of Communic

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