控制工程师论坛

500kV桂林变电站遵循IEC61850标准统一建模工程实施报告 
作者：中国南方电网公司超高压公司 刘琳  来源：赛尔电力自动化 总第80期
摘要：500kV桂林变（IEC61850）工程是我国首次在500kV变电站的间隔层、变电站层全部采用遵循IEC61850标准设备的工程，它在保护、测控、远动、后台监控系统、保护故障信息子站系统、故障录波等领域集成了多家公司的二十余种型号的自动化产品，均完全实现互联、互操。工程已通过第三方权威检测机构――中国电力科学研究院的各项测试，包括IEC61850规约的测试、变电站自动化系统的测试、与调度通信规约的测试等。工程已于2007年10月31日顺利投运。本工程的实施，推动了南方电网IEC61850标准的应用步伐，具有非常重要的里程碑意义。
　　
　　关键词：500kV变电站；变电站自动化系统；IEC61850标准；工程；实施
　　
　　1引言
　　
　　500kV桂林变电站位于广西桂林市灵川县城，是国家重点工程项目――龙滩送出工程的重要组成部分，是我国首次在500kV变电站间隔层、变电站层实现IEC61850标准建模的变电站。
　　
　　500kV桂林变电站设计规模为三组750MVA主变压器，9回500kV进出线，12回220kV进出线。第一期规模为一组750MVA主变压器、2回500kV进出线，5回220kV出线。该变电工程采用了IEC61850通信规约，先进的变电综合自动化监控系统，自动化程度高，科技含量高。该站的运行投产，对充分发挥南方五省（区）联网运行的安全效益、经济效益和社会效益，更好地为南方各省区人民服务，起着举足轻重的作用。该站的竣工投运，南方电网主网架得到了进一步的加强和优化，特别是为世界著名旅游城市-桂林市增添了大电网的电力支持，有效确保桂林市电力供应，更好地促进桂林市地方经济发展特别是确保著名旅游城市亮化工程的正常运作将起到不可替代的作用。是国家重点工程——贵（贵州）广（广东）交流二回输变电工程的重要枢纽变电站。
　　
　　500kV桂林变电站是我国首次在500kV变电站的间隔层、变电站层全部采用符合IEC61850标准设备的变电站，在保护、测控、远动、后台监控系统、保护故障信息子站系统、故障录波等领域集成了多家公司的二十余种型号的自动化产品。国电南京自动化股份有限公司为该工程的系统集成商，为安全可靠起见，工程邀请中国电力科学研究院为第三方检测机构，已通过包括IEC61850规约、变电站自动化系统、与调度通信规约等各项测试。500kV桂林变（IEC61850）工程自2007年10月31日投运至今，运行正常。
　　
　　图1500kV桂林变主接线图
　　
　　2方案说明
　　
　　在本IEC61850变电站自动化系统中，由EyeUnix监控后台和PSX610远动服务器共同实现IEC61850变电站自动化系统的变电站控功能；由高压设备继电保护装置、低压设备继电保护装置、测控装置等实现了IEC61850变电站自动化系统的间隔层功能。
　　
　　2.1系统/网络结构图
　　
　　桂林变电站的IEC61850变电站自动化系统，由EyeUnix监控、PSX610远动服务器、保护信息管理子站、测控装置、高压设备继电保护装置、低压设备继电保护装置、协议转换器和其他一些智能装置组成。整站未使用智能化一次设备，互感器及开关控制信号仍然由传统的点对点电缆连接完成。整个变电站自动化系统的结构如图2所示。
　　
　　图2桂林变网络结构图
桂林变自动化系统说明：
　　
　　EyeUnix监控：
　　
　　使用IEC61850通信协议，实现IEC61850变电站自动化系统变电站层对间隔层数据监视和控制的作用；实现与用户的人机界面功能；配置成双机双工模式。
　　
　　PSX610远动服务器：
　　
　　站内使用IEC61850通信协议，远方通信转换为IEC60870-5-101/104规约，实现IEC61850变电站自动化系统变电站层与远方控制中心的接口功能；双机双工配置，由远方调度进行切换。
　　
　　保护信息管理子站：
　　
　　站内使用IEC61850通信协议，采集故障录波器及各继电保护设备的动作、告警、定值、压板等信息，可进行就地显示、打印和管理，远方通信转换为南方电网TCP103协议，接入远方继电保护信息主站。
　　
　　PSR660测控装置：
　　
　　使用IEC61850通信协议，实现间隔层数据采集和控制功能，集成IEC61850的MMS服务器模型，并具备GOOSE收发功能以实现间隔层联闭锁。
　　
　　故障录波装置：
　　
　　使用IEC61850通信协议，实现电网扰动时的模拟量和开关量录波功能，使用IEC61850与故障信息子站通信。
　　
　　高压设备继电保护装置：
　　
　　线路、主变、母差、电抗器等各类高压设备保护装置分别由国电南自、南瑞继保和深圳南瑞等不同厂家提供，实现有关的继电保护功能，使用IEC61850通信协议与监控后台、保护信息子站以及远动服务器通信。
　　
　　低压设备保护测控装置
　　
　　有线路、电容器、站用变压器等多种设备保护测控装置，实现完整的间隔控制器功能，直接通过IEC61850MMS服务和站控层设备通信。
　　
　　其他智能设备：
　　
　　通过IEC61850代理网关，实现直流屏、电度表等其他智能设备接入IEC61850系统。
　　
　　2.2IEC61850标准服务模型
　　
　　500kV桂林变电站自动化系统使用了不同的IEC61850标准服务，实现了变电站自动化系统的数据信息交互，遥控操作，定值操作等功能。
　　
　　该系统支持的IEC61850标准的模型有：
　　
　　服务器模型；
　　
　　应用连接模型；
　　
　　逻辑装置模型；
　　
　　逻辑节点模型；
　　
　　数据类；
　　
　　数据集模型；
　　
　　定值控制块模型；
　　
　　报告控制块模型（带缓冲报告控制块和不带缓冲控制块）；
　　
　　控制类模型（SBOw模型）；
　　
　　SNTP时间同步模型。
　　
　　2.3工程化管理
　　
　　桂林变IEC61850变电站自动化系统使用不同的服务模型实现了变电站自动化系统的工程化管理，具体的工程化管理如下：
　　
　　数据集模型
　　
　　将大量相关的间隔层数据组合成一个数据集。客户可以通过读取服务，直接读取整个数据集的全部内容。
　　
　　报告控制块模型
　　
　　BRCB控制块：
　　
　　间隔层设备的大部分状态信息、SOE信息、告警、事件等数据大量使用了BRCB控制块模型，实现与监控系统和远动服务器的通信。BRCB控制块实现了缓冲功能，增强了数据传输的可靠性。
　　
　　URCB控制块
　　
　　间隔层设备的测量数据使用URCB控制块模型，实现与监控系统和远动服务器的通信，实现了测量数据的主动上送。
　　
　　定值组控制块模型
　　
　　监控系统、远动服务器、保护信息管理子站和间隔层设备使用了定值组控制块模型，实现对装置定值组与定值的处理；实现了获取当前工作定值组，编辑定值区与定值组切换的功能。
　　
　　SBOw控制模型
　　
　　监控系统和远动服务器使用了SBOw控制模型，实现了对间隔层设备的遥控操作。
　　
　　间隔层设备的软压板也由SBOw控制模型实现。
　　
　　SNTP模型
　　
　　作为IRIG-B硬件对时信号的备用，监控系统、远动服务器和间隔层设备使用了SNTP模型，实现全站系统的网络对时。
　　
　　直接读取服务
　　
　　直接读取服务作为整个IEC61850变电站自动化系统工程化管理的一个补充。对于在间隔层设备中没有定义到数据集中的数据，监控系统、远动服务器可以通过直接读取服务获得间隔层设备当前数据信息。
3桂林变电站IEC61850创新
　　
　　3.1操作性验证
　　
　　500kV桂林变电站IEC61850工程分别使用了多个厂家的间隔层和站控层设备，除了直流屏等少数不具备网络通信能力的简单智能设备以外，整个系统取消了规约转换器，各设备间完全用IEC61850通信规约实现了互操作，充分证明IEC61850规约能实现传统变电站自动化系统的各种功能。
　　
　　值得一提的是，桂林变电站充分实践了IEC61850规约保留厂商实现自由的重要思想，在接口方面仅规定了很少的实现一致性要求，依靠标准本身的通用性以及后台适应装置的实现思想，充分验证了IEC61850是可扩展性和互操作性的良好统一。
　　
　　3.2双网冗余处理
　　
　　IEC61850把通信冗余完全交给通信网络去处理，而没有考虑IED装置直接出背靠背双网冗余的情况。由于桂林变是一个500kV的变电站，可靠性要求较高，且国内220kV以上变电站已习惯使用双星型以太网模式，因此整个系统按照完全独立双网双IP的模式进行设计。
　　
　　通过对标准的理解和创新，桂林变的后台监控系统使用双网双工模式和各间隔层装置通信，要求各间隔层装置需创建较多的报告控制块实例，监控系统计算机在双网上分别使能各自的报告控制块（在间隔层装置看来好像是独立两个客户端），发生事件时通过监控软件过滤掉重复部分，能实现双网之间的无扰动切换。
　　
　　远动通信服务器的CPU处理能力相对较弱，如果采取和监控系统相同的办法处理重复数据将会导致负担过重，因此远动通信服务器对间隔层IEC61850通信使用了双网热备用模式。即双网同时建立TCP连接，但只在其中的一个网络上使用报告控制块，另一个热备用网络用遵循IEC61850规约的TCPKeepalive监视连接是否正常。一旦发现正常通信的主网络故障，远动装置将立即将热备用的网络切换为运行，重新使能报告控制块，利用BRCB的缓冲功能同样可实现网络切换期间重要的信号不丢失。
　　
　　与双网双工方式相比，远动通信服务器的双网热备用方式在网络故障时会具有10s～20s的切换延时，但在不丢信号的前提下可显著减少间隔层装置和站控层设备的处理负担，利用了IEC61850BRCB和TCPKeepalive的优点，因此在经过充分讨论后成为我国IEC61850工程实施规范的行业标准做法。
　　
　　3.3通过GOOSE实现间隔层联闭锁
　　
　　间隔层联闭锁是GOOSE通信服务的一种典型应用，主要利用了其一发多收特性可实现各间隔层间水平的数据共享。在500kV桂林变电站投运之前，国外厂商已经有若干个投运GOOSE联闭锁的自动化厂站，但是国内厂商在高电压等级的实际工程应用尚属空白。桂林变使用了PSR660数字式测控装置，首次实现了国产化设备的GOOSE工程应用，具有较大的示范意义。
　　
　　与500kV桂林变双网架构相对应，测控装置用于联闭锁的GOOSE信息也实现了双网冗余。所有装置将相同的GOOSE信息在两个网络上同时发送，接收端通过判别StNum及SqNum能够判断出后到的GOOSE信息已经过时而不再解码。这种双网双工模式可保证网络故障时的无延时切换，具体的软件实现方法对继电保护GOOSE信息处理同样适用，因此也已被吸收进IEC61850工程实施规范的行业标准中去。
　　
　　3.4保护信息模型
　　
　　如前所述，目前IEC61850在国内的推广应用中发现在继电保护信息管理方面，有较大困难，主要表现在：
　　
　　定值分散在各逻辑节点中，未形成统一的定值表；
　　
　　压板功能在标准中没有专门论述，逻辑节点中的Mod和Beh不能替代所有的功能压板和出口压板；
　　
　　不便于生成装置统一故障报告；
　　
　　录波文件没有和保护事件建立直接对应关系；
　　
　　未考虑保护元件动作时的故障参数（测距、差流等瞬时动作值）传送。
　　
　　其中，前3点主要反映了面向逻辑节点建模和面向装置管理的思路间存在着的固有矛盾，后两点则因为国内需求没能在国际标准的制订中完全体现。
　　
　　站在继电保护的专业来看，IEC61850的通信标准已经在某种程度上影响了继电保护功能元件的定义和管理。IECTC95（量度继电器和保护设备技术委员会）虽然派人参与了TC57（电力系统管理及其信息交换技术委员会）的IEC61850标准制订工作，但参与深度不够且配套的继电保护专业标准化工作没有跟上，导致目前他们意识到在IEC61850之后制订功能继电器的相关标准有点尴尬和被动。
　　
　　在桂林变的工程实施中我们认识到，现阶段我国继电保护装置的实现和IEC61850或者IEEE规定的标准继电器有较大差异，因而比较合理的方式仍然是面向装置进行定值、压板以及报告和录波信息的管理。为此，桂林变建模接口方案规定各厂商应将定值和压板集中建模，并按照规范的时间信息文件名存储COMTRADE录波，通过这些规定，使用最小的代价实现了我们所期望的继电保护装置和故障信息系统通过IEC61850规约实现通信的管理功能。
　　
　　3.5第三方FAT机制
　　
　　桂林变电站自动化系统是首个实施IEC61850标准的工程，基于桂林变电站的重要性，以及对于IEC61850规约工程实现的可靠性要求出发，我们邀请了中国电力科学院作为权威第三方对该工程的IEC61850规约的准确性进行测试和验收，对运行单位提供了必要的技术培训和指导。
　　
　　在实际工程中，这种引入第三方进行监督的机制非常成功。通过中国电科院权威检测机构的现场报文分析以及正常和异常（如雪崩、网络故障等）情况下的性能考核，令人信服地说明了500kV桂林变已经成功运用IEC61850技术，并且达到或超过了常规500kV变电站自动化系统的各种功能和性能指标。目前我国正处于IEC61850变电站自动化系统的发展初期，这种第三方验收和见证机制，值得其它类似工程借鉴和推广应用。
　　 4工程优点展望
　　
　　IEC61850系列标准为基于通用网络通信平台的变电站自动化系统最新国际标准，全面涵盖了变电站通信网络和系统的总体要求、系统和工程管理、一致性测试等内容。IEC61850系列标准的目的是实现智能电子设备间的互联互操作性。
　　
　　IEC61850标准在500kV桂林变进行应用，获得了其他变电站自动化系统所不具有的以下优点：
　　
　　（1）互操作性：
　　
　　IEC61850系列标准的目的就是实现智能电子设备的互操作性，IEC61850变电站自动化系统自然而然的实现了装置的互操作性；增加了用户对变电站智能电子设备的选择范围。
　　
　　（2）技术领先
　　
　　IEC61850系列标准充分吸收了计算机信息处理中的面向对象模型技术，并通过抽象通信接口等方法进行层次型设计，使得IEC61850变电站自动化系统相对其他变电站自动化系统在技术上更加领先。
　　
　　（3）标准化
　　
　　在IEC61850标准中使用了变电站描述语言，规范了设备制造商和系统集成商之间交换配置文件的标准格式和流程，实现了变电站自动化系统集成的标准化，缩短了变电站自动化系统的建立时间。
　　
　　（4）易扩展
　　
　　IEC61850规定了严格的扩展方法（自描述体系、名称字典和命名空间），使得将来设备的功能增加，也不会影响设备间的互操作性，保障了用户的利益；同时当变电站有新的设备加入时，只需更改变电站的配置文件，就可轻松实现变电站自动化系统的改造和升级。
　　
　　（5）通用性
　　
　　IEC61850系列标准的模型化技术和层次型设计结构，能及时容纳不断发展中的通信新技术，保证了标准在较长时间内具有良好的通用性。
　　
　　6）长期性
　　
　　IEC61850系列标准致力于实现一个长期适用的电力系统通信标准，在此情况下，可以预见IEC61850变电站自动化系统能在较长时期内存在，保障了用户的利益。
　　
　　5结论
　　
　　IEC61850变电站通信网络和系统标准采用了诸如面向对象建模、抽象通信服务接口、强实时过程层通信等许多全新而激动人心的技术，为未来变电站自动化系统指引了方向。在这个标准还很年轻的情况下，也不可避免会存在有一些问题需要标准的使用者和制订者去共同解决。
　　
　　传统的变电站自动化系统往往基于厂商各自的通信规约，难以实现不同厂商设备间的互操作。基于客观存在的用户需求，IEC61850的首要目标是解决互操作性问题。在计算机数据通信层面、基于信息表的SCADA语义空间上已经得到很好实现，但在应用中发现了标准模型尚存在有一定的不足和欠缺，必须在实际产品中进行一定的扩充。这些扩充因为有命名空间的规定而不会产生冲突，但导致不同扩充间可能要依赖于自然语言解释而影响了互操作性。
　　
　　变电站描述语言（SCL）是IEC61850互操作性的基础，也被用来指导具体的工程化实施过程。基于SCL文件，标准定义了业主、系统集成商和IED制造商这3种角色间的接口流程和标准，这可能会导致现有变电站自动化系统实施模式的改变。此外，标准化可存档的SCL变电站信息具有可继承性，因而能降低变电站改扩建时自动化系统的改造风险和成本。
　　
　　IEC61850着眼于面向对象的抽象建模，这有利于抛开厂商实现技术的差异而实现信息的标准化，然而标准也表现出对实际装置的映射关注存在不足，这导致在目前信号由控制电缆接入的二次设备中产生建模困难。标准的抽象和灵活往往会和实用性间发生矛盾，比如IEC61850相对缺少功能应用方面的指导，就需要参与者在互操作试验及工程实践中来进行逐步磨合。
　　
　　过程层通信在变电站自动化系统中具有相当的前瞻性。受到传统产业格局以及当前技术水平的制约，使用当前技术实现过程层通信仍然有一定困难，但是IEC61850的标准化工作可为将来的数字化变电站提供互操作依据。实现了智能一次设备和过程层通信也更能反映IEC61850面向对象建模的好处。
　　
　　在国际上IEC61850刚刚开始商业化应用的背景下，作为全世界每年电力发展规模最大的中国，有必要就IEC61850进行积极的产品化开发和工程应用试点。桂林变作为国内首个投运的500kV多厂商直接支持IEC61850规约的变电站自动化系统，在双网冗余、保护信息处理等方面有所创新，通过实践推动了中国IEC61850标准的应用步伐，为“DL860系列标准工程实施规范”这一行业标准的出台贡献了力量，因此具有非常重要的里程碑意义。
　　
　　参考文献：