张 岩1，张 璇2

　　（1. 国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075;2. 国网北京市电力公司物资分公司，北京 100053）

摘 要：变电站自动化系统是一种包含着智能电子设备以及提供了系统控制、继电保护、监视监控等的现代通信网络的新型电力系统。自动化系统能够完整地行使其功能取决于各部分组件的协调与配合，而不同制造厂商的智能电子设备从通信协议、接口调试等方面都限制着变电站自动化系统的发展与应用。阐述了为解决上述问题而产生的IEC61850标准的优势，以及对现代变电自动化系统的重要影响，并简单探究了应用IEC61850的变电站自动化系统发展趋势。

　关键词： 变电站自动化系统；智能电子设备；IEC61850；继电保护

0 引言

　　在变电站自动化系统中，能否准确地实现自动化系统的各类功能在很大程度上取决于不同生产厂家的智能电子设备是否可以整体运行。从工程管理角度分析，良好的整体运行意味着各种电子设备联结使用时可以比独自运行产生更好更优的结果。而在电力系统高电压等级的变电站中，各类、不同生产厂家的电子设备在继电保护与自动化控制中的相互协调作用是尤为关键和必要的。然而不同的生产厂家的设备无法统一相同的协议，这给系统的整体运行提出了很大的挑战。由于各生产厂家从事变电站自动化系统服务多年，每家都拥有着自己设备型号独自的规约与协议，例如PON、Profibus、EFIP等等[1]。IEC60870-5-103 提供了一种主-从模型，一定程度上解决了数字继电保护装置的通信问题。即使如此，这套标准受限于不同协议之间传输的数据速率问题，仍存在较大的改进空间。为了进一步改善、规范变电站自动化系统各设备间的互操作性、信息接入和信息维护等方面的问题，国际电工委员会终于在2006年正式完善发布了完整的IEC61850规约，实现了各生产厂家不同设备之间的互操作性等问题。

　　本文将具体阐述IEC61850的一些特性，并对现代变电站自动化系统上应用IEC61850进行探究。

1 IEC61850 主要特性与功能

　　IEC61850规约针对不同种类、不同型号、不同厂家的继电保护及自动化装置提供了一个更友好广阔的平台，其主要的特性与功能如下：

　　（1）设备的互操作性 :不同生产厂家的智能电子设备具备信息交换、协同操作能力；

　　（2）高速率数据同等延迟机制通信替代原始主-从通信模型；

　　（3）系统功能的自由分配 :智能电子设备和站控层所完成的变电站自动化功能并非固定不变 ,各功能可在不同设备间自由分配；

　　（4）建立在面向对象导向的数据识别模型包含了所有数据信息，替代了原始只能通过地址识别的单一导向模型；

　　（5）系统性和完整性：能够满足变电站所有必需的信息描述和信息传输功能；

　　（6）系统的开放性和稳定性：IEC61850规约具有开放性和长期稳定性的特征，适应通信技术与变电站自动化系统发展的客观要求[2]。

2 基于IEC61850规约的垂直层面通信

　　IEC61850规约的分层技术将变电站通信体系从逻辑概念和物理概念上都分为变电站层（站层）、间隔层和过程层的三层结构形式。

　　电网SCADA系统位于远程终端，其数据通信处于IEC61850垂直层的站层，SCADA连接有远方控制中心、工程师站及人机界面，具有控制监控的权限，从最高级的控制层一直到下层的刀闸变位、断路器信息、变压器信息、事件警报等。

　　站层与间隔层之间设有终端-服务器模型，用以协调两层之间的通信；位于间隔层的智能电子设备作为服务器进行与站层及过程层的数据传输与接收。数据依据终端需求或自动传送至更高级别的服务器，而终端通常依据各类情况发布控制指令进行各类设备的操作。在IEC61850规约平台下，终端-服务器模型具有较快的传输速度与效率，并且可以同时进行多线程指令操作。

　　随着电子式互感器、智能化一次设备的逐步采用 ,现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去, IEC61850通过层间功能接口体现了这一发展趋势。

3 基于IEC61850规约的水平层面通信

　　对于不同层级中的数据传输，IEC61850的水平通信功能极大地提高了传输速度，可以同时实现多种功能的同时运行。典型的数据传输有：线路保护与自动重合闸之间的数据传输；层间断路器故障的数据交互；不同层间的连锁信息传递。

　　这些功能独立于用户操作并且由于其较高的安全优先级，需要极快的速度（毫秒级）响应。出于这样的考虑，终端-服务器模型已经不能满足如此高速传输的需求。通常情况下，不同的功能信息存放于不同的智能电子设备中，带有辅助继电器功能的铜导线以及串行网络被应用于数据传输中，不同智能电子设备之间也通过水平层通信进行数据交换[3]。

　　基于此种类型的数据交换，多个智能电子设备通过串行网络相连，使用基于对等通信模型的面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event, GOOSE)用以高速传输数据。如图1所示，GOOSE信息以组播形式在各设备器件之间传递信息。

4 IEC61850的过程层连接架构

　　变电站自动化系统必须通过IEC61850的过程层实现变电站自动化系统与高压电器设备的数据交互，例如：

　　电流、电压波形；开关、刀闸变位状态；控制指令。

　　数据交互通过铜导线或串行通信网络实现，IEC61850中使用合并单元对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔层设备使用。其中关键数据通过GOOSE信号传递，例如继电保护装置对断路器发送的触发信号；非关键数据则通过终端-服务器模型传送，例如SCADA应用。通过不同优先级的数据传输，极大地提高了变电站自动化系统的通信效率。

5 基于IEC61850的变电站配置描述语言（SCL）

　　IEC61850-6提出一种变电站配置描述语言（SCL），以扩展标记语言（XML）为基础，描述了智能电子设备与通信系统的配置信息，实现了智能电子设备与自动化系统时间的实时共享。变电站配置描述语言的出现，很大程度上简化了不同生产厂商不同型号设备之间配置信息的采集，有助于更好地堆变电站自动化系统及智能电子设备的控制与维护。同时SCL用于描述通信相关的IED配置和参数、通信系统结构、开关间隔结构及它们之间的关系。

　　SCL编写的配置文件分类：根据描述的内容和用途的不同分类，通过扩展名区分[4]。

　　（1）SSD文件－系统规范描述文件System Specification Description，描述变电站的单线图、电压等级、一次设备等信息，文件包括变电站描述、数据类型模板等。

　　（2）ICD文件－IED能力描述文件IED Capability Description，与IED一一对应，描述IED装置的能力，使用模板定义逻辑节点、数据和服务。

　　（3）SCD文件－变电站配置描述文件Substation Configuration Description，由系统配置从SSD文件和ICD文件生成，描述完整的变电站、IED以及通信系统。

　　（4）CID文件－IED配置描述文件Configured?IED?Description，跟ICD一样与IED一一对应，是最终的配置文件。

6 传统变电站自动化系统与IEC61850变电站自动化系统的对比

　　6.1 传统变电站自动化系统结构

　　如图2所示，传统变电站系统主要由以下结构组成：实现各种功能的智能电子设备；并行硬线连接的智能电子设备与一次设备；应用于控制及继电保护的智能电子设备串行通信；网关与网络控制中心采用串行连接；继电保护单元、控制单元。

　　间隔层的设备主要实现继电保护、自动化控制、远程录波、时间同步等功能；站层的设备主要实现与远程控制中心的通信、时间报警、数据监测、状态监测等功能[5]。

6.2 应用IEC61850的变电站自动化系统结构

　　如图3所示，应用IEC61850的变电站自动化系统主要包括以下结构组成：各类功能的智能电子设备；智能电子设备与一次设备在IEC61850-9-1与IEC61850-9-2协议基础上，通过串行通信连接；智能电子设备与远程控制、人机界面等站层基于IEC61850-8-1协议通过串行通信连接；网关与网络控制中心通过串行通信连接。

　　间隔层主要包括：继电保护装置、控制装置、扰动记录器、数据采集装置等；

　　站层主要包括：远程控制中心通信、支路通信、站层人机互动界面、时间警报处理、监控装置、状态监测、时间同步装置等。

　6.3 传统变电站自动化系统与IEC61850变电站自动化系统功能对比

　　如表1所示，对传统变电站自动化系统与IEC61850变电站自动化系统部分功能进行了对比[3]。

7 基于IEC61850的变电站自动化系统的应用

　　近些年，ABB、西门子、GE等生产厂家已陆续推出了基于IEC61850的变电站自动化系统配套产品，并逐渐广泛应用于中国及海外市场。我国自主研发的基于IEC61850变电站自动化系统及相关试验也日益增多，例如：国电南瑞公司的NS3000系统、南瑞继保电气有限公司的PCS9700 系统、以及国调中心推行的交互性试验、北京500 kV顺义站自动化系统试验等都取得了较好的成果。截止2015年2月，国网北京市电力公司已拥有220 kV、110 kV应用IEC61850的新型智能变电站40余所[6]。

　　虽然基于IEC61850的变电站自动化系统正广泛应用试点，但IEC61850 本身各种模型的细化、细化后的统一还在进一步磨合过程中，

8 结论

　　IEC61850是国际电工技术委员会最新发布的变电站自动化规约，目的是为了统一目前纷杂的变电站自动化系统，增强自动化系统的开放性、交互性及可延伸性。该标准已用于通信的解耦，并通过变电站配置描述语言（SCL），为不同生产厂家的不同型号设备实现交互和集成提供了方式方法。

　　相较传统变电站自动化系统，基于 IEC61850标准变电站自动化产品在设备互操作性、信息接入和信息维护等方面都有传统变电站不可比拟的优势, 并且已在国内外变电站自动化和数字化领域得到成功应用。 IEC61850标准将成为变电站自动化系统的重要的 发展趋势。

参考文献

　　[1]WONG G，BRAND K P，RUDOLPHT．Interoperability testing and validation of IEC61850 protective relays[C]．Anais do Intemational protection Testing Symposium，2004.

　　[2]夏勇军, 苏 昊, 胡 刚, 等.数字化变电站研究与应用展望[J] .湖北电力, 2007(3):9-12.

　　[3]VADIATI M, GHORBANI M A EBRAHIMI A R. M. Arshia, future trends of substation automation system by applying 61850[Z].Informational Technologies，2006.

　　[4]吴永超,王增平,吕燕石,等.变电站配置语言的应用及解析[J]. 电力系统保护与控制, 2009,37（15）:38-41.

　　[5]张结.应用 IEC61850 实现产品互操作性的思考[J].电力系统自动化. 2004, 28(23): 76-80.

　　[6]任雁铭, 操丰梅, IEC 61850新动向和新应用[J].电力系统自动化, 2013,37(2):1-6.