IEC61850变电站自动化系统发展新特点

摘要：伴随着IEC61850标准在变电站中的应用与推广，无缝远动通讯、数据仓库、数字化过程层、智能顺序化操作等相关技术也开始在变电站自动化系统中得到迅速发展,这些技术将对今后变电站自动化系统的发展产生重要的影响。本文在总结当前国内外IEC61850变电站自动化系统现状及相关技术发展趋势基础上，提出了新的自动化系统四层系统结构，以及在此基础之上的变电站与电力企业层信息平台之间的四种通讯方式，其中建立IEC61850大系统无缝连接平台是今后变电站自动化系统的重要发展方向。另外文章还对我国今后的IEC61850变电站数字化发展模式、系统布局分布模式和自动化智能特性做了简要的阐述和展望。指出变电站信息开放化，数字化，设备分散分布化，功能应用智能化是今后IEC61850变电站发展的新特点。

0 引言
变电站自动化系统是在计算机技术、网络通信技术和数据库技术基础上发展起来的。它改变了传统变电站的运行模式, 降低了系统运行维护成本，提高了电网建设的现代化水平,因此近几年在国内外变电站中得以逐步推广。IEC61850是目前为止最为完善的变电站自动化通讯标准，该标准按照自动化系统所需的监视、控制和保护等功能，提供了统一完整的信息模型和服务，并且为不同厂商产品间实现互操作和无缝集成提供了途径，其实践应用表明它将为站内自动化系统的进一步发展提供坚实的基础。
变电站自动化系统的发展方向集中体现在对变电站网络信息化、数字化和自动化应用上, 未来变电站自动化系统强调的是变电站整体信息化和自动化的程度。随着电力工业信息化进程的推进,以国家电力数据网 SPDnet为代表的 ATM、SDH电力数据通信专网正逐步取代原有的微波、载波等线路,加上变电站网络IEC61850协议在电力系统中的推广, 所有这些都显示了电力信息的网络化已成为发展的必然趋势。以信息化网络为基础，变电站实现无人值班,甚至无人值守，完全由控制中心远方操作和监控将是今后变电站的发展方向。另外随着国内几大电网互联,电网系统变得日益庞大，对其进行控制或操作的复杂度也越来越高，这又对自动化系统提出了更高的自动化或者智能化的需求。而今后随着数字化变电站的发展与推广，站内各系统也将发生着许多的变化。鉴于此, 针对当前变电站自动化系统的不足和该领域出现的新技术和新需求, 我们有必要重新对变电站自动化系统体系、内容、形式做出新的审视。
1        信息开放式系统
    1.1变电站系统层次结构
    随着网络通讯技术的发展，变电站再也不能被看作是一个独立的"孤岛"系统：电力企业各远方调度或控制中心将对变电站正常运行产生重要的影响，两者之间的数据联系也将越来越密切，其通讯方式将呈多元化的发展趋势。按照开放式系统分层划分的原则，我们可以将变电站自动化系统从功能设备角度划分为企业层、变电站层、间隔层和过程层,如图1所示。在传统变电站三层结构之上我们增加了企业层，该层主要包括远动控制中心，电网区域负荷调度中心或者企业相关部门的EMS，企业MIS或ERP等信息系统。与企业层相连的是变电站层，该层设备主要有监控工作站，远动装置，对时服务器等。变电站层一方面向企业层提供变电站内部各种运行信息，另一方面接收企业层系统发布的各种控制命令,然后向间隔层装置下达执行，以实现变电站局部协调控制，如电压与无功控制等。间隔层为完成一次设备的数据采集、保护、控制等功能的保护测控的装置；过程层为直接与一次电气设备相连接的最底层，传统变电站过程层采用硬接线连接的方式，而随着数字化过程层技术的推广，传统的硬接线方式将逐步被数字化过程总线所代替。

图1 开放式变电站系统层次结构
    1.2 四种数据传输通道
在IEC61850变电站，变电站层与企业层系统之间可以有四种数据传输通道（如图2所示），它们分别为传统远动规约、数据仓库、远方IEC61850直连以及IEC61850无缝远动通讯。
图2 变电站对外四种数据传输通道
（1）通道1――传统远动规约
传统远动规约通道是当前变电站与企业间最为常用的数据传输通道。站内变电站层远动规约转换装置将站内IEC61850规约转换为传统远动规约（IEC101、IEC104 和DNP规约等），将控制中心SCADA系统所需的各种数据经远动网络传输至远动控制中心。远动规约所传输的信息包括变电站实时监测信息（如电压、电流等）、装置动作SOE信息以及SCADA系统发出的变电站控制命令。这些信息对于调度监视和控制电力系统十分重要，必须在限定的较短时间内完成传送和处理工作，对信道的要求很高，所以其通道通常为专用通道。IEC61850规约转换为传统远动规约，远动装置承担大量的规约转换任务，而且受IEC101，IEC104等远动规约本身的限制，该通道能提供的数据和服务相比起装置原始提供的IEC61850通讯要少很多，数据和服务内容受到很大限制，难以满足高层次变电站数据信息服务需要。
（2）通道2――数据仓库
随着数据库IT技术与通信技术近年的突破性进展，以及各工业企业对提高工作效率、降低运营成本的重视，数据仓库技术的应用与推广从技术和经济角度而言均成为可能，并得以在众多工业领域内得以应用实现和推广。当前，国内外众多电力企业也开始逐步认识到电力生产和传输过程的实时数据与历史数据是企业重要的信息财富，是整个企业信息系统的重要组成部分。数据仓库是比传统的关系数据库更高一级的数据组织形式，它不仅支持海量数据的处理，而且对于动态存储、应用程序接口、非结构化数据等方面都具有更强的性能。数据仓库技术使得数据源的来源更加广泛，使用更加方便，易于和电力企业MIS，ERP 等系统接口。最近几年中，以PI 实时数据库系统为代表数据仓库技术已经开始逐步进入电力系统自动化领域，成为变电站底层控制网络与企业上层管理信息系统连接的重要联系纽带。PI系统的构造结合了 Internet/intranet两种模式，而且PI统一的数据仓库可让用户以不同的视角访问相同的信息，在工业企业具有良好的应用前景，其推广将有利于电力企业提高其电网的科技信息管理水平。

（3）通道3――远方IEC61850直连
IEC61850通信标准倡导信息化，开放化的变电站自动化系统。它通过以太网协议与MMS协议相结合，可将变电站的控制与企业的Intranet相连，甚至可以通过Internet建立变电站远方调试和诊断，为将来变电站的运行管理和控制开辟最直接的信息通道。远方IEC61850直连的核心是基于开放式TCP/IP网络技术的MMS连接,MMS远方连接的最大优势在于它能为变电站与变电站或变电站与企业之间提供几乎等同于站内系统同样的数据通讯服务。这种开放式的变电站无疑将成为将来电力系统的重要发展方向之一。然而在当前技术条件下，远方MMS连接的开放同时也会给变电站的运行管理带来很大的安全隐患，所以在变电站安全访问技术成熟之前，除个别试验IEC61850站之外，该连接的逻辑或物理通道一般会被关闭。而随着2007年《IEC 62531电力工业网络安全通信规范草案》的推出[5]，其潜在的重大意义开始重新被业界所关注与期待。
（4）通道4――IEC61850无缝远动通讯
2002年，国际上IEC TC 57就组织召开过将IEC61850应用为无缝远动规约的国际会议，并且受到行内人士的广泛关注。当前，TC57即将开始制定无缝远动通信体系结构，具有应用开放和网络开放统一的传输协议IEC61850将成为变电站(RTU或者变电站综合自动化系统)到控制中心的唯一通信协议。这种以以太网为基础的无缝远动通信体系结构的应用实施将统一站内IED装置、变电站自动化系统和调度自动化中的通信标准，实现过程层、间隔层、变电站层和企业调度中心的无缝通信。在这种模式下，变电站接口RTU装置将不再需要进行规约或格式转换，取而代之的是站内各IED装置的公共模型代理Proxy装置；该代理Proxy装置可代替各IED统一与远动系统通讯。与IEC61850对外直连方式相比，代理方式不但可以增加变电站整体通讯效率，而且还能提高各IED装置的对外访问安全性能。
1.3 PI 实时数据库系统
在以上四种变电站和企业通讯方式中，以PI 系统为代表的数据仓库是当前电力领域刚刚兴起的一种辅助信息应用系统。该PI 实时数据库系统(Plant Information System)是由美国 OSI Software 公司开发的基于C/S、B/S结构的多媒体软件应用平台，该平台目前拥有众多的第三方通讯软件支持，已经成为企业历史数据系统的国际行业标准。在全球范围内， PI 系统在包括能源、石化、制造等工业领域中得到了广泛应用。近年其在电力系统中的应用也越来越多，当前它在我国发电厂厂级监控信息系统中有许多的应用。近年来PI系统已经开始在变电站自动化领域中逐步推广：国际上欧美和东南亚等地区变电站中开始有较多的应用，其中马来西亚TNB电力公司最近还将其引进到了其IEC61850变电站实施规范中；国内浙江嘉兴电力局近年来也建成覆盖全局10座220KV和1座500KV变电站的PI数据管理系统。随着PI 系统的工业范围内的逐步推广，如何将它和变电站尤其是IEC61850的变电站紧密联系,将客户不断提高的信息业务需求和PI 的技术特点相结合起来, 以满足电力企业的发展需求, 已经成为应用PI系统应用推广的一个重要课题。一般来讲，数据仓库的数据信息在PI系统中可以有两种不同的统一形式：企业层统一和变电站层统一。企业层统一是由数据仓库企业主站系统对各变电站的各种装置设备分别进行规约采集处理，信息统一的工作在企业层面。这种架构要求的数据库服务器数量较少，一定程度上可以节省系统硬件设备成本投资；然而由于企业与各变电站之间网络结构复杂多样，而且由于变电站及其属IED装置的差异性，系统集成复杂度高，软件维护成本大。而变电站层统一则是将信息统一的工作下放到变电站层面,该方式可以在信息出变电站前实现通讯规约的统一,从而在变电站出口侧进行站内信息规约异同的屏蔽,继而以电网实时数据仓库所需要的统一形式,与企业层中心主站PI电网实时数据仓库服务器进行数据交换。这样,电网实时数据仓库就可以透明的,只进行数据的接收,而不需要在中央系统信息入库前进行大量的规约识别和转换工作,从而大大降低了电网实时数据仓库的数据处理工作量,也降低了传输网络负荷,减轻了企业PI系统主站侧的负担。而随着国际全球化IEC61850规约的出现与应用，变电站内开始有了统一的通讯规约，这大大减少了数据仓库技术因规约多样化而造成的规约转换和数据处理工作，为数据仓库信息处理技术在变电站自动化系统中的推广提供了有利的支持。
图3 数据库工作站逻辑结构图
PI数据库信息在变电站层统一，需要在变电站层建立统一的PI信息集成平台。这个平台是一种厂站级设备，与站内的监控工作站类似，我们可以称之为数据库工作站。数据库工作站的逻辑结构如图所示，它主要包括以下几个部分：IEC61850数据接口，实时数据库和历史数据库，人机界面和Web及应用服务引擎和对上网络交换机等。所有的专业准实时系统和IED装置,都集中接入该平台,由其统一与 PI系统企业端总调度数据传输平台通讯。对每个IED装置而言，该数据库工作站的也就相当于一个IEC61850 MMS客户端。
2   数字化系统
  随着新型互感器技术、智能开关技术以及网络通信技术的发展，以一次设备智能化，二次设备网络化为主要特征的数字化变电站技术成为目前研究的技术热点。
数字化变电站中传统的PT/CT将被电子式电流电压互感器所代替。新增加过程总线成为智能一次设备以及新型传感器与间隔层保护、测控装置的数字接口。该接口以数字通讯网络取代了传统的二次电缆硬连接。当前数字化过程层已经成为数字化变电站最显著的特征之一。
在现阶段，理想情况下，过程层可以使用智能组合电器实现过程层数字化。一次设备与二次设备之间可以完全取消电缆连接；并且配备新型传感器和操作机构，使一次设备智能化。这样一次设备通讯对外可通过光纤代替了传统的电缆硬连接，简化了设计、施工流程和工作量，降低了工程费用。
我国虽然在智能一次设备的总体技术水平方面与国外公司存在一定差距，然而我们在部分一次领域的发展也相当迅速。比如在电子式互感器方面，国内目前就涌现出表1所示的南瑞继保、南京新宁等20多个厂家产品，其中部分产品的性能已经达到当前国际水平。除采用电子式电流电压互感器外，国内还通过二次厂家为传统一次设备提供一个外置智能终端来实现过程层数字化，如采用合并单元（MU）和智能操作箱（CBC）。
表1 国内部分电子式互感器产品
厂家名称        产品系列        电压等级        原理
南瑞继保        ECVT        35kV～500kV        CT：Rogowski线圈
PT：阻容分压
南京新宁        OET700        35kV～500kV        CT：Rogowski线圈
PT：阻容分压
广州伟钰        WET6        10kV～1000kV        CT：Rogowski线圈
PT：阻容分压
西安同维        LDGDZB        110kV/220kV        CT：法拉第磁旋光效应
西安华伟        LDTZGBW        66kV/110kV        CT：法拉第磁旋光效应
珠海成瑞        OPCT16        10kV～1000kV        CT：法拉第磁旋光效应
鉴于目前世界范围内数字化变电站技术还处于研究探索阶段，其产品与技术还有待成熟；为了电网的安全运行，我国现阶段主要采用稳妥探索式的数字化变电站推广模式。具体表现在目前的数字化变电站工程中，一般不采用采样控制完全数字化一步到位的模式，而是分别采用两种不同的部分数字化的模式：一部分变电站只数字化过程层电流电压采样信号，例如采用电子式互感器和合并单元的形式将一次系统电流电压信号数字化，而对于断路器等开关设备仍采用传统的电缆硬接线方式，即仅数字化采样测量信号。该类型典型变电站有铜陵变，青岛午山变等；而另外一部分变电站只数字化过程层的断路器等开关设备，采用智能操作箱将传统断路器、刀闸的模拟信号转化为数字信号，而对于电流电压采样仍保持传统电缆硬接线方式未变，即仅数字化开关控制信号。该类型变电站典型代表为浙江绍兴宣家变（原名外陈变），该站应用装置涉及国内外八大厂家，并率先在国内采用保护GOOSE通过智能操作箱数字化变电站开关控制信号。GOOSE信号跳合闸是宣家变最大的技术特点（如图4）。宣家变已于2008年1月投入运行，已成为当前国内最先进的IEC61850示范变电站之一。

图4 宣家变智能操作箱通讯示意图
随着国内以上两种模式数字变电站建设和运行经验的积累，我国最终将逐步走向完全数字化过程层的发展模式。
3  分散分布式系统
现阶段国内变电站中应用最多的是集中配屏模式。该模式将RTU 的遥控、信号、测量、电能计费、通信等功能分别组屏, 而由总控单元通过通信口与各功能单元(屏柜) 以及微机保护、故障录波等通信。其特点是将控制、保护两大功能作为一个整体来考虑, 二次回路设计相对来说要简单。
分散分布式变电站主要特点是以一次主设备如开关、变压器、母线等为安装单位，将控制、I/O、闭锁、保护等单元分散，就地安装在一次主设备(屏柜)上。站控单元(在主控室内)通过串行口(光纤通信)与各一次设备屏柜(在现场)相连，并与监控机和远方调度中心通信。其设计思想上实现了变电站二次系统由"面向功能"设计向"面向对象"设计的重要转变。系统不再单纯考虑某一个量，而是为某一设备配置完备的保护、监控和测量功能装置，以完成特定的功能，从而并保证了系统的分布式开放性。此模式非常适合于要求节省占地面积和二次电缆的场合，例如城市(市区)变电站。
在变电站系统结构向分散分布式发展过程，局部分散式成为很普遍的过渡模式，此模式综合了集中式与分散式的特点，采用了分散式的系统结构，而控制和保护仍集中配屏。通常将集中配屏安装在分散的设备小间内。设备小间在一次设备附近，根据变电站的电压等级和规模可设数个小间，就近管理，节省电缆。此模式可用于各种电压等级的变电站，尤其适用于500kV及大型220kV站。
　从IEC61850过程层技术发展的趋势看，将来的全数字化变电站采用分散分布式系统结构更将是必然的结果。考虑到数字一次设备在开关柜等就地现场恶劣的电磁环境，其制造工艺、材料、结构以及控制、测量单元下放后的防震、防干扰、使用环境等均存在问题，相关厂家和单位应予以充分重视，并积极稳妥地开展推广工作。

4        智能化系统
"智能化"是自动化技术发展动向之一，它已经成为工业控制和自动化领域的各种新技术、新方法及新产品的发展趋势和显著标志，其自然也是变电站自动化系统的发展方向[1][12]，当前我们期待的变电站智能特性主要有：
（1）基于变电站运行规则的执行操作。
•基于开关场开关拓扑结构的跳合连锁。
•基于变电站系统拓扑结构的开关顺序化程序控制。
•基于全站系统拓扑结构的保护功能（如断路器失灵保护，母线保护）。
（2）变电站各种情况变化的智能化自适应。
•要考虑用户自定义条件和要求的变电站运行规则库。
•要适应变电站可能部分退出运行的情况（如负荷减载，间隔检修）。
•要适应变电站当前或将来可能负荷调整情况（如负荷减载，变电站扩容等）。
这些智能特征的实现需要变电站内高效、快速、互操作性良好的统一通讯平台作为支撑。在传统的变电站中，我们虽然也实现了一些变电站智能化应用功能，如间隔层设备之间的防误闭锁、顺序化控制等。但这些智能化应用一般要求屏间复杂的硬接线，而且其控制程序和控制细节一般固化在装置中，难以做到自由灵活配置，故此这种智能化应用难以在我国各电网大范围推广。而变电站通讯自动化统一标准IEC61850规约的出现恰好解决了上述难题，它为变电站智能自动化应用提供了历史性的发展机遇。
IEC61850系列标准以下两个特点有利于智能化应用在自动化系统中的实施。它首先得益于IEC61850面向对象、立体化的数据模型。一方面该数据模型为自动化智能应用系统提供了标准化的各种数据，这是传统规约远远所不能及的，而丰富的数据信息正是智能化应用所需要的。另一方面，数据模型中的模型信息节点都有其独一无二的层次化标准引用名，通过信息点标准引用名，系统可以实现所需信息的简单快速查找与定位，并且能对相关数据模型进行IEC61850统一标准化的读写操作，这为装置间信息交互和装置内部函数调用提供了共同的依据，大大简化的智能化系统的数据接口程序设计，也为智能化应用灵活配置提供了很好的技术支撑。
其次，IEC61850中定义的通用变电站事件（GSE）模型为解决IED装置间的互通讯问题提供了很好的解决方案。GSE/GOOSE报文通讯可以代替屏间硬接线电信号交互，这大大提高了装置间通讯的灵活性，也为智能化应用所需的装置间信号交互提供了便利，同时也大大简化了变电站二次接线系统的设计与安装 。

图5 RCS9700智能程序化控制应用
基于IEC61850开放性系统通讯平台，变电站自动化系统在智能化应用的自由灵活配置组态和跨间隔跨变压等级全程序化操作上将有较大突破。如RCS9700综合自动化系统，在基于由间隔层装置和程序化操作服务器协同完成程序化操作的技术方案基础上，就成功地实现了系统灵活配置以及跨多个电压等级的全站程序化操作,这大大提高了相关电力运行部门的工作效率，同时也提高了变电站操作的安全性和可靠性。现阶段智能程序化控制正逐步在国内IEC61850站推广，目前国内已有苏州虎丘变、广州鹿鸣变、深圳莲花山变等10多座的智能化变电站。同时随着各智能自动化系统在国内电网各示范变电站中成功上线运行，相关厂家和电力单位从实践中积累形成了大量关于智能化变电站的设计、安装调试和运行管理的宝贵经验，为今后智能化变电站自动化系统的推广及进一步发展奠定了应用实践基础。
5 结论
本文论述了变电站综合自动化系统的特征、结构及其发展趋势。近年来，通信技术和计算机技术的迅猛发展，给变电站综合自动化技术水平的提高注入了新的活力，变电站自动化系统正在朝着信息开放化、智能化、多媒体化的方向发展。采用IEC 61850 标准通信协议作为全站统一的通信协议, 提高了设备互操作能力, 实现了全站同一通讯协议下的公共数据平台, 为实现PI系统的数据集成和软件集成奠定了底层数据基础。变电站过程层要实现采样,控制完全数字化,我国要经历一个逐步实现的发展阶段。IEC61850标准将以太网通信标准与MMS结合，并以标准的面向对象和抽象的方法描述实际应用，使之可适应技术的发展并延伸，这已经成为变电站自动化控制系统向开放智能化系统发展的一个技术基础。总之,随着科学技术的不断发展，变电站自动化系统的研究和应用将日益成熟, 一些今天难以克服的障碍将不再成为难题;相信在不远的将来,变电站自动化系统必将迎来一个蓬勃的发展期,一个崭新的IEC61850变电站自动化时代即将到来。


南京南瑞继保电气有限公司 王淑超 李九虎
乐山电业局 邹