iec61850在铝业整流变综合自动化系统中的应用13页

1、IEC61850 在铝业整流变综合自动化系统中的应用1. 前言随着国际电工委员会（IEC）第57委员会在2005年推出IEC61850变电站通 信网络和系统标准最后一部分 , 即一致性测试标准的颁布实施，在变电站综合自 动化领域迎来了一个基于通用网络平台的变电站自动化系统的唯一国际标准，它 改变了目前变电站自动化系统相对封闭的结构，使电力系统变电站综合自动化系 统有了一个开放性和标准性的系统。近年来，我国也制定和颁布了等同于 IEC61850的DL/T860.X变电站通信网络 和系统标准，并公布在 2007年3月1 日开始实施。随着国内这一新的变电站综合 自动化标准的颁布实行，未来的变电站自动

2、化系统采用基于IEC61850标准的设备已成为必然趋势，目前正在使用的变电站自动化设备将会按照新标准升级或被替 代。与以往采用串行通信标准（IEC60870-5-103，DNP 3.0，Modbus等）的变电 站综合自动化系统相比，新一代的IEC61850变电站综合自动化系统建立在基于开 放、标准的网络技术之上，它引用大量 IT 方面的标准和技术用于变电站的保护和 监控。这些应用于变电站综合自动化系统的新技术，包括高速以太网通信、面向 对象的建模、装置的自描述、变电站组态语言、基于发布/订阅模型的IED之间的实时通信等，可实现变电站信息的共享、提供智能设备的互操作性，简化系统的 维护、配置和工

3、程实施。兰州铝业有限公司大型预焙槽电解铝技改项目（以下简称兰铝项目）220kV变电整流所综合自动化系统,采用了基于IEC61850标准的保护测控装置和以太网交 换机，以及FARAD200监控后台系统，配置成一套完整的、基于 IEC61850间隔层 的功能高度集成的整流变电站综合自动化系统，该系统已在 2007年4月投入商业 运行。本文首先对基于IEC61850标准的变电站自动化的系统简要介绍，然后介绍兰 铝项目的设计考虑以及系统配置方案。2.IEC61850 标准与变电站综合自动化系统2.1 IEC61850 标准简介国际电工委员会（IEC） TC57工作组推出的IEC61850标准，是关于变

4、电站自 动化系统的计算机通信网络和系统的标准。它作为变电站自动化的框架，采用基 于高速以太网平台的开放的、分层分布式结构，提出了变电站内部间隔层与站控 层和过程层之间的全数字通信的、具有互操作性的解决方案。IEC61850标准由10部分组成，它覆盖了变电站综合自动化系统的规划、设 计、安装、调试、测试等方面，为实施基于网络通信的变电站综合自动化系统提15供了详细的指引。IEC61850标准提供了变电站内部装置之间信息交换的标准化的 对象模型、服务模型、试验以及规约，实现了变电站中所有装置的互操作，并定 义了一个支持在线装置“自描述”的统一系统组态语言。IEC61850标准的主要内容包括：1）2

5、)3)4)5)含有标准化命名的装置模型，并提供与 IED品牌或类型无关的一致的对象/ 标记名称。对于数据访问、主动提供的报告、控制以及其它公共服务，提供一个标准 化的方法的服务模型（ACSI）。含有用于分享装置组态数据的通过 XML文件的变电站组态语言（SCL）。 通过高性能以太网用于保护和测量功能的装置的进行数据交换的客户机 /服 务器和对等方式的信息传送。用于术语、系统要求以及一致性试验的规范，以保证IED能按照一个标准进行测试。2.2基于IEC61850标准的变电站综合自动化系统的特点基于IEC61850标准的变电站综合自动化系统的标准架构如图1所示，它将变电站综合自动化系统划分为站控层

6、、间隔层和过程层设备，其中包含二种类型的 网络，即站总线和过程总线。在站总线网络，可向上实现IED到其它IED、HMI、变电站控制器、SCADA系统的通信；在过程总线网络，可向下实现 IED到 CT、PT、断路器、开关的通信，传统上这部分的通信是通过硬布线来完成的，在 过程总线实施方案中需要采用“智能型”设备，如智能开关、光 合并单元接入过程总线。CT/PT等，通过站总线10/100 MB LAN过程总线冗余.1/1/10 GB LANHMI客户机数据 集中器 客户机站控层IEDIED服务器服务器间隔层合并合并单元单元G过程层IEC61850 的变电站综合实施基于智能开关，光CT光/PT等。系

7、统，与传统 图1. IEC61850变电站自动化系统的标准架构自动化系统相比，可得到以下各方面的特点和好处：作为一个全球性的标准，它的推出应用解决了变电站自动化系统产品的互操 作性和协议转换问题，从而保护了用户的长期投资。按照标准化的对象模型及命名协定，提供的自描述、自诊断和即插即用的特 性，极大的方便系统的集成，降低了实施自动化系统的工程费用。采用同一个规约，可减少运行、工程和维护的工作量及费用，同时提供高效 的维护以及减少支持的方案的差异。采用对等信息传输和高速的过程总线，可减少系统的硬件配置及二次电缆， 同时也减少了屏柜数量、占地面积以及需要较低的布线费用。 可提供整套服务给报告、数据存

8、取、事件记录和控制。采用灵活和可伸缩的、向后兼容、与通信分离的应用的主流技术，如高速以 太网、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)、对象模型和可扩展标记语言 (XML等，从而保证了用户投资的持续性。1)2)3)4)5)6)近年来，基于IEC61850标准的变电站自动化应用已取得了很大的进展。基于 过程层、间隔层和站控层的全数字化变电站开始投入现场测试和试运行。对于基 于站控层和间隔层的变电站自动化系统，在解决了GOOS传输的可靠性和安全性问题后，现已开始在国外电力系统和工业系统开始大量投入商业运行。为了保证 系统的先进性并提供高一个可用性的系统，兰铝项目是基于站控层和间隔层的 IEC6185

9、0变电站自动化系统进行系统设计的。3. 兰铝 220KV 整流变综合自动化系统的设计考虑3.1 系统兰铝 220KV 整流变自动化系统采用分层分布式结构，其保护监控范围包括 1 个 220KV 整流变电所和 5个 10KV 配电所。系统的设计和配置全面参照 IEC61850 标准中的站层及间隔层要求完成，它满足除过程总线外的所有部分标准要求，主 要标准部分包括 IEC61850-3、 -7 和-8。整个系统采用冗余 100Mb 光纤以太网作为骨干网，以提供高性能的通信网 络，系统通信规约采用IEC61850标准以保证用户的投资。在系统设计中，参考国 外IEC61850系统的应用经验，充分考虑利

10、用高性能嵌入式 IEC61850保护测控装 置的特性对整个系统的硬件配置进行优化，通过减少硬件配置数量来节省硬件费 用，同时可减少屏柜数量，从而达到减少硬件以及二次电缆和布线费用。在兰铝系统设计中，取消了常规变电站自动化系统中的RTU、主控单元、故障录波装置、备自投等设备，从而节省了大量的费用。此外，在系统设计初期， 对220KV间隔曾考虑采用保护测控一体化配置方案以及基于 GOOSE的间隔层连 锁方案，但考虑到与国内现有的设计和运行过程有冲突而放弃。3.2 网络结构基于 IEC61850 变电站综合自动化系统，由于采用以太网 LAN 作为通信网 络，其网络结构的配置是非常灵活的，可适应各种电

11、压等级变电站一次接线方式 以及不同用户对系统可靠性的要求。在工程设计中 ，可采用星形网、网状网、环 网以及上述网络的混合结构。在具体设计时一般根据项目规模、设备的物理布置 以及系统通信的可靠性要求作综合考虑。兰铝220kV整流所综合自动化系统的设计采用分层分布、全分散式结构系 统。整个整流所根据区域配置分为站控层和间隔层，其中间隔层又细分为 220KV 间隔和10KV间隔。全站的保护测控按照IEC61850变电站综合自动化系统进行配 置，所有保护测控设备可通过IEC61850网络系统实现信息共享，并在将来用户需 要时可通过对间隔层IED组态完成基于GOOS的扩展保护测控功能，包括系统范 围的操

12、作连锁功能。GOOSE的间隔层所以，在考虑国内现有规程对 220KV 变电站系统通信可靠性的要求的基础 上，结合IEC61850系统的应用特点，特别是考虑将来引入基于 保护测控功能，整个网络结构考虑采用双光纤星形结构，如图？所示。考虑到 220KV 间隔层保护测控的重要性，以及 220KV 保护测控 IED 采用冗余 配置的双光纤以太网接口， 220KV 间隔层采用 100Mb 双光纤星形网结构， 220KV 间隔层的保护测控IED通过光纤连接到相应的以太网交换机；5个10KV间隔均采 用100Mb星形网络结构，10KV的保护测控IED通过RJ45接口连接到相应配电所 的以太网交换机。 220

13、KV 和 10KV 间隔层网络，均通过双光纤链路连接到站控层 的冗余配置的双星形光纤以太网。这一网络架构使整个通信系统具有通信速率 快、可靠安全、易于扩展的特点。3.3 以太网交换机在网络化的IEC61850变电站综合自动化系统中，以太网交换机除了用于构建 各种网络架构和传输控制命令和监测数据以外，还通过网络传输间隔设备之间的 跳闸命令和闭锁信号。因此，在IEC61850系统中，以太网交换机是极其重要的设 备，设计中必须考虑采用符合 IEC61850-3 标准的产品。在 IEC61850-3 标准中，提出了对工业级以太网交换机应满足与安装在变电站 间隔层就地的保护测控装置一样的环境、机械以及电

14、磁兼容的要求。具体标准引 用了 IEC61000-6-5 和 IEEE P1613标准。服务质量（QoS、生成树（STP和快速生成树 端口镜像、远程访问拨入用户服务（RADIUS、终端访问 TACACS+、简单网络管理协议（SNMP等实时传输和控此外，为了保证网络传输的实时确定性及安全性和组网的灵活性，应采用支 持多种光纤和铜以太网通信接口的网管型交换机，该交换机应提供全双工工作、 虚拟局域网（ VLAN 、（RSTP、IGMP侦听、控制器访问控制系统（ 制、安全及管理功能。3.4间隔层智能电子设备（IED）在基于IEC61850标准的变电站自动化系统中的 间隔层IED设计考虑方面， 所选择的

15、IED首先满足电解铝现场对保护测控功能和性能的要求，特别需要提出 的是，为了保证所选择设备的长期安全可靠运行，尤其需要考虑IED的电磁兼容（EMC）、机械及气候环境等方面的性能，必须满足 IEC61850-3部分标准中提出的 要求。作为基于IEC61850标准的变电站自动化系统，所选择的IED应具有嵌入式 IEC61850规约，并提供完整的数据和服务模型，这包括各种保护测控IED所需要的相应的逻辑节点数据模型以及 GOOSE实时传输控制功能。在IEC61850系统 中，GOOSE的引人应用是有别于传统变电站自动化系统的主要特征，所以在应用 中是必须考虑的。兰铝项目设计始于2006年初，尽管当时

16、在系统设计中提出了基于 GOOSE控 制功能，特别是基于GOOSE的间隔之间的连锁功能，但后来考虑到国内的设计规 程、项目验收以及用户运行维护水平等因素，在方案最终确认阶段并没有考虑实 施基于GOOSE应用。但由于所选择的间隔层IED支持完整的模拟量和数字量传输 功能，将来通过IED组态即可实施用户需要的扩展应用。为了保证IED的互操作性，所选择的IED还应根据IEC61850-10标准通过 KEMA以及中国电科院的一致性测试，这一点对于保护用户将来的投资是非常重 要的。此外，在设计中还考虑了采用的IED在电解铝等行业应具有多年成功的现场 应用经验，并应提供基于IEC61850 GOOSE的成

17、功的商业运行经验。4. 兰铝220KV整流变综合自动化系统的特点兰铝整流变综合自动化系统，其监控范围包括一个220KV整流变电所和五个10KV配电所，它主要由支持间隔层IEC61850功能的保护测控IED、以太网交换机 以及监控计算机三部分组成，它是一个完整的满足IEC61850站控层和间隔层要求的变电站自动化系统，如图2所示。兰铝整流变自动化系统以灵活多样的“组态方式”而来实现各种保护测控装置（IED）的互联以及软硬件的集成，构成一可靠的IEC61850站控层和间隔层解决方案。兰铝整流变自动化系统具有以下特点：来自WWW. 3722 cn邂料搜索网1）控主站采用双服务器和双监控工作站的冗余配

18、置方案，另外还配置一台工 程师工作站用于保护测控IED是组态设定、系统参数设定、故障绿波分析及日常 维护等。监控系统软件采用客户/服务器（C/S）结构，它可以减少网络负荷，提 供柔性性能，为系统的冗余功能打下良好的基础。它可以用于单机或双机、多路 远程通信，也可以作为局域网的当地控制系统。其各种服务器都有多客户支持能 力，即它们不但可以支持本地计算机其他客户的请求，也可以支持网络上其他计 算机客户任务的请求，完成整流变的监控功能。2）整个系统的配置充分利用 IEC61850 系统的通信特性，采用高度集成的配置 方案，取消了常规系统的 RTU 、主控单元、故障录波装置、备自投等设备，从而 节省了

19、大量的硬件、屏柜、布线等费用，并形成一个易于扩展的、具有互操作性 的自动化系统。3）采用100Mb光纤双星形网的冗余结构，结合满足 IEC61850-3标准的“变电 站级”以太网交换机，提供一个高速的和高可靠性的站层和间隔层通信网络。4） 220KV间隔层IED采用保护测控独立的配置方案，通信接口采用100Mb双光纤接入方式，采用冗余介质切换以保证通信的可靠性。这一配置方案除了保证 站层和间隔层之间的高速通信外，还具有高EMC生能，可满足220KV整流变间隔层设备的测控要求。5） 从经济和技术方面综合考虑，10KV间隔层IED采用保护控制一体化的配置 方案，通信接口采用10/100Mb自适应R

20、J45接入方式。这一配置方案在满足 10KV 间隔保护测控要求的基础上，通过降低 10KV间隔层IED的配置，并同时减少10KV 间隔层以太网交换机的开销来达到减少设备费用的目的。6）以太网交换机采用采用符合IEC61850-3标准的Multilink 系列交换机。该 系列交换机除了提供适应变电站环境的工业级交换机的所有实时传输和控制、安 全及管理等功能外，还支持小于每跳 5ms的环网故障切换性能，并提供光纤断线 检测、GOOS优先等功能，用于优化整个整流变自动化系统的性能。7） 所采用的220KV和10KV间隔层保护测控装置，均支持完整的 GOOS功能， 可实现间隔层IED之间的数字量和模拟

21、量的实时信息传输，将来需要时通过组态 可实现间隔层之间连锁、备自投、闭锁式母线保护等功能。8）间隔层保护测控装置采用 GE公司UR系列IED和F650馈线保护装置。UR 系列IED均支持嵌入式IEC61850间隔层设备所需的所有保护、测控及通信功能， 并具有完整的间隔层设备之间的 GOOS实时控制功能。9） 整个系统配置1台GPS装置对全站系统进行对时，同时系统可通过SNTP网 络统一对时。10）整流机组监控PLC系统的单机组总PLC和其它四组PLC以总线方式通讯， 各单元之间组成Profibus DP环网，机组总PLC向上以双以太网方式接入直流屏 微机室交换机。5. 兰铝 220KV 整流变

22、综合自动化系统的配置方案5.1 概述兰铝项目的保护监控范围，包括1个220KV整流变电所和5个10KV配电 所。220kV部分按配电单元分布划为2个进线回路、1个母联回路、2个动力变压 器回路、6个整流机组回路、2个PT回路共13个间隔。10kV部分共设五个配电室，每个配电室均采用单母线分段结线。五个10KV配电室共有89个间隔。以下介绍的配置方案，包括兰铝整流变综合自动化系统使用的站控层计算机 监控设备、220KV和 10KV间隔层保护测控装置以及站控层和间隔层应用的以太网交换机。5.2站控层站控层硬件设备由数据库服务器、监控工作站、以太网交换机、GPS同步时钟以及模拟屏等组成。站控层网络采

23、用100Mb冗余光纤以太网星形结构，由 2台冗余配置的工业级以太网交换机和光缆组成。监控计算机设备包括2台IBM机架式数据库服务器、2台IBM监控工作站、1台IBM工程师工作站以及LCD显示器、 打印机、UPS等辅助设备。2台数据库服务器及2台监控工作站均采用冗余热备份 方式构成，每个系统都可独立地获取所连接的IED的内部数据，完成220KV整流台监控工作站 IED的组态和 维护等。所和5个10kV配电所的保护测控功能。后台监控系统的3台工作站均采用工业控制级计算机，其中2用于系统运行的监视和控制，另 1台工程师工作站则用于保护测控 整定、系统参数设定、故障录波分析及日常来自WWW. 3722

24、 cn掘料搜索网后台监控系统软件包括FARADSEA4.（监控软件、SQL数据库服务器软件、Windows 2000 Server操作系统、IEC61850接口服务器软件、IEC61850客户端软 件、Windows 2000 Office 办公软件、西门子 PLC OPC接口软件等，共同完成整 个监控系统的信号采集和各控制点的控制任务。监控软件采用客户/服务器工作模式，2台系统工作站按主从机方式配置为双机冗余热备份系统，任何一台计算机故 障均不会影响整个系统的正常运行。整流监控PLC系统的单机组总PLC和其它四组PLC以总线方式通讯，各单元 之间组成Profibus DP 环网，机组总PLC

25、向上以双以太网方式接入直流屏微机室 交换机。在主控室内还设有一模拟监控屏，模拟监控屏经过通信以以太网通讯方式与系 统工作站相联，直观显示 220kV及整流所、全厂10kV系统和整流系统的运行状 态。5.3以太网交换机在该项目中，采用GE公司的Multilink 系列以太网交换机。这是专门为变电 站恶劣环境应用设计的工业级以太网交换机，它除了提供工业级交换机的所有功 能以外，还符合IEC61850-3标准并经现场运行证实其性能；此外，它支持智能环 网冗余切换、光纤链路丢失和 GOOS优先等功能，为IEC61850变电站综合自动化 系统应用首选设备。在本项目中，在站控层和间隔层均配置ML2400网

26、管型的以太网交换机。以太网交换机安装在三个地点，即主控楼微机室、直流屏微机室以及10KV间隔层就地开关柜上。监控计算机设备和模拟屏连接到主控楼微机室交换机屏的2台以太网交换机；220KV间隔层保护测控装置连接到直流屏微机室的14台以太网交换机；10KV间隔层保护测控装置则就近连接到各 10KV配电所的10KV开关柜上 的8台以太网交换机上。10KV配电所的以太网交换机通过双光纤链路与直流屏微 机室的交换机连接。站控层的直流屏微机室配置有2个以太网交换机屏，每个交换机屏安装有7台ML2400交换机，每台交换机提供 8个100Mb ST接头的多模光纤接口。主控楼 微机室配置的2台ML2400交换机

27、，每台交换机提供8个100Mb ST接头的多模光 纤接口和8个10M/100M自适应RJ45接口。10KV母联上。各配电所的以太10KV间隔层的交换机，均安装在各配电所的 网交换机的配置方案如下：1) 10KV整流所配置2台ML2400交换机，其中一台提供 4个100Mb ST接头 的多模光纤接口和8个10M/100M自适应RJ45接口，另一台提供4个100Mb ST接 头的多模光纤接口和16个10M/100M自适应RJ45接口。2) 10KV电解烟气净化室配置 2台ML2400交换机，每台交换机提供100Mb ST接头的多模光纤接口和 8个10M/100M自适应RJ45接口。10KV铸造分配

28、配置1台ML2400交换机，提供提供2个100Mb ST接头的多纤接口和 8 个 10M/100M 自适应 RJ45 接 口 。3) 10KV空压站配置1台ML2400交换机，提供2个100Mb ST接头的多模光纤 接口和16个10M/100M自适应RJ45接口。4) 模光来自5)纤接口和8个10M/100M自适应RJ45接口。资料搜索网10KV炭素分配配置2台ML2400交换机，提供2个100Mb ST接头的多模光5.4间隔层保护测控IED根据本项目对220KV和 10KV保护测控装置的要求，除了提供相应的保护测控 功能以外，所有保护测控装置应具有完整的相关的IEC61

29、850数据和服务模型，并支持GOOSE/GSS功能。220KV间隔层保护测控装置采用 GE公司的UR系列IED，这是GE公司采用高性能通用软硬件平台开发的高端系列产品，它覆盖从发电、输电、配电的应用领域，在业界已有近 10年的应用经验，广泛应用于发电厂、输配电系统以及工业系统。UR系列产品也是业界首先推出的全系列支持 IEC61850标准的产品，其最新推出的固件版本同时支持IED之间传输数字和模拟量传输功能（GOOSE/GSSE 10KV间隔层保护测控装置采用 GE公司的F650间隔控制器，该IED同样支持相关的IEC61850数据和服务模型以及 GOOSE/GS控制功能。在近几年的国外UCA

30、/IEC61850项目中，已有大量的UR系列IED和F650装置投入商业运 行。5.4.1 220KV间隔层保护测控配置方案541.1 220KV 线路间隔220KV线路保护按照主保护和后备保护独立的方式配置。主保护采用一台L90光纤线路差动保护，与电厂侧L90配套使用提供线路电流差动主保护功能；后备/、保护采用F35馈线保护装置，提供过流后备保护功能。每条220KV线路配置一台C30测控装置，完成本间隔遥信量的采集和控制功能。此外，每条220KV线路配置一块EPM5500多功能表计，采集电流、电压、有功、无功、电量等遥测量。保护测控装置以及多功能表安装在220KV进线保护测控屏上。L90光纤

31、线路纵差保护提供的保护和控制功能包括：带自适应制动的电流差动保护、相间及接地距离保护、相间和中线方向过流保护、相间接地和中线过流保护、负序电流保护、相过压和低电压保护、短引线保护、直接传输跳闸保护和自动重合闸和同期检测等。F35提供的保护功能包括：相间过流及速断保护、接地（零序）或灵敏接地保护、中线过流保护、负序过流保护、电压及频率保护。541.2 220KV母联间隔220KV母联配置一台F35馈线保护作为母联保护，F35提供的母联保护测量功能包括：母联过流保护、母联速断过流保护以及母线电压测量功能。220KV母联配置一台C30测控装置，完成本间隔遥信量的采集和断路器的控制功能。此外,220K

32、V母联还配置一块EPM5500多功能表完成母联电流等遥测功能。保护及测控装置安装在220KV母联保护测控屏上。 220KV母线间隔来自“恥皿迢料搜索网220KV母线配置2套B90母线保护装置。B90提供的保护功能包括：有制动和无制动的母线差动保护、断路器失灵保护、末端故障保护、瞬时过流和延时过流CT 饱和检保护。B90 母差保护具有低于一个周波的动作时间，并具有快速可靠的 测、动态母线仿形、检查段以及用于监视目的的欠压监视等功能。541.4 220KVPT 间隔每个220KV PT间隔配置一台F35保护装置，完成各段母线电压的检测和报警信号输出，完成PT回路信号量的采集和隔离刀的

33、控制。2个PT间隔共配置2台F35完成保护和测控功能，2台PT间隔保护装置安装在同一面屏体中。 220KV 动力变间隔根据保护主、后备保护分开配置的原则，每台动力变主保护配置1台T35变压器保护装置，实现电流差动主保护功能；配置 1台F35馈线保护装置作为高压侧后备过流保护。保护装置安装在 220KV动力变保护、测控屏上。每条 220KV动力变线路配置一台C30测控装置，配置一台EPM5500完成本间隔遥信量、遥测量的 采集和断路器的控制功能，另每条回路配套一套电压切换箱。保护及测控装置安 装在220KV动力变GIS间隔保护测控屏上。T35 提供的保护功能包括：双斜率比率制动的电

34、流差动保护、差流速断保护、 过流后备保护。F35 提供的保护功能包括：高压侧复合电压启动的过流保护、过负荷保护、高 压侧间隙零序过流和零序过电压保护、高压侧及中性点反时限零序电流保护。对于动力变的本体瓦斯保护、有载分接开关瓦斯保护、本体压力释放阀保护、 有载分接开关压力释放阀保护、温度高等保护跳闸，通过本体保护接点直接接入 保护装置的状态输入实现保护跳闸及完成保护动作信号采集。 220KV 调压整流机和整流机组间隔/、220KV整流机组馈线间隔，配置一台 F35保护装置，配置一台 C30测控装置， 配置一台EP M5500测量表计，它们共同配合完成本间隔的保护、控制和测量功 能。此外，还配置一台电压切换箱完成PT电压切换功能，单独组屏。每台调压整流变压器配置一台 F35保护装置，调压整流变压器 F