电力系统自动化学术研讨论文

1、.风电场监控系统通信标准IEC61400-25研究任雁铭 操丰梅 张涛 刘志超 （北京四方继保自动化股份有限公司，北京，100085）摘要： 本文首先分析了风电场监控系统的通信协议现状，由于使用私有通信协议，不同供应商的设备之间无法实现互操作，系统集成和信息共享困难，指出在风电场监控系统中使用统一通信标准的必要性。然后对国际电工委员会（IEC）发布的风电场监控系统通信标准IEC61400-25进行了详细分析。对IEC61400-25所规范的技术原则、数据模型、通信服务、通信映射和一致性检测进行了分析。对比研究了IEC61400-25和标准IEC61850。最后给出了IEC61400-25的应用

2、建议。关键词： 风电场，监控，通信标准，IEC61400-25，IEC61850 0 引言随着各国对可再生能源的重视，风力发电在各国得到了快速发展，中国也已经建立起一批风电场，并初步形成了风电设备制造产业。但由于之前国际上没有统一的风电场监控系统通信标准，各风电设备制造商使用各自私有的通信协议，导致风电场中不同厂家提供的设备之间无法实现互操作，系统集成复杂，无法实现最优控制。当前一个风电场如果采用了几个制造商的风机，就需要配几套这些制造商的监控系统，此外还需再加一套管理系统对这些监控系统进行管理。这种模式架构复杂、成本高、信息共享困难，运行维护复杂，不利于风电的统一控制。这种情况不利于风电产业

3、的发展。为了解决上述问题，有必要制定风电场监控系统通信标准，实现不同厂家风电设备的互操作，实现风电场信息统一建模、简化系统架构、降低成本、方便运行维护。采用统一的风电场监控系统标准，一个风电场无论有几个厂家的风机，只需要配一套监控系统就可以实现对全场风机的监控功能。可使社会分工进一步优化，不同厂商专注做最擅长的部分，监控系统与风机可由不同厂家提供。可使风电场业主在采买设备时有更多选择空间，而不必担心系统集成问题。在上述背景下IEC TC88联合TC57 在IEC61850基础上，制定了国际上统一的风电场监控系统通信标准IEC61400-25，该标准于2006年发布。IEC61400-25风电场

4、监控系统通信标准（Communications for monitoring and control of wind power plants）规范了风电场通信要求，目的在于实现风电场风机与监控系统之间实现互操作。IEC61400-25是在IEC61850基础上的考虑了风电场特性而派生出的标准，继承了IEC61850的现有技术路线和成果，并做了必要扩展。1 IEC61400-25技术概述IEC61400-25标准由如下文件构成。1）IEC61400-25-1 风电场监控系统通信标准- 原则与模型概述（2006年发布）；2）IEC61400-25-2 风电场监控系统通信标准- 信息模型（2006

5、年发布）；3）IEC61400-25-3 风电场监控系统通信标准- 信息交换模型（2006年发布）；4）IEC61400-25-4 风电场监控系统通信标准- 通信协议栈映射（2008年发布）；5）IEC61400-25-5 风电场监控系统通信标准- 一致性测试（2006年发布）。IEC61400-25标准目的在于为风电场的监控提供一个统一的通信基础。该标准定义了信息模型、信息交换机制、与通信协议的映射关系。该标准的实施可以使SCADA系统与来自不同厂家的风机实现互操作。其自描述信息可用于SCADA应用的配置。该标准不仅包含风机本身信息，也包含气象信息、电网信息和风场管理系统信息。但该标准不包含

6、馈线与变电站，这些内容参见IEC61850。该标准支持互操作、可扩展和互联。 IEC61400-25 采用客户/服务器通信模式，从三方面对风电场监控系统进行了定义，分别是：1）风电场信息模型；2）信息交换模型；3）上述两种模型到通信协议之间的映射。IEC61400-25定义的信息模型涵盖风电场如下组件：1）风机组件 转子、传动、发电机、逆变器、齿轮箱、风塔、告警系统等部分。2） 气象系统风场气象条件3） 风场管理系统风电场控制4） 电力系统风电场与电网互联。IEC61400-25定义的信息交换模型继承了IEC61850所定义的各种服务，又增加了2种服务。IEC61400-25定义的特定通信映射

7、与IEC61850只定义了MMS一种通信映射不同，IEC61400-25定义了包括MMS在内的5种通信映射。IEC61400-25定义的通信一致性测试要求，在继承IEC61850-10一致性测试框架基础上，IEC61850-25又补充了对客户端的测试用例。2 IEC61400-25-1IEC61400-25-1风电场监控系统通信标准- 原则与模型概述对IEC61400-25的技术路线和原则进行了概括性描述。与IEC61850类似，IEC61850-25-1使用图示方式说明IEC61400-25标准各分册之间的关系。从图中可以看出，通过对风电场实际组件的抽象，形成了风电场各组件的通信数据模型，这

8、些模型由IEC61400-25-2所定义。访问这些数据需要的通信服务由IEC61400-25-3所定义。通信服务与各种底层通信协议的映射关系有IEC61400-25-4定义。通信一致性检测原则和方法有IEC61400-25-5定义。从这张图，可以清楚看出IEC61400-25标准各分册之间的配合关系。3 IEC61400-25-2IEC61850所定义的90多中逻辑节点都是面向变电站自动化系统的，不能满足风电场监控系统的需求。IEC61400-25继承并遵守IEC61850所确定的建模原则。在对风电场有关信息进行分析、研究和抽象基础上，新增加了一些针对逻辑节点，新增逻辑节点均以W开头，在IEC

9、61400-25-2中定义。新定义的逻辑节点如下表所示。在风电场监控系统中，还需要描述开关、测量、继电保护等信息，可直接使用IEC61850所定义的有关逻辑节点。下图表示了综合使用IEC61400-2与IEC61850-7-4的逻辑节点的情形。虚线内为风电逻辑节点，虚线外IEC61850节点。 IEC61400-25-2继承了IEC61850所定义的360多种通用数据类（CDC），并根据需要做了如下扩展。 4 IEC61400-25-3IEC61400-25-3定义了风机与SCADA之间的通信，不包括风机组件内部的通信。该标准原则上集成了IEC61850所定义的60多中抽象通信服务（ACSI）

10、，但考虑到风电场的实际情况，做了如下调整。IEC61400-25-3的附录C对IEC61850-7-2和IEC61400-25-3对ACSI的差异进行了说明。在变电站自动化系统中使用，而风电场可能不会用的ACSI有：Substitution、File。风电场不会用的IEC61850 ACSI有：SGCB、GoCB、GsCB、MSVCB、USVCB。在IEC61850所定义的ACSI基础上，新增了如下2种服务。 AddSubscription、RemoveSubscription。5 IEC61400-25-4IEC61400-25-4定义了ACSI到具体协议栈的映射。该部分在IEC61400-

11、25体系中的作用和角色类与IEC61850-8-1、IEC61850-9-1、IEC61850-9-2在IEC61850体系中的作用和角色类似。但IEC61400-25-4与IEC61850还是存在明显差异，IEC61850只定义了ACSI到MMS一种映射关系。而IEC61400-25-4则定义了5中映射，除MMS外，新增了4中映射。这5种通信映射如下：附录A定义了ACSI到Web Services的映射；附录B 定义了ACSI到OPC XML-DA的映射；附录C 定义了ACSI到 MMS（IEC61850-8-1）的映射；附录D 定义了A CSI到IEC60870-5-104 （IEC/TS

12、61850-80-1）的映射；附录E 定义了ACSI到DNP3的映射。 需要注意的是这5种底层协议栈对ACSI的支持情况存在差异，只有MMS和Web Services能够支持所以ACSI服务，其他3种都有部分ACSI服务不能支持，具体情况见下表。 考虑到上述差异，以及国内在变电站自动化系统中使用IEC61850和MMS底层映射已取得的丰富的经验。在国内使用IEC61400-25时，建议底层采用MMS映射，不建议采用其它4种映射方式。6 IEC61400-25-5IEC61400-25-5定义了通信一致性测试的原则、流程和测试用例。继承了IEC61850-10的技术原则与路线。在总结过去几年变电

13、站自动化系统进行一致性测试经验基础上，对IEC61850-10的不足和缺陷进行了补充和改进。与IEC61850-10相比，IEC61400-25-5新增了对通信系统客户端检测的要求与测试用例，也增加了系统稳定性测试等内容。 7 IEC61400-25推广应用IEC61400-25对于风电场监控系统的作用和意义类似于IEC61850对于变电站自动化系统的作用和意义。风力发电在我国处于快速发展期，风电设备制造产业也在形成中，在这种情况尽早采用和推广IEC61400-25标准，对于我国风电发展是非常有益的。实际上在技术上我国也具备推广和应用IEC61400-25的基础。IEC6140-25是在IEC

14、61850基础上结合风电场监控系统的实际情况配上而成的，与IEC61850在技术上一脉相承，两者在技术上存在很多相似性。经过多年努力，IEC61850在我国的变电站自动化领域的得到了很好的推广应用。IEC61850标准已经等同引用为中国电力行业标准，国内权威检测机构建立了IEC61850一致性检测实验室，一大批设备制造商能够提供支持IEC61850标准的产品，该标准已批量在变电站工程中得到应用，大批电力系统用户开始熟悉和掌握IEC61850标准和产品。IEC61850的成功推广为IEC61400-25标准的推广应用奠定了良好的基础。为了能够在风电场监控系统顺利推广和应用IEC61400-25标

15、准，我们还需做好如下事项。1） 将IEC61400-25引用为我国的国标或行标。2） 风电设备检测部门应建立IEC61400-25通信一致性检测试验室，开展检测认证服务。3） 加强对IEC61400-25的宣传力度，让大家了解和熟悉该标准。8 小结本文分析了风电场监控系统的现状，指出在风电场监控系统中使用统一通信标准的必要性。对风电场监控系统国际标准IEC61400-25进行了分析研究。采用与IEC61850对比的方式，对IEC61400-25所规范的技术原则、数据模型、通信服务、通信映射和一致性检测进行了分析研究。最后就IEC61400-25在中国的推广应用给出了建议。参考文献1 IEC61

16、400-25-1 Communications for monitoring and control of wind power plants Overall description of principles and models，IEC，20062 IEC61400-25-2 Communications for monitoring and control of wind power plants Information models，IEC，20063 IEC61400-25-3 Communications for monitoring and control of wind pow

17、er plants Information exchange models，IEC，20064 IEC61400-25-4 Communications for monitoring and control of wind power plants Mapping to communication profile，IEC，20085 IEC61400-25-5 Communications for monitoring and control of wind power plants Conformance testing，IEC，20066 EC61850, Communication ne

18、tworks and systems in substations, IEC, 2005 作者简介：任雁铭 (1972-)，男，教授级高工，博士，英国IET特许工程师，IEC TC57 WG10成员，主要研究方向：变电站自动系统。E-mail: yanmingsf-操丰梅 （1968-），女，高工，主要研究方向：继电保护、风电控制。E-mail: Caofengmeisf-张涛 （1970-），男，教授级高工，主要研究方向：继电保护、电力电子、电力系统控制。E-mail: zhangtaosf-刘志超 （1975），男，高工，主要研究方向：继电保护、电力电子。E-mail: liuzhicha

19、osf-The Research on Communication Standard IEC61400-25 for Monitoring and Control of Wind Power PlantsRen Yanming，Cao Fengmei, Zhang Tao, Liu Zhichao(Beijing Sifang Automation Co.Ltd, Beijing, 100085, China)Abstract： At first the current situation of communication protocols for monitoring and control of wind power plants is analyzed