IEC61850标准及在智能化水电站中的应用展望

1、文/张培洪王鸿龙【关键词】智能化水电站 IEC61850 网关 IEC61850-7-410 变电站通讯网络在全球气候变化和能源危机的大背景下，发展智能电网已成为我国能源工业可持续发展 的重大战略举措之一，连续三年写入我国政府 工作报告。国民经济和社会发展十二五规划 纲要将“发展智能电网”列为新能源产业发 展重点。大力开发水电、风电、太阳能等清洁 能源已成为全球智能电网发展的共性驱动力， 因此，水电站建设与管理也将迎来智能化大发 展的崭新机遇。智能化水电站的建设目标是以 智能电网为服务对象，以源网荷协调发展的无 人值班 ( 少人值守 ) 运行模式为基础 , 以通信 信息平台为支撑，以“数据采集

2、自动化、信息 预测精确化、调度决策最优化、运行控制一体 化”为特征，包含水电厂的状态检修系统、经 济运行系统、大坝观测系统、信息统一平台、 监控系统和基础自动化系统等各个环节 , 实现/ 电力流、信息流、业务流的高度一体化，准 确地满足流域水情和电网负荷调度要求。其中 , 基于 IEC 61850 标准的无缝通信系统协议将为 智能化水电站的实现提供基础技术支撑和保 证。图 1：IEC61850 体系MMS(Manufacturing Message Specication)。1.3 IEC61850基本架构1.2 IEC61850系列标准组成IEC 61850 最初的设计目标是为变电自动化系统

3、提供网络与系统解决方案。 因此对变电站自动化系统的通信关系与架构做了深入的分析，并从逻辑上提出了变电 站内三层通信模型，即站控层、间隔层和过程 层，定义了各层之间的通信以及同一层不同设 备间的通信。通过这个模型可以完整的涵盖变 电站自动化系统内部及对外的网络通信关系。 这三层模型构筑了变电站自动化系统中应用 IEC 61850 的基本架构，如图 2。（1）间隔层和变电站层之间保护数据交换。（2）间隔层与远方保护（不在本标准范 围）之间保护数据交换。（3）间隔层内数据交换。（4）过程层和间隔层之间电压互感器 PT 和电流互感器 CT 瞬时数据交换（尤其是采 样）。（5）过程层和间隔层之间控制数据

4、交换。（6）间隔和变电站层之间控制数据交换。（7）变电站层与远方工程师办公地数据 交换。（8）间隔之间直接数据交换，尤其是象 联锁这样快速功能。IEC61850 系列标准文档按结构分为四个部分，如图 1 所示。1.2.1 系统部分包 括 IEC 61850-l、IEC61850-2、I EC61850-3、I EC 61850-4 和 IEC 61850-5 这 5 个 标准。内容涉及通信技术、系统工程管理、质 量保障及系统模型等方面；1.2.2 配置部分IEC 61850-6 定义了变电站系统和设备配 置、功能信息及相对关系的变电站配置描述语 言。1.2.3 数据模型、通信服务和映射部分包

5、括 I E C 6 1 8 5 0 - 7 I E C 6 1 8 5 0 - 8 和 IEC61850-9 系列等 7 个标准。从技术实现的 角度描述了 IEC61850 的信息模型、通信服务 接口模型以及信息模型与实际通信网络的映射 方法，实现了系统信息模型的统一、通信服务 的统一及传输过程的一致。1.2.4 测试部分IEC 61850-10 定义了一致性测试的方法、 等级、环境和设备要求等规定，用于验证系统 和设备的互操作性。1 IEC 61850 标准简介1.1 IEC61850概述IEC61850 标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它是由 国际电工委员会第 5

6、7 技术委员会 (IECTC57) 的 3 个工作组 10,11,12(WG10/11/12) 负责制定 的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标 准 , 其中主要有 :IEC870-5-101 远动通信协议 标准；IEC870-5-103 继电保护信息接口标准； UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0) ( 由美国电科院制定的变电站和馈线设备通 信协议体系 )； ISO/IEC9506 制造商信息规范摘 要本 文 阐 述 了 IEC 61850 标 准的主要内容及特征 , 介绍了水 电站监控通信标准 IEC 61850-7-410, 对 IEC

7、 61850-7-410 标准在 智能化水电站监控中的应用进行 了探讨。图 2：变电站三层结构通信技术 Communications Technology（9）变电站层内数据交换。1.4 IEC61850标准的特征IEC61850 系列标准采用面向对象的建模技术，它建模了大多数公共实际设备和设备组 件。模型定义了公共数据格式、标识符、行为 和控制 , 例如变电站和馈线设备 ( 诸如断路器、 电压调节器和继电保护等 )，具有网络独立的 抽象通信服务接口，具备设备特性数据自描述 能力及灵活可扩展的设备配置管理。1.5 IEC61850 Ed2.0IEC TC57 在 2008 年 起 , 陆 续

8、发 布 了IEC61850 Ed2.0 标准以及新增标准。新版标 准以公用电力事业自动化的通信网络和系 统 ( Communication networks and systems for powerutility automation) 为标题 , 将 IEC 61850 的覆盖范围扩展至变电站以外的所有公用电力 应用领域。其中 : IEC 61850-7 部分增加了 7-410 水电站监控模型、7-420 分布式能源 ( 风力发 电等 ) 模型以及 7-500、7-510、7-520 对于变 电站自动化、水电站和分布式能源功能建模的3 个导则。准包含了对 IEC 61850 通用逻辑节点补

9、充和水电站专用逻辑节点介绍两个方面 , 以满足实际 需要。IEC 61850-7-410 标 准 以 IEC 61850 系 列 标准为基础、面向水电站监控通信制定的标准， 共收录 63 个逻辑节点，其中属于水电站专用 的逻辑节点 19 个，命名以 H 开头，其余 44 个逻辑节点属于通用逻辑节点。主要应用在以 下领域：（1）电气功能，包含各种控制功能，尤 其是发电机励磁，这些逻辑节点不仅仅针对水 电厂，也可用在大型发电厂。（2）机械功能，包括涡轮机和相关设备， 原本用在水电厂，但修改后也可以用在其他领 域 ( 如风电厂 )。（3）水电特定功能，包括与水流、控制、 大坝和水库相关的功能，虽然是

10、水电厂特定功 能，但有关水文管理的数据类型也可以用在自 来水管理系统。（4）传感器，包括发电厂的一些特定测 量数据。IEC 61850, 规范了用于规范水电厂监视和控制的共用数据类、逻辑节点和数据对象 , 涉及电 力、机械、水文、传感器等领域 , 将对规范水 电厂的监控系统发挥更大作用。1.6 IEC61850 标准的重要性IEC 61850 Ed 2.01 定义了 170 多种逻辑节点（LN），较之前的 IEC61850 Ed1.0 的 90 多种 LN 多了 80 多种。这些 LN 覆盖了绝大 部分配电自动化应用需求，并可在现有基础上 扩展相关配电自动化信息模型。如短路故障 检测、小电流故

11、障接地检测与选线的 LN 等。 IEC61850 Ed 2.0 之后，IEC61850 系列标准突 破了变电站自动化系统应用范围，开始应用于 风电、水电、分布式能源（DER）等新能源发电， 输变电状态在线监测及配用电等各领域，成为 智能电网最重要的网络通信协议。IEC61850 实现各种设备与应用的互操作与信息共享，是 实现智能电网的关键技术之一。3 IEC61850网关在智能化水电站中的应用3.1 应用概述智能化变电站采用先进的传感器、信息、通信、控制、智能等技术，以一次设备参量数 字化和标准化、规范化信息平台为基础，实现 变电站实时全景监测、自动运行控制、与站外 系统协同互动等功能，达到提

12、高变电可靠性、 优化资产利用率、减少人工干预、支撑电网安 全运行，可再生能源“即插即退”等目标的变 电站。同样智能化水电站也将秉承智能化一次 电气设备，网络化的二次装置的特征，基于 IEC 61850 标准建立全站统一的数据模型与通 信系统，实现水电站内一次设备和二次智能电 子装置的数字化通信 , 确保智能装置之间的互 操作。通常水电厂的地理范围较广 , 不同机组的 采集与控制系统需要大量的电缆相互连接。在 水电厂采用 IEC61850 通信技术 , 通过信号的 现地采集和光纤传输 , 少量光缆可取代大量电 缆 , 能显著减少电缆投资与施工 , 提高二次回 路的可靠性 , 提高经济效益和设备使

13、用效益。 在 IEC61850 应用中有关水电站的信息模2 水电站监控通信标准IEC61850-7-4102.1 IEC6150-7-410标准概述IEC61850-7-410 是由 IECTC57 技术委员会第 18 工作组于 2007 年 8 月公布的水电站监 控通信标准，是专门规范水电站监控通信专 用信息 , 但由于 2004 年公布的 IEC61850-7 标 准未能包括所有的通用节点 , 无法满足水电站 通信需求 , 所以在 2007 年公布的 IEC61850-7-410 标准对一部分通用逻辑节点和共用数据类 做了制定和补充。故目前 IEC61850-7-410 标2.2 IEC6

14、150-7-410主要内容水电厂是电力系统的重要组成部分 , 其自动化系统有助于电力系统安全、可靠、稳定运 行。IEC61850-7-410 基 于 IEC 61850, 增 加 了 功能描述和模型定义 , 丰富了 IEC61850 的内 容 , 使其更适合于水电厂的应用。本部分基于38 电子技术与软件工程Electronic Technology & Software EngineeringCommunications Technology 通信技术型扩展的重点是水电站内部的水力发电厂组成部件和执行机构以及其相关系统之间的通信。 智能化水电站中数据对象的典型例子是水位、 水流量、覆盖

15、大坝闸门和水轮机控制等所需的 数据。基于 IEC61850 的新一代监控系统将用 于新建的水力发电厂、抽水蓄能电厂，并逐步 取代众多的重建及改造的水电站监控工程项 目。后台监控系统TCP/IP3.2 网关技术应用实现方法IEC 61850 ServerIEC61850 网关产品的应用将提升水电站的智能化水平，其中网关平台 IEC61850 类库 负责实现 61850 的服务功能；实时库保存实时 采集数据，包括 61850 的属性值、及从装置接 收上来的实时数据；规约库负责与具体的装置 进行通讯，获取和保存数据到实时库中。由于 IEC 61850 基于面向对象的概念，而 常规装置通讯基于点到点信

16、息，没有对象的概 念，因此需要解决对象和点的映射关系。关 键在于引入面向对象的思想，建立实时库生 成规则，在实时库里保存数据对象和数据属 性，而不仅仅是单一的点信息，从而将对象和 点统一起来。由此可知实时库是核心模块，是 通讯规约库与 IEC61850 之间的桥梁，实时库 将 IEC61850 服务和通讯规约库建立关联，使 得水电装置的数据通过规约库到达实时库，同 时传送给 IEC61850 服务，最终通过 IEC61850 服务将数据传到主站。如图 3 所示。由于通讯规约的特殊性，通讯网关要求 具有很强的扩展和适应能力。各厂商的水电设 备装置间通讯协议并不兼容，因此需解决平台 接入各种设备的

17、能力问题。抽象功能模块，将 与通讯相关的部分全部独立出来，使其与平台 建立松散耦合，并以动态库的形式提供 API。 各水电设备可通过平台提供的接口函数做简单 的二次开发就可以接入到平台中，这种实现方 式能够做到与平台本身无关，从而大大提高 了平台接入不同水电设备的能力，对尚未符 合 IEC61850 标准的水电设备可以装备相应的 IED 完成对其信息模型的快速配置与集成 , 将 多个彼此独立的自动化子系统构成实时有机统 一的整体，消除信息孤岛。IEC61850 网关系统包括串口通讯和网络 通讯，以通讯基础类库封装，用于规约库与装 置的通讯。在网络通讯类基础上派生出 61850 通讯的类库、实时

18、库，中间涉及数据类型、 asn.1 编码规则和各种抽象通讯服务的实现。 建立组件基类，在基类基础上派生其他基本数 据类型和复合类型。asn.1 采用 ber 的编码规则，API 接口实时库API 接 口通讯适配器水位仪、流量计、水轮机等监测、控制设备图 3：IEC61850 网关软件构架抽象通讯服务采用 mms 来实现。平台维护工具包括实时库和通讯设备的配置工具。此外包 括标准的 modbus 规约库，通过仿真测试整个 系统平台。智能电网与用户的双向交流与互动提供保证。参考文献1IEC 61850-7-410 Hydroelectric power plants：communication for monitoring and controlS2 黄其励 . 对智能化水电厂的认识和实践 J. 能源技术经济 ,2011,23(06):7-8.4 结论智能化水电