IEC61850标准与数字化变电站的探讨

　　摘要：解析了IEC61850标准的主要内容和特点，并对数字化变电站通信框架模型和IED模型做了简要分析，最后针对IEC61850标准尚未说明的部分提出了几点看法。

　　关键词：IEC61850,数字化变电站,建模,IED

　　0 引言

　　IEC 61850 是国际电工委员会负责电力系统控制及其通信的相关标准的第57 技术委员会(IECTC57)制定的关于变电站自动化系统结构和数据通信的一个国际标准，目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备(IED) 之间通过一种标准协议实现互操作和信息共享，实现“一个世界、一种技术、一个标准”。

　　数字化变电站是以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，将物理设备虚拟化，对数字化信息进行标准化，实现信息共享和互操作，满足安全可靠、技术先进、经济运行要求的变电站。

　　当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，　　使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。

　　1、IEC 61850的介绍

　　该标准根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息传输要求地服务模型;采用抽象通信服务接口、制定通信服务映射，以适应网络发展。采用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求。采用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性。定义和传输元数据，扩充数据和设备管理功能，传输采样测量值等。该标准还包括变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等。

　　作为全世界唯一的变电站网络通信标准，为电力系统自动化产品的“统一标准、统一模型、互连开放”的格局奠定了基础，使得信息建模标准化成为可能，信息共享具备了可实施的基础，也将成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝自动化标准。

　　就概念而言，IEC61850标准主要围绕以下4个方面展开：

　　(1) 功能建模。从变电站自动化通信系统的通信性能(PICOM)要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模型(第5部分)。

　　(2) 数据建模。采用面向对象的方法，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型(第7部分-3/4)。

　　(3) 通信协议。定义了数据访问机制(通信服务)和向通信协议栈的映射，如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS(IEC61850-8-1)。在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802.3标准的过程总线(IEC61850-9-2)(第7部分-2，第8、9部分)。

　　(4) 变电站自动化系统工程和一致性测试。定义了基于XML(Extensible Make up Language)的结构话语言(第6部分)，描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。为了验证互操作性，第10部分描述了IEC61850标准一致性测试。

　　2、IEC 61850标准的主要特点

　　IEC61850标准将变电站系统分为3个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了10种三层间的逻辑接口：

　　1：间隔层和变电站层之间的数据交换;

　　2：间隔层和远方保护之间的保护数据交换;

　　3：间隔层内数据交换;

　　4：过程层和间隔层之间TV和TA暂态数据交换;

　　5：过程层和间隔层之间控制数据交换;

　　6：间隔层和变电站层之间控制数据交换;

　　7：变电站层与远方工程师站数据交换;

　　8：间隔层之间直接数据交换;

　　9：变电站层内数据交换;

　　10：变电站装置和远方控制中心之间的控制数据交换。

　　IEC 61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个IED包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，IED同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口(ACSI)和服务器通信可访问数据对象。

　　与IEC61870-5系列标准采用面向点的数据描述方法不同，IEC61850标准对于信息均采用面向对象的自描述。

　　采用“面向点”的数据描述方法，在信息传输时数据收发双方必须实现对数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反应现场设备的状态。协议一旦确立以后，如果要增加或删除某些信息就必须对协议进行修改，这是一项耗费资金和时间的工作。随着技术发展、电力市场的建立和变电站自动化水平的提高，变电站内需要传输的新信息不断增加，这种数据描述方法已不大适应，因而使新功能的应用受到限制。

　　面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。为此，IEC61850标准提供了一整套面向对象的数据自描述方法。

　　(1) IEC61850对象名称。标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则。

　　(2) IEC61850通信服务。标准采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务，比如，获取和设定对象值列表的通信服务，获得数据对象名列表的通信服务，获得数据对象值列表的服务等。

　　3、基于IEC61850标准的变电站内通信系统框架模型

　　作为变电站自动化通信网络和系统的标准，IEC61850主要强调面向对象的建模和对基于客户机/服务器结构的应用数据交换的定义。

　　(1) 物理层/数据链路层

　　选择以太网作为通信系统的物理层和数据链路层的主要原因是以太网在技术和市场上已处于主流地位。另外，随着快速以太网、G-比特以太网技术逐步成熟，对变电站自动化应用而言，网络宽带已不再是制约因素，由冲撞引起的传输延时随机性问题已淡化。

　　(2) 网络层/传输层

　　选择事实标准的TCP/IP协议作为站内IED的高层接口，实现站内IED的intranet/internet化，使得站内IED的数据收发都能以TCP/IP方式进行。这样监控主站或远方调度中心采用TCP/IP协议就可以通过广域网(WAN)甚至internet获得变电站内的数据。同时，采用标准的数据访问方式可以保证站内IED具有良好的互操作性。

　　(3) 应用层

　　选择制造报文规范(MMS)作为应用层协议与变电站控制系统通信。所有IED中基于IEC61850建立的对象和服务模型都被映射成MMS中通用的对象和服务，如数据对象的读、写、定义和创建以及文件操作等。MMS对面向对象数据定义的支持，使该数据自描述成为可能，改变了传统的面向点的数据描述方法。因数据本身带有说明，故传输可不受预先定义的限制，简化了数据管理和维护工作。

　　4、IED统一硬件平台设计

　　考虑IED本身的功能，以及可扩展性和可靠性的要求，IED硬件设计采用可组态的模块化设计方法，按功能划分各个模块，主要包括模拟量输入输出模块，开关量输入输出模块，人机接口模块(MMI)，通信模块(COM)和主控模块(CPU)。

　　模块和模块之间的数据通信通过内部高速总线实现。由于各模块都具有一定的智能化处理能力，可以对信号的输入输出进行一定的预处理，减轻主控模块的负担，使其专注于数据处理、故障判断和任务调度。同时，采用这种模块化的设计方法，使得IED具有可扩展性，可以根据客户的需要添加相应模块，为IED的高可靠性提供了可能。而且这种模块化的设计方法可以随技术的发展而更换相应模块，最大限度地保护了用户已有的投资，迅速实现产品的升级换代。

　　5、IED软件系统设计

　　实现IEC61850的重点、难点在于软件设计。它主要设计两个方面的内容：在变电站层的监控主站系统上实现与IEC61850相关的功能;在间隔层IED上实现保护、控制，尤其是在间隔层的IED的通信模块中软件系统的实现。

　　IED软件设计也是按功能划分进行模块化设计的，使得软件具有可裁剪性，也便于功能扩充。按功能划分主要可分为：数字信号处理元件、数据处理元件、继电保护元件、可编程的数字量输入输出元件、事件捕获元件、人机接口元件和通信元件。

　　不同于以往一般的危机保护监控装置，IEC61850标准中为了实现互操作性和可扩展性，采用了面对对象的建模技术，定义了数据模型和设备模型以及描述数据对象的方法及一套面向对象的服务。所以，IED软件设计出了要实现测量、保护和控制功能外，还应充分考虑并遵循这些要求。

　　6、IEC61850数字化变电站的发展展望

　　在IEC61850为变电站定义的三个层次中，数字化变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展。目前的主要内容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。归纳起来目前主要存在的问题是：(1)研究开发过程中专业写作仍有待加强，比如智能化电器的研发至少存在机、电、光三个专业协同攻关;(2)材料器件方面的缺陷及性能改进;(3)试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC(电磁干扰与兼容)控制与试验还是薄弱环节。

　　从目前的情况来看，数字化变电站技术还有一些问题需要解决。但随着技术进步和电网运行的要求，尤其是智能电器技术和电子式电器技术的突飞猛进，符合IEC61850标准真正意义上的数字化变电站将得到迅速的应用和普及。

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《IEC61850标准与数字化变电站的探讨》

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