（国网江西省电力公司南昌供电分公司 江西南昌 330012）
摘要：本文分析了IEC61850数字化变电站的特点，提出数字化变电站的的主要设计方案，包括网络的组网方案，设备的配置等。
关键词：IEC61850 数字化变电站 设计方案
0引言
变电站自动化系统在我国应用发展十多年来，为保障电网安全经济运行发挥了重要作用。但目前使用的标准比较繁杂，这样导致各个厂家的智能电子设备（IED）互联互通存在困难。为适应变电站自动技术的迅速发展，实现不同厂商产品之间的互操作性，国际电工委员会（IEC）制定了IEC61850变电站通信网络和系统的系列标准，它代表了变电站自动化技术的发展方向，是实现数字式变电站自动化系统的基础。
1 IEC61850数字化变电站的特点
数字化变电站的基本特征有4点：智能化一次设备；网络化的二次设备；自动化的运行管理系统；数字化的数据通信。IEC61850《变电站通信网络和系统》是新一代的通信网络和系统协议的系列标准，它所规定的内容已不限于规约范畴。该系列标准具有一系列特点和优点：分层的IED和变电站自动化系统；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的服务模型；采用抽象通信服务接口（ACSI）、特定通信服务映射（SCSM）以适应网络技术迅猛发展的要求；采用对象建模技术，面向设备建模和自我描述以适应功能发展，满足应用开放互操作要求；采用配置语言，配备配置工具，在数据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。IEC61850在逻辑结构上将变电站分为变电站层、间隔层和过程层三个层次。各层次内部和层次之间采用网络通信。站控层和间隔层之间通信采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）。间隔层设备间通过通用面向变电站事件对象（GOOSE）协议进行实时信息交互，实现间隔单元的防误闭锁功能。过程层将电子互感器、开关及变压器等相关信息以IEC61850-9-1/2、GOOSE的方式送至间隔层保护和控制设备，并接受来自间隔层的控制命令来完成对智能一次设备的操作控制。
2 数字化变电站设计方案
2.1网络的选择
通信网络的根本任务是解决数字化变电站内部以及与其他系统之间的实时信息交换，而网络是不可或缺的功能载体，那么构建一个可靠、实时、高效的网络体系是通信系统的关键之一。数字化变电站自动化系统由过程总线和变电站总线进行通信连接。
2.1.1过程总线
为满足不同的数据流要求及可靠性求，过程总线可以采用不同的组网方式：
1）面向间隔原则。每个间隔有其自身的总线段，为了允许保护和控制设备获得来自其它总线段的数据，装设一个独立的全站范围的总线连接各间隔的总线段。其优点是结构清晰、易于维护，缺点是需要安装较多的交换机或路由器。该方案适用于220kV及以上系统以及重要间隔。
2）面向位置原则。每个间隔总线段覆盖了多个间隔。各间隔可按母线位置设置网络，分布在各段母线上的IED通过交换机直接使用本段网络上母设合并单元采集的母线电压采样值。
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3）全站单一总线，所有设备都与该总线连接。该方案的优点是节省了交换机，成本较低，但需要较高的总线速率。适用于网络负荷较轻的中、低压系统。
4）对于母线保护等需要同时采集多个间隔数据的装置，则采用面向功能的总线结构。如母线保护单独配置交换机，该交换机与相关间隔的交换机级联。
2.1.2变电站总线
在设计站级网络时首先要分析变电站层的数据流量，为减少不同网络内的数据交换量，减轻网络的负担，考虑使用多个网段。即将需要大量和快速交换数据的IED放在同一网段上，并仅可能减少网段之间的数据流量，从而最大限度避免数据冲突，提高各网段的利用效率。但将变电站层网络分割为多个网段必然造成网络的复杂化和网络设备的增加，因此在设计网络时应充分考虑当前网络发展技术水平的制约，同时尽可能简化网络结构，提高网络的可靠性。
随着快速以太网技术以及现代网络交换技术的发展，变电站总线和过程总线可合并为一个通信网络。该方案的优点是信息的完全共享，统一的访问和存储方式，可减少间隔层IED设备的数字接口，将大大降低设备和变电站运行和维护费用。
2.2设备配置和选择
站控层设备包括监控主机、远动工作站等。站控层设备需支持IEC61850标准信息模型和通信协议。为了与现有的集控站和调度接口，远动工作站应能将站内IEC61850协议转换成相对应规约格式。
间隔层设备主要包括：保护装置、测控装置等二次设备。通信标准采用IEC61850，并具有支持智能一次设备的通信接口功能。110kV及以上电压等级间隔层设备，应具有满足数字化要求的功能，包括与过程层的接口，支持IEC61850-9-1/2、GOOSE通讯规约，与站控层通信采用IEC61850-8协议的以太网口。对于35kV和10kV电压等级间隔层设备，为降低成本，目前有一种方案是将间隔层IED下放到开关柜，IED具有接收电子式互感器小模拟量输出信号的接口，集保护、测量、控制、状态监视功能于一体，通过光纤数字接口与变电站层通信。这种方式使得通信结构与IEC61850通信结构类似，但实质完全不同。
过程层设备包括：电子式互感器、智能型断路器/隔离开关、智能型变压器以及其他电气辅助设备。
根据传感方式的不同，电子式互感器可分为无源型和有源型。前者基于光学传感技术，其特点是高压侧没有电子电路；后者基于电磁感应原理，但利用现代电子技术进行信号处理，其特点是高压侧有电子电路。目前，研究较为成熟并投入变电站运行的主要是有源电子式互感器，无源型电子式互感器还处在不断改进过程中。
国产智能一次设备较少，主要还是一些国外产品。目前比较成熟的做法是通过加装智能控制单元来实现过程层一次设备智能化。
对于过程层，618560通信协议主要分为61850-9-1和61850-9-2，二者均是基于以太网通信。61850-9-1标准采用串行单方向多点共线点对点模式；61850-9-2标准则规定采用基于IEEE802.3过程总线的方式。61850标准颁布之初考虑到当时交换机技术的发展，如果采用网络方式传输采样值需要配置高性能的交换机，这样会大大增加变电站的建设成本，因此制定了9-1点对点的传输标准。虽然点对点方式数据传输简单可靠，但是随着越来越多工程的应用，也暴露出9-1标准的一些缺点：1）光纤连接较为复杂。2）跨间隔保护实现方式复杂。3）安装方式不灵活。9-2方式中采样数据、控制命令、监测诊断数据都通过网络传送。为了保证重要信号的快速、可靠传输，在过程层的信息传送中采用优先权标记/虚拟局域网技术，要求交换机符合IEEE802.1p/Q标准。网络传输模式有效地解决了点对点传输模式下的一些缺陷。
采样值数字化传输须考虑同步问题。对于SCADA应用中的同步实现，IEC61850标准明确了采用简单网络时间同步协议（SNTP），但它只能实现毫秒级精度，不能满足采样值同步精度要求。61850并未给出采样值同步具体的实现方法。采样值同步主要有基于外部源的硬接线同步和IEEE1588的网络同步两种方案。由于目前IEC61850版本还不支持IEEE1588，故在实际工程中采用外部源的硬接线同步方案。
3 结语
数字化变电站代表变电站自动化技术的发展趋势，目前国内已有多个数字化变电站顺利投运。随着数字化变电站的不断发展，在设计、建设、运行、维护和管理等方面经验的不断丰富和完善，一定会充分发挥数字化变电站的优势和效益。
论文作者:肖永杰,操玲燕
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/18
标签：变电站论文; 间隔论文; 设备论文; 总线论文; 网络论文; 标准论文; 数据论文; 《电力设备》2017年第31期论文;