IEC61850在变电站保护装置中的应用研究与实现

IEC61850在变电站保护装置中的应用研究与实现王淑超，窦乘国，顾建南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市211100摘要：现阶段IEC61850在我国还处于推广应用的起步阶段。当前我国变电站状况纷繁芜杂，其中不同厂家、不同系列的各种装置并存，通讯介质及其通讯规约种类繁多。在国内这种变电站大环境下，研究开发与之相适应的IEC61850智能设备成为各相关厂商在推广应用该规约过程中重点关注的问题。本文以变电站中智能设备之一——保护装置为例，讲述了IEC61850装置开发涉及的几个主要方面：IEC61850应用的变电站系统结构、保护装置IEC61850节点建模方法以及装置与后台客户端之间的一系列报告上送方案。最后文章还以实际开发经验为基础，分析了IEC61850在变电站分布式智能控制方面的优越性。关键词：IEC61850、智能设备、分布式智能控制0引言1999年3月，IEC在充分考虑变电站装置间通讯和互操作等功能要求的基础上，提出了变电站内通信网络与系统的通信标准体系IEC61850标准的委员会草案版本。该标准采用分层分布式体系、面向对象的建模方法，并且具有数据对象自描述以及应用功能与通讯数据栈相独立的特点。2003年9月，标准的第3、4、5、7、9-1部分已成为正式国际标准［1］。2004年，随着国际上第一个基于IEC61850的变电站自动化系统正式投入运行，对其应用价值的认识在国内也取得了一定的共识［1］，我国各电气设备生产厂家（如继电保护厂家、断路器厂家、传感器厂家和变压器厂家等等）也相继开始了新规约的应用研究开发。但由于实现IEC61850相对传统通讯协议来说开发难度要大，准入门槛高，目前变电站内应用的规约纷繁芜杂，对同一种规约的解释在不同厂家也不尽相同，用户单位对此也有切实的感受。这些问题的存在既给IEC61850的推广应用带来一定的障碍，但同时也提供了推广应用的一个契机。在这种情况下，研究开发适合国情的相关IEC61850产品，以逐步推进该规约在我国的应用，将成为我国各电力设备厂商在应用推广IEC61850过程中重点关注的问题。2006年初，南京南瑞继保电气有限公司在深入调查我国各变电站状况的基础上，成功研发了与变电站现状相适应的RCS系列IEC61850产品，并顺利投入运行。本文就以该RCS系列产品中的保护装置为例，简要叙述IEC61850保护装置开发涉及的几个主要方面。1IEC61850及其变电站应用系统结构IEC61850和传统规约主要不同之处在于它以服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型和数据对象模型建立了变电站自动化系统中常用设备的统一数据模型，以满足装置互操作性要求［2］。标准不仅定义了各模型的数据属性、还对各模型的功能实现以及模型间的功能交互进行了说明。另外，IEC61850还具备传统规约所欠缺的信息自描述特点，主要表现在：1）它定义了完整的各类（单元）数据对象和逻辑节点、逻辑设备的标志代码。2）它定义了用这些标志代码组成的完整对象数据描述方法，并将其应用于XML语言中。3）它定义了一整套面向对象的服务，并对其服务语义进行了规范。除此以外，标准还总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ACSI）。根据底层所使用技术的不同，ACSI可再映射到底层具体的协议上，例如IEC61850-8-1所定义的映射到制造报文规范（MMS）上。IEC61850这种数据与服务分离的做法，可以方便地适应通讯底层技术地发展，为规约的未来发展开避了空间［3］。而且，为了解决变电站中IED装置间的互通讯问题，IEC61850还定义了通用变电站事件（GSE）模型，该模型基于自动分步的概念，采用发布者/订阅者通讯结构，提供了在全系统范围内快速输入输出数据值的功能。IEC61850的这种应用模式将为变电站自动化系统提供广阔的发展前景，它在变电站中的具体应用，又将进一步推动站内网络通讯技术和变电站系统结构的发展。当前我国变电站状况纷繁复杂，各变电站系统结构存在很多差异，然而去除系统中通讯介质、通讯协议以及网络配置（如双网、环网等）和其它工程实施12542006中国电机工程学会年会论文集·河南郑州细节上的差异，我们可以总结出如图1所示的当前主流变电站系统结构；而且预计在今后相当长的一段时期内，它仍将是我国变电站系统结构中主导结构。在此基础上，结合现阶段我国变电站内各设备现状以及规约的工程应用特点，我们研发了与当前变电站现状相适应的RCS系列IEC61850产品。图1当前主流的变电站系统结构简图在产品的IEC61850变电站工程应用过程中，通讯总线可以按双网或环网（光纤或双绞线以太网）配置。在通讯总线的基础上，IEC61850服务端与客户端之间的通过MMS报文通讯，而其它各IED之间则通过GSE/GOOSE通讯实现各自所需信号的交互。2装置IEC61850节点模型建立IEC61850作为新一代的变电站自动化系统国际标准，规范了数据的命名、定义和行为；它将所有变电站自动化的已知功能进行标志，并分成许多的子功能——逻辑节点［2］。逻辑节点是装置交换数据、执行任务的最小功能单元，而且每个逻辑节点都是由其功能相关的数据和方法所定义的对象［3］［4］。多个逻辑节点共同协调工作，完成变电站所需的控制、保护、测量及其它功能。在IEC61850中，保护整定值及其相关的动作信息是建模在各相关的逻辑节点中的。如PTOC节点类定义的带时限过流保护节点，里面就包括保护动作门槛（StrVal）定值、保护动作时间（OpDlTmms）定值以及保护起动（Str）和保护动作（Op）等状态信息点。依照IEC61850规约，保护测控装置中的全部功能可用保护类逻辑节点（如PTOC、PTUF等）、测量类逻辑节点（如MMXU等）以及通用逻辑节点（如GGIO等）等进行建模。另外，IEC61850应用开发时，其逻辑节点对象模型如何与装置软硬件框架相融合是开发前期首先要解决的问题。由于IEC61850规约的高标准和高要求，过去传统的以单片机或小型微处理器为主的CPU板硬件平台已经难以满足规约应用的需求。因此，项目开发前期，我们为IEC61850装置扩展了高性能的微处理芯片，并为该CPU提供了大容量的存储FLASH和其它外围辅助设备，这种高端硬件支撑平台大大地满足了IEC61850需求。在软件上，按照IEC61850的思想，我们以面向对象C++语言实现了规约所要求的各逻辑节点；软件系统框架结构清晰，具有较强的兼容性和可扩展性。图2RCS某装置逻辑节点示意图3SOE遥信报告和遥测采样报告上送在IEC61850中，报告（Reporting）是由报告控制块控制的。有两种类型的报告控制块:带缓冲的报告控制块BRCB（BufferReportControlBlock）和不带缓冲的报告控制块URCB（UnbufferReportControlBlock）。BRCB控制块能够缓存一定数量的报告；而URCB则不缓存，它按设定的周期扫描指定数据集DatSet的各信息条目，按信息的当前值发送报告。图3RCS某装置遥信报告BRCB结构图7继电保护与安全自动装置1255一般来讲，国内保护装置的遥信点包括：保护动作元件、硬压板、软压板、普通遥信开入、装置自检信息、装置告警信息等。它们可分别依照规约建模在各自的逻辑节点中。IEC61850模型中每一个信息元素都有一个数据实体和一个与之相关联的层次化标准引用名。在IED装置的XML描述文件中，将这些标准化的信息引用名按一定的格式组织到该报告相关的DatSet中，可以实现对应的报告上送功能。在当前的变电站结构形式和采样回路的模式中，IEC61850-7-2中对模拟量的模型有详尽的描述，保护装置据此可以很好地满足实时性测量的要求，并将测量数据上送后台客户端（或调度端）进行显示和存档。4保护动作故障信息的上送装置保护故障信息上送是保护装置实现IEC61850的难点之一。除动作波形外，这些信息都可以通过与对应DatSet相关联的BRCB缓冲报告控制块实现,这种报告实现的难点在于相关DatSet引用哪些信息实体以及相应信息体的数据结构。在IEC61850模型中，保护动作元件对应的信息点实体为各保护逻辑节点中的Op属性项；而对于其它故障信息，则有分散于其他逻辑节点中的相应的Do项与它们对应。将以上这些信息结构体关联到BRCB对应的DatSet中，与后台客户端软件配合，就可以实现故障信息的发送。另外后台客户端对保护IED装置故障波形的召唤，是通过IEC61850规定的文件传输服务实现的，开发的主要工作在于保护动作时刻COMTRADE文件（IEC60255-24标准）的本地生成与管理，以及后台客户端召唤时MMS文件传输连接的建立。5基于IEC61850的分布式智能控制系统分布式智能控制是变电站自动化系统发展的趋势，IEC61850的出现恰好为它提供了历史性的发展平台［6］［7］。当前随着国内外自动化技术的发展，用户要求站内空间分布的两个或多个装置共同协作实现复杂控制功能的场合越来越多，例如间隔层设备之间的防误闭锁、智能顺序化控制等。在传统的变电站自动化系统中，这种功能的实现一般要求屏间错综复杂的硬接线，而且控制功能及其细节基本固定，现场状况的微小变化都可能要求相应程序与接线随之更改，不利于变电站长期稳定运行与维护。IEC61850平台恰好能有效地解决上述问题，这首先得益于它面向对象、立体化的数据模型。在变电站通讯域（Domain）范围内，所有IED装置节点模型中的任意信息点都有其独一无二的层次化标准引用名，通过该信息引用名，可以实现所需信息的简单快速查找与定位，为装置间信息交互和装置内部函数调用提供了共同的依据，而这正是传统规约所欠缺的，通过引用名就可以快速准确地定位到具体的装置和逻辑节点，而定位到该XCBR逻辑节点就可以获得该断路器的当前状态信息和它的一些标准控制接口，而不必知道该信息体究竟分布在系统的具体物理位置，这是IEC61850区别于以往线性的、面向信号点规约的最大特点。其次，IEC61850中定义的通用变电站事件（GSE）模型为解决IED装置间的互通讯提供了很好的解决方案。GSE/GOOSE报文通讯可以代替大量屏间硬接线电信号交互，这大大提高装置间通讯灵活性同时，也为变电站设计安装提供了便利［3］。基于IEC61850，我们在RCS系列产品中实现了所需的分布式智能控制功能。该功能控制对象和控制细节能够根据变电站现场需求由用户自由灵活配置。这为变电站实现经济、方便、灵活的分布式智能控制开辟了渠道。6结束语由于IEC61850的所具有的各种特点，它的逐步推广和应用对变电站自动化系统的影响是全面和深远的，就其本身的设计思想和制定方法，比当前其他变电站通讯规约要先进、超前，确实具备它所号称的“现阶段变电站唯一通用规约”的能力。其中很多思想对于变电站综合自动化技术的发展、数字化变电站的建设有重要的借鉴意义。在现阶段，从实际应用的角度出发，逐步推出与国内各变电站现状相适应的IEC61850产品，从而建立符合IEC61850要求的变电站子站系统，为站内智能电子设备建立面向对象的逻辑节点模型，具备无缝接入的条件，实现信息的可定义配置，是国内IEC61850推广工作的重点。另外，在实现推广过程中，还需要更多专家学者进一步地参与和讨论，对于不同厂家的一致性问题多做细致有效的工作，真正体现IEC61850的优越性。本文以保护装置为例，结合现阶段我国变电站的实际需求，分析了我国IEC61850的应用前景和开发现状，并在保护装置中实现了IEC61850的规范。南瑞继保电气有限公司提供了功能完备的IEC61850自动化系统解决方案，极大地提高了变电站的信息、控制自动化程度。完全基于IEC61850规约的一整套保护监控系统（包括监控软件、高低压保护装置、测控装置、远动设备）现在湖北某220kV变电站稳定运行。12562006中国电机工程学会年会论文集·河南郑州参考文献［1］CaiYun-qing，JohnJansenvdSligte.Sta