基于IEC61850的220kV变电站监控系统建模与实现　说课讲解.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。基于IEC61850的220kV变电站监控系统建模与实现-基于IEC-61850的220kV变电站监控系统建模与实现967中国开关电器网上海超高压输变电公司刁冠勋基于IEC-61850的220kV变电站监控系统建模与实现    上海超高压输变电公司    刁冠勋        2008-10-272008-10-27【全部正文】摘要：本文介绍了IEC-61850标准体系结构和特点，提出了基于IEC-61850的变电站监控系统建模原则，并以220kV拜耳变电站为例介绍了基于IEC-61850的变电站自动化监控系统结构和基本功能，从实例的角度总结了IEC-61850特点及优势，并提出了未来发展方向。关键词：变电站综合自动化IEC-61850建模实现1前言变电站综合自动化系统指应用自动控制技术、信息处理和传输技术、计算机技术实现对于变电所运行监视、协调、控制和管理任务的综合自动监控系统。随着计算机、网络技术、通讯技术的高速进步，变电站综合自动化技术得到了迅速的发展1。本文主要介绍了IEC-61850基本内容和主要特点，提出了基于IEC-61850变电站自动化系统建模原则。通过220kV拜耳变电站自动化监控系统结构原理与基本功能的介绍，总结了IEC-61850自动化系统的优势及发展方向。2监控系统建模2.1IEC-61850简介IEC-61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统新一代国际标准，它是由国际电工委员会第57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：IEC-870-5-101远动通信协议标准；IEC-870-5-103继电保护信息接口标准；UCA2.0(UtilityCommunicationArchitecture2.0)(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系)；ISO/IEC-9506制造商信息规范MMS(ManufacturingMessageSpecification)2。IEC-61850的主要特点是:1)面向对象建模；2)抽象通信服务接口；3)面向实时的服务；4)配置语言；5)整个电力系统统一建模。这些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)。作为下一代变电站的无缝通信协议标准，采用面向对象思想对变电站涉及的设备与通信服务进行功能建模、数据建模，解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题，并规范了一套抽象的通信接口，使协议拥有足够的开放性以适应未来变电站通信发展的要求。2.2IEC-61850监控系统模型变电站通信网络和系统协议IEC-61850标准提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，将变电站通信体系分为3层:变电站层、间隔层、过程层3，并且定义了层和层之间的通信接口。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制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤环网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(IED，测控单元和继电保护)均采用统一的协议，通过网络进行信息交换，如图1所示。图1基于IEC61850标准的变电站监控系统模型4IEC-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。但是由于过程层的实现对于一次设备智能技术要求非常高，目前国内对于IEC-61850的应用还局限于在站控和间隔两个层面。2.3系统设计原则作为基于IEC-61850标准的无人值守变电站自动化系统，除了实现传统自动化系统的基本功能和运行特点以外，还应遵循IEC-61850标准对于系统结构的要求，满足以下原则：（1）总体性原则：新站控系统满足变电站自动化技术原则，符合调度运行习惯。设备的性能和配置符合电网安全、稳定、经济运行的要求。（2）分层分布式原则：采用分层分布式自动化系统，由站控层和间隔层组成。站控层完成对全站监视、控制以及设备检测功能的综合管理。（3）可靠性原则：保证网络通讯的可靠性，间隔层应用IEC-61850规约，采用双光纤环网，实现冗余配置。在硬件选择和软件设计上应充分保证系统的实时性能指标，抗干扰能力强。（4）采样原则：就地采集的设备模拟量(电流、电压等)直接接入保护测控单元，通过高速运算产生所需的物理量，不再增加变送器。（5）运行管理原则：作为无人值班变电站模式，自动化监控系统应具有安全监测、控制操作、防误操作闭锁、报表打印等多种功能。（6）开放性原则：开放式系统是系统的发展方向，要求系统能够易于扩充，且可以连接不同厂商的软、硬件设备，适应于变电站综合自动化发展趋势。（7）经济性原则：在选用新技术、新设备的同时，还应从系统的可靠性和工程造价等方面综合考虑。3基于IEC61850监控系统的实现3.1220kV拜耳变电站概述220kV拜耳变电站位于上海市化学工业园区内，作为上海电网终端站并网运行，建设规模为两台135MVA三绕组变压器，电压等级为220/35/35kV，容量为135/85/50MVA，220kV侧为带断路器的线路变压器组单元制接线，从220kV目华变电站引入电缆进线2回，分别经过1台主变在35kV侧形成交叉接线后，向2组35kV母线供电，一次接线如图2所示。图2变电站一次接线图3.2自动化系统结构拜耳变电站自动化监控系统如图3所示。系统分为站控层和间隔层。站控层主要包括一台以太网交换机RuggedSwitchRSG2100，以及SIMATIC机架式PCIL43作为后台处理主机，两台21LCD液晶显示器作为人机交互界面。其核心是罗杰康公司的RuggedSwitchRSG2100，它是一款强化的工业级全管理型模块式以太网交换机，连接站控层各个设备以及间隔单元。间隔层为五条光纤环网，使用IEC-61850协议双光纤环网冗余配置，连接220kV控制单元、主变保护、35kV间隔等各个保护测控装置。图3自动化系统结构3.3IEC-61850对于保护装置的影响IEC-61850目前国内一些变电站已经有了一定的应用，但大多局限与测控系统，而拜耳变电站间隔层将IEC-61850协议应用于全站测控、保护装置，特别是将继电保护装置纳入协议之中，而无需特别的协议转换，真正体现了采用统一协议，统一建模。使用IEC-61850协议可以实现后台远方诊断，远方调取故障录波，远方修改定值，甚至远方修改逻辑。使用笔记本电脑接入RSG2100，进行简单设置即可完成全站保护、自动化设备的整定。启动SIEMENS专用软件DIGSI软件，可以方便查看修改各个单元逻辑，界面非常简洁、友好。系统在设计时，软件系统和硬件系统都采用模块化设计方法，方便了未来的系统扩展，同时系统具有开放性。RSG2100还提供了普通网络接口，适应不同接口的IED设备接入。因此，IEC-61850标准的应用，可以更便捷的扩充站内设备，实现厂家之间无缝整合，方便变电站的改扩建工作。此外，使用IEC61850采用时间同步模型进行GPS网络对时，避免了在物理层面构建单独的对时网络，节省资源和调试工作。IEC61850的应用，实现了其面向对象建模的优势，方便了运行维护，避免了添置保护管理子站等转接设备，使得各项保护相关功能真正纳入自动化范畴，提高了其可靠性。3.4厂家之间的互操作性前面介绍过，IEC61850突出特色是不同的厂家可以通过该协议实现互操作，而无需进行协议转换。所谓互操作性是指同一制造商或不同制造商的两个或多个IED间相互交换信息并使用这些信息进行协调工作的能力。变电站内的智能电子设备(IED，测控单元和继电保护)均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。220kV拜耳变电站系统中实现了这一功能。有载调压控制装置TAPCON和自动化系统分属不同厂家，TAPCON支持以太网IEC-61850协议，通过网口接入光交换机RS900，如图4所示。采用面向对象的建模技术，将TAPCON、主机均作为逻辑接点，相互扮演客户的角色，对其各类操作作为控制数据组，档位、电流等信息作为数据对象。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对方的数据对象。通过IEC-61850定义了该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，综合全面进行模块化处理，从而实现TAPCON与站控主机、TAPCON之间的互操作。实现了主控单元对于TAPCON的控制功能以及TAPCON向主控单元发送档位、电压等信号。当两台主变在低压侧和环运行时，可以实现双TAPCON协同调整电压，此时TAPCOM分为主从机，主机判断状态量动作后发送至从机，实现两台主变分接头协同调整，从而实现设备之间的无缝集成。图4主变保护自动化系统图3.5IEC-61850通讯接口如图3所示，拜耳变电站自动化通讯接口包括两个部分：分别向拜耳监控中心以及上海市东区调上传信息。站控层光交换机RSG2100通过一对专用光口，实现与拜耳主控中心的通讯，上传所有遥信遥测量，并实现遥控功能。设置一台西门子公司6MD9100作为通讯服务器，负责与上海市东区调通信。通信采用IEC-101规约，通过音频线路向上海市东区调上传主要状态量。IEC-61850标准中参考吸收了IEC-101规约的相关部分，所以通过使用IEC-61850远动无缝通信系统，可以方便实现信息量上传，大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，提高了信息传输速度及可靠性，减少工程量、验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量人力和时间。3.6未来发展方向展望拜耳变电站IEC-61850标准应用的发展方向，可以从以下三方面综合考虑：a)过程层对于一次设备要求比较高，智能设备尚处于开发阶段，特别是在采样速度，传输可靠性等问题上还不成熟，所以目前尚未真正实现61850的三层理论。需要一次设备厂商积极参与配合61850标准的应用。b)部分保护还不支持61850协议，缺乏全站统一归约，没有实现所有保护设备的IEC-61850接入，特别是站内直流、故障录波、电度表等辅助设备，还未能配置支持IEC-61850标准的接口。全站接入是IEC-61850未来应用的一个突破口。c)基于可靠性的需要，还未完全实现各个保护单元之间传递重要信息量。如备自投保护所需电压量、开关量等，还需要通过电缆传输。随着网络技术日益成熟，可以考虑在今后的改造中，分批、分层次的传递重要参数，这将大大节省电缆的铺设，提高设备的抗干扰能力，为全站IEC-61850标准的实现做一定尝试。4总结本文对于IEC61850特点、建模原理以及拜耳变电站自动化系统进行了介绍。IEC-61850标准在互操作性以及可扩展性方面的优势非常明显，大大简化了工程设计、调试及维护流程，方便了系统的集成与拓展，作为新一代通用标准，未来将得到广泛的应用。参考文献1黑龙江电力调度中心变电所自动化实用技术及应用指南M中国电力出版社2004年9第一版2ISO/IEC9506.IndustrialAutomationSystemsManufacturingMessageSpecification.19903IEC61850-1(CD).CommunicationNetworksandSystemsinSubstations.Part1:BasicPrinciple,20014任雁铭，秦立军，杨奇逊IEC-61850通信协议体系介绍和分析J电力系统自动化2000第10期-