摘要：本文简析IEC6185O标准产生原因，主要阐述了IEC61850主要特点及其在变电站自动化系统的应用，分析了基于IEC61850变电站自动化系统和基于IEC61850数字化变电站，并将其对比展现数字化变电站优越性，并简析其网络构架及其设计方案,随着IEC61850标准的逐步应用，数字化变电站是未来发展的必然趋势。
关键字：IEC61850；自动化系统；数字化变电站; 网络
A simple analysis of application of Substation automation system based on IEC6185O standards
Meng Qing Tao,Ma Xiong , Chen Dan
(Protection and Automation Department of Wuzhong Power Supply Bureau,Wuzhong 751100，China)
Abstract: This causes Analysis IEC61850 standards, mainly on the main features of IEC61850 substation automation system and its application of IEC61850 based substation automation systems, Analysis substation automation systems based on IEC61850 and digital substation based on IEC61850, and the contrast to show the superiority of digital substation and its Analysis network architecture and design，With the gradual application of IEC61850 standard, digital substation is the inevitable trend of the future popularity.
Keywords: IEC61850; automation systems; digital substation; network
0 引言
变电站自动化系统是由基于微电子技术的智能电子装置IED(Intelligent ELectronity Conevice)和后台控制系统所组成的分层分布式控制系统，包括监控、保护、电能质量自动控制等多个子系统。目前变电站自动化系统大都采用分层分布式结构，但随着技术的进步和运行水平的提高，这种分层分布式变电站自动化系统仍然存在一些不足:
其一，设备互联性差，用于变电站的监视、控制、保护等智能电子设备(IED)多是有不同厂家生产的，其设备之间相互并不兼容，为实现不同设备之间的互连通信，必须采用大量昂贵的规约转换装置，增加了系统复杂性，降低了系统的性能，而特定的通信规约转换装置只能对特定的通信规约进行转换，同时工程改扩建、设备选型等受到很大约束，对于变电站自动化系统长期维护和运行是一个巨大的障碍。
其二，通信规约的局限性，规约是变电站自动化系统构建网络的纽带，目前变电站自动化系统中广泛采用了IEC 60870 系列规约，该规约通信和应用是一体的，应用牵制于具体的网络类型和通信协议，缺乏开放性。由于科学技术的飞速发展，设备技术升级更新很快，生产厂商对各自传统IEC60870-103等通信规约信息定义层次较低，原有系统的软硬件继承性不足，制约了新技术、新装置的进一步应用。另一方面，现有通信规约能传输的信息的完整性、可靠性和实时性有限，不能满足变电站自动化系统越来越高的应用需求。
其三，变电站自动化系统类型众多，主要的生产厂家有南瑞继保，南瑞科技、国电南自，河南许继，北京四方等公司。其设备及用户界面等实现方式差异巨大，很难实现统一标准，使得技术管理、日常维护变得困难。尤其是“调空一体化工程”的实施，需要采集大量信息供调度员监视，使得原有的远动装置和采集装置不能满足现在的需求，为减少设备重复投资，提高电力系统运行和管理效率，需要对变电站各种信息的对象进行统一建模，实现信和息资源的共享。
其四，系统的一次设备与二次设备接口复杂，由于微电子技术的发展，继电保护、测量、控制、计量设备实现了微机化，但断路器、隔离刀闸没有实现智能化，电压和电流互感器没有实现数字化，二次接线复杂的问题依然存在。端子箱至保护小室之间存在大量的二次电缆来传输电压、电流等模拟量、断路器和隔离刀闸等状态量。
问题表明，现有的规约标准已经不能满足变电站自动化系统的要求，为了适应变电站通信网络和系统的发展，IEC TC 57 工作组制定了IEC 61850 系列标准，IEC61850标准提供了变电站自动化系统功能建模、数据建模、通信协议、通信系统的项目管理和一致性检测等一系列标准。IEC6185O标准的发布和符合其标准的设备的推出，使不同制造厂生产的设备能够工作在同一个网络上或者通信通路上共享信息和命令，为变电站建设尤其是数字化变电站建设提供了坚实的基础。
1 IEC61850系列标准
IEC61850系列标准的全称是变电站通信网络和系统(communicationNetworks and systems in Substations)，它是目前关于变电站自动化系统及其通信的最完整的国际标准，规范了变电站内智能电子设备(IED)之间的通信行为和相关的系统要求。IEC61850系列标准吸收了多种国际最先进的新技术，并且大量引用了目前正在使用的多个领域内的其它国际标准作为61850系列标准的一部分。所以它是一个十分庞大的标准体系，而不仅仅是一个通信协议标准它采用面向对象的建模技术，面向未来通讯的可扩展架构，来实现“一个世界，一种技术，一个标准”的目标。目前，IEC6185O标准共有10个部份己经全部通过为国际标准。
2 IEC61850系列标准主要特点
2. 1信息分层
IEC61850将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之,每个物理装置又由服务器和应用组成,将服务器分为逻辑装置、逻辑节点、数据对象、数据属性,物理装置内包含服务器和应用。从应用方面来看,服务器包含通信网络和I/O。从IEC61850来看,服务器包含逻辑装置,逻辑装置包含逻辑节点,逻辑节点包含数据对象、数据属性。IEC61850提供了服务器目录、逻辑节点目录和读数据定义等各种服务。从通信的角度来看,服务器通过子网和站网相连,每1个IED既可扮演服务器角色也可扮演客户这种分层。ACSI服务有服务器模型、逻辑装置模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型,建立起完整的分层数据库模型。通过GetData Definition服务中的参数分别读取全部数据对象属性定义、一个数据对象属性定义或受请求功能约束的全部数据对象属性。这样提供了直接访问现场设备,对各个制造厂的设备都用同一种方法进行访问。这种方法可以用于重构配置,很容易获得新加入的设备的名称和用于管理设备的属性。
图1 IEC61850对象模型的层次结构
如果变电站至调度中心的网络通信协议采用以IEC61850为基础的IEC61850+,因为其体系和分层是一样的二者之间不存在协议转换的问题。但从系统网络和控制中心的角度来看,应增加变电站这一层次。
2. 2面向变电站对象的统一建模
IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机和服务器结构的通信数据模型，每个物理设备由服务器组成，服务器包含逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性，物理设备内包含服务器和应用。从应用方面来看服务器包含通信网络和输人/输出接口(I/0)。从建模层次上分，服务器包含逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性;从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连、每一个IED既可扮演服务器角色、也可扮演客户的角色。
2. 3数据自描述
IEC61850对于信息均采用面向对象自我描述的方法，虽然传输时开销增加，由于网络技术的发展，传输速率提高，使得面向对象自我描述方式成为实现。目前变电站和调控中心所使用的传输信息的方法是一一对应的，信号传动时必须将每一个信息动作一次，以验证其正确性，这种技术是面向点的。由于新的技术的不断发展，新应用功能不断出现，需要传输新的信息，己经定义好的协议可能无法传输这些新的信息，使得新的功能的应用受到限制，采用面向对象自我描述方祛就可以适应这种形势发展的要求，不受预先约定的限制，什么样的信息都可以传输。传输到调度控制中心的数据都带说明，可以马上建立起数据库，使得现场验收的工作简化，数据库的维护工作量大大减少。
2.4使用抽象服务接口ACSI
IEC61850-7-2部分定义了抽象通信服务接口(ACSI)。ACSI定义了与实际所用的通信协议无关的应用，它定义了相关通信服务、通信对象及参数。ACSI提供如下6种服务模型:连接服务模型;变量访问服务模型;数据传输服务模型;设备控制服务模型;文件传输服务模型Z时钟同步服务模型。这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问。这些定义由各种各样的请求、响应及服务过程组成。服务过程描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应以及采取什么动作在什么时候以什么方式响应。ACSI定义的服务、对象和参数通过特殊通信服务映射(SCSM)映射到下层应用程序。
2.5互操作性
变电站所有设备的功能和数据按IEC6185O建模，采用映射到MMS(制造报文规范)的ACSI(抽象通信服务接口)、GOOSE(面向变电站事件的通用对象)、SV(采样值)、SNTP(时间同步)等通信协议实现各种通信功能。由于所有设备使用统一的功能模型、数据模型和通信协议，实现了不同制造厂设备间的可互操作性。
3 基于IEC61850变电站自动化系统
3.1自动化系统总体构架
在XX局所管辖的50座变电站中，基于IEC61850的变电站自动化系统由去年的一座330kV变电站发展到今年4座330kV变电站和一座110 kV变电站，该5座变电站属于非数字化变电站，综自分别采用北京四方CSC2000，南瑞继保PCS9700分层分布式变电站自动化系统，后台监控系统采用稳定性较好的Unix操作系统平台，其系统可分为二层:站控层和间隔层，间隔层从装置采集的信息通过IEC61850标准经网络传输到站控层。各单元测控装置相互独立，互不影响，功能上不依赖于站级监控层设备。站控层网络采用100M或更高速度的冗余配置以太网。站控层和间隔层测控装置的通信均采用符合 IEC61850标准的通信协议;间隔级网络的传输速率满足系统的实时性要求。网络拓补图如下：
图2XX变网络结构图
该站设有三级调度中心，远动装置采集的信息通过调度数据网系统分别与网调、中调、地调以网络104通信规约形式进行信息传递，主控室内设有两台监控工作站，在网络上地位相同，没有主备区别，数据库保持一致，在操作界面上有主备机制，一台工程师站为主要的维护系统。远动主备机互为备用，其一台停运并不影响信息传送，远动及后台分别独立的与站内间隔层保护测控等装置以符合 IEC61850标准的通信协议进行信息传送，主控室还配置两台工业级以太网光电交换机通过光纤介质与各个继电保护小室交换机通信。而各个继电保护小室分别配置多台工业级以太网交换机，全站采用双星型网结构。主控室交换机互为备用，当继电小室任意一台交换机发生故障后，网络通信链路将重建，连接在故障交换机上的间隔层设备将退出通信网络，其他间隔层设备的网络通信维持正常。主控室两台GPS卫星对时装置分别与各个继电保护小室GPS装置进行IRIG-B码对时。保护小室二次设备与一次设备之间通过传统的二次电缆建立通信。
3.2 IEC61850标准在电网应用的优越性
该站使用的IEC61850标准与目前IEC60870-5-103通信规约相比具有明显的优越性。
其一，IEC61850标准是继电保护装置、自动化设备、监控系统之间能够可靠、快速、准确通信的重要保障；是通用网络平台的变电站自动化系统的唯一国际标准,更具开放性和标准性。
其二，由于XX变电站有南瑞继保、国电南自、河南许继等多个厂家生产的设备，系统结构复杂，难于维护。IEC61850标准的应用，使该站通信介质统一、通信协议的统一，解决不同厂家装置通信难的问题，节省了通信规约转换装置，取消了前置等中间通信环节，减少运行、检修、维护工作量，降低了系统复杂性，减少了投资。
其三，IEC61850标准的使用，缩短调度端遥控命令下发时间和厂站端遥信、遥测上传时间，使变电站采集信息能够可靠、快速、实时、准确上传后台监控及其调度中心，尤其在遥测采集方面，IEC61850标准的使用可以使智能装置直接采集到变电站电压、电流等一次值，不需要进行数据码值转换等复杂操作，解决了以往调度端系数换算的复杂性，采集的遥测值可以直接上传后台及其调度中心，保证了数据的准确性。
其四，IEC61850标准在我省电网中的逐步使用，为我局电网发展数字化变电站奠定了良好的基础。
4 基于IEC61850数字化变电站系统
4.1总体要求
调控中心与站控层远动使用传统的网络104,专线101通信规约通讯方式，后台监控与间隔层IED装置(包括保护装置和测控装置)的通信均应用IEC61850通信协议标准;间隔层测控单元之间采用基于GOOSE快速报文机制的水平通信，实现间隔层全站联闭锁功能;间隔层保护装置之间采用基于GOOSE快速报文机制的水平通信，取消保护装置之间的屏间电缆;后台监控系统采用稳定性较好的Unix操作系统平台;自动化系统优先采用IRIG-B对时方式，同时预留简单网络对时方式(SNTP);各间隔层设备在交换机处采用单星型以太网构架，站级层主网采用单星形网构架;间隔层网络通信介质统一采用光纤，电缆层和屏位内部设置专用的光纤敷设通道;间隔层装置须配置GOOSE信息的存储功能;千兆以太网光电交换机。支持报文优先级机制和虚拟局域网技术;自动化系统中任一设备故障时，均不应影响整个系统的正常运行;装置中任一元件损坏时，装置不应误动作。
4.2总体构架及简易方案
以XX330kV变电站为模板，将其设计成基于IEC61850全数字化变电站，网络结构图如图3所示：
图3 XX变数字化站网络结构图
其简易方案与XX变综自站不同之处主要有三个方面优势：
其一，设计理念和通信介质不同，基于IEC61850数字化变电站的基本概念为变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。变电站中的二次回路设计中常规的继电器及其逻辑回路被可编程软件代替，常规的模拟信号被数字信号代替，常规的控制电缆被光缆代替，二次回路简单。其系统结构从物理上看:数字化变电站仍然是一次设备和二次设备(包括保护、测控、监控和通信设备)两个层面。由于一次设备的智能化，数字化变电站一次设备和二次设备之间的结合比现在更加紧密。从逻辑上看:数字化变电站的结构可以分为三层，即过程层、间隔层和变电站层。
其二，变电站内通信规约统一，从站控层到间隔层的通信统一采用IEC61850标准，智能设备之间具有良好的的互操作性，数字化变电站对一次设备进行统一建模，变电站站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信体系(IEC61850)可以避免协议转换,提供了通过网络交换数据的可能性，真正实现了信息资源共享，支持系统与运行系统协调工作。
其三，网络结构和通信机制不同，继电器小室的交换机与主控楼的交换机组成主干环网结构。间隔层测控设备与本小室的两台交换机组成单星型以太网结构。交换机主干环网具备网络自愈机制。当主控楼任意一台交换机发生故障后，网络通信链路将重建，间隔层与站级层的通信以及间隔层设备之间的通信不会中断。当主控楼两台交换机同时发生故障后，间隔层设备和站级层设备的通信将中断，间隔层设备之间的通信可以维持正常状态。HMI通信和GOOSE通信在同一星型网中实现。间隔层保护装置HMI通信和GOOSE通信严格独立，HMI通信接口接入继电器小室监控系统的单星型以太网，GOOSE通信接口单独组建双星型以太网。保护GOOSE通信组建独立的双星型以太网，与监控系统的通信网络严格物理隔离，两个网络体系互不影响。双星型以太网分配两个独立的IP地址网段，具备一定冗余度。保护装置在两个通信接口上同时发送或是接收GOOSE通信报文。任意一个lP地址网段出现故障，将不会中断保护装置的GOOSE通信，采用双网段的冗余配置可以增强保护GOOSE通信的可靠性。
由上可见数字化变电站建设的关键是实现能满足的通信网络和系统。IEC6185O标准包括变电站通信网络和系统的总体要求、功能建模、数据建模、通信协议、项目管理以及一致性检测等一系列标准。采用IEC61850标准建设通信网络和系统的数字化变电站，能够大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成,减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用,节约大量时间,增加了自动化系统使用期间的灵活性。将来会有越来越多的智能设备集成到电力系统的应用中去,实现无缝数据集成和共享信息。因此，基于IEC61850数字化变电站是未来发展必然趋势。
5 结束语
目前，在我省各个供电局新建变电站逐渐使用IEC61850标准，传统的串口103，网络103等通信规约已经不能满足目前变电站的需求，IEC61850标准在变电站系统中的使用是必然发展趋势。
本文以XX330kV变电站为例对变电站自动化系统进行分析，展现了IEC61850通信标准在变电站自动化系统的优越性。XX330kV变电站虽然应用了IEC61850标准，但其并非数字化变电站，因此，IEC61850标准的应用受到很大的限制，与其数字化变电站对比分析还存在许多不足之处。本文论述中将其设计成全数字化变电站，即是对该站进行的一项的整改措施，也是展现数字化变电站的优点及其发展的必然趋势，这样能更深层的理解了IEC61850标准以及数字化变电站系统，也为我局建立全数字化变电站奠定了良好的基础。
IEC61850标准是统一的变电站网络通信标准，有可能成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内以及配电自动化的无缝通信自动化标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。IEC61850标准的应用，推动了变电站自动化系统技术的发展，为我国电力系统稳健、持续的发展奠定坚实的基础，产生了巨大的效益。
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