刍议 IEC 61850 数字化变电站自动化系统

摘 要：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。IEC 61850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。

关键词：数字化变电站；IEC 61850 ；自动化系统；

1前言

通信系统是数字化变电站自动化系统的基础，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的适用性。为建立数字化变电站自动化系统站内通信网络的开放性、兼容性，一个最好的办法和途径，就是采用标准的通信协议以实现各装置间的无缝通信，最终实现变电站的数字一体化。

一、二次设备之间实现全数字化通信，变电站内智能装置的数量将急剧增加，因此全站智能装置必须采用统一的数据建模及数据通信平台才能实现互操作性。互操作性是实现变电站内无缝通信理念的重要保障机制，设备的互操作性可以最大限度地保护用户原来的软硬件投资，实现不同厂家产品集成。

IEC 61850是目前为止最为完善的变电站自动化的通信标准，它按照自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护等功能，提供了完整的信息模型及相关服务，为不同厂商实现互操作和系统无缝集成提供了途径，为数字化变电站的建立提供了基础。因此数字化变电站的通信系统应基于IEC 61850建立。本文将探讨基于IEC 61850的数字化变电站自动化系统。

2IEC 61850产生的背景及组成

2．1 IEC 61850产生的背景

在全球经济一体化的过程中，特别是通信技术的飞速发展、计算机技术的日新月异的前提下，IEC中主要以欧洲的如：ABB、SIEMENS、ALSTOM等为代表的制造者深感以前各个厂家自己所制定的通信协议都不能完全满足当前电力通信的发展了。而各大厂家在互连时所花费的人力和物力，也变得越来越大。为了将当前无序的通信协议规范化十分必要和紧迫。

IEC 61850主要是为了实现以下目标：

1)互操作性：来自同一厂家或不同厂家的智能装置之间交换信息，正确使用信息协同操作的能力。

2)功能自由分布：功能自由分布强调了变电站自动化系统中的自动化功能的可分布性，而不仅仅是自动化装置的分布，可实现跨越自动化装置边界的自动化功能之间的协调配合。

3)可扩充性：IEC 61850面向变电站自动化的所有应用，全面地支持信息扩充是标准应用适应性的重要体现。

4)长期稳定性：为了适应历史的、目前的和未来的通信技术，IEC 61850对通信服务采用了抽象定义的方法，即抽象通信服务，而将具体的通信协议应用特定通信服务映射加以规定，适应了通信技术的发展变化。

国际电工委员会TC57 制定了变电站通信网络和系统系列标准―IEC 61850，该标准是基于通信网络平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。IEC 61850通信协议是对站内设备的数据对象统一建模，采用面向对象技术和抽象通信服务接口，应用此协议可以实现变电站内的无缝通信。采用该标准将大大提高变电站自动化水平、提高变电站自动化系统安全稳定运行水平、实现完全的互操作性。

2．2 IEC 61850的组成

IEC 61850国际标准协议共分为 1O 个部分：

1)IEC 61850―1：变电站的通讯网络和系统一部分1：序论和总介，包括IEC 61850的介绍和概貌。

2)IEC 61850―2：变电站的通讯网络和系统一部分2：术语表。

3)IEC 61850―3：变电站的通讯网络和系统一部分3：综合要求，包括质量要求(可靠性、可维护性、系统可用性、轻便性、安全性)，环境条件，辅助服务，其他标准和规范。

4)IEC 61850―4：变电站的通讯网络和系统一部分4：系统和专案管理，包括工程要求(参数分类、工程工具、文件)，系统使用周期(产品版本、工程交接、工程交接后的支持)，质量保证(责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场验收)。

5)IEC 61850―5：变电站的通讯网络和系统一部分5：功能和设计模型的通讯要求，包括逻辑节点的途径，逻辑通信链路，通信信息片的概念，功能的定义。这部分使用面向对象技术对变电站自动化系统的功能、子功能进行了分类和定义，并引入了逻辑节点的概念这些对于分布式系统的设计及互操作性有重要作用。

6)IEC 61850―6：变电站的通讯网络和系统一部分6：变电站自动化系统结构语言，包括装置和系统属性的形式语言描述。

7)IEC 61850―7：变电站的通讯网络和系统一部分7：变电站基本通讯结构和馈线设备。

8)IEC 61850―8：变电站的通讯网络和系统一部分8：特殊通讯服务映射SCSM―映射到MMS(ISO／IEC9506)，即变电站和间隔层内以及变电站层和间隔层之间通信映射。

9)IEC 61850―9：变电站的通讯网络和系统一部分9：特殊通讯服务映射SCSM一连续单向多路点和节点，即间隔层和过程层之间通信的映射。

10)IEC 61850―1O：变电站的通讯网络和系统一部分10：一致性测试。

3 IEC 61 850的特点

3．1分层

IEC 61850除了将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之外，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。从应用方面来看，服务器包含通信网络和I／O。由IEC 61850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。从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连。每个IED(Intelligent Electrical Device)既可扮演服务器角色也可扮演客户的角色。

3．2采用与网络独立的抽象通信服务接口(ACSI)

由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间要求不同，在变电站的过程内可能采用不同类型的网络。IEC 61850采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映射(SCSM)就可适应不同的网络。

3．3面向对象、面向应用开放的自我描述

与IEC60870―5系列标准采用面向点的数据描述方法不同，IEC 61850标准对于信息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事先对数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反映现场设备的状态。协议一旦确立之后，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。随着技术的发展、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， “面向点”的数据描述方法已不大适应新的要求，因而使新功能的应用受到限制。

面向对象的数据自我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。采用面向对象自我描述的方法后，传输到调度控制中心的数据都带说明，马上可建立数据库，使得现场验收的验证工作大为简化，数据库的维护工作量也大为减少。

3．4电力系统的配置管理

IEC 61850提供了直接访问现场设备的协议，对各个制造厂的设备用同一种方法进行访问。这种方法可以用于重构配置，很容易获得新加入设备的名称并用于管理设备属性。

3．5数据对象统一建模

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。IEC61850有一个任务就是从SCADA数据库到过程的对象统一建模，和INIEC61970的数据模型协调一致。

特别地，实现设备间的互操作性是制定IEC61850标准的重要驱动力。为保证互操作性，必须开展智能设备的一致性测试。用IEC 61850―10的一致性测试方法，可测试智能设备是否符IEC 61850标准，保证与其他符合IEC 61850标准智能设备的互操作性，可以大大减少现场的通信联调工作量，并且更换或新增设备时基本不需改变原有设备和系统。可以说数字化变电站采用通过IEC 61850一致性测试的智能设备，是解决互操作性问题的捷径。互操作性所依赖的信息语义具备如下特征：

①针对应用领域的确定性；②不影响互操作性前提下的可扩充性；③信息语义的自由分解和组合；④信息语义的可性，并能够得到一致性检查。

反映到 IEC 61850的建模思想上就是结构化模型，IEC 61850在利用抽象通信服务(ACSI)和特定通信服务映射(SCSM)提供的通信语法、通信语义的基础上，更主要的是依靠结构化模型为互操作性提供保障。

4数字化变电站的接口模型

4．1接口模型

IEC 61850按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三大功能，从逻辑上将系统分为3层，即变电站层、间隔／单元层、过程层，并定义了3层间的10种逻辑接口，如图l所示

过程层通过接口4和接口5与间隔层通信，主要完成开关量I／O、模拟量的采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能，该层的物理设备主要是远方I／O、智能传感器和传动机构。

间隔层的功能是主要利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过接口4和接口5与过程层通信，通过逻辑接口3完成间隔层内部的通信功能，该层的物理设备主要包括每个间隔的控制、保护或监视设备。

变电站的功能分为两类：一是与过程层相关的功能，主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次设备发生作用的功能。如母线保护或全站范围的联锁等，间隔层之间通过接口8完成通信；二是与接口相关的变电站层功能，主要是指变电站自动化系统与本地运行人员的人机界面接口 HMI 与远方控制中心的接口 TCI 以及与远方监视和维护工程师站的接口 TMI，主要通过接口1、6、7完成通信功能，该层的物理设备主要包括带有数据库的变电站计算机、运行人员的操作平台、远方通信接口等。通过逻辑接口9完成变电站层内部的通信功能。

IEC 61850的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同，在现有系统中过程层的功能都是在间隔层设备中实现的，因此就没有独立的接口4和接口5。但是随着智能电流、电压互感器的使用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能放到过程层中去，这也说明IEC 61850是一个适应未来的开放的标准。

4．2现有产品的差距

目前产品多以物理装置为单位提供通信服务，并没有IEC 61 850逻辑概念的服务器，以及依赖于服务器的逻辑通信点的概念，以至不具备逻辑上的多路通信，也不存在严格的模型层次和结构，使得信息语义的交换缺乏应有的模型支持。另外产品缺乏规范的运行机制等等。

在目前产品中存在的与IEC 61850的差距是导致产品无法实现互操作性的深层次原因。因此，以实现互操作为目标，依照IEC 61850对产品的改造也将是全面和深入的。

采用IEC 61850首先需要解决的问题是智能装置(保护、测控及其他自动化装置)如何公布自己的信息模型，以及自动化系统如何识别和建立系统的信息模型。

对于已经在现场大量使用的智能装置，最根本的任务是采用SCL语言对其信息结构进行重新描述，使其符合IEC 61 850的语义约定和结构，再根据ACSI映射法则实现对特定通信协议的映射，也就在最小程度上支持了IEC 61850。

5 结束语

综上所述：未来的电力网络系统需要新的信息架构支持，将监控、保护和就地自动化等前后台信息连接成为一个整体，以保证电力系统安全和高效地管理。IEC 61850系列标准为开放式数字化变电站自动化系统平台的建立提供了通信依据。

通信系统是数字化变电站自动化的基础，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的适用性。为建立数字化变电站自动化系统站内通信网络的开发性、兼容性、一个最好的办法和途径，就是采用标准的通信协议以实现各装置间的无缝通信，最终实现变电站的数字一体化。