基于1EC6]850标准的变电站自动化若干关键技术研究 133变电站遗留系统众多 如前所述，基于IEC61850的系统吸IED)与基于传统技术的原有系统E吸ED) 之间必然存在过渡期，实现过渡期新系统吸ED)与现有系统吸ED)之间的兼容 具有重要的意义。 目前国内外的常规变电站间隔层还有大量非IEC61850标准的ED设备，因 此，需要通过网关实现EC61850标准的转换，以实现接入变电站内部局域网 GO0SE信息传输机制的实现。这样，非EC61850的智能电子装置也可被接入数 字化变电站中。 如果采用专用的网关，则由于遗留ED型号众多，网关类型将很多，其开发、 维护、验证的工作量巨大。因此，设计一种通过配置文件将遗留协议（如103协 议)无缝地转化为IEC61850标准而具备通用性的网关具有重要的意义。 1.3.4变电站内信息孤岛林立 目前，变电站自动化技术及应用还不够规范，变电站的监视、控制、保护、 故障录波、量测与计量等虽然实现了微机化，但这些设备几乎都是功能单一的相 互独立的装置或系统-)。这种按功能划分的变电站自动化系统，硬件重复配置、 信息不共享、二次接线复杂、投资成本大。随着电力企业的应用需求的不断增加， 基于现有设计思想则变电站ED及应用系统数量仍将增多，信息孤岛林立，极大 地妨碍了信息的有效应用。 从技术视角上讲以往专业分工的基础已不复存在，专业的融合与信息的集成 必将成为一种技术发展的趋势161。以功能服务为承载、以构建信息模型为手 段、以规范数据通信为途径，这些内涵使得EC61850标准不再是简单的通信协 议，更多的是系统的自动化功能建模方法，它为变电站信息一体化建设提 供了标准。光纤技术及以太网技术为核心的电力系统数据网的发展提供了变电站 信息一体化联网与实现信息交互的物理条件2-13)。基于IEC61850标准提高变电 站自动化系统的经济性、可靠性、信息化水平是今后设计和技术开发应考虑的重 要目标。 13.5其它 变电站自动化系统中一次侧数字设备的设计生产尚未成熟：系统的结构、各 层之间以及间隔层内的功能配置受很多因素的影响，它随着管理体制的不同、发 展的程度不同、可靠性的要求不同而有所不同，功能配置呈多样化：EC61850 的很多标准定义还只是框架性的，对标准实践的具体思路、流程、方法以及可能 遇到的问题急需深入探讨：各间隔的同步采样、组网拓扑结构等尚未规范，这些 问题的存在标志着变电站自动化的研究任重道远。 6
基于IEC 61 850标准的变电站自动化若干关键技术研究 1．3．3变电站遗留系统众多 如前所述，基于IEC 61 850的系统趿IED)与基于传统技术的原有系统趿IED) 之间必然存在过渡期，实现过渡期新系统F圾IED)与现有系统E及IED)之间的兼容 具有重要的意义。 目前国内外的常规变电站间隔层还有大量非IEC 61850标准的IED设备，因 此，需要通过网关实现IEC 61850标准的转换，以实现接入变电站内部局域网 GOOSE信息传输机制的实现。这样，非IEC 61850的智能电子装置也可被接入数 字化变电站中。 如果采用专用的网关，则由于遗留IED型号众多，网关类型将很多，其开发、 维护、验证的工作量巨大。因此，设计一种通过配置文件将遗留协议(如103协 议)无缝地转化为IEC 61850标准而具备通用性的网关具有重要的意义。 1．3．4变电站内信息孤岛林立 目前，变电站自动化技术及应用还不够规范，变电站的监视、控制、保护、 故障录波、量测与计量等虽然实现了微机化，但这些设备几乎都是功能单一的相 互独立的装置或系统【卜2】。这种按功能划分的变电站自动化系统，硬件重复配置、 信息不共享、二次接线复杂、投资成本大。随着电力企业的应用需求的不断增加， 基于现有设计思想则变电站IED及应用系统数量仍将增多，信息孤岛林立，极大 地妨碍了信息的有效应用。 从技术视角上讲以往专业分工的基础已不复存在，专业的融合与信息的集成 必将成为一种技术发展的趋势【106～09]。以功能服务为承载、以构建信息模型为手 段、以规范数据通信为途径，这些内涵使得IEC 61 850标准不再是简单的通信协 议，更多的是系统的自动化功能建模方法，它为变电站信息～体化建设【。m1111提 供了标准。光纤技术及以太网技术为核心的电力系统数据网的发展提供了变电站 信息一体化联网与实现信息交互的物理条件【¨2J13】。基-于IEC 61850标准提高变电 站自动化系统的经济性、可靠性、信息化水平是今后设计和技术开发应考虑的重 要目标。 1．3．5其它 变电站自动化系统中一次侧数字设备的设计生产尚未成熟；系统的结构i各 层之间以及间隔层内的功能配置受很多因素的影响，它随着管理体制的不同、发 展的程度不同、可靠性的要求不同而有所不同，功能配置呈多样化；IEC 61 850 的很多标准定义还只是框架性的，对标准实践的具体思路、流程、方法以及可能 遇到的问题急需深入探讨；各间隔的同步采样、组网拓扑结构等尚未规范，这些 问题的存在标志着变电站自动化的研究任重道远。 16
渐江大学博士学位论文 1)各间隔同步采样 母线保护是变电站自动化系统的重要组成部分，母线是一种跨多间隔的系 统，母线保护所需的量来自母线所连接的所有进出线。因此，各间隔同步采样是 实现母线保护的关键，·是分布式母线保护的一个重大难题判。 一个完善的分布式母线保护，其同步手段不能单一，以免因唯一的同步源丢 失而导致母线保护退出运行。因此，应该考虑二种以上的同步源，当一种同步源 丢失时能自动切换到另外的同步源。 2)组网拓扑结构及冗余 一直以来，变电站通信网络的应用及冗余缺乏标准用法和相关指标（如网络 切换时间)。数字化变电站的变电站层设备通常采用星型以太网，国外厂家主要 推荐光纤环网结构，国内厂家主要推荐单星型网结构。但是，单星型网结构无冗 余，可靠性差：网络线路断线或交换机设备故障将造成网络瘫痪。若采用具有冗 余功能的双星型网结构，则由于EC61850没有规定通信冗余的处理办法，各厂 家通常采用不同处理方式：一种方式是双网同时收发，由接收方判别选择读取数 据；另一种方式正常时单网工作，故障时切到备用网络。不同的方式导致了互联 的困难。 无论哪种方式都存在信息选择读取或切换通道的问题，各厂家必将有私有的 处理方法，从而影响了不同厂家设备互操作性。为了达到互操作性的工程验证， 国内外厂家的产品将同时在变电站运行，这将制约数字化变电站通信网络拓扑结 构的选型。因此，有必要研究、规范相关技术。 3)一次侧数字设备的设计生产尚未成熟 ·远方运行中心 ·调度制中心 站运行 支持单元 站控单元 R鸭图路h器 父换机 g98 测控帅见保护单尼！测挖单元保护帅元：侧拉单元保护单园 交换机 常规 合并 能 合并 断路器 五感器 :新路器 单元 断路墨」 单元 在常现 常规 互 互越搔 间隔A 间隔B 间隔C (方案1) (方案2) (方案3) 图1.6过程层对常规设备的各种接入方案 Fig.1.6 Typical connection scheme of process level 过程层常规设备主要指互感器和断路器设备，具体应用就是采取电子式互感 器技术和智能断路器技术，或智能断路器控制器技术。常规设备的接入方式主要 17
浙江大学博士学位论文 1)各间隔同步采样 母线保护是变电站自动化系统的重要组成部分，母线是一种跨多间隔的系 统，母线保护所需的量来自母线所连接的所有进出线。因此，各间隔同步采样是 实现母线保护的关键，。是分布式母线保护的一个重大难题【941。 一个完善的分布式母线保护，其同步手段不能单一，以免因唯一的同步源丢 失而导致母线保护退出运行。因此，应该考虑二种以上的同步源，当一种同步源 丢失时能自动切换到另外的同步源。 2)组网拓扑结构及冗余 一直以来，变电站通信网络的应用及冗余缺乏标准用法和相关指标(如网络 切换时间)。数字化变电站的变电站层设备通常采用星型以太网，国外厂家主要 推荐光纤环网结构，国内厂家主要推荐单星型网结构。但是，单星型网结构无冗 余，可靠性差；网络线路断线或交换机设备故障将造成网络瘫痪。若采用具有冗 余功能的双星型网结构，则由于IEC 61850没有规定通信冗余的处理办法，各厂 家通常采用不同处理方式：一种方式是双网同时收发，由接收方判别选择读取数 据；另一种方式正常时单网工作，故障时切到备用网络。不同的方式导致了互联 的困难。 无论哪种方式都存在信息选择读取或切换通道的问题，各厂家必将有私有的 处理方法，从而影响了不同厂家设备互操作性。为了达到互操作性的工程验证， 国内外厂家的产品将同时在变电站运行，这将制约数字化变电站通信网络拓扑结 构的选型。因此，有必要研究、规范相关技术。 3)一次侧数字设备的设计生产尚未成熟 ·调，；{：趁制【{j心 b 暖一刖淄 问隔A (方案I) 蕊 隧控茁，鸯艨护绎d 、 、 ／ 一 照婴换机 陬]f1灞] I匦路器j|墼度I 厂栅 }甄疆鼗l I 间隔B ‘ 闻隅C (方榘2) (方絮3) 图1．6过程层对常规设备的各种接入方案 Fig．1．6 Typical connection scheme ofprocess level 过程层常规设备主要指互感器和断路器设备，具体应用就是采取电子式互感 器技术和智能断路器技术，或智能断路器控制器技术。常规设备的接入方式主要 17 鞴
基于EC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 有三种基本模式：常规电磁式互感器和常规断路器：常规互感器和智能断路器（含 智能断路器控制器)：非常规互感器和常规断路器，见图1.6 综合以上分析，可以预见在相当长的时期内，EC61850标准的应用层次将 参差不齐，EC61850标准的全面实施将是一个较长的、循序渐进的过程24,29。 1.4论文过程所参加的工程项目 作者在攻读博士学位期间参与了“数字化变电站关键技术研究”（与华东电 网公司电力调度交易中心合作)、“电力综合数据交换模型（变电站部分）研究” (与上海市区供电公司合作)、“500kV变电站无人值班可行性研究”（与杭州市 电力局合作)、“高压设备状态监测系统”（与广东省高要市供电公司合作）等科 研工作。 1)数字化变电站关键技术研究 主要研究内容为：IEC61850标准体系学习、研究；数字化变电站的技术特 征和架构体系归纳：电子式互感器的特点及应用研究；数字化变电站网络通信系 统技术性能分析：变电站信息分类及流量控制分析：基于OPNET的通信网络仿 真研究：上海南桥变电站的工程实施情况总结、分析。 项目完成时间：2006年6月完成验收。 2)电力综合数据交换模型（变电站部分）研究及试点实施 主要研究内容为：变电站自动化信息化的现状：变电站信息化的关键支撑技 术：基于EC61850标准的变电站综合数据交换模型：基于EC61850标准的信息 模型的扩展；遗留系统及ED的接入；试点应用的实施方案设计。 项目完成时间：2008年7月。 3)500kV变电站无人值班可行性研究 主要研究内容为：变电站自动化系统的发展现状：无人值班的目的和意义； 500kV变电站无人值班的设计、改造方案及关键技术；对应管理模式变革以及综 合效益分析研究。 项目完成时间：2006年12月。 4)广东高要供电公司高压设备状态监测系统 针对8个110kV变电站各类高压设备，就地分布安装智能监测单元以实时监测 变电站高压设备的绝缘等状态参数，利用数据通信总线实现全站数字化通信，通 过站端管理单元控制和管理各类监测系统，在收集全景化的在线监测数据的同时 实现与远方管理系统的交互。管理系统可对设备的健康状况进行评价和分析，并 对有关数据进行融合，建立高压设备运行与检修管理数据中心；基于统-一的综合 数据交换平台，用户可结合其它生产和管理系统，提取相关设备的有效信息实现 对高压设备的状态远程实时在线监测和诊断，制定设备维护和状态检修策略：实
基于IEC 61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 有三种基本模式：常规电磁式互感器和常规断路器；常规互感器和智能断路器(含 智能断路器控制器)；非常规互感器和常规断路器，见图1．6。 综合以上分析，可以预见在相当长的时期内，IEC 61850标准的应用层次将 参差不齐，IEC 61 850标准的全面实施将是一个较长的、循序渐进的过程【24刎。 1．4论文过程所参加的工程项目 作者在攻读博士学位期间参与了“数字化变电站关键技术研究’’(与华东电 网公司电力调度交易中心合作)、“电力综合数据交换模型(变电站部分)研究" (与上海市区供电公司合作)、“500kV变电站无人值班可行性研究’’(与杭卅l市 电力局合作)、“高压设备状态监测系统"(与广东省高要市供电公司合作)等科 研工作。 1)数字化变电站关键技术研究 主要研究内容为：IEC 61850标准体系学习、研究；数字化变电站的技术特 征和架构体系归纳；电子式互感器的特点及应用研究；数字化变电站网络通信系 统技术性能分析；变电站信息分类及流量控制分析；基于OPNET的通信网络仿 真研究；上海南桥变电站的工程实施情况总结、分析。 项目完成时间：2006年6月完成验收。 2)电力综合数据交换模型(变电站部分)研究及试点实施 主要研究内容为：变电站自动化信息化的现状；变电站信息化的关键支撑技 术；基于IEC 61850标准的变电站综合数据交换模型；基于IEC 61850标准的信息 模型的扩展；遗留系统及IED的接入；试点应用的实施方案设计。 项目完成时间：2008年7月。 3)500kV变电站无人值班可行性研究 主要研究内容为：变电站自动化系统的发展现状；无人值班的目的和意义： 500kV变电站无人值班的设计、改造方案及关键技术；对应管理模式变革以及综 合效益分析研究。 项目完成时间：2006年12月。 4)广东高要供电公司高压设备状态监测系统 针对8个110kV变电站各类高压设备，就地分布安装智能监测单元以实时监测 变电站高压设备的绝缘等状态参数，利用数据通信总线实现全站数字化通信，通 过站端管理单元控制和管理各类监测系统，在收集全景化的在线监测数据的同时 实现与远方管理系统的交互。管理系统可对设备的健康状况进行评价和分析，并 对有关数据进行融合，建立高压设备运行与检修管理数据中心；基于统～的综合 数据交换平台，用户可结合其它生产和管理系统，提取相关设备的有效信息实现 对高压设备的状态远程实时在线监测和诊断，制定设备维护和状态检修策略；实
浙江大学博士学位论文 现变电站内智能装置按照IEC61850规范接入到站内综合数据平台。 项目完成时间：2007年10月。 1.5论文主要工作 1.5.1论文的主要创新点 1)提出了一种面向变电站整体功能、遵循EC61850标准的新型集中式ED 的设计方案，研究了硬件方案、软件结构及内部信息交换方式等关键技术。 2)设计了一种图形化编程技术的ED开发方法，它基于EC61850标准， 遵循EC61131-3编程标准，使ED不仅遵循EC61850标准，而且其功能开发 遵循编程标准，增加了产品开发的快捷性、可移植性，促进了产品互换性的实现。 设计了具体的正D软件方案，研究了图形化编程与ED数据存储区的参数关联 方法。 3)提出了一种新颖的协议映射方法元数据映射方法，基于该方法设计了 一种通过配置文件灵活配置间隔层遗留ED使之支持EC61850的通用网关，从 而实现EC61850通信网关的通用性。 4)提出了基于IEC61850标准的变电站信息一体化方案，新建变电站可采 用基于IEC61850标准的多功能集成ED方案，即基于一次对象对应一台（或多 台以冗余)多功能集成ED以实现原来多个应用系统对应的多台ED所完成的 功能：对当前遗留系统众多的变电站则增加基于EC61850标准统一建模的一体 化平台以接入不同应用系统及ED。设计了具体平台模型，对动态建模技术、异 构系统概念对象模型的协同、异构系统模型数据的适配等关键技术进行了分析研 究。 5)研究成果试点应用。在上海某110kV变电站进行了基于EC61850标准 的变电站信息一体化平台试点运行，其中包括了信息一体化平台方案设计、遗留 系统接入平台及控制中心应用软件界面设计等。 1.5.2论文的章节安排 EC61850标准的推广应用将极大地影响未来变电站自动化系统的技术发 展。由于电网的安全、稳定、经济运行很大程度上建立在以变电站自动化系统为 应用标志的二次控制系统基础上，研究和实践基于EC61850的变电站自动化和 ED相关技术具有现实和理论意义。 本文基于EC61850标准，从推广、应用EC61850标准的视角研究了集中 式ED、图形化编程技术研究、可灵活配置的IED通用网关、变电站信息一体化 方案等，具体如下： 第一章分析了.C61850标准的制定背景及国内外当前的应用现状、相关技 19
浙江大学博士学位论文 现变电站内智能装置按照IEC 61850规范接入到站内综合数据平台。 项目完成时间：2007年10月。 1．5论文主要工作 1．5．1论文的主要创新点 11提出了一种面向变电站整体功能j遵循IEC 61850标准的新型集中式IED 的设计方案，研究了硬件方案、软件结构及内部信息交换方式等关键技术。 2)设计了一种图形化编程技术的IED开发方法，它基于IEC 61850标准， 遵循IEC61131．3编程标准，使IED不仅遵循IEC 61850标准，而且其功能开发 遵循编程标准，增加了产品开发的快捷性、可移植性，促进了产品互换性的实现。 设计了具体的IED软件方案，研究了图形化编程与IED数据存储区的参数关联 方法。 3)提出了一种新颖的协议映射方法一元数据映射方法，基于该方法设计了 一种通过配置文件灵活配置间隔层遗留IED使之支持IEC 61850的通用网关，从 而实现IEC 61 850通信网关的通用性。 4)提出了基于IEC 61850标准的变电站信息一体化方案，新建变电站可采 用基于IEC 61850标准的多功能集成IED方案，即基于一次对象对应一台(或多 台以冗余)多功能集成IED以实现原来多个应用系统对应的多台IED所完成的 功能；对当前遗留系统众多的变电站则增加基于IEC 61850标准统一建模的一体 化平台以接入不同应用系统及IED。设计了具体平台模型，对动态建模技术、异 构系统概念对象模型的协同、异构系统模型数据的适配等关键技术进行了分析研 究。 5)研究成果试点应用。在上海某110kV变电站进行了基于IEC 61850标准 的变电站信息一体化平台试点运行，其中包括了信息一体化平台方案设计、遗留 系统接入平台及控制中心应用软件界面设计等。 1．5．2论文的章节安排 IEC 61850标准的推广应用将极大地影响未来变电站自动化系统的技术发 展。由于电网的安全、稳定、经济运行很大程度上建立在以变电站自动化系统为 应用标志的二次控制系统基础上，研究和实践基于IEC 61850的变电站自动化和 IED相关技术具有现实和理论意义。 本文基于IEC 61850标准，从推广、应用IEC 61850标准的视角研究了集中 式IED、图形化编程技术研究、可灵活配置的lED通用网关、变电站信息一体化 方案等，具体如下： 第一章分析了IEC 61 850标准的制定背景及国内外当前的应用现状、相关技 19
基于IEC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 术研究，研究了其推广实施过程中现有的主要技术障碍。在本章最后，介绍本文 的主要内容和章节安排。 第二章分析现有基于分层分布式变电站自动化思想的ED在支持EC61850 标准上的局限性，提出一种面向变电站整体功能的新型集中式ED的设计方案， 设计了硬件方案、软件结构，研究了内部信息交换方式等关键技术。 第三章设计了一种图形化编程技术的ED开发方法，它基于EC61850标准， 遵循EC61131-3编程标准，因此不仅具有常规图形化编程的优点，而且提升了 IED外在形态、内在形态的标准性。设计了具体ED软件方案及图形化编程与 ED数据存储区的参数关联方法，为提高产品编程开发的灵活性、标准性，实现 产品互换性提供了一种解决方案。 第四章提出一种新颖的协议映射方法-可扩展置标语言模式(XMLSchema) 元数据映射方法，基于该方法设计了一种通过配置文件使间隔层ED满足EC 61850标准的通用网关体系结构，该方法将遗留的不同协议与EC61850协议的 映射模型通过配置文件方式载入EC61850通用网关，从而实现EC61850通信 网关的通用性。详细说明了通用网关的具体功能实现步骤。 第五章基于IEC61850标准，提出了变电站信息一体化方案：新建变电站可 采用基于EC61850标准的多功能集成ED方案，即基于一次对象对应一台（或多 台以冗余)多功能集成IED以实现原来多个应用系统对应的多台IED所完成的功 能：对当前遗留系统众多的变电站则增加基于IEC61850标准统一建模的一体化 平台以接入不同应用系统及ED。设计了具体平台模型，对动态建模技术、异构 系统概念对象模型的协同、异构系统模型数据的适配等关键技术进行了研究。 第六章将本文的部分研究成果应用于实际工程。在上海某110kV变电站进行 了基于IEC61850标准的变电站信息一体化平台试点应用，重点分析了信息一体 化平台软硬件方案设计、详细建模步骤、遗留系统接入等。 第七章对全文做了总结，归纳了作者主要贡献，并展望了未来需进一步研究 的工作。 参考文献 [1] 曾庆禹。变电站自动化技术的未来发展（一）电力市场与协调型自动化.电力 系统自动化，2000,24(9少：1-5 [2] 曾庆禹.变电站自动化技术的未来发展（二）集成自动化寿命周期成本.电力 系统自动化，2000,24(10)：1-6 [3]Mohamed Rayees,A.B.S.Substation Automation Techniques and Future Trends Innovations in Information Technology,2007.4th International Conference on, 20
基于IEC 61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 术研究，研究了其推广实施过程中现有的主要技术障碍。在本章最后，介绍本文 的主要内容和章节安排。 第二章分析现有基于分层分布式变电站自动化思想的IED在支持IEC 61 850 标准上的局限性，提出一种面向变电站整体功能的新型集中式IED的设计方案， 设计了硬件方案、软件结构，研究了内部信息交换方式等关键技术。 第三章设计了一种图形化编程技术的IED开发方法，它基于IEC 61 850标准， 遵循IEC61131．3编程标准，因此不仅具有常规图形化编程的优点，而且提升了 lED外在形态、内在形态的标准性。设计了具体IED软件方案及图形化编程与 IED数据存储区的参数关联方法，为提高产品编程开发的灵活性、标准性，实现 产品互换性提供了一种解决方案。 第四章提出一种新颖的协议映射方法一可扩展置标语言模式(XMLSchema) 元数据映射方法，基于该方法设计了一种通过配置文件使间隔层IED满足IEC 61850标准的通用网关体系结构，该方法将遗留的不同协议与／EC 61850协议的 映射模型通过配置文件方式载入IEC 61 850通用网关，从而实现IEC 61 850通信 网关的通用性。详细说明了通用网关的具体功能实现步骤。 第五章基于IEC 61850标准，提出了变电站信息一体化方案：新建变电站可 采用基于IEC 61850标准的多功能集成IED方案，即基于一次对象对应L台(或多 台以冗余)多功能集成IED以实现原来多个应用系统对应的多台IED所完成的功 能；对当前遗留系统众多的变电站则增加基于IEC 61850标准统一建模的一体化 平台以接入不同应用系统及lED。设计了具体平台模型，对动态建模技术、异构 系统概念对象模型的协同、异构系统模型数据的适配等关键技术进行了研究。 第六章将本文的部分研究成果应用于实际工程。在上海某1 10kV变电站进行 了基于IEC 61850标准的变电站信息一体化平台试点应用，重点分析了信息一体 化平台软硬件方案设计、详细建模步骤、遗留系统接入等。 第七章对全文做了总结，归纳了作者主要贡献，并展望了未来需进一步研究 的工作。 参考文献 【1】 曾庆禹．变电站自动化技术的未来发展(一)电力市场与协调型自动化．电力 系统自动化，2000，24(9)：1．5 【2】 曾庆禹．变电站自动化技术的未来发展(二)集成自动化寿命周期成本．电力 系统自动化，2000，24(10)：1．6 f3】 Mohamed Rayees，A．B．S．Substation Automation Techniques and Future Trends． Innovations in Information Technology，2007．4th International Conference on