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完整的数字化变电站自动化系统解决方案

——北京德威特力通系统控制技术有限公司 王君生 张培洪 徐昆江

2008-10-07 17:06:25  来源：2008年度电力自动化行业年鉴  浏览次数：344  

　　摘要：IEC61850协议体系标准实现是未来数字化电力自动化系统的发展方向，是数字化变电站系统实现的基础。本方案采用GE公司过程层设备与数字监控保护和北京德威特力通系统控制技术有限公司自主研发的监控、通讯软件系统，在110kV变电站进行了数字化应用。本项目产品必将在由传统自动化系统向数字化系统转化方面发挥巨大作用，同时适用于传统自动化系统改造项目，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础。
　　0概述
　　变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，近几年来，在电网改造与建设中大量的变电站采用了自动化技术实现无人值班，大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可靠性，降低了变电站建设的总造价。然而，在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍是不同厂家的智能设备（简称IED），甚至同一厂家不同型号的IED所采用的通信协议和用户界面的不同，因为需要额外的硬件（如规约转换器）和软件来实现IED互联，实现自动化系统的无缝集成和互操作造成一定的困难，这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和意义。因此，变电站自动化系统在实现功能之外，还应具备互操作性、开放式的系统联接、选择设备不依赖于生产厂家（支持IEC61850均可）、可以经济最优化选择可靠的设备、工程管理和运行管理成本最小化、有大容量和大范围的数据库等性能。这在以往系统分析和设计过程中通常是被忽视的。
　　国际IEC委员会在充分考虑上述变电站自动化系统的功能和要求，特别是互操作性要求的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信标准体系IEC61850标准。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了有效的途径。该标准的制定及其内容已超出变电站自动化系统的范围，将会扩展到其他工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制的国际标准。当前,国内外电力设备生产商都在围绕IEC61850开展研究和应用工作，并提出IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
　　数字化电力自动化系统是在过程层数据采样实现IEC61850-9-2的标准，使系统监控控制系统实现全数字化通讯过程。大大简化了工程成本，简化二次接线，提高了系统的可靠性。
　　本项目采用GE公司的过程和数字保护设备并融合北京德威特力通系统控制技术有限公司自主研发的IEC61850通信、监控软件系统，在某地区110KV变电站进行了应用。本项目必将在实现全数字化电力自动化及电站升级改造方面发挥巨大作用，对促进我国电力自动化系统的发展具有十分重要的意义，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础。
　　1系统介绍
　　本110kV变电站为搬迁新建站，有2条110kV进线，桥接母联，110kV采用GIS组合设备。10kV系统为标准单母线分段模式，共25条出线。本项目基于IEC61850通信体系对110kV变电站进行全数字化监控及保护综合自动化建设，实现保护信息和控制信息等的数字化通讯控制，使整个变电站的保护自动化系统提升到一个较高的水平，满足未来系统全信息化和升级方便的需求并适应未来若干年系统运行要求及电力系统信息化改造的要求，同时使系统易于扩展升级。
　　2系统配置
　　2.1系统结构
　　数字化变电站IEC61850自动化采用分层分布式系统。系统分为四层：站控层、网络层、间隔层、过程层。110kV、10kV就地监控保护设备直接以以太网星形组网，可靠性高，便于扩展（未来增加网络交换机就可以）。站控层设备以光纤双环网连接，系统配置多路冗余通讯接口的IEC61850网关设备，便于采集站内其他非IEC61850通讯接口设备(电表、直流屏等)，并能适应对外以各种不同通讯规约进行通讯连接。
　　2.2网络结构
　　变电站综合自动化110kV系统过程层配置如图1。

　　图1过程层通讯结构图
　　变电站综合自动化10kV系统配置如图2。

　　图2配电所通讯结构图
　　变电站综合自动化站控层配置如图3。

　　图3站控层通讯结构图
　　2.3站控层
　　站控层是专门针对计算机监控系统而设计的，它集实时监控（SCADA）、保护通讯与操作管理等功能一体化设计，全面面向电力系统，支持从软件支撑平台至应用层的开放，应用软件平台全面建立在开放的国际工业标准基础上，应用层的开放能适合于不同程度的拓展要求，为系统功能扩展和多厂家系统纵横互连提供了方便。
　　IEC61850网关由嵌入式工业计算机构成，IEC61850网关（远动工作站）采用工业级无风扇、全密封，上架式19”的1U结构。物理上具备4个独立以太网，6个带隔离的RS-232/422/485通讯接口，它具有丰富的通信规约库，几乎囊括了各种流行规约。兼顾通讯管理及规约转换职能。该综自系统功能齐全、可靠性高、结构紧凑、操作简单。监控软件可灵活运行于WINDOWS2000/XP等WINDOWSXPE操作系统，监控软件采用面向对象的VisualC++编程软件开发，结合电力综合自动化诸多的特点，是一个组态灵活、开放性的通讯转换与管理系统。
　　10kV所有IEC61850综合保护装置均直接集中组屏安装在监控柜上，设备通讯采用以太网连接。现场的直流装置、电度表等将采集的过程数据通过各自的私有通信协议传输到IEC61850网关软件模块系统中，服务器将信息转换成符合IEC61850标准的信息格式和通信服务，从而实现非IEC61850标准设备（系统）与后台主站之间的IEC61850标准通信功能。IEC61850通讯软件模块汇集IEC61850通信网所有信息，与站外调度（集控站）进行通讯连接。
　　2.4网络层
　　站控层网络为以太网，网络拓扑结构为星型，网络传输速率为10/100Mb/s，通讯介质为光纤。它负责站控层各个设备、系统之间和来自间隔层的全部数据的传输和各种访问请求。其网络协议符合国际标准先进的IEC61850，具有良好的开放性。站控层网络按双光纤以太网环网配置、规模满足工程远期要求。
　　间隔层网络采用冗余以太网接口，网络拓扑结构为星型，间隔层与站控层网络网络采用双环网通讯架构，网络协议符合国际标准先进的IEC61850（TCP/IP模式），通讯介质为光纤。
　　网络各级配备IEC61850网关设备对电站自动化系统中电度表、直流屏等微机接口设备，进行信息抽取和数据整合，实现电力信息的汇总、转换和管理。
　　2.5现场监控保护设备层（间隔层）
　　间隔层的主要IEDs（保护装置、测控装置、直流系统、电量计费系统）和站层之间的通信均应用IEC61850通信协议标准实现。采用光纤以太网通讯模式，信息在高速以太网上交换。系统对时采用全站SNTP网络统一对时方式，同时设置独立的GPS系统、支持IRGB对时模式。
　　在数字保护方面采用GE公司的数字UR系列保护装置，该系列保护具有嵌入式IEC61850通讯功能。本工程用了T35变压器监控保护装置、F35多馈线监控保护装置、B30母线监控保护装置、F650综合保护装置。值得一提的是1台F35多馈线监控保护装置可实现5条10（6）kV馈线保护功能，通过模块化配置可对五条馈线在物理上提供相对独立的保护监控单元功能，特别适用于终端电站和老站升级改造项目，具有极高的数字化系统改造性价比。
　　2.6过程层
　　变电站110kV过程层配置系列GE公司最先进的HardFiber设备，实现电站110kV系统全数字化采集过程（相关110kV保护配置数字模块即可）。最多可以节约50%的保护与控制方面的劳力成本。省去大量的铜电缆接线，对于电力系统保护与控制的设计、制造、调试与维护可以更有效地优化使用资源。牢固且简单的结构，配置IEC61850过程总线适应极端严酷环境的开关站接口，无需配备特殊的封闭外壳可作为UR系列保护装置产品的延展，广泛适用于发电、输电和配电系统。
　　HardFiberBrick过层设备最大特点：支持常规CT/VT就地接入，双源架构，可靠性高内部湿接点实现16路数字状态输入，6路高速固态继电器输出，带有多路用于RTD、电位器、DC电压或直流毫安输入的通道。通讯上完全符合并支持：IEC618509-2采样值、IEC618508-1GOOSE，100Base-BX双方向光纤以太网通道。安装上：适应严酷环境的户外型光纤电缆，对一次设备执行所有的测量和控制，适合于户外安装-IP66，-40℃至85℃，通过标准连接器进行的防差错的铜制和光纤电缆安装。
　　本项目过程层设备采用四台HardFiberBrick设备、一台连接箱，具体设备类型如下：配置IEC61850过程总线4CT/4VT输入Brick设备2台于110kV1段和2段PT，,每台设备含18DI/6DO，直接采集控制现场设备。配置IEC61850过程总线8CT输入Brick设备2台分别配置于110kV进线CT侧,每台设备含18DI/6DO，直接采集控制现场设备。系统共配置4台Brick装置可满足110kV监控保护的现场采集、控制需要。

　　图4110kV系统过程层设备配置原理
　　3系统软件功能
　　综合自动化软件系统由多个软件功能模块体系构成，可以进行配电系统的一次接线图的显示与操作、相关参数设置、遥控闭锁操作、报警、事件记录、分析曲线、棒图、实时与历史报表打印、智能报警、负荷分析、定值计算等功能，通讯管理系统软件可以实时采集站内各设备信息，并可同时向上一级自动化系统通过标准规约进行运行监测数据的传输。
　　3.1完整IEC61850功能体系
　　 IEC61850集成到整个Scada系统中，scada系统是一个标准的IEC61850客户端，IEC61850与Scada系统之间不需要任何的转换，从IEC61850服务端获得数据直接进入Scada系统。实现真正意义上的IEC61850Scada系统。该系统理论上可以连接无限个IEC61850服务器（受系统CPU和内存影响），标准配置是100个IEC61850服务器。
　　3.2电力信息的采集与处理
　　实现各类电气设备信息监控和四遥功能：提供开放的ActiveX控件接口，通过网络节点可以远程访问实时和历史数据；通过ODBC接口实现与关系数据库双向数据交换；符合工业自动化的标准通讯，能够以OPC标准和第三方软件进行数据交换；支持INTERNET/INTRANET直接访问，可以用IE浏览器作为一个瘦客户端软件来访问服务器的数据及监控画面。
　　3.3图形功能
　　可通过运行工况图显示变电站的地理位置图、一次接线图、电气主接线图、实时系统运行工况图、故障报警的详细记录、跳闸设定的曲线对比图、模拟指针表图等。
　　分析曲线对实时数据以曲线的方式进行显示，可以对实时电流、电压和能耗等进行显示，并可以灵活的进行设置。
　　3.4报表功能
　　通过报表工具可以制作实时数据报表和历史数据报表。报警记录功能可对系统模拟量的越限报警、开关跳闸报警进行记录；事件记录功能可记录系统发生的事件信息和操作信息，并且可以对各线路情况进行查询。
　　3.5打印功能
　　定时打印报表，包括运行日志、开关操作记录及事件顺序记录。
　　3.6安全权限管理
　　为保证系统的安全性，系统可根据各工作站的不同用途设置相应权限，系统提供基于用户权限的安全管理系统，可设置系统操作员、系统工程师、外部有关人员等多级的操作权限，每个用户都有自己加密的个人口令密码。
　　3.7软件系统开放性
　　数据库开放接口提供开放的ActiveX控件接口，通过网络节点可以远程访问实时和历史数据,ODBC接口实现与关系数据库双向数据交换,OPC架构符合工业自动化的标准通讯，能够以OPC标准和第三方软件进行数据交换。
　　3.8事件处理机制
　　系统含有完善的事件记录服务机制，任何对数据库的访问、通讯数据的事件传送、现场采集数据的变化报警、网络通讯状态等均产生相应的带时间戳的事件，并可被历史记录，用户可以访问和查询这些记录。特别对SOE事件，严格按电力系统的相关规定处理，事件的存储、分类、查询及读取十分方便。
　　4方案特点
　　4.1IEC61850保护配置特点
　　采用先进的过程层设备，实现数字化采样和数字化微机保护。作为典型110kV电站仅需3面屏就可完成，对未来110kV电站自动化系统的全数字化实现及电站自动化升级改造具有重要的参考价值。装置间GOOSE闭锁功能的实现使全站总体运行的安全性及可靠性提升到较高的水平。
　　4.2站内通讯系统的高兼容性、高可靠性和接口的多样化
　　作为无人值守自动化的要求，采用嵌入计算机、触摸屏完成各下游配电室就地监控、数据集中和信息远传功能。达到系统配置高可靠性和配置最优。计算机结构采用工业级无风扇、全密封，上架式19”的1U结构，嵌入式安装于主保护监控屏上。
　　通过IEC61850网络通讯交换机、后台监控主机、网络通讯管理机的通讯接入均可获取全站完整模型信息。整个系统具有良好的信息互联开放性。
　　4.3与站外通讯接口
　　该功能由安装于主保护监控屏上嵌入计算机采用丰富的通讯接口来完成，采用以太网方式，按指定通讯规约，将电站运行信息与远方信息系统互联通讯。
　　4.4本项目的实现在国内达到以下几个技术领域的创新成果：
　　第一个以完整数字化IEC61850-9-2实现的变电站过层应用项目
　　第一个110kV变电站实际实现站内GOOSE功能应用
　　5未来展望
　　随着电子式互感器及智能化开关设备技术的发展，使得一次设备与二次设备可通过光纤以太网交换信息。电子式互感器具有体积小、无铁芯、因此无饱和现象，且线性度好，可输出信号直接与IEC接口。智能开关除了具有开关设备的基本功能，还具有数字化接口、在线监视、智能控制等一系列的高智能化功能。未来变电站IEC61580的模式如图5所示。

　　图5未来IEC61850模式
　　6总结
　　IEC61850协议体系标准实现是未来电力自动化系统的发展方向，是数字化变电站系统实现的重要而基本的内容。国家电力公司已将IEC61850标准的推广和应用作为近年重大应用项目列入国家电力发展规划中。
　　数字化变电站应用中面临新老自动化系统交替、互联共存的现实问题，在电力自动化系统基于IEC61850通信标准化、通信协议转换方面进行研究和应用，能促进电力自动化的标准化发展，带来巨大的经济效益。缓解长期困扰电力自动化系统用户和设备制造商的系统设备联接和系统联网问题。将来能适应国际电力自动化系统通信技术的发展，及时提高电力自动化系统通信协议体系对“IEC61850标准”的适应性。“IEC61850标准”全面在我国电力行业推广实施会有一个过程，但它对推进变电站数字化的发展将产生重大而长远的影响。