[url]http://dq.shejis.com/dqlw/200810/article_71251.html[/url] 完整的數字化變電站自動化系統解決方案 ——北京德威特力通系統控制技術有限公司 王君生 張培洪 徐昆江 2008-10-07 17:06:25??來源：2008年度電力自動化行業年鑒??瀏覽次數：344??

• 　　摘要：IEC61850協議體系標準實現是未來數字化電力自動化系統的發展方向，是數字化變電站系統實現的基礎。本方案采用GE公司過程層設備與數字監控保護和北京德威特力通系統控制技術有限公司自主研發的監控、通訊軟件系統，在110kV變電站進行了數字化應用。本項目產品必將在由傳統自動化系統向數字化系統轉化方面發揮巨大作用，同時適用于傳統自動化系統改造項目，為未來全面實現數字化變電站系統奠定技術基礎。

　　摘要：IEC61850協議體系標準實現是未來數字化電力自動化系統的發展方向，是數字化變電站系統實現的基礎。本方案采用GE公司過程層設備與數字監控保護和北京德威特力通系統控制技術有限公司自主研發的監控、通訊軟件系統，在110kV變電站進行了數字化應用。本項目產品必將在由傳統自動化系統向數字化系統轉化方面發揮巨大作用，同時適用于傳統自動化系統改造項目，為未來全面實現數字化變電站系統奠定技術基礎。
　　0概述
　　變電站自動化技術經過十多年的發展已經達到一定的水平，近幾年來，在電網改造與建設中大量的變電站采用了自動化技術實現無人值班，大大提高了電網建設的現代化水平，增強了輸配電和電網調度的可靠性，降低了變電站建設的總造價。然而，在變電站自動化系統集成過程中面臨的最大障礙是不同廠家的智能設備（簡稱IED），甚至同一廠家不同型號的IED所采用的通信協議和用戶界面的不同，因為需要額外的硬件（如規約轉換器）和軟件來實現IED互聯，實現自動化系統的無縫集成和互操作造成一定的困難，這在很大程度上削弱了變電站實現自動化的優點和意義。因此，變電站自動化系統在實現功能之外，還應具備互操作性、開放式的系統聯接、選擇設備不依賴于生產廠家（支持IEC61850均可）、可以經濟最優化選擇可靠的設備、工程管理和運行管理成本最小化、有大容量和大范圍的數據庫等性能。這在以往系統分析和設計過程中通常是被忽視的。
　　國際IEC委員會在充分考慮上述變電站自動化系統的功能和要求，特別是互操作性要求的基礎上，制定了變電站內通信網絡與系統的通信標準體系IEC61850標準。它采用分層分布式體系、面向對象的建模技術，使得數據對象的自描述成為可能，為不同廠商的IED實現互操作和系統無縫集成提供了有效的途徑。該標準的制定及其內容已超出變電站自動化系統的范圍，將會擴展到其他工業控制領域，成為基于通用網絡通信平臺的工業控制的國際標準。當前,國內外電力設備生產商都在圍繞IEC61850開展研究和應用工作，并提出IEC61850的發展方向是實現“即插即用”，在工業控制通信上最終實現“一個世界、一種技術、一個標準”。
　　數字化電力自動化系統是在過程層數據采樣實現IEC61850-9-2的標準，使系統監控控制系統實現全數字化通訊過程。大大簡化了工程成本，簡化二次接線，提高了系統的可靠性。
　　本項目采用GE公司的過程和數字保護設備并融合北京德威特力通系統控制技術有限公司自主研發的IEC61850通信、監控軟件系統，在某地區110KV變電站進行了應用。本項目必將在實現全數字化電力自動化及電站升級改造方面發揮巨大作用，對促進我國電力自動化系統的發展具有十分重要的意義，為未來全面實現數字化變電站系統奠定技術基礎。
　　1系統介紹
　　本110kV變電站為搬遷新建站，有2條110kV進線，橋接母聯，110kV采用GIS組合設備。10kV系統為標準單母線分段模式，共25條出線。本項目基于IEC61850通信體系對110kV變電站進行全數字化監控及保護綜合自動化建設，實現保護信息和控制信息等的數字化通訊控制，使整個變電站的保護自動化系統提升到一個較高的水平，滿足未來系統全信息化和升級方便的需求并適應未來若干年系統運行要求及電力系統信息化改造的要求，同時使系統易于擴展升級。
　　2系統配置
　　2.1系統結構
　　數字化變電站IEC61850自動化采用分層分布式系統。系統分為四層：站控層、網絡層、間隔層、過程層。110kV、10kV就地監控保護設備直接以以太網星形組網，可靠性高，便于擴展（未來增加網絡交換機就可以）。站控層設備以光纖雙環網連接，系統配置多路冗余通訊接口的IEC61850網關設備，便于采集站內其他非IEC61850通訊接口設備(電表、直流屏等)，并能適應對外以各種不同通訊規約進行通訊連接。
　　2.2網絡結構
　　變電站綜合自動化110kV系統過程層配置如圖1。
　　圖1過程層通訊結構圖
　　變電站綜合自動化10kV系統配置如圖2。
　　圖2配電所通訊結構圖
　　變電站綜合自動化站控層配置如圖3。
　　圖3站控層通訊結構圖
　　2.3站控層
　　站控層是專門針對計算機監控系統而設計的，它集實時監控（SCADA）、保護通訊與操作管理等功能一體化設計，全面面向電力系統，支持從軟件支撐平臺至應用層的開放，應用軟件平臺全面建立在開放的國際工業標準基礎上，應用層的開放能適合于不同程度的拓展要求，為系統功能擴展和多廠家系統縱橫互連提供了方便。
　　IEC61850網關由嵌入式工業計算機構成，IEC61850網關（遠動工作站）采用工業級無風扇、全密封，上架式19”的1U結構。物理上具備4個獨立以太網，6個帶隔離的RS-232/422/485通訊接口，它具有豐富的通信規約庫，幾乎囊括了各種流行規約。兼顧通訊管理及規約轉換職能。該綜自系統功能齊全、可靠性高、結構緊湊、操作簡單。監控軟件可靈活運行于WINDOWS2000/XP等WINDOWSXPE操作系統，監控軟件采用面向對象的VisualC++編程軟件開發，結合電力綜合自動化諸多的特點，是一個組態靈活、開放性的通訊轉換與管理系統。
　　10kV所有IEC61850綜合保護裝置均直接集中組屏安裝在監控柜上，設備通訊采用以太網連接。現場的直流裝置、電度表等將采集的過程數據通過各自的私有通信協議傳輸到IEC61850網關軟件模塊系統中，服務器將信息轉換成符合IEC61850標準的信息格式和通信服務，從而實現非IEC61850標準設備（系統）與后臺主站之間的IEC61850標準通信功能。IEC61850通訊軟件模塊匯集IEC61850通信網所有信息，與站外調度（集控站）進行通訊連接。
　　2.4網絡層
　　站控層網絡為以太網，網絡拓撲結構為星型，網絡傳輸速率為10/100Mb/s，通訊介質為光纖。它負責站控層各個設備、系統之間和來自間隔層的全部數據的傳輸和各種訪問請求。其網絡協議符合國際標準先進的IEC61850，具有良好的開放性。站控層網絡按雙光纖以太網環網配置、規模滿足工程遠期要求。
　　間隔層網絡采用冗余以太網接口，網絡拓撲結構為星型，間隔層與站控層網絡網絡采用雙環網通訊架構，網絡協議符合國際標準先進的IEC61850（TCP/IP模式），通訊介質為光纖。
　　網絡各級配備IEC61850網關設備對電站自動化系統中電度表、直流屏等微機接口設備，進行信息抽取和數據整合，實現電力信息的匯總、轉換和管理。
　　2.5現場監控保護設備層（間隔層）
　　間隔層的主要IEDs（保護裝置、測控裝置、直流系統、電量計費系統）和站層之間的通信均應用IEC61850通信協議標準實現。采用光纖以太網通訊模式，信息在高速以太網上交換。系統對時采用全站SNTP網絡統一對時方式，同時設置獨立的GPS系統、支持IRGB對時模式。
　　在數字保護方面采用GE公司的數字UR系列保護裝置，該系列保護具有嵌入式IEC61850通訊功能。本工程用了T35變壓器監控保護裝置、F35多饋線監控保護裝置、B30母線監控保護裝置、F650綜合保護裝置。值得一提的是1臺F35多饋線監控保護裝置可實現5條10（6）kV饋線保護功能，通過模塊化配置可對五條饋線在物理上提供相對獨立的保護監控單元功能，特別適用于終端電站和老站升級改造項目，具有極高的數字化系統改造性價比。
　　2.6過程層
　　變電站110kV過程層配置系列GE公司最先進的HardFiber設備，實現電站110kV系統全數字化采集過程（相關110kV保護配置數字模塊即可）。最多可以節約50%的保護與控制方面的勞力成本。省去大量的銅電纜接線，對于電力系統保護與控制的設計、制造、調試與維護可以更有效地優化使用資源。牢固且簡單的結構，配置IEC61850過程總線適應極端嚴酷環境的開關站接口，無需配備特殊的封閉外殼可作為UR系列保護裝置產品的延展，廣泛適用于發電、輸電和配電系統。
　　HardFiberBrick過層設備最大特點：支持常規CT/VT就地接入，雙源架構，可靠性高內部濕接點實現16路數字狀態輸入，6路高速固態繼電器輸出，帶有多路用于RTD、電位器、DC電壓或直流毫安輸入的通道。通訊上完全符合并支持：IEC618509-2采樣值、IEC618508-1GOOSE，100Base-BX雙方向光纖以太網通道。安裝上：適應嚴酷環境的戶外型光纖電纜，對一次設備執行所有的測量和控制，適合于戶外安裝-IP66，-40℃至85℃，通過標準連接器進行的防差錯的銅制和光纖電纜安裝。
　　本項目過程層設備采用四臺HardFiberBrick設備、一臺連接箱，具體設備類型如下：配置IEC61850過程總線4CT/4VT輸入Brick設備2臺于110kV1段和2段PT，,每臺設備含18DI/6DO，直接采集控制現場設備。配置IEC61850過程總線8CT輸入Brick設備2臺分別配置于110kV進線CT側,每臺設備含18DI/6DO，直接采集控制現場設備。系統共配置4臺Brick裝置可滿足110kV監控保護的現場采集、控制需要。
　　圖4110kV系統過程層設備配置原理
　　3系統軟件功能
　　綜合自動化軟件系統由多個軟件功能模塊體系構成，可以進行配電系統的一次接線圖的顯示與操作、相關參數設置、遙控閉鎖操作、報警、事件記錄、分析曲線、棒圖、實時與歷史報表打印、智能報警、負荷分析、定值計算等功能，通訊管理系統軟件可以實時采集站內各設備信息，并可同時向上一級自動化系統通過標準規約進行運行監測數據的傳輸。
　　3.1完整IEC61850功能體系
　　?IEC61850集成到整個Scada系統中，scada系統是一個標準的IEC61850客戶端，IEC61850與Scada系統之間不需要任何的轉換，從IEC61850服務端獲得數據直接進入Scada系統。實現真正意義上的IEC61850Scada系統。該系統理論上可以連接無限個IEC61850服務器（受系統CPU和內存影響），標準配置是100個IEC61850服務器。
　　3.2電力信息的采集與處理
　　實現各類電氣設備信息監控和四遙功能：提供開放的ActiveX控件接口，通過網絡節點可以遠程訪問實時和歷史數據；通過ODBC接口實現與關系數據庫雙向數據交換；符合工業自動化的標準通訊，能夠以OPC標準和第三方軟件進行數據交換；支持INTERNET/INTRANET直接訪問，可以用IE瀏覽器作為一個瘦客戶端軟件來訪問服務器的數據及監控畫面。
　　3.3圖形功能
　　可通過運行工況圖顯示變電站的地理位置圖、一次接線圖、電氣主接線圖、實時系統運行工況圖、故障報警的詳細記錄、跳閘設定的曲線對比圖、模擬指針表圖等。
　　分析曲線對實時數據以曲線的方式進行顯示，可以對實時電流、電壓和能耗等進行顯示，并可以靈活的進行設置。
　　3.4報表功能
　　通過報表工具可以制作實時數據報表和歷史數據報表。報警記錄功能可對系統模擬量的越限報警、開關跳閘報警進行記錄；事件記錄功能可記錄系統發生的事件信息和操作信息，并且可以對各線路情況進行查詢。
　　3.5打印功能
　　定時打印報表，包括運行日志、開關操作記錄及事件順序記錄。
　　3.6安全權限管理
　　為保證系統的安全性，系統可根據各工作站的不同用途設置相應權限，系統提供基于用戶權限的安全管理系統，可設置系統操作員、系統工程師、外部有關人員等多級的操作權限，每個用戶都有自己加密的個人口令密碼。
　　3.7軟件系統開放性
　　數據庫開放接口提供開放的ActiveX控件接口，通過網絡節點可以遠程訪問實時和歷史數據,ODBC接口實現與關系數據庫雙向數據交換,OPC架構符合工業自動化的標準通訊，能夠以OPC標準和第三方軟件進行數據交換。
　　3.8事件處理機制
　　系統含有完善的事件記錄服務機制，任何對數據庫的訪問、通訊數據的事件傳送、現場采集數據的變化報警、網絡通訊狀態等均產生相應的帶時間戳的事件，并可被歷史記錄，用戶可以訪問和查詢這些記錄。特別對SOE事件，嚴格按電力系統的相關規定處理，事件的存儲、分類、查詢及讀取十分方便。
　　4方案特點
　　4.1IEC61850保護配置特點
　　采用先進的過程層設備，實現數字化采樣和數字化微機保護。作為典型110kV電站僅需3面屏就可完成，對未來110kV電站自動化系統的全數字化實現及電站自動化升級改造具有重要的參考價值。裝置間GOOSE閉鎖功能的實現使全站總體運行的安全性及可靠性提升到較高的水平。
　　4.2站內通訊系統的高兼容性、高可靠性和接口的多樣化
　　作為無人值守自動化的要求，采用嵌入計算機、觸摸屏完成各下游配電室就地監控、數據集中和信息遠傳功能。達到系統配置高可靠性和配置最優。計算機結構采用工業級無風扇、全密封，上架式19”的1U結構，嵌入式安裝于主保護監控屏上。
　　通過IEC61850網絡通訊交換機、后臺監控主機、網絡通訊管理機的通訊接入均可獲取全站完整模型信息。整個系統具有良好的信息互聯開放性。
　　4.3與站外通訊接口
　　該功能由安裝于主保護監控屏上嵌入計算機采用豐富的通訊接口來完成，采用以太網方式，按指定通訊規約，將電站運行信息與遠方信息系統互聯通訊。
　　4.4本項目的實現在國內達到以下幾個技術領域的創新成果：
　　第一個以完整數字化IEC61850-9-2實現的變電站過層應用項目
　　第一個110kV變電站實際實現站內GOOSE功能應用
　　5未來展望
　　隨著電子式互感器及智能化開關設備技術的發展，使得一次設備與二次設備可通過光纖以太網交換信息。電子式互感器具有體積小、無鐵芯、因此無飽和現象，且線性度好，可輸出信號直接與IEC接口。智能開關除了具有開關設備的基本功能，還具有數字化接口、在線監視、智能控制等一系列的高智能化功能。未來變電站IEC61580的模式如圖5所示。
　　圖5未來IEC61850模式
　　6總結
　　IEC61850協議體系標準實現是未來電力自動化系統的發展方向，是數字化變電站系統實現的重要而基本的內容。國家電力公司已將IEC61850標準的推廣和應用作為近年重大應用項目列入國家電力發展規劃中。
　　數字化變電站應用中面臨新老自動化系統交替、互聯共存的現實問題，在電力自動化系統基于IEC61850通信標準化、通信協議轉換方面進行研究和應用，能促進電力自動化的標準化發展，帶來巨大的經濟效益。緩解長期困擾電力自動化系統用戶和設備制造商的系統設備聯接和系統聯網問題。將來能適應國際電力自動化系統通信技術的發展，及時提高電力自動化系統通信協議體系對“IEC61850標準”的適應性?！癐EC61850標準”全面在我國電力行業推廣實施會有一個過程，但它對推進變電站數字化的發展將產生重大而長遠的影響。

轉載于:https://blog.51cto.com/dxwang/136953

總結

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