基于IEC61850标准的变电站自动化系统分析

基于IEC61850标准的变电站自动化系统分析

卢旭盛1于文强2

（1、内蒙古工业大学内蒙古呼和浩特010051；2、中电建建筑集团有限公司北京100120）

摘要：IEC61850标准是国际电工组织标准，它就充分结合了智能电网系统发展技术相关指标要求，与此同时也引入了目前最为现今的智能数字化建模理论、数据信息资源处理共享技术与网络通信技术，可完全满足变电站自动化系统发展技术要求。本文主要介绍了IEC61850的标准技术结构内容与主要特征，并基于IEC61850标准建设变电站内通信系统框架相关模型，重点分析它的软硬件平台功能模块应用。

关键词：IEC61850标准；变电站自动化系统；技术结构；框架模型；IED平台

变电站自动系统拥有控制、监视与保护三大功能，它们结合变电站自动化系统维护实现系统组态、通信管理与软件管理等多项分支功能。而在变电站自动化系统技术优化过程中，则基于多功能智能电子设备IED（IntelligentElectronicDevice）组成自动化系统，结合站内通信网络实施多元化信息共享内容，结合信号光缆减少为系统结构减负，提高系统的经济性要求，并同时改善它的可靠性基本性能。为了满足上述要求，需要引入IEC标准，它可充分考量变电站自动化系统的所有功能要求，结合操作性基础制定相对完善的变电站内通信网络，并与综合系统网络通信标准体系形成互动，即要融入本文所要论述的主题——IEC61850标准。

一、关于IEC61850标准

（一）基本概述

IEC61850标准是上世纪90年美国和欧洲所共同提出的技术协议标准，它的出现是为了规避传统中IEC和IEEE两个标准出现冲突，而是希望两标准能够共同协调发展。例如IEC就以UCA2.0数据模型作为服务基础，结合UCA研究结果将标准内容纳入到IEC标准中，并建立目前世界范围内的统一标准即IEC61850。从概念上讲，该标准就采用了分层分布式体系，主要面向对象建模技术对数据对象进行自描述，保证自描述过程拥有极高可能性，然后再基于不同厂商的IED来实现互操作与系统无缝集成过程。

（二）基本结构

IEC61850标准从结构构成层面来讲就涵盖了4个方面：

首先是功能建模结构，它从目前的变电站自动化通信系统中结合通信性能要求出发，全面定义变电站的自动化系统功能模型。

其次是数据建模结构，它所采用的是“面向对象”方法，围绕客户机、服务器结构数据模型进行建模定义，保证数据建模结构的基本功能内容。

第三是通信协议，它就定义了数据访问机制，满足通信服务优化，面向通信协议栈映射在变电站层与间隔层之间构建网络抽象通信服务接口，并将所传输信息数据内容传映射到IEC61850的MMS接口上，保证间隔层与过程层之间形成网络映射，提出基于串行单相的单点对多点或多点对多点综合传输网络，亦或是映射出IEEE802.3新标准。因此通信协议也是所有数据建模标准的建设过程总线。

最后，变电站为了保证自身自动化系统工程测试功能一致性，就专门定义了XML结构化语言，并对变电站中的自动化系统拓扑结构进行分析，提出IED结构化数据。为了验证该系统的操作性能，还要结合IEC61850标准进行标准的一致性测试。

（三）IEC61850标准在变电站自动化系统中的基本结构

IEC61850标准是存在于变电站自动化系统中的，它的系统结构沿用了传统的变电站综合自动化系统结构，它其中就包括了多层次结构，例如过程层、间隔层以及变电站层，基于这些层次功能基本可实现对变电站层的多层结构监控，满足继电保护相关要求。举例来说，它的过程层就包含了整个变电站系统中的基础结构单元，例如监控终端、各种智能电气设备、执行单元和传感单元等等；而间隔层就代表了过程层的通信单点对多点对象服务过程，它通过以太网来满足数据信息采集传输过程，基于变电站层与间隔层的相互映射来规范通信接口映射过程，制造相对应的MMS报文规范，在结合传输控制及网络协议TCP/IP组成以太光纤网，最终形成IEC61850标准的智能变电站自动化系统结构，如图1[1]。

图1基于IEC61850标准的智能变电站系统技术结构示意图

如图1，IEC61850标准背景下的智能变电站系统结构主要通过传感器单元与执行单元来完成对信息数据的采样过程、对控制命令的发送执行过程，另外还包括对智能IED电子设备的数据测量、控制、保护、故障以及数据记录等等功能，所以它应该成为整个智能变电站的系统核心，可有效满足远程集中控制要求，结合远程调控命令作出决策，促进变电站的生产管理优化[2]。

二、智能变电站自动化系统框架模型的构建

智能变电站自动化系统框架模型的构建主要基于IEC61850标准展开，它主要强调面向对象的建模过程，同时主要针对客户机以及服务器结构应用来实施数据交换。以下就给出当前典型智能变电站的自动化通信系统框架建构模型，如图1。

图1基于IEC61850标准的智能变电站自动化通信系统框架模型

如图1可以看到基于IEC61850标准的智能变电站自动化通信系统框架模型是存在物理层、数链层、网络层和应用层四大层次的。首先看物理层和数据链路层，二者都选择了以太网进行通信系统搭建，而物理层和数据链路层则与快速以太网技术相融合，主要对变电站自动化应用进行带宽约束，淡化所产生的传输延时随机性问题。

其次是网络层和传输层，它们均选择了事实标准背景下的以太网协议结合站内IED高层接口实现数据传输，保证站内IED的所有数据Intenet化。从监控主站及远方调度中心结合广域网的相关协议来看，它就采用到了标准数据访问模式，它确保了站内IED始终具有良好的互操作性。

第三是应用层，它就选用了MMS报文规范作为核心应用层协议，直接与变电站控制系统形成通信联系，建立基于IEC61850协议的IED映射对象与服务模型，保证数据对象的读写过程与概念自定义过程满足相关技术操作要求。举个例子，MMS报文规范就可直接面向对象数据定义进行技术支持，结合数据自描述改变传统的数据描述方式，传输某些不受预先定义的限制性文件数据信息内容，以达到简化数据管理及相关维护工作的目的。可以见得，以太网通信标准与MMS在结合过程中就加入了IEC61850相关应用描述，结合变电站自动化系统来设计开放化系统，满足各个层次的系统技术要求。

三、智能变电站的多功能智能电子设备IED软硬件平台技术应用

通过本文论述可以了解到当前的智能变电站在IED软硬件平台中是融入了大量的IEC61850标准的融入就充分考量到了IED自身的固有功能，希望以此来满足智能变电站自动化系统的全盘技术内容丰富化。下文主要围绕IED平台的软硬件设计应用展开分析。

（一）IED平台的硬件技术设计应用

首先要充分考量IED平台自身所具备的各项功能，以此来适当融入IEC61850技术标准以实现IED硬件平台的可扩展性与可靠性优化技术要求。具体来说，IED的硬件平台设计所采用的的组态式模块，它的模块设计按照功能划分，可划分为模拟量输入及输出模块、开关量输入及输出模块、MMI人机接口模块、COM通信模块以及CPU主控模板模块，如图2。

图2IED的硬件结构平台模块化设计示意图

如图2，可以看到IED平台的硬件结构模块化数据通信过程相对简单，每一个模块都拥有一定的智能化业务处理能力，可满足对信号的输入与输出预处理过程，如此可有效为主控模块减负，保证数据处理专注、故障判断与任务调度灵活性。再者，就是对IED硬件平台进行有机扩展，添加客户所需要的模块，提高IED硬件平台运行的高安全可靠性。客观讲，对模块化的设计方法优化与更换可最大限度提高智能变电站的生产运维能力，当然也要针对该IED平台硬件结构进行定期的技术模块内容更新换代，比如说对其通信模块、信息处理模块以及网络通信模块的更新换代。从整体的IED平台硬件结构设计与应用方面来讲，它就希望直接通过IEC61850标准来实现模块化信息处理优化与网络通信畅通，保证通信模块都拥有较好的CPU配置，以为通信过程提速。

（二）IED平台的软件技术设计应用

IED平台的软件技术设计应用存在一定难度，例如它的变电站层监控功能设置、对IED间隔层的保护、对TCP/IP、MMS、XML等相关技术的设置都非常讲求高技术要求。比如说基于不同计算机保护的监控装置设置。该软件设置方面希望体现出IEC61850标准的优越属性，例如满足系统的操作性及可拓展性要求。在IED平台软件技术设计方面可采用面向对象的建模技术，首先对数据模型和设备模型进行定义，然后基于IED软件相关功能展开测量、保护与控制，最终构建逻辑节点模型，如图3。

图3IED软件平台中的电流速断保护逻辑节点设计示意图

结合上述IED平台的软硬件设计，还要研究IED的通信模块设计。因为IED模块本身具有较强的网络通信功能，所以可结合IEC61850标准构建网络通信系统框架，参考间隔层IED逻辑节点配置完成通信模块设置，保证TCP/IP协议处理任务简易化，提高通信模块的高实时性设计要求[3]。

总结

本文主要阐释了IEC61850这一技术软硬件信息化技术标准，希望结合该标准对当前的智能化变电站自动化系统进行信息分层和面向对象的数据统一建模优化，保证数据自描述与抽象通信服务映射概念全面优化。在本文中，也创建了变电站自动化通信系统框架模型，它也同样遵循了IEC61850技术标准，可满足IED软硬件系统所提出的相关技术标准，尤其是可对通信技术系统进行优化，这提高了整个智能变电站的自动化系统可操作性与可扩展性。

参考文献：

[1]宣科，栗大维，王立靖.基于IEC61850的配电自动化系统信息交互技术[J].电气自动化，2018（1）：26-29，73.

[2]栗大维，宣科，王立靖.主动配电网信息集成一致性测试方法[J].电气自动化，2017（6）：22-25.

[3]曹年红，林政润，王俊，等.基于FPGA支持IEC61850通讯标准的自定义MAC的实现[J].自动化与仪表，2017（10）：27-30.