基于IEC61850數(shù)字化變電站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)研究

李乃飚

（廣西電網(wǎng)公司桂林供電局 廣西 541002）

0 引言

基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)化電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)傳輸技術(shù)極大提高了數(shù)據(jù)從變電站端到調(diào)度主站端的傳輸速度和穩(wěn)定性，因此電力系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化已成為遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。在目前工程建設(shè)中，投入的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議大多為IEC60870-5-104，然而由于104規(guī)約并沒有對變電站內(nèi)部各種設(shè)備對象進(jìn)行統(tǒng)一地描述，使得各個(gè)設(shè)備廠商按照各自的理解進(jìn)行基于104協(xié)議的設(shè)備生產(chǎn)工作，不同廠家設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸困難，互操作性差。因此一種采用面向?qū)ο蠓椒ê徒y(tǒng)一建模語言的變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)呼之欲出。目前在國內(nèi)外新變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)備受矚目，它提出變電站三層結(jié)構(gòu)模型，電子式電流、電壓互感器的實(shí)用化和智能開關(guān)的改進(jìn)，使得變電站內(nèi)部設(shè)備之間的并行電纜連接將被基于過程總線(process bus)通信[d]方式的以太網(wǎng)絡(luò)所替代，并借助基于可擴(kuò)展標(biāo)示語言(extensible markup language, XML)的變電站配置描述語言(substation configuration description language, SCDL)和制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing massage specification, MMS)等技術(shù)，解決了異構(gòu)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換、裝置描述和底層通信技術(shù)發(fā)展等問題，這也是傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約所無法解決的。因此本文提出基于IEC61850的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下調(diào)度主站、變電站子站和IED之間信息的交互。

1 基于IEC61850電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)

相對于傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)通信方式，交換式以太網(wǎng)具有的端口全雙工通信、支持虛擬局域網(wǎng)和報(bào)文優(yōu)先設(shè)置等技術(shù)，因此以太網(wǎng)交換機(jī)為遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備。本文采用IEC61850作為變電站各層設(shè)備之間、從變電站到調(diào)度控制中心的統(tǒng)一通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種基于IEC61850的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)。

此通信結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為以下幾點(diǎn)：

（1）通過統(tǒng)一的規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，在變電站子站側(cè)省去了二次設(shè)備規(guī)約轉(zhuǎn)換器裝置，變電站各層設(shè)備信息傳輸不再受廠家和規(guī)約類型的限制，提高了規(guī)約傳輸效率。

（2）以網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)妮d體，避免了傳統(tǒng)意義上的模擬和數(shù)字通道傳輸方式，節(jié)省了調(diào)制解調(diào)器、通信PCM光端機(jī)和載波機(jī)的投入運(yùn)行，降低了變電站設(shè)計(jì)成本。數(shù)據(jù)通過專用的交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，增強(qiáng)了通道的抗干擾能力。

（3）通過以太網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度控制中心和變電站信息交換，使得主站的前置系統(tǒng)終端服務(wù)器(Terminal Service, TS)端口不再連接模擬和數(shù)字通道板，而是更換成面向?qū)ο蟮慕粨Q機(jī)，使得調(diào)度主站組網(wǎng)方式更加靈活可靠，提高了信息交換效率。

但是，此通信結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)一步改進(jìn)：

（1）信息安全防護(hù)。在數(shù)字化變電站發(fā)展過程中必須要考慮二次安全防護(hù)問題。因此，采取必要的二次安全防護(hù)手段是今后IEC61850網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)。通過網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)，可以提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力，網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)方案可以分為鏈路冗余和設(shè)備冗余兩方面。

（3）目前現(xiàn)有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)讓那個(gè)然使用非IEC 6 1 8 5 0的各種傳統(tǒng)IED和規(guī)約，今后較長時(shí)間內(nèi)將是IEC61850和非IEC61850共存的過渡時(shí)期。如何解決兩者共存的問題將是現(xiàn)階段變電站數(shù)字化發(fā)展的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

2 基于IEC61850的二次安全防護(hù)設(shè)計(jì)

IEC61850規(guī)約本身的開放性導(dǎo)致了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全問題，在滿足遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)信息傳輸穩(wěn)定性和高效性的同時(shí)，應(yīng)保證二次系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的安全性和保密性。文獻(xiàn)[e]中論述了IEC在制定的IEC61850基礎(chǔ)上，編制IEC62351安全標(biāo)準(zhǔn)。在IEC62351標(biāo)準(zhǔn)中，定義了TLS(Transport Layer Security)、MMS和IEC61850的安全標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)階段數(shù)字化變電站技術(shù)發(fā)展過程中，二次安全防護(hù)措施不僅需要結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行特征，還應(yīng)制定與之對應(yīng)的安全策略。目前二次安全防護(hù)設(shè)備主要包括隔離和加密裝置、防火墻和網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證裝置等，在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中采取“橫向隔離，縱向加密”的原則。本文以220kV變電站為例，提出一種基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的二次安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

如圖1所示，根據(jù)調(diào)度主站和變電站相應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、功能和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將其分為三大安全區(qū)域：I區(qū)實(shí)時(shí)控制區(qū)、II區(qū)非控制生產(chǎn)區(qū)和管理信息區(qū)。在IEC61850網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)物理隔離。并通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)等技術(shù)手段，在專網(wǎng)上形成多個(gè)具有邏輯隔離的子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證調(diào)度中心和變電站之間的數(shù)據(jù)傳輸僅在同一安全區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，同時(shí)避免了安全等級不相同的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間信息的直接互聯(lián)。其總體安全防護(hù)策略為：

圖1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的二次安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案

安全分區(qū)：根據(jù)系統(tǒng)中業(yè)務(wù)的安全性進(jìn)行分區(qū)，并在互聯(lián)過程中確保所有業(yè)務(wù)都必須運(yùn)行在所屬安全區(qū)域內(nèi)。

縱向加密：在同一分區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)，上下級之間的子網(wǎng)通過加密認(rèn)證、訪問控制等技術(shù)進(jìn)行信息加密，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方傳輸過程中的安全防護(hù)。

橫向隔離：在不同分區(qū)之間的網(wǎng)絡(luò)，通過不同強(qiáng)度的安全隔離設(shè)備使得各區(qū)系統(tǒng)得到一定的安全保護(hù)。

由于IEC61850體系是基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源共享，因此針對網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究至關(guān)重要。通過二次安全防護(hù)系統(tǒng)，能夠有效的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，可以抵御黑客、病毒和惡意代碼等通過其他形式對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)起的惡意破壞，防止由此導(dǎo)致二次系統(tǒng)癱瘓的事故。

3 基于IEC61850遠(yuǎn)動(dòng)通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

隨著基于IEC61850的數(shù)字化變電站技術(shù)的逐步推進(jìn)，但是目前絕大部分變電站自動(dòng)化系統(tǒng)依然使用非IEC61850的規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)IED，將現(xiàn)階段的變電站IED和規(guī)約替換成IEC61850代價(jià)太大。本文借鑒國內(nèi)外工程師的經(jīng)驗(yàn)，通過引入網(wǎng)關(guān)機(jī)制，提出一種基于IEC6850的遠(yuǎn)動(dòng)模型。

圖2 基于IEC61850的遠(yuǎn)動(dòng)模型

在圖2中，變電站內(nèi)IEC61850 IED的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)直接和調(diào)度控制中心主站前置設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對于非IEC61850的傳統(tǒng)設(shè)備單元?jiǎng)t通過遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匯總，再經(jīng)過IEC61850/MMS網(wǎng)關(guān)對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的數(shù)據(jù)規(guī)約則為滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約。而在調(diào)度控制中心主站的前置系統(tǒng)則作為IEC61850客戶端和變電站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，SCADA系統(tǒng)將按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造。因此，整個(gè)遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)都在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)框架下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

IEC61850/MMS網(wǎng)關(guān)是傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化變電站改造的核心，它將完成傳統(tǒng)的二次設(shè)備所使用的規(guī)約向IEC61850/MMS通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的工作。從遠(yuǎn)動(dòng)管理機(jī)或者其他IED傳送的各種類型規(guī)約報(bào)文，通過協(xié)議驅(qū)動(dòng)器所提供的串口通信、TCP網(wǎng)口等通訊接口進(jìn)入IEC61850/MMS網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使上送的規(guī)約完全轉(zhuǎn)換成IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約。之后由數(shù)據(jù)集中器將各種報(bào)文收集，并上送IEC61850實(shí)時(shí)庫建立數(shù)據(jù)模型，最后經(jīng)過IED配置工具，完成數(shù)據(jù)定義工作，生成可以和不同廠家設(shè)計(jì)的IED進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的配置IED描述文件。

按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，它自身定義的邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性來描述變電站內(nèi)部設(shè)備信息，并建立數(shù)據(jù)模型。因此本文以一個(gè)220kV變電站的一條220kV線路和110kV出線為例，將線路上的互感器、斷路器等一次設(shè)備作為遠(yuǎn)動(dòng)邏輯節(jié)點(diǎn)，通過邏輯節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性建立數(shù)據(jù)模型。

4 結(jié)論

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)向遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展將是未來數(shù)字化變電站無縫通信系統(tǒng)發(fā)展方向，本文在基于IEC61850數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上，對遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的研究和發(fā)展做出了深入的研究并進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

(1)以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過過程總線通信方式設(shè)計(jì)一種電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)同心結(jié)構(gòu)。

(2)基于IEC61850遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的二次安全網(wǎng)絡(luò)防護(hù)體系，以220kV數(shù)字化變電站為例，論述了調(diào)度控制中心與數(shù)字化變電站之間通信的二次安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)針對過程總線通信組網(wǎng)方式，提出了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)安全和可靠性的冗余手段，結(jié)合功能冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余，提高了數(shù)字化變電站IED的可靠性。

(4)針對基于IEC 6 1 8 5 0電力遠(yuǎn)動(dòng)通信的需要，論述IEC61850網(wǎng)關(guān)模型和內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)關(guān)接入方案，解決了從傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)到IEC61850遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)過渡的問題，有一定參考價(jià)值。

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