基于IEC61850的智能變電站模型分析

邱明奇，李宗成

(重慶市電力公司永川供電局，重慶永川402160)

0 引言

在國際智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究中，歐洲、日本、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)集中了大量專家、有關(guān)單位和個(gè)人對智能電網(wǎng)互操作性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，旨在協(xié)調(diào)、建立一個(gè)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)互操作性的技術(shù)框架。國際電工委員會(IEC)制定了一系列核心標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEC61970，IEC61968，IEC61850 等核心標(biāo)準(zhǔn)。其中IEC61850是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)(SAS)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61970定義能量管理系統(tǒng)(EMS)應(yīng)用程序接口(APIs)，IEC61968促進(jìn)支持企業(yè)配電網(wǎng)管理的多種分布式軟件應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用間集成，即配電管理系統(tǒng)CIM和CIS定義，IEC61850是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)(SAS)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，IEC62357定義了電力系統(tǒng)控制和相關(guān)通信。

由于標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和制定的體系不同，在調(diào)度中心和變電站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，這種差異導(dǎo)致它們之間的信息不能及時(shí)充分地共享。因此，如何實(shí)現(xiàn)ITC61970和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的融合，實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心和變電站系統(tǒng)的信息共享，成為目前的難點(diǎn)問題。

本文首先提出智能變電站信息模型，再基于IEC61850核心標(biāo)準(zhǔn)分析智能變電站系統(tǒng)功能的分層和分解。在確定了CIM和IEC61850DE信息模型后，針對目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研究的難點(diǎn)問題，提出解決系統(tǒng)和應(yīng)用的互操作性及映射的方法。

1 智能變電站信息集成

變電站自動化系統(tǒng)(SAS)隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展成為可能。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用分層的智能電子設(shè)備(IED)和變電站自動化系統(tǒng)(SAS)對象建模技術(shù)、抽象通信服務(wù)接口(ACSI)、配置語言等，并制定包括面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)、通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)總體要求、系統(tǒng)和工程管理、一致性測試等標(biāo)準(zhǔn)。而目前采用IEC61850構(gòu)建的數(shù)字化變電站還屬于功能實(shí)現(xiàn)的初步階段，對符合IEC61850通信接口要求的智能設(shè)備等在穩(wěn)定性、可靠性、驗(yàn)證和認(rèn)證等多方面均存在諸多需要解決的問題。從智能變電站本身出發(fā)，圖1描述了智能變電站系統(tǒng)信息集成模型。

圖1 智能變電站信息模型

2 變電站自動化系統(tǒng)的分層

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)把SAS分成變電站層、間隔層、過程層。

過程層:主要是完成模擬量、開關(guān)量I/O的采樣以及控制命令的發(fā)送等有關(guān)一次設(shè)備的功能。間隔層:利用本間隔的數(shù)據(jù)對本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用。變電站層:1)有關(guān)過程的功能為利用各個(gè)間隔或者是全站的信息對很多個(gè)間隔或整個(gè)變電站的一次設(shè)備產(chǎn)生作用的功能;2)有關(guān)接口的功能為與工程師站、遠(yuǎn)方控制中心以及人機(jī)界面間的通信。

電力系統(tǒng)信息傳輸在滿足通信網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)先級的同時(shí)，必須滿足時(shí)間同步。

IEC61850根據(jù)此信息傳輸特點(diǎn)，提出使用抽象通信服務(wù)接口(ACSI)。ACSI與采用的網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，并且與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議相獨(dú)立。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)生產(chǎn)相當(dāng)復(fù)雜，其對信息傳輸響應(yīng)時(shí)間的要求各不相同，所以在變電站的過程內(nèi)，可能采用各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)。IEC61850采用ACSI就能夠很容易適應(yīng)這種變化，只需改變對應(yīng)的特定通信服務(wù)映射(SCSM)就解決了這個(gè)問題，如圖2所示。

圖2 應(yīng)用與通信分離

3 變電站自動化系統(tǒng)的功能分解

IEC61850對變電站自動化系統(tǒng)功能的描述并不是對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而是用于辨別技術(shù)服務(wù)和變電站之間、變電站內(nèi)智能電子設(shè)備(IED)之間的通信要求。為了支持功能自由分配提出的要求，實(shí)現(xiàn)互操作性的目的，IEC61850將功能適當(dāng)分解為相關(guān)通信部分，即邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)。LN是一個(gè)交換數(shù)據(jù)的最小功能部分。物理裝置內(nèi)的某項(xiàng)功能以及執(zhí)行這一功能的某些操作是由LN來代表。邏輯節(jié)點(diǎn)是一個(gè)由數(shù)據(jù)和方法定義的對象。LN間的數(shù)據(jù)交換通過邏輯連接LC實(shí)現(xiàn)，變電站自動化系統(tǒng)中的功能均被分解為LN，這些LN可駐留在一個(gè)或者是很多個(gè)物理裝置(PD)上，圖3所示為邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接。

如圖3所示，引入LN0邏輯節(jié)點(diǎn)來適應(yīng)一些通信數(shù)據(jù)只與PD本身有關(guān)卻不涉及任何一個(gè)功能，相當(dāng)于一個(gè)特殊的LN“裝置”。LN分配到功能(F)和PD。LN通過LC互聯(lián)，PD通過物理連接(PC)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。LN是PD的一部分，LC則是PC的一部分，專用物理裝置的邏輯節(jié)點(diǎn)“裝置”圖示為LN0。

圖3 邏輯節(jié)點(diǎn)與邏輯連接

每一個(gè)接收的LN需要檢查接收數(shù)據(jù)的完整性和有效性。由于在信息丟失或不完整情況下，不可能得到具有接收時(shí)效的數(shù)據(jù)，故檢查數(shù)據(jù)時(shí)效包括了信息丟失和不完整情況。發(fā)送LN意味著是原始數(shù)據(jù)源，它保持?jǐn)?shù)據(jù)的最新值。接收LN按照相關(guān)功能處理這些數(shù)據(jù)。對鏡像數(shù)據(jù)(過程、代理服務(wù)器等數(shù)據(jù)庫映像)情況，保存的鏡像數(shù)據(jù)應(yīng)滿足使用這些數(shù)據(jù)功能所需要的時(shí)效(有效程度)。如果數(shù)據(jù)受到破壞或丟失，接收LN不能按正常方式運(yùn)行，降級運(yùn)行方式是因?yàn)閿?shù)據(jù)受到破壞或丟失，導(dǎo)致接收LN不能按正常方式運(yùn)行而出現(xiàn)的，所以要嚴(yán)格規(guī)定LN的性能，這些性能是在正常和降級兩種工作方式下。在數(shù)據(jù)受到破壞或丟失的情況下，可通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)品質(zhì)屬性，或者標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)文的方法，把這樣的狀況通知給系統(tǒng)管理者和分布功能的其他LN，讓其采取必要的措施來應(yīng)對這種狀況，如果時(shí)間允許，可以請求數(shù)據(jù)重發(fā)。

4 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與CIM的互操作性

在確定了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對智能變電站信息模型后，可知數(shù)字化變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)模型和控制中心的調(diào)度自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型需要協(xié)調(diào)起來，才能完成信息共享。而智能電網(wǎng)的核心問題主要是以下兩點(diǎn):

(1)交換的數(shù)據(jù):所有電力應(yīng)用之間所交換的數(shù)據(jù)都必須擁有一致的語義，由統(tǒng)一的電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型來規(guī)范。

(2)數(shù)據(jù)如何交換:所有應(yīng)用都必須具有一套相互連接和數(shù)據(jù)交換的機(jī)制，由智能電網(wǎng)體系構(gòu)架和通用信息接口來規(guī)范。

智能變電站與智能輸電、智能用電及電廠電站控制系統(tǒng)的信息交換和共享需要解決這兩個(gè)核心問題。圍繞通用信息接口規(guī)范，幾個(gè)主要國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61970，IEC61968，IEC61850 均規(guī)定了相應(yīng)的接口，其中IEC61970標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的兩個(gè)主要內(nèi)容是公共信息模型(CIM)和組件接口規(guī)范(CIS)。

然而，這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)卻存在重疊和不相容部分，為了避免多重?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，2009年6月IEEE成立工作組，P2030和IEC TC57的WG19工作組也在著手協(xié)調(diào)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型(CIM-能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口)，這樣將數(shù)字化變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)模型和控制中心的調(diào)度自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型協(xié)調(diào)一致起來。而IEC61850標(biāo)準(zhǔn)已被公認(rèn)為新一代變電站綜合自動化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，主要采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，建立了變電站自動化系統(tǒng)比較完備的語義信息模型。表1是通過對幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分析得出的主要基本對比。

表1 CIM與IEC61850基本對比

圖4總結(jié)了IEC61850和CIM(IEC 61968/61970)模型對應(yīng)關(guān)系，然而，二者在通信服務(wù)接口上的類屬性、類功能、類定義上存在重疊和沖突。

圖4 CIM和IEC 61850模型對應(yīng)關(guān)系

目前，由XML編寫的適用WEB本體描述語言O(shè)WL是有效解決互操作性的途徑之一，如圖5所示。

圖5 OWL映射

OWL采用面向?qū)ο蟮姆绞絹砻枋鲱I(lǐng)域知識，通過類、屬性、個(gè)體、數(shù)據(jù)類型來描述對象，并通過公理來描述這類屬性的特征和關(guān)系。OWL映射可以在不改變原來模型的情況下，描述不同模型之間的差異性和共性，是一種有效的映射方式。

5 結(jié)束語

本文在分析IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前智能變電站的信息集成和變電站模型，給出了國內(nèi)外研究的模型互操作性難點(diǎn)問題的解決辦法。目前國內(nèi)已有一些智能變電站投入使用，并且運(yùn)行穩(wěn)定。這充分說明，智能變電站的可行性。但智能變電站存在的關(guān)鍵技術(shù)問題還需要國際國內(nèi)各個(gè)專業(yè)機(jī)構(gòu)的共同研究和解決。

［1］ EPRI.Harmonization of IEC 61970，61968，and 61850 models，EPRI Technical Report 1012393［R］.Palo Alto，CA，USA:EPRI，2006.

［2］ 黃欣，賀春.IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對電力系統(tǒng)工作的影響［J］.繼電器，2007，(13):53-56.

［3］ 殷志良，劉萬順，楊奇遜.基于IEC61850的通用變電站事件模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，(19):45-49.