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配自之:【配电自动化】任雁铭:IEC61850与配电自动化系统

电力猫1个月前 (05-23)配电自动化

首先介绍了与配电自动化系统相关的IEC 61850 的最新进展,包括可再生能源、一次设备状态监测、智能用电等;然后讨论了在配电自动化系统中应用IEC 61850 的益处,包括数据模型、通信服务和已有经验的继承等;最后分析了在配电自动化系统应用IEC 61850 需要解决的问题,包括体系架构、终端设备的即插即用、与控制中心信息的交换与模型的转换、系统集成过程和一致性测试等。


为解决变电站自动化系统(SAS)中不同厂家智能电子设备(IED)之间无法互操作的问题,IEC TC57 用了10年时间(1995 年~ 2004 年),制定了IEC 61850 标准。IEC 61850 标准最早于2004 年发布,标准名称为《变电站通信网络和系统》,被称为IEC 61850 Ed1.0。在IEC 61850 Ed1.0 制定过程中,IEC TC57 总结了国际上变电站自动化系统近20 年的产品开发与应用经验,吸收了最新的IT 技术成果,采用了面向对象建模、上层通信服务独立于底层通信协议等大量通用性技术。这使得IEC 61850 具备了良好的通用性,可以较方便地扩展应用到变电站自动化系统之外的领域。

自2004 年IEC 61850 Ed1.0 发布后,IEC TC57 WG10 就开始 IEC 61850 Ed2.0 的制定工作。IEC 61850 Ed2.0 在IEC 61850ED1.0 的基础上,突破IEC 61850 Ed1.0 的变电站自动化应用领域,面向智能电网考虑问题。IEC 61850 Ed2.0 的名称也改为《电力系统通信网络和系统》。现在IEC 61850 标准已经形成了一个丰富的体系,相关文件以国际标准(IS)和技术报告(TR)形式发布。

这些文件对智能电网的建设将发挥重要作用。配电自动化系统是智能电网的重要组成部分,已从传统配电网发展为主动配电网,涉及可再生能源与微电网的接入、智能用电、储能、配电一次设备的状态监测等内容。配电自动化系统在物理上具有点多面广的特点,通信方式灵活多样。配电自动化系统还需要与变电站自动化系统、电网控制中心等智能电网其他部分交互。这些特点使得配电自动化系统的网络与系统变得非常复杂,需要从智能电网的整体进行选择和规划。由于IEC 61850Ed2.0 考虑了智能电网的应用需求,所以在配电自动化中应用IEC 61850 可以比较方便得满足上述要求。本文对IEC 61850 与配电自动化系统相关的最新进展进行介绍,并分析了在配电自动化系统应用IEC 61850 可以获得的益处以及需要解决的问题。

IEC 61850 的最新发展

针对智能电网,IEC TC57 提出的解决方案架构是在电网控制中心使用IEC 61970/IEC 61968,厂站端使用IEC 61850,通信安全使用IEC 62351。就不同应用领域的厂站端的需求,IECTC57 基于IEC 61850 制定了大量新文件,其框架如图1 所示。需要注意的是此图中未包括IEC 61400-25 等派生标准。

在IEC 61850 标准架构中,很多文件是通用的,适用于多个领域,例如IEC 61850-4 规定的系统和项目管理,IEC 61850-10规定的通信一致性测试等内容。这些通用文件一般经过5 年左右会修订一次。有些文件则是针对特定领域的,例如IEC 61850-7-410 是针对水电厂监控应用规定的逻辑节点,IEC 61850-7-420是针对分布式能源应用规定的逻辑节点。技术报告(TR)一般是针对特定应用领域或特定工程问题所给出的应用指南或对已有标准的补充和扩展,例如IEC 61850-90-3 是关于输变电一次设备状态监测与诊断领域应用IEC 61850 的指南。随着IEC 61850应用领域的不断扩展,IEC 61850 的技术报告数量会不断增加。

IEC TC57 WG10 与各标准化组织合作通过对已有国际标准的修订以及相关技术报告、技术规范的起草不断推进IEC 61850技术向前发展,逐步形成了一个大的技术体系,满足智能电网的应用需求。在上述体系中,与配电自动化系统相关的主要有如下文件。

可再生能源领域


IEC 61400-25:风电场监控

IEC TC57 WG10 与IEC TC88 合作制定了风电场监控系统国际标准IEC 61400-25。该标准以IEC 61850 为基础,针对风电应用的特殊性,增加了新的逻辑节点用于对风电场进行数据建模,底层通信协议除了映射到制造报文规范(MMS)外,新增了对WebService 等其他4 种协议的映射,并完善了通信一致性测试例。IEC 61400-25 使风电场监控系统有标准可依,实现了设备间的互操作,简化了系统集成。

IEC 61850-7-410:水电厂监控

IEC TC57 WG10 与IEC TC57 WG18 合作制定了水电厂监控标准IEC 61850-7-410。该标准继承了IEC 61850 技术体系,针对水电厂应用的特殊性,新增了逻辑节点用于数据建模。为在水电厂监控系统使用IEC 61850 铺平了道路。

IEC 61850-7-420:分布式能源监控

IEC 61850-7-420 针对分布式能源的监控需求,新增了一系列逻辑节点,涵盖分布式能源的管理、单元控制器、发电系统、电池监视、联网等应用。可支持热电联产(CHP)、光伏、储能等多种分布式能源的监控。

IEC 61850-90-7:分布式能源系统应用IEC 61850 技术指南

该技术报告用了近一半篇幅对光伏、储能等分布式能源系统进行了全面介绍,分析了基于逆变器的分布式能源系统的各种运行和控制模式。然后以运行模式和控制方式为需求,讨论了分布式能源系统的IEC 61850 建模问题。分析了紧急控制、电压- 无功控制、频率控制、电压管理等各业务类型的IEC 61850建模问题。每一项都给出了所使用的逻辑节点,并根据需要对IEC 61850-7-4 和IEC 61850-7-420 定义的逻辑节点进行了扩充和新增。IEC 61850-90-7 对如何在分布式能源中应用IEC 61850 技术给出了详细的指南,对于使用者具有重要参考价值。

设备领域


IEC 61850-90-3:输变电一次设备状态监测诊断与分析(CMD)

该技术报告规范了IEC 61850 与输变电一次设备状态监测诊断与分析领域的有关问题。该报告所涵盖的一次设备包括GIS、变压器、变压器有载分接开关(LTC)、地下电缆、输电线、辅助电源系统等。对于每一类设备,以案例图方式对需要进行CMD 的项目做了详细的描述与分析,然后给出这些项目的IEC61850 数据建模方案。这份技术报告对于在输变电一设备CMD领域应用IEC 61850 技术具有很强的指导意义。

IEC 61869:互感器

IEC TC57 WG10 与IEC TC38 合作起草互感器的最新标准IEC 61869,电子互感器的数字接口和工程配置将按照IEC 61850技术体系进行规范。IEC 61869 发布后将取代现有的互感器标准IEC 61400-7/-8。

智能用电领域

针对电动汽车的兴起,IEC TC57 WG10 正在起草两份技术报告IEC 61850-90-8 和IEC 61850-90-9。这两份技术报告分别针对电动汽车和储能系统中如何运用IEC 61850 技术进行了规范。

特定通信服务映射(SCSM)

特定通信服务映射(SCSM)IEC TC57 WG10 起草了技术报告IEC 61850-8-2,该文件规范了ACSI 与底层通信协议WebService 之间的映射。这种映射具有软件实现简单、主站资源消耗少、处理负担轻等优点,比较适合配电自动化系统等变电站外的应用场合。

配电自动化系统应用IEC 61850 指南

EC TC57 WG10 与WG17 正在合作制定配电自动化系统中IEC 61850 应用指南技术文件IEC 61850-90-6。该文件将对配电自动化系统中应用IEC 61850 所遇到的关键文件进行分析,并给出应用指导。


采用IEC 61850 的益处

信息模型

现代配电网已经进入主动配电网时代,其中包含了可再生能源及微电网的接入、电动汽车的充放电、配电网一次设备的状态监测与资产管理等诸多方面。此外,还要考虑与变电站自动化系统的配合等问题。

在配电自动化系统中采用IEC 61850 标准体系,可以继承IEC 61850 在可再生能源、微电网、输变电状态监测等领域已有的丰富信息模型,避免重新定义有关信息模型。可使配电自动化系统的信息方便、高效地与智能电网其他部分进行集成,避免形成信息孤岛。

通信服务

IEC 61850 标准定义了60 多种抽象通信服务接口(ACSI),这些服务可以直接满足变电站自动化系统的需求,也为配电自动化系统的应用提供了良好支持系统。为了适应底层通信技术快速发展与上层服务相对稳定的问题,IEC 61850 采用了上层通信服务(ACSI)与底层具体通信协议相分离的技术策略。在ACSI不变的情况下,针对不同的底层通信技术与协议,制定不同的特定通信服务映射(SCSM)。目前在变电站自动化系统中主要使用到MMS 的映射。IEC 61400-25 为风电场监控系统定义了5种映射, 除MMS 外, 将ACSI 映射到WebService、OPC、IEC61870-5-104 和DNP3.0。IEC 61850 完备的ACSI、丰富的底层协议映射及开放的通信服务架构为配电自动化系统提供了良好的通信服务支持。


已有检验的继承


从2004 年IEC 61850 Ed1.0 发布至今,IEC 61850 已经有近10 年的应用历史。在变电站自动化领域已经积累了大量工程应用经验,各设备供应商也积累了丰富的产品和系统研发经验,第三方检测机构亦积累了丰富的检测经验。因此,在配电自动化系统中应用IEC 61850 可以继承已有的宝贵经验。

采用IEC 61850 需要解决的问题


架构


IEC 61850 从网络通信及设备功能角度提出了变电站自动化系统三层设备的架构,即站控层设备、间隔层设备和过程层设备。而配电自动化系统还需要考虑微电网、可再生能源接入等问题,情况较变电站自动化系统复杂得多。不能照搬变电站系统的三层架构,需要根据配电自动化系统的实际情况,例如分布式智能控制需求,设计出合适的架构。目前,国内外都在开展这方面的工作。

终端设备即插即用

为简化配电自动化系统的工程实施与维护,配电自动化系统的终端设备需要支持即插即用。这就要求基于IEC 61850 的ACSI补充和丰富有关数据模型,设计出合理的应答与识别机制来支持终端设备即插即用。

与控制中心的信息交互与协调

电网控制中心的数据模型都是基于IEC 61970/IEC 61968 建立的,此外还要与生产管理等其他系统进行信息集成。终端设备基于IEC 61850 建立的模型,与控制中心的IEC 61970/IEC 61968模型之间需要转化与协调。

系统集成过程

变电站自动化系统的集成是基于SCL 语言的模型文件一次性完成。但配电自动化系统的集成往往是分多次进行的。因此,集成过程不能照搬变电站自动化系统的做法。此外,对IEC61850-6 所定义的SCL 文件内容也需要进行调整,使之满足配电自动化系统的需求。需要根据配电自动化系统工程配置特点,对IEC 61850-6 Ed2.0 所提出的集成过程进行调整。例如,变电站自动化系统的建设周期集中,建设完成时可以形成全站配置文件(SCD)。而配电自动化建设周期长,形成全系统的配置文件,需要很长的时间。因此,就有必要按照区域形成配置文件。IEC 61850-6 Ed2.0 所定义的文件格式与模板(Schema)都是变电站自动化系统特点的。这些文件格式与模板不能直接应用于配电自动化系统。

例如:IEC 61850-6 所定义的SSD 文件格式,用于描述变电站内的主接线,描述了电压等级、变压器连接关系、每个电压等级的间隔划分、每个间隔内IED 的配置等信息,并提供了模板。但这种内容与层次结构不适合配电自动化系统。有必要根据配电自动化系统的特点,重新定义SSD 的内容与模板。此外,SCD 文件是基于变电站的间隔进行信息组织,不适合配电自动化系统,需要调整与修改。

通信一致性测试

一致性测试是设备互操作的重要保证,IEC 61850-10 Ed2.0对一致性测试的环境搭建、测试案例等都进行了规定。这些内容原则上都可应用于配电自动化系统。针对配电自动化系统的特点,还要对有关内容进行补充与修订,例如新增模型的检测、新的即插即用通信模式的检测、SCL 文件格式的检测等。

结语

IEC 61850 经过近十年发展,应用领域早已突破了变电站自动化系统,现在已面向智能电网这个广阔的应用领域了。本文介绍和分析了IEC 61850 与配电自动化系统有关的最新进展,讨论了在配电自动化系统中应用IEC 61850 的益处以及需要进一步解决的有关问题。

作者简介

任雁铭,博士,教授级高级工程师,英国工程技术学会(IET)会士( Fellow), 特许工程师(CEng),IEC TC57 WG10 成员,CIGRE B5 成员,主要研究方向为变电站自动化系统、一次设备智能化技术、智能电网国际标准。

引文信息

任雁铭.IEC 61850 与配电自动化系统[J].供用电,2015,31(5):30-33.


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