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1、IEC61850在铝业整流变综合自动化系统中的应用1.前言随着国际电工委员会（IEC）第57委员会在2005年推出IEC61850变电站通信网络和系统标准最后一部分,即一致性测试标准的颁布实施，在变电站综合自动化领域迎来了一个基于通用网络平台的变电站自动化系统的唯一国际标准，它改变了目前变电站自动化系统相对封闭的结构，使电力系统变电站综合自动化系统有了一个开放性和标准性的系统。近年来，我国也制定和颁布了等同于IEC61850的DL/T860.X变电站通信网络和系统标准，并公布在2007年3月1日开始实施。随着国内这一新的变电站综合自动化标准的颁布实行，未来的变电站自动化系统采用基于IEC618
2、50标准的设备已成为必然趋势，目前正在使用的变电站自动化设备将会按照新标准升级或被替代。与以往采用串行通信标准（IEC60870-5-103，DNP 3.0，Modbus等 ）的变电站综合自动化系统相比，新一代的IEC61850变电站综合自动化系统建立在基于开放、标准的网络技术之上，它引用大量IT方面的标准和技术用于变电站的保护和监控。这些应用于变电站综合自动化系统的新技术，包括高速以太网通信、面向对象的建模、装置的自描述、变电站组态语言、基于发布/订阅模型的IED之间的实时通信等，可实现变电站信息的共享、提供智能设备的互操作性，简化系统的维护、配置和工程实施。兰州铝业有限公司大型预焙槽电解铝
3、技改项目（以下简称兰铝项目）220kV变电整流所综合自动化系统,采用了基于IEC61850标准的保护测控装置和以太网交换机，以及FARAD2000监控后台系统，配置成一套完整的、基于IEC61850间隔层的功能高度集成的整流变电站综合自动化系统，该系统已在2007年4月投入商业运行。本文首先对基于IEC61850标准的变电站自动化的系统简要介绍，然后介绍兰铝项目的设计考虑以及系统配置方案。2.IEC61850标准与变电站综合自动化系统2.1 IEC61850标准简介国际电工委员会（IEC）TC57工作组推出的IEC61850标准，是关于变电站自动化系统的计算机通信网络和系统的标准。它作为变电站
4、自动化的框架，采用基于高速以太网平台的开放的、分层分布式结构，提出了变电站内部间隔层与站控层和过程层之间的全数字通信的、具有互操作性的解决方案。IEC61850标准由10部分组成，它覆盖了变电站综合自动化系统的规划、设计、安装、调试、测试等方面，为实施基于网络通信的变电站综合自动化系统提供了详细的指引。IEC61850标准提供了变电站内部装置之间信息交换的标准化的对象模型、服务模型、试验以及规约，实现了变电站中所有装置的互操作，并定义了一个支持在线装置“自描述”的统一系统组态语言。IEC61850标准的主要内容包括：1） 含有标准化命名的装置模型，并提供与IED品牌或类型无关的一致的对象/标记
5、名称。2） 对于数据访问、主动提供的报告、控制以及其它公共服务，提供一个标准化的方法的服务模型（ACSI）。3） 含有用于分享装置组态数据的通过XML文件的变电站组态语言（SCL）。4） 通过高性能以太网用于保护和测量功能的装置的进行数据交换的客户机/服务器和对等方式的信息传送。5） 用于术语、系统要求以及一致性试验的规范，以保证IED能按照一个标准进行测试。2.2 基于IEC61850标准的变电站综合自动化系统的特点基于IEC61850标准的变电站综合自动化系统的标准架构如图1所示，它将变电站综合自动化系统划分为站控层、间隔层和过程层设备，其中包含二种类型的网络，即站总线和过程总线。在站总线
6、网络，可向上实 现IED到其它IED、HMI、变电站控制器、SCADA系统的通信；在过程总线网络，可向下实现IED到CT、PT、断路器、开关的通信，传统上这部分的通信是通过硬布线来完成的，在过程总线实施方案中需要采用“智能型”设备，如智能开关、光CT/PT等，通过合并单元接入过程总线。过程总线冗余.1/1/10 GB LAN站总线10/100 MB LAN数据集中器客户机合并单元HMI客户机IED服务器IED服务器智能开关，光CT光/PT等。合并单元站控层间隔层过程层图1. IEC61850变电站自动化系统的标准架构 实施基于IEC61850的系统，与传统变电站综合自动化系统相比，可得到以下各
7、方面的特点和好处：1） 作为一个全球性的标准，它的推出应用解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题，从而保护了用户的长期投资。2） 按照标准化的对象模型及命名协定，提供的自描述、自诊断和即插即用的特性，极大的方便系统的集成，降低了实施自动化系统的工程费用。3） 采用同一个规约，可减少运行、工程和维护的工作量及费用，同时提供高效的维护以及减少支持的方案的差异。4） 采用对等信息传输和高速的过程总线，可减少系统的硬件配置及二次电缆，同时也减少了屏柜数量、占地面积以及需要较低的布线费用。5） 可提供整套服务给报告、数据存取、事件记录和控制。6） 采用灵活和可伸缩的、向后兼容、与通信分离的应
8、用的主流技术，如高速以太网、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）、对象模型和可扩展标记语言（XML）等，从而保证了用户投资的持续性。近年来，基于IEC61850标准的变电站自动化应用已取得了很大的进展。基于过程层、间隔层和站控层的全数字化变电站开始投入现场测试和试运行。对于基于站控层和间隔层的变电站自动化系统，在解决了GOOSE传输的可靠性和安全性问题后，现已开始在国外电力系统和工业系统开始大量投入商业运行。为了保证系统的先进性并提供高一个可用性的系统，兰铝项目是基于站控层和间隔层的IEC61850变电站自动化系统进行系统设计的。3. 兰铝220KV整流变综合自动化系统的设计考虑3.1 系统
9、兰铝220KV整流变自动化系统采用分层分布式结构，其保护监控范围包括1个220KV整流变电所和5个10KV配电所。系统的设计和配置全面参照IEC61850标准中的站层及间隔层要求完成，它满足除过程总线外的所有部分标准要求，主要标准部分包括IEC61850-3、-7和-8。整个系统采用冗余100Mb光纤以太网作为骨干网，以提供高性能的通信网络，系统通信规约采用IEC61850标准以保证用户的投资。在系统设计中，参考国外IEC61850系统的应用经验，充分考虑利用高性能嵌入式IEC61850 保护测控装置的特性对整个系统的硬件配置进行优化，通过减少硬件配置数量来节省硬件费用，同时可减少屏柜数量，从
10、而达到减少硬件以及二次电缆和布线费用。在兰铝系统设计中，取消了常规变电站自动化系统中的RTU、主控单元、故障录波装置、备自投等设备，从而节省了大量的费用。此外，在系统设计初期，对220KV间隔曾考虑采用保护测控一体化配置方案以及基于GOOSE的间隔层连锁方案，但考虑到与国内现有的设计和运行过程有冲突而放弃。3.2 网络结构基于IEC61850变电站综合自动化系统，由于采用以太网LAN作为通信网络，其网络结构的配置是非常灵活的，可适应各种电压等级变电站一次接线方式以及不同用户对系统可靠性的要求。在工程设计中 ，可采用星形网、网状网、环网以及上述网络的混合结构。在具体设计时一般根据项目规模、设备的
11、物理布置以及系统通信的可靠性要求作综合考虑。兰铝220kV整流所综合自动化系统的设计采用分层分布、全分散式结构系统。整个整流所根据区域配置分为站控层和间隔层，其中间隔层又细分为220KV间隔和10KV间隔。全站的保护测控按照IEC61850变电站综合自动化系统进行配置，所有保护测控设备可通过IEC61850网络系统实现信息共享，并在将来用户需要时可通过对间隔层IED组态完成基于GOOSE的扩展保护测控功能，包括系统范围的操作连锁功能。所以，在考虑国内现有规程对220KV变电站系统通信可靠性的要求的基础上，结合IEC61850系统的应用特点，特别是考虑将来引入基于GOOSE的间隔层保护测控功能，
12、整个网络结构考虑采用双光纤星形结构，如图？所示。考虑到220KV间隔层保护测控的重要性，以及220KV保护测控IED采用冗余配置的双光纤以太网接口，220KV间隔层采用100Mb双光纤星形网结构，220KV间隔层的保护测控IED通过光纤连接到相应的以太网交换机；5个10KV间隔均采用100Mb星形网络结构，10KV 的保护测控IED通过RJ45接口连接到相应配电所的以太网交换机。220KV和10KV间隔层网络，均通过双光纤链路连接到站控层的冗余配置的双星形光纤以太网。这一网络架构使整个通信系统具有通信速率快、可靠安全、易于扩展的特点。3.3 以太网交换机在网络化的IEC61850变电站综合自动
13、化系统中，以太网交换机除了用于构建各种网络架构和传输控制命令和监测数据以外，还通过网络传输间隔设备之间的跳闸命令和闭锁信号。因此，在IEC61850系统中，以太网交换机是极其重要的设备，设计中必须考虑采用符合IEC61850-3标准的产品。在IEC61850-3标准中，提出了对工业级以太网交换机应满足与安装在变电站间隔层就地的保护测控装置一样的环境、机械以及电磁兼容的要求。具体标准引用了IEC61000-6-5和IEEE P1613标准。此外，为了保证网络传输的实时确定性及安全性和组网的灵活性，应采用支持多种光纤和铜以太网通信接口的网管型交换机，该交换机应提供全双工工作、虚拟局域网（VLAN）
14、、服务质量（QoS）、生成树（STP）和快速生成树（RSTP）、IGMP侦听、端口镜像、远程访问拨入用户服务（RADIUS）、终端访问控制器访问控制系统（TACACS+）、简单网络管理协议（SNMP）等实时传输和控制、安全及管理功能。3.4 间隔层智能电子设备（IED）在基于IEC61850标准的变电站自动化系统中的 间隔层IED设计考虑方面， 所选择的IED首先满足电解铝现场对保护测控功能和性能的要求，特别需要提出的是，为了保证所选择设备的长期安全可靠运行，尤其需要考虑IED的电磁兼容(EMC) 、机械及气候环境等方面的性能，必须满足IEC61850-3部分标准中提出的要求。作为基于IEC6
15、1850标准的变电站自动化系统，所选择的IED应具有嵌入式IEC61850规约，并提供完整的数据和服务模型，这包括各种保护测控IED所需要的相应的逻辑节点数据模型以及GOOSE实时传输控制功能。在IEC61850系统中，GOOSE的引人应用是有别于传统变电站自动化系统的主要特征，所以在应用中是必须考虑的。兰铝项目设计始于2006年初，尽管当时在系统设计中提出了基于GOOSE控制功能，特别是基于GOOSE的间隔之间的连锁功能，但后来考虑到国内的设计规程、项目验收以及用户运行维护水平等因素，在方案最终确认阶段并没有考虑实施基于GOOSE应用。但由于所选择的间隔层IED支持完整的模拟量和数字量传输功能，将来通过IED组态即可实施用户需要的扩展应用。为了保证IED的互操作性，所选择的IED还应根据IEC61850-10标准通过KEMA以及中国电科院的一致性测试，这一点对于保护用户将来的投资是非常重要的。此外，在设计中还考虑了采用的IED在电解铝等行业应具有多年成功的现场应用经验，并应提供基于IEC61850 GOOSE的成功的商业运行经验。4.兰铝220KV整流变综合自动化系统的特点兰铝整流变综合自动化系统，其监控范围包括一个220KV整流变电所和五个10KV配电所，它主要由支持间隔层IEC61850功能的保护测控IED、以太网交换机以及监控计算机
