对数字化变电站低压母线保护的IEC61850通信的分析

　　摘要：通用的变电站自动化标准IEC61850正被广泛的理解和推广，电子式电压电流互感器以及智能开关技术正逐步成熟并进入应用阶段，数字化变电站示范站的建设正如火如荼地开展。本文结合工作实践分析IEC61850的显著特点，阐述了IEC61850网络通信机制，通过网络传输装置间快速配合的信号传递，提高了简易母线保护的可靠性，并解决原来控制保护系统存在的保护死区、开关失灵及二次线路复杂的问题。
　　关键词：智能电网；IEC61850；低压母线；网络通信；
　　当前，数字化变电站改造中的母线保护是一个热门研究方向，但专门针对低电压等级的母线保护研究则鲜有文献发表。传统的简易母线保护一般是经延时动作，实时性不高，当馈线、母线同时或相继发生故障时，通常要靠主变后备保护来切除，给系统安全带来巨大的危害。IEC61850与传统规约的区别与传统规约相比，IEC61850规约具有以下显著特点。
　　(1)采用抽象分层的结构体系IEC61850标准将整个变电站进行抽象化并分为3层：1)变电站层；2)间隔层；3)过程层。同时共定义了10种逻辑接口用来完成层与层之间的信息交换。
　　(2)面向对象新型建模技术IEC61850共规定了13个逻辑节点类，按照不同功能分类定义了约90种逻辑节点及500多种数据类用以进行电力数据传输，是一种面向未来的开放性标准。
　　(3)抽象服务接口ACSI及特殊通信映射SCSMIEC61850所设计的抽象网络接口独立于具体的网络应用协议，与底层的通信栈无关，当新型的网络技术应用于通信系统时，只需要改变SCSM即可。
　　(4)变电站配置语言SCL为增强不同厂家IED的互操作性，IEC61850-6部分规定了描述与通信有关的IED配置和参数、通信系统配置、开关间隔(功能)结构及它们之间关系的文件格式。SCL语言的运用使变电站内部智能设备之间的互操作性得到了极大的增强，不同厂家的设备可按统一的标准进行通信。
　　2IEC61850网络通信机制
　　IEC61850直接基于以太网链路层进行传输，具有ms级的实时性。采用IEC61850实现装置间的信号连接，可以代替间隔层装置之间的电缆连接，使依赖于装置间信号配合的功能的实现变得可行，并易于维护。IEC61850在信号没有变位时，会以5s左右的间隔发送心跳报文从而可以实现链路的状态检修，相对于传统电缆连线松动无法检测而言具有很大的优越性。IEC61850网络覆盖全站范围的间隔层装置和过程层智能终端装置(可选)，完成110kV/10kV电压等级间隔层智能装置之间的快速通信功能。在数字化变电站改造中可将IEC61850网络与MMS网络合—且采用双网结构。110kV变电站需要传输的IEC61850数据量比较小，且IEC61850支持高优先级传输，具有两种网络合一的条件；IEC61850网络与MMS网络合一简化了变电站自动化系统的网络结构；当两者合一时，只需改用新的同时支持MMS和IEC61850的控制保护装置，保护的配置和网络的结构等方面与现有的控制保护系统具有最大的一致性。现以一母二母保护配置和故障情况进行说明(参见图1)。
　　
　　图1母线保护逻辑图
　　通常在10kV电压等级系统中不配置母线保护功能，当发生10kV母线故障时通常要通过变压器低压侧后备的第3段或第4段(一般10kV馈线无第4段保护功能)过流保护才能动作，动作延时非常长，往往会对一次设备造成一定损害，某110kV数字变电站在进行改造时增加了10kV简易母线保护，变电站内采用IEC61850通信机制取代传统的保护之间的联锁信号，其基本原理是：使用变压器低压侧的开关电流实现过流保护，并通过母线的出线和分段(母联)的保护启动信号对其进行闭锁，母线区外故障时，相关保护能够发出闭锁信号闭锁简易母差，母线区内故障时，相关保护不发闭锁信号，简易母差保护可以快速动作切除变压器低压侧开关(前提是低压侧母线除变压器外无电源输入，低压侧如果有小电源可采用折中方案，先跳开低压侧小电源)。由于简易母差保护需要多个装置之间的传递启动闭锁信号，使得传统方式下各个出线保护和分段保护与简易母差保护之间存在较多硬开入连线，导致了二次回路比较复杂，容易出错，可靠性也不高。IEC61850的好处在于一旦物理连接确立，只要通道的带宽足够，可以任意增加连接，可扩展性很强，同时采用IEC61850通信，完全回避了以往常规接点误碰的问题，且在IEC61850断链的情况下可以发出报警信号。可以在110kV变电站改造过程中，增加IEC61850通信机制区外传统的硬接点连接，这样可以较大地提高简易母差的可靠性，同时也可以很好地解决变压器低压侧过负荷联切保护联切低压侧出线的问题。
　　2．1接线说明
　　L1线路保护输出闭锁接点到1号变压器低压侧母线保护装置、500A分段母线保护装置；L2线路保护输出闭锁接点到2号变压器低压侧母线保护装置、500A分段母线保护装置；1号变压器低压侧母线保护接501开关TA；2号变压器低压侧左侧分支母线保护接502A开关TA；500A分段母线保护装置输出闭锁接点到1号和2号变压器低压侧母线保护。
　　3IEC61850实施规范的要求
　　3．1IEC61850配置要求
　　(1)通信地址参数由系统组态统一配置，装置根据SCD文件的配置具体实现IEC61850功能；
　　(2)各保护装置应在ICD文件中预先配置IEC61850控制块；
　　(3)保护测控装置(除测控联闭锁用IEC61850信号外)应在ICD文件的IEC61850数据集中预先配置满足工程需要的IEC61850输出信号。进行IEC61850连线配置时应从保护装置IEC61850数据集中选取信号；IEC61850输出数据集应支持DA方式；
　　(4)保护测控装置IEC61850输入定义采用虚端子的概念，在以"GOIN"为前缀的GGIO逻辑节点实例中定义DO信号，这些DO信号与IEC61850外部输入虚端子一一对应，通过该GGIO中DO的描述和dU可以确切描述该信号的含义，作为IEC61850连线的依据。装置IEC61850输入进行分组时，采用不同GGIO实例号来区分；
　　(5)在SCD文件中每个装置的LLN0逻辑节点中的Inputs部分定义该装置接收哪些IEC61850输入，每个输入相对应的Extref中IntAddr，填写与之相对应的以"GOIN"为前缀的GGIO中DO信号的引用名，引用名格式为"LD$LN$DO$DA"；
　　(6)对于需要组建独立IEC61850网络的情况，装置应通过在ICD文件中支持多个AccessPoint的方式支持多个独立的IEC61850网络。在只连接过程层IEC61850网络的AccessPoint，应通过在相应LD的LN0中定义Inputs，接收来自相应IEC61850网的IEC61850输入，在相应LD的LN0中定义IEC61850数据集和IEC61850控制块用来发送IEC61850信号。IEC61850数据集中的FCDA可以引用同一个AccessPoint下的各个LD中的DO或DA。IEC61850数据集和IEC61850控制块应处于同一个LD的LN0。
　　3．2IEC61850告警要求
　　(1)IEC61850通信中断须送出告警信号，设置网络断链告警。在接收报文的允许生存时间的2倍时间内没有收到下一帧IEC61850报文时判断为中断。双网通信时须分别设置双网的网络断链告警。
　　(2)IEC61850通信时对接收报文的配置不一致信息须送出告警信号，判断条件为配置版本号
　　及DA类型不匹配。
　　(3)为了体现IEC61850中断告警和IEC61850配置版本错误告警模型，ICD文件中应配置有逻辑
　　接点GOAlmGGIO，其中配置足够多的Alm用于IEC61850中断告警和IEC61850配置版本错误告警。系统组态生成SCD时添加与IEC61850配置相关的Alm的desc描述，厂家根据desc描述配置具体Alm与内部信号的关联。
　　3．3IEC61850发送接收的要求
　　(1)装置上电时自动按数据集变位方式发送一次，将自己的IEC61850信息迅速告知接收方。按照标准，第一帧StNum=1。
　　(2)IEC61850报文心跳间隔为系统配置的T0，报文允许生存时间为2T0。对于保护应用T1=2ms、T0=5000ms。对于测控应用时间间隔可以适当拉长。
　　(3)IEC61850报文接收时必须考虑网络中断或者发布者装置故障的情况。以双网通信方式为例，设置一个通信故障标志=((A网中断与B网中断)或配置不一致)，接收到IEC61850报文后根据通信故障标志选择接收数据还是预置数据。预置数据是根据各数据类型和用途考虑中断后应该预置的值(见图2)。
　　
　　图2IEC61850通信故障处理机制
　　(4)IEC61850信号需要发送给测控装置进行准确SOE事件记录时，可以在IEC61850报文中包含部分信号变位的时标来实现，每个时标信息应紧跟信号排放。
　　3．4IEC61850对检修支持的要求
　　(1)检修状态由IED压板开入方式实现，当IED检修压板投入时，上送报文的品质q的测试位Test置位。IED必须将检修压板状态上送客户端。
　　(2)客户端根据上送报文的品质Test位判断报文是否为检修报文并作出相应处理，如不显示简报窗，不发出音响告警，但应该刷新画面，保证画面的状态与实际相符。
　　(3)IEC61850接收端装置要将接收的IEC61850报文中的Test位与装置自身的检修压板状态进行比较，只有两者一致时才将信号作为有效进行处理或动作；对于测控装置，两者任意一个为1时需将上传报文品质Q的Test位置1。
　　(4)IEC61850用于出口的信号，可以增加出口软压板，软压板的设置原则上采用与传统硬压板一致，可以根据运行的实际需求适当精简。
　　5结语
　　目前我国电力行业正处在向智能化电网变革的探索时期，随着网络化智能设备技术的日趋成熟，必将引发电力系统自动化领域里的革命性的变化。新型电力标准IEC61850将在未来的数字化变电站中占据主导地位。本文结合广州某110kV变电站的改造，深入研究IEC61850通信机制的特点，以简易母线保护为对象，给出了传统变电站站内通信向数字化变电站过渡的改革方法。该网络通信原理同样适用于变电站改造中的备自投、全站集中式低频低压减载、主变过负荷减载、小电流接地选线等。
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