基于IEC61850的数字化变电站远动方案探讨

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2009 年第 8 期福建电脑23基于 IEC 61850 的数字化变电站远动方案探讨张长明 1，刘玲22. 山西晋中供电公司山西晋中 030600 ）（ 1. 华北电力大学计算机科学与技术学院河北保定 071003【摘要】：在分析当前电力远动通信现状基础上，结合遵循 IEC 61850 标准的数字化变电站远动通信需求，提出在原有 IEC 60870-5-104 远动系统上，增加 IEC 61850 到 104 协议转换的远动数据传输方法，并对其优缺点进行了探讨。

【关键词】： IEC 61850；数字变电站；IEC 60870-5-104 ；远动1 、引言 IEC 61850 （变电站通信网络和系统）系列标准发布后，越来越多的变电站自动化设备厂商开始研发遵循 IEC 61850 标准的变电站自动化设备，国内外也有一些变电站完成数字化改造，数字化已成为变电站的发展趋势。

然而目前 IEC 61850 数字化变电站与调度中心间的通信相应的标准草案（IEC 62445-2 控制中心与变电站之间使用 IEC 61850 进行通信）还在制定之中，正式标准的问世还有待时日 [1]，这就有必要对基于 IEC 61850 的数字化变电站和传统的调度中心之间的远动系统进行研究。

2 、电力远动通信现状及需求分析 2.1 电力远动通信规约分析传统的电力远动传输规约 CDT 和 POLLING 等采用串行工作方式，为低速网络设计，并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，下传数据不便，已经不能满足现代电力自动化系统的通信要求。

IEC 60870-5-104 是为了满足 101 协议用于以太网实现而制定的，其网络层协议为 TCP/IP 协议，应用层协议采用 101 协议的 ASDU 。

为了保证应用层 ASDU 的通信可靠性，包装了 APCI 传输接口，规定了应答和重发机制。

104 协议作为一种国际标准协议，具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支持网络传输等优点，其内容和功能涵盖了保护方面的定义。

可有效利用光纤通道的传输能力，而且对实现地区自动化系统的组网和电力系统自动化数据的共享以及设备方便、迅速的维护检修提供了技术支持。

IEC 60870-6 （TASE.2 ）也可作为 RTU 和调度中心之间的网络传输协议，但在性能上不能完全满足要求，而且比较复杂，价格较高，并且在和变电站自动化系统其他部分的无缝连接方面存在问题，这种规约在我国使用不多 [2]。

IEC TC57 技术委员会出台的 IEC 61850 标准将变电站通信体系分为变电站层、间隔层、过程层三个层次，在功能分配上采用了采用分层、分布的体系结构；采用了面向对象的信息建模技术，在信息源定义数据和数据属性，使维护和管理更加方便；使用抽象通信服务接口 ACSI、特殊通信服务映射 SCSM 技术，与具体的网络应用层协议无关，能适应网络技术的不断发展；采用配置描述语言进行设备自描述，易于实现功能扩展和设备即插即用；整个电力系统统一建模，易于实现无缝体系结构 [3]。

由于该标准采用了开放性的通信模型，可用于远程信息的网络传输，进一步扩展了其通信能力，采用面向对象建模技术和分层分布技术，具有互操作性的 IEC 61850 标准以其不可取代的优势，势必成为今后变电站自动化系统的统一标准，并被广泛使用 [4]。

2.2 基于 IEC 61850 的数字化变电站远动通信需求分析电力系统对监控实时性要求需要电力远动数据的快速网络传输。

目前 ATM 、SDH 电力数据通信专网在我国已初具规模，电力调度中心和 110KV 及以上电压等级的变电站已经具备了几兆到上千兆的数据交换能力。

在一般骨干节点设备间直接采用光纤进行连接 , 传输速率至少达到 622MB/s ；分支节点与骨干节基金项目：华北电力大学青年教师科研基金（93207805 ）点之间通过光纤就近相连, 与骨干节点之间上联传输速率达155MB/s, 下联提供 10/100MB/s 的计算机接口 , 满足计算机应用的要求；远程节点根据现有通信通道的不同条件分别采用 2M 、 2B+D 和音频电缆连接至调度中心。

国家电力数据网 SPDnet 的改造、扩容还在继续进行 [5][6]。

在这样的条件下，在变电站与调度中心之间采用网络化的数据传输将省掉目前远动环节中的调制 / 解调设备，提高数据的传输速率，因此数字化变电站远动系统能采用的通信规约或者是 IEC 60870 -5 -104 或者是 IEC 61850 。

IEC 61850 的数字化变电站与调度中心间的通信相应标准还在制定之中。

为保护原始投资，使得现有SCADA/EMS 等系统兼容新型的数字化变电站，需要在 IEC 61850 和现有远动协议之间进行转换。

目前，在我国电力系统远动信息交换中使用较多的是 IEC 60870-5-104 ，需要在远动系统的一侧完成 IEC 61850 面向对象数据到 IEC 61850-5-104 面向点数据的映射，解决原有系统与 IEC 61850 新系统的兼容问题。

3 、IEC 61850 数字化变电站远动方案探讨 3.1 系统结构在对现有调度中心 SCADA/EMS 系统不做改进情况下，按最小代价原则，选择在变电站侧设置支持 IEC 61850-5-104 规约的远动RTU ，由 RTU 完成 IEC 61850 面向对象数据到 IEC 61850-5-104 面向点数据的映射，变电站与调度中心之间采用 IEC 60870-5-104 标准作为远动通信协议，变电站与调度中心之间无需协议转换。

基于 IEC 61850 的数字化变电站远动系统结构如图 1 所示。

图 1 IEC 61850 数字化变电站远动系统结构现有的调度自动化软件能够较好地支持 IEC 60870-5-104 标准，因此调度端无须做任何改动。

系统中的 RTU 一方面要作为传统的远动装置运行 IEC 60870-5-104 规约，完成远动数据的发送与接收功能，同时作为 IEC 61850 客户端 , 利用 IEC 61850-8-1 协议和站内相关IED 设备进行数据交换，并完成 IEC 61850 面向对象数据和 IEC 61850-5-104 面向点数据的映射。

3.2 方案优势与不足系统采用 IEC 60870-5-104 作为主要的远动协议，无须在调度端进行协议转换，采用现有设备和系统即可。

（下转第4 页）4（3 ）" 看门狗 " 计数器无效，即取 WTE=0 。

（4 ）正传，取 F/R=0 。

4 、消谐算法的实现 SPWM( 正弦波调制 PWM) 在调制波的各周期内，无法以调制波角频率ω为基准，用傅立叶级数把它分解为调制波角频率倍数谐波，为此必须采用双重傅立叶级数展开的方法，即采用以载波的角频率ω为基准，考察边频带谐波分布的情况。

图 2 正弦波的三次谐波失真波形 T 周期为 T 的周期函数 fT（t ），在 [ ， ? 2 ] 上就可以展开成傅立叶级数。

在 fT（t ）的连续点处，级数的三角形式为：a0 ? ? ? (an cos n? t ? bn sin ? t ) (1) 2 n ?1 因为正弦函数 f (t ) ? A sin(? t ? ? ) ，当Φ=0 时，该函数为 fT (t ) ?奇函数，故 a0＝0 ，an＝0 。

f现以单位 1 信号来计算正弦波的三次谐波量的公式如下!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第 23 页）ááá ? ?福建电脑2009 年第 8 期由以上公式可以计算出三次谐波的数据值表。

系统所采用的波形补偿（消谐）算法原理是：将上数据表存入单片机的内存中，做成一个 ROM 数据表，利用采样值与该数据表中的值一一对应相值的正负就可判断采样值周期的波形情况，具体内容为：1 ）当 SD<0 时，三次谐波与正弦波的叠加形式如图 2 （a ）所示，即输出如图 2 （c ）所示的失真波形，在这种情况下，需要输出如图 2 （d ）所示波形进行补偿，才能使失真波形恢复成正弦波。

2 ）当 SD>0 时，三次谐波与正弦波的叠加形式如图 2 （b ）所示，即输出如图 2 （d ）所示的失真波形，在这种情况下，需要输出如图 2 （c ）所示波形进行补偿，才能使失真波形恢复成正弦波。

3 ）当 SD＝0 时，则输出为纯正的正弦波形，故而不进行补偿。

5 、试验结论实验结论： 1 、利用逆变控制器能够产生高精度的 SPWM 波，实测输出频率为 51.5HZ 。

2 、经硬件滤波电路和消谐算法的处理后输出的谐波含量低 ( 小于 3.1%) 。

3 、改变 SA4828 的运行参数可以很好的实现波形补偿和输出电压的调节，其采样需要平滑，即多次采样进行平均，故每改变一次系统需要 3~4 个周期方能稳定输出，即需要 8~10ms 的过渡时间。

(t ) ? b sin 3? t即b3 ?TT 2 T ? 2fT (t ) sin 3? tdtb3 ?T2T 2 T ? 2A0 sin ? t sin 3? tdt参考文献： 1. 佟为明．变频电源谐波的分析与抑制 [J]．电工技术杂志，1997 ， (5) ：1214． 2. 周炼，谢运祥．逆变电源 PWM 消谐模型的同伦方法研究 [J]．电工技术杂志，2000 ，(9) ：59-63． 3. 邵日明，吴守箴．新型三相脉宽调制发生器 -SA4828 集成芯片及其应用 [J]．电工技术杂志，2000 ，(8) ：38-40． 4. 李娜，任振辉，刘雅举 .PIC 单片机在逆变电源系统中的应用 [J]．微计算机信息，2007 ，（13 ）：259-260．fT (3) (t ) ?TTTsin ? t sin 3? tdt sin 3? t(2)2协议转换在变电站端的 RTU 上完成，只须对传统 IEC 60870-5104 RTU 进行改造或重新设计，最大限度的保护了原始投资，且易于实现。

正在制定之中的 IEC 62445-2 标准所提出控制中心与变电站之间使用 IEC 61850 进行通信，但从该标准当前状态看，短期内不太可能问世，相对于在没有国际标准作为支持的条件下开发基于 IEC 61850 的远动系统，上述方案具有更小的投资风险，是传统变电站数字化改造过程中较好的选择。