完整的数字化变电站自动化系统解决方案
王君生1，张培洪2，徐昆江3
（北京德威特力通系统控制技术有限公司 北京 100190 ）
摘要：IEC 61850协议体系标准实现是未来数字化电力自动化系统的发展方向，是数字化变电站系统实现的基础。本方案采用GE公司过程层设备与数字监控保护和北京德威特力通系统控制技术有限公司自主研发的监控、通讯软件系统，在110KV变电站进行了数字化应用。本项目产品必将在由传统自动化系统向数字化系统转化方面发挥巨大作用，同时适用于传统自动化系统改造项目，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础。
关键词：数字化；IEC 61850；过程层
0 概述
变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平，近几年来，在电网改造与建设中大量的变电站采用了自动化技术实现无人值班，大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可靠性，降低了变电站建设的总造价。然而，在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍是不同厂家的智能设备（简称IED），甚至同一厂家不同型号的IED所采用的通信协议和用户界面的不同，因为需要额外的硬件（如规约转换器）和软件来实现 IED 互联，实现自动化系统的无缝集成和互操作造成一定的困难，这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和意义。因此，变电站自动化系统在实现功能之外，还应具备互操作性、开放式的系统联接、选择设备不依赖于生产厂家（支持IEC 61850均可）、可以经济最优化选择可靠的设备、工程管理和运行管理成本最小化、有大容量和大范围的数据库等性能。这在以往系统分析和设计过程中通常是被忽视的。
国际IEC委员会在充分考虑上述变电站自动化系统的功能和要求，特别是互操作性要求的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信标准体系IEC 61850标准。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了有效的途径。该标准的制定及其内容已超出变电站自动化系统的范围，将会扩展到其他工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制的国际标准。当前, 国内外电力设备生产商都在围绕IEC 61850 开展研究和应用工
作，并提出IEC 61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
数字化电力自动化系统是在过程层数据采样实现IEC 61850-9-2的标准，使系统监控控制系统实现全数字化通讯过程。大大简化了工程成本，简化二次接线，提高了系统的可靠性。
本项目采用GE公司的过程和数字保护设备并融合北京德威特力通系统控制技术有限公司自主研发的IEC 61850通信、监控软件系统，在某地区110KV变电站进行了应用。本项目必将在实现全数字化电力自动化及电站升级改造方面发挥巨大作用，对促进我国电力自动化系统的发展具有十分重要的意义，为未来全面实现数字化变电站系统奠定技术基础。
1 系统介绍
本110kV变电站为搬迁新建站，有2条110kV进线，桥接母联，110kV采用GIS组合设备。10kV系统为标准单母线分段模式，共25条出线。本项目基于IEC61850通信体系对110kV变电站进行全数字化监控及保护综合自动化建设，实现保护信息和控制信息等的数字化通讯控制，使整个变电站的保护自动化系统提升到一个较高的水平，满足未来系统全信息化和升级方便的需求并适应未来若干年系统运行要求及电力系统信息化改造的要求，同时使系统易于扩展升级。
2 系统配置
2.1系统结构
数字化变电站IEC 61850自动化采用分层分布式系统。系统分为四层：站控层、网络层、间隔层、过程层。110kV、10kV就地监控保护设备直接以以太网星形组网，可靠性高，便于扩展（未来增加网络交换机就可以）。站控层设备以光纤双环网连接，系统配置多路冗余通讯接口的IEC61850网关设备，便于采集站内其他非IEC61850通讯接口设备(电表、直流屏等)，并能适应对外以各种不同通讯规约进行通讯连接。
2.2网络结构
变电站综合自动化110kV系统过程层配置如图1。
图1 过程层通讯结构图变电站综合自动化10kV系统配置如图2。
图2 配电所通讯结构图
变电站综合自动化站控层配置如图3。
图3 站控层通讯结构图
2.3站控层
站控层是专门针对计算机监控系统而设计的，它集实时监控(SCADA)、保护通讯与操作管理等功能一体化设计，全面面向电力系统，支持从软件支撑平台至应用层的开放，应用软件平台全面建立在开放的国际工业标准基础上，应用层的开放能适合于不同程度的拓展要求，为系统功能扩展和多厂家系统纵横互连提供了方便。
IEC61850网关由嵌入式工业计算机构成，IEC61850网关（远动工作站）采用工业级无风扇、全密封，上架式19”的1U结构。物理上具备4个独立以太网，6个带隔离的RS-232/422/485通讯接口，它具有丰富的通信规约库，几乎囊括了各种流行规约。兼顾通讯管理及规约转换职能。该综自系统功能齐全、可靠性高、结构紧凑、操作简单。监控软件可灵活运行于WINDOWS2000/XP等WINDOWS XPE操作系统，监控软件采用面向对象的Visual C++编程软件开发，结合电力综合自动化诸多的特点，是一个组态灵活、开放性的通讯转换与管理系统。
10kV所有IEC 61850综合保护装置均直接集中组屏安装在监控柜上，设备通讯采用以太网连接。现场的直流装置、电度表等将采集的过程数据通过各自的私有通信协议传输到IEC61850网关软件模块系统中，服务器将信息转换成符合IEC 61850标准的信息格式和通信服务，从而实现非IEC 61850标准设备（系统）与后台主站之
间的IEC 61850标准通信功能。IEC 61850通讯软件模块汇集IEC 61850通信网所有信息，与站外调度（集控站）进行通讯连接。 2.4网络层
站控层网络为以太网，网络拓扑结构为星型，网络传输速率为10/100Mb/s，通讯介质为光纤。它负责站控层各个设备、系统之间和来自间隔层的全部数据的传输和各种访问请求。其网络协议符合国际标准先进的IEC61850，具有良好的开放性。站控层网络按双光纤以太网环网配置、规模满足工程远期要求。
间隔层网络采用冗余以太网接口，网络拓扑结构为星型，间隔层与站控层网络网络采用双环网通讯架构，网络协议符合国际标准先进的IEC61850（ TCP/IP模式），通讯介质为光纤。
网络各级配备IEC61850网关设备对电站自动化系统中电度表、直流屏等微机接口设备，进行信息抽取和数据整合，实现电力信息的汇总、转换和管理。
2.5 现场监控保护设备层（间隔层）
间隔层的主要IEDs（保护装置、测控装置、直流系统、电量计费系统）和站层之间的通信均应用IEC 61850通信协议标准实现。采用光纤以太网通讯模式，信息在高速以太网上交换。系统对时采用全站SNTP网络统一对时方式，同时设置独立的GPS系统、支持IRGB对时模式。
在数字保护方面采用GE公司的数字UR系列保护装置，该系列保护具有嵌入式IEC 61850通讯功能。本工程用了T35变压器监控保护装置、F35多馈线监控保护装置、B30母线监控保护装置、F650综合保护装置。值得一提的是1台F35多馈线监控保护装置可实现5条10（6）KV馈线保护功能，通过模块化配置可对五条馈线在物理上提供相对独立的保护监控单元功能，特别适用于终端电站和老站升级改造项目，具有极高的数字化系统改造性价比。
2.6过程层
变电站110kV过程层配置系列GE公司最先进的HardFiber设备，实现电站110kV系统全数字化采集过程（相关110kV保护配置数字模块即可）。最多可以节约50%的保护与控制方面的劳力成本。省去大量的铜电缆接线，对于电力系统保护与控制的设计、制造、调试与维护可以更有效地优化使用资源。牢固且简单的结构，配置IEC 61850过程总线适应极端严酷环境的开关站接口，无需配备特殊的封闭外壳可作为UR系列保护装置产品的延展，广泛适用于发电、输电和配电系统。
HardFiber Brick过层设备最大特点：支持常规CT/VT就地接入，双源架构，可靠性高内部湿接点实现16路数字状态输入，6路高
