基于IEC61850的智能变电站模型分析

邱明奇，李宗成

(重庆市电力公司永川供电局，重庆永川402160)

0 引言

在国际智能电网标准研究中，欧洲、日本、美国国家标准与技术研究院(NIST)集中了大量专家、有关单位和个人对智能电网互操作性标准进行研究，旨在协调、建立一个实现智能电网互操作性的技术框架。国际电工委员会(IEC)制定了一系列核心标准，包括 IEC61970，IEC61968，IEC61850 等核心标准。其中IEC61850是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统(SAS)唯一国际标准。IEC61970定义能量管理系统(EMS)应用程序接口(APIs)，IEC61968促进支持企业配电网管理的多种分布式软件应用系统的应用间集成，即配电管理系统CIM和CIS定义，IEC61850是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统(SAS)唯一国际标准，IEC62357定义了电力系统控制和相关通信。

由于标准的适用范围和制定的体系不同，在调度中心和变电站系统进行数据交换时，这种差异导致它们之间的信息不能及时充分地共享。因此，如何实现ITC61970和IEC61850标准的融合，实现调度中心和变电站系统的信息共享，成为目前的难点问题。

本文首先提出智能变电站信息模型，再基于IEC61850核心标准分析智能变电站系统功能的分层和分解。在确定了CIM和IEC61850DE信息模型后，针对目前国内外研究机构研究的难点问题，提出解决系统和应用的互操作性及映射的方法。

1 智能变电站信息集成

变电站自动化系统(SAS)随着IEC61850标准及大规模集成电路技术的迅速发展成为可能。IEC61850标准采用分层的智能电子设备(IED)和变电站自动化系统(SAS)对象建模技术、抽象通信服务接口(ACSI)、配置语言等，并制定包括面向对象的标准、通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准。而目前采用IEC61850构建的数字化变电站还属于功能实现的初步阶段，对符合IEC61850通信接口要求的智能设备等在稳定性、可靠性、验证和认证等多方面均存在诸多需要解决的问题。从智能变电站本身出发，图1描述了智能变电站系统信息集成模型。

图1 智能变电站信息模型

2 变电站自动化系统的分层

IEC61850标准把SAS分成变电站层、间隔层、过程层。

过程层:主要是完成模拟量、开关量I/O的采样以及控制命令的发送等有关一次设备的功能。间隔层:利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用。变电站层:1)有关过程的功能为利用各个间隔或者是全站的信息对很多个间隔或整个变电站的一次设备产生作用的功能;2)有关接口的功能为与工程师站、远方控制中心以及人机界面间的通信。

电力系统信息传输在满足通信网络具有优先级的同时，必须满足时间同步。

IEC61850根据此信息传输特点，提出使用抽象通信服务接口(ACSI)。ACSI与采用的网络无关，并且与网络应用层协议相独立。因为电力系统生产相当复杂，其对信息传输响应时间的要求各不相同，所以在变电站的过程内，可能采用各种不同类型的网络。IEC61850采用ACSI就能够很容易适应这种变化，只需改变对应的特定通信服务映射(SCSM)就解决了这个问题，如图2所示。

图2 应用与通信分离

3 变电站自动化系统的功能分解

IEC61850对变电站自动化系统功能的描述并不是对其进行标准化，而是用于辨别技术服务和变电站之间、变电站内智能电子设备(IED)之间的通信要求。为了支持功能自由分配提出的要求，实现互操作性的目的，IEC61850将功能适当分解为相关通信部分，即逻辑节点(LN)。LN是一个交换数据的最小功能部分。物理装置内的某项功能以及执行这一功能的某些操作是由LN来代表。逻辑节点是一个由数据和方法定义的对象。LN间的数据交换通过逻辑连接LC实现，变电站自动化系统中的功能均被分解为LN，这些LN可驻留在一个或者是很多个物理装置(PD)上，图3所示为逻辑节点和逻辑连接。

如图3所示，引入LN0逻辑节点来适应一些通信数据只与PD本身有关却不涉及任何一个功能，相当于一个特殊的LN“装置”。LN分配到功能(F)和PD。LN通过LC互联，PD通过物理连接(PC)实现互联。LN是PD的一部分，LC则是PC的一部分，专用物理装置的逻辑节点“装置”图示为LN0。

图3 逻辑节点与逻辑连接

每一个接收的LN需要检查接收数据的完整性和有效性。由于在信息丢失或不完整情况下，不可能得到具有接收时效的数据，故检查数据时效包括了信息丢失和不完整情况。发送LN意味着是原始数据源，它保持数据的最新值。接收LN按照相关功能处理这些数据。对镜像数据(过程、代理服务器等数据库映像)情况，保存的镜像数据应满足使用这些数据功能所需要的时效(有效程度)。如果数据受到破坏或丢失，接收LN不能按正常方式运行，降级运行方式是因为数据受到破坏或丢失，导致接收LN不能按正常方式运行而出现的，所以要严格规定LN的性能，这些性能是在正常和降级两种工作方式下。在数据受到破坏或丢失的情况下，可通过适当的数据品质属性，或者标准化报文的方法，把这样的状况通知给系统管理者和分布功能的其他LN，让其采取必要的措施来应对这种状况，如果时间允许，可以请求数据重发。

4 IEC61850标准与CIM的互操作性

在确定了IEC61850标准对智能变电站信息模型后，可知数字化变电站内的数据模型和控制中心的调度自动化系统的数据模型需要协调起来，才能完成信息共享。而智能电网的核心问题主要是以下两点:

(1)交换的数据:所有电力应用之间所交换的数据都必须拥有一致的语义，由统一的电网数据模型来规范。

(2)数据如何交换:所有应用都必须具有一套相互连接和数据交换的机制，由智能电网体系构架和通用信息接口来规范。

智能变电站与智能输电、智能用电及电厂电站控制系统的信息交换和共享需要解决这两个核心问题。围绕通用信息接口规范，几个主要国际标准IEC61970，IEC61968，IEC61850 均规定了相应的接口，其中IEC61970标准协议的两个主要内容是公共信息模型(CIM)和组件接口规范(CIS)。

然而，这几个标准却存在重叠和不相容部分，为了避免多重数据转换，2009年6月IEEE成立工作组，P2030和IEC TC57的WG19工作组也在着手协调IEC61850标准和IEC61970标准的数据模型(CIM-能量管理系统应用程序接口)，这样将数字化变电站内的数据模型和控制中心的调度自动化系统的数据模型协调一致起来。而IEC61850标准已被公认为新一代变电站综合自动化系统的国际标准，主要采用面向对象技术，建立了变电站自动化系统比较完备的语义信息模型。表1是通过对几个标准的分析得出的主要基本对比。

表1 CIM与IEC61850基本对比

图4总结了IEC61850和CIM(IEC 61968/61970)模型对应关系，然而，二者在通信服务接口上的类属性、类功能、类定义上存在重叠和冲突。

图4 CIM和IEC 61850模型对应关系

目前，由XML编写的适用WEB本体描述语言OWL是有效解决互操作性的途径之一，如图5所示。

图5 OWL映射

OWL采用面向对象的方式来描述领域知识，通过类、属性、个体、数据类型来描述对象，并通过公理来描述这类属性的特征和关系。OWL映射可以在不改变原来模型的情况下，描述不同模型之间的差异性和共性，是一种有效的映射方式。

5 结束语

本文在分析IEC61850国际标准的基础上，结合目前智能变电站的信息集成和变电站模型，给出了国内外研究的模型互操作性难点问题的解决办法。目前国内已有一些智能变电站投入使用，并且运行稳定。这充分说明，智能变电站的可行性。但智能变电站存在的关键技术问题还需要国际国内各个专业机构的共同研究和解决。

［1］ EPRI.Harmonization of IEC 61970，61968，and 61850 models，EPRI Technical Report 1012393［R］.Palo Alto，CA，USA:EPRI，2006.

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