浙江大学电气工程学院 博士学位论文 基于IEC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 姓名：易永辉 申请学位级别：博士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：曹一家 20080701
浙江大学电气工程学院 博士学位论文 基于IEC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 姓名：易永辉 申请学位级别：博士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：曹一家 20080701
渐江大学博士学位论文 摘要 IEC61850是TC57发布的、迄今为止最为完善的变电站系统及通信标准，实现基 于IEC61850标准的数字化变电站对于我国变电站的自动化运行和管理将带来深远 的影响和变革。与以往的通信协议相比，IEC61850技术体系庞大而且复杂，其本身 及其所用技术又处于不断发展之中：变电站自动化系统作为复杂的、综合性很高的 系统性工程，包含众多的设备和子系统，各功能、子系统之间存在着不同程度的关 联，因此EC61850标准应用于实际工程仍有许多工作有待深入研究。如，符合EC 61850标准的IED对软件方案及开发手段有新的要求：变电站内不满足IEC61850标准 的遗留系统、遗留ED如何接入、遗留系统通信网络如何改造：变电站应用系统林 立，如何消除信息孤岛以实现有效的信息整合等。 本文首先介绍了EC61850标准的特征内涵及国内外的研究、应用现状，然后提 出了一种遵循EC61850标准的集中式IED设计方案；设计了一种将遗留IED转换为 支持EC61850标准的通用网关实现方法：设计了一种遵循EC61850标准的1ED图形 化开发方法：研究设计了基于IEC61850标准的变电站信息一体化方案并在上海某变 电站工程现场试点应用等。最后，总结全文并展望了今后的研究方向。全文主要内 容如下： 第一章介绍了1EC61850标准的制定背景、标准主要特征内涵及国内外当前对 EC61850标准的研究及应用现状，分析了其推广实施过程中现有的主要技术障碍、 待研究问题。在该章最后，介绍本文的主要内容、创新点和章节安排。 第二章分析现有基于分层分布式自动化设计思想的ED在遵循IEC61850标准 上的局限性，提出一种面向变电站整体功能、遵循EC61850标准的新型集中式IED 的设计方案，在一台具有强大网络接口功能的新型集中式ED上实现现有多台间隔 层IED所完成的功能，即每个现有IED在新型集中式IED中被抽象成为一个逻辑设 备(LD),每个LD保持功能上的相对独立性、配置的灵活性并通过统一的通信接 口与其它设备进行交互。研究了其软、硬件设计中的关键技术，它融合了分布式与 集中式的优点，能显著降低变电站自动化系统的整体成本并减少网络节点、利于不 同LD间协同，利于遵循EC61850标准的变电站自动化技术的推广实施。 第三章分析了IEC61850标准基于对象模型的设计思想，为实现EC61850的 各种通信服务以及产品功能，确保互操作性的实现，ED的软件结构、对外接口特 性、数据结构体系有其特殊性、复杂性，对ED软件实现的技术手段要求更高。设
浙江大学博士学位论文 摘要 IEC 61850是TC57发布的、迄今为止最为完善的变电站系统及通信标准，实现基 于IEC 61850标准的数字化变电站对于我国变电站的自动化运行和管理将带来深远 的影响和变革。与以往的通信协议相比，IEC 61850技术体系庞大而且复杂，其本身 及其所用技术又处于不断发展之中；变电站自动化系统作为复杂的、综合性很高的 系统性工程，包含众多的设备和子系统，各功能、子系统之间存在着不同程度的关 联，因此IEC 61 850标准应用于实际工程仍有许多工作有待深入研究。如，符合IEC 61850标准的IED对软件方案及开发手段有新的要求；变电站内不满足IEC 61850标准 的遗留系统、遗留IEDjtI：I何接入i遗留系统通信网络如何改造；变电站应用系统林 立，如何消除信息孤岛以实现有效的信息整合等。 本文首先介绍了IEC 61 850标准的特征内涵及国内外的研究、应用现状，然后提 出了一种遵循IEC 61850标准的集中式IED设计方案；设计了一种将遗留lED转换为 支持IEC 61 850标准的通用网关实现方法；设计了一种遵循IEC 61 850标准的IED图形 化开发方法；研究设计了基于IEC 61850标准的变电站信息一体化方案并在上海某变 电站工程现场试点应用等。最后，总结全文并展望了今后的研究方向。全文主要内 容如下： 第一章介绍了IEC 61850标准的制定背景、标准主要特征内涵及国内外当前对 IEC 61 850标准的研究及应用现状，分析了其推广实施过程中现有的主要技术障碍、 待研究问题。在该章最后，介绍本文的主要内容、创新点和章节安排。 第二章分析现有基于分层分布式自动化设计思想的IED在遵循IEC 61850标准 上的局限性，提出一种面向变电站整体功能、遵循IEC 61850标准的新型集中式lED 的设计方案，在一台具有强大网络接口功能的新型集中式IED上实现现有多台间隔 层lED所完成的功能，即每个现有IED在新型集中式IED中被抽象成为一个逻辑设 备(LD)，每个LD保持功能上的相对独立性、配置的灵活性并通过统一的通信接 口与其它设备进行交互。研究了其软、硬件设计中的关键技术，它融合了分布式与 集中式的优点，能显著降低变电站自动化系统的整体成本并减少网络节点、利于不 同LD间协同，利于遵循IEC 61850标准的变电站自动化技术的推广实施。 第三章分析了IEC 61850标准基于对象模型的设计思想，为实现IEC 61850的 各种通信服务以及产品功能，确保互操作性的实现，IED的软件结构、对外接口特 性、数据结构体系有其特殊性、复杂性，对lED软件实现的技术手段要求更高。设
基于EC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 计了一种图形化编程技术的ED开发方法，它基于IEC61850标准，遵循IEC61131-3 编程标准，因此不仅具有常规图形化编程的优点，而且提升了ED外在形态、内在 形态的标准性。设计了具体的ED软件方案，研究了图形化编程与ED数据存储区 的参数关联方法，为推进产品编程开发手段的灵活性、标准化，提高产品互换性提 供了详细解决方案。 第四章针对间隔层大量遗留的、不满足IEC61850的ED,提出一种新颖的协 议映射方法-可扩展置标语言模式(XML Schema)元数据映射方法，基于该方法设 计了一种通过配置文件将间隔层遗留IED灵活配置成支持EC61850的通用网关， 该方法将遗留IED的协议与IEC61850标准的映射模型通过配置文件方式载入IEC 61850通用网关，从而实现遗留IED协议的灵活转换而具有通用性。 第五章提出一种遵循EC61850标准的面向一次对象统一建模的变电站信息一 体化方案以消除信息孤岛。面向未来的自动化系统可采用基于强大的硬件平台的、 遵循EC61850标准的多功能集成式IED方案，即一个一次对象对应一台（或多台以 冗余)多功能IED以实现原来多个应用系统分别对应的多台ED所完成的功能：对当 前遗留系统众多的变电站则在各应用系统之上增加信息一体化平台以接入不同应用 系统及ED,它统一对外通信硬件接口，统一对外发布生产及管理信息，确保信息 的一致性。重点对该平台模型的动态建模、异构系统概念对象模型的协同、异构系 统模型数据的适配等关键技术进行了分析研究。 第六章将本文的部分研究成果应用于实际工程。在上海某11OkV变电站进行了 基于EC61850标准的变电站信息一体化平台实施，接入了多个应用系统。该章详细 介绍了其平台组成、建模步骤、软硬件方案、性能指标等关键技术。 关键词：变电站自动化：IEC61850:通信网关；配置：集中式ED:图形化编程； 信息孤岛：信息一体化；动态建模
基于IEC 61 850标准的变电站自动化若干关键技术研究 计了一种图形化编程技术的IED开发方法，它基于IEC 61850标准，遵循IEC61 131．3 编程标准，因此不仅具有常规图形化编程的优点，而且提升了IED外在形态、内在 形态的标准性。设计了具体的lED软件方案，研究了图形化编程与lED数据存储区 的参数关联方法，为推进产品编程开发手段的灵活性、标准化，提高产品互换性提 供了详细解决方案。 ’． 第四章针对间隔层大量遗留的、不满足IEC 61850的IED，提出一种新颖的协 议映射方法一可扩展置标语言模式(XML Schema)元数据映射方法，基于该方法设 计了一种通过配置文件将间隔层遗留lED灵活配置成支持IEC 61850的通用网关， 该方法将遗留IED的协议与IEC 61850标准的映射模型通过配置文件方式载入IEC 61 850通用网关，从而实现遗留lED协议的灵活转换而具有通用性。 第五章提出一种遵循IEC61850标准的面向一次对象统一建模的变电站信息一 体化方案以消除信息孤岛。面向未来的自动化系统可采用基于强大的硬件平台的、 遵循IEC．61850标准的多功能集成式lED方案，即一个一次对象对应一台(或多台以 冗余)多功能IED-以实现原来多个应用系统分别对应的多台lED所完成的功能；对当 前遗留系统众多的变电站则在各应用系统之上增加信息一体化平台以接入不同应用 系统及lED，它统一对外通信硬件接口，统一对外发布生产及管理信息，确保信息 的一致性。重点对该平台模型的动态建模、异构系统概念对象模型的协同、异构系 统模型数据的适配等关键技术进行了分析研究。 第六章将本文的部分研究成果应用于实际工程。在上海某110kV变电站进行了 基于IEC 6 1 850标准的变电站信息一体化平台实施，接入了多个应用系统。该章详细 介绍了其平台组成、建模步骤、软硬件方案、性能指标等关键技术。 关键词： 变电站自动化；IEC 61 850；通信网关；配置；集中式IED；图形化编程； 信息孤岛；信息一体化；动态建模 Il
浙江大学博士学位论文 Abstract IEC 61850 is so far the most perfect international standard of communication network and system in substation published by IEC TC57.It will bring profound effect and reform to the operation and management of substation automation in China to realize digital substation.Compared with previous communication protocols,IEC 61850 has a huge and complicated technical system.Moreover,IEC 61850 itself and its application technologies are in continuous developing;as a complicated and systematic project with high comprehensiveness,Substation Automation System(SAS) consists of numerous devices and subsystems,at the same time,there are different degrees of correlation among these functions and subsystems.Thus,many deep researches are needed for IEC 61850's application in practical project.Many difficult problems need to be solved,such as new requirements for software scheme and development means of IED conformed to IEC 61850,how to access legacy systems and IEDs unable to conformed to IEC 61850,how to transform legacy communication network,and how to eliminate isolated island of information and to realize effective information integration,etc. In this dissertation,characteristic and connotation of IEC 61850,domestic and international research status are introduced first;A design scheme of centralized IED based on IEC 61850 is proposed later;General gateway for legacy IED to support IEC 61850 is designed,and graphic oriented development means for IED based on IEC 61850 is developed;Information Integration Platform (IIP)and its pilot site implementation in Shanghai Grid are described.At last,summary and prospect of future sduty is put forward.Main contents of this dissertation are as follows. In the first chapter,formulating background,main characteristics and present status of IEC 61850 study and application,both domestic and oversea,are introduced. Meanwhile,main technical obstacles and prevalent research problems in implementation and popularization process are analyzed.At last,the main content, innovation and chapter arrangement are stated. In the second chapter,limitations for existing IEDs based on the idea of hierarchical distributed automation to be conformed to IEC 61850 is analyzed,and then,substation global function oriented design scheme of NCIED conformed to IEC 61850,is proposed.Several existing IEDs on bay level are replaced by one NCIED with strong network interface function,which means that each existing IED is abstracted as a logical protection and control unit,named as logical device (LD). Every LD has its own functions independently and communicates with other IED through unified interface.Key technologies of software and hardware design have been studied.With the advantages of distribution and centralization,the total cost of SAS and network nodes is decreased significantly by using NCIED.It is beneficial to the coordination of different LDs and also to popularization and implementation of SAS,conformed to IEC 61850. In the third chapter,a design idea of IEC 61850 based on object model is analyzed
浙江大学1尊士学位论文 Abstraet IEC 61 850 is so far the most perfect intemational standard of communication network and system in substation published by IEC TC57．It will bring profound effect and refoITn to the operation and management of substation automation in China to realize digital substation．Compared with previous communication protocols，IEC 6 1 850 has a huge and complicated technical system．Moreover，IEC 6 1 850 itself and its application technologies are in continuous developing；as a complicated and systematic project with high comprehensiveness，Substation Automation System(SAS) consists of numerous devices and subsystems，at the same time．there are different degrees of correlation among these functions and subsystems．Thus，many deep researches are needed for IEC 61 850’s application in practical project．Many difficult problems need to be solved，such as new requirements for software scheme and development means of IED conformed to IEC 6 1 850．how to access legacy systems and IEDs unable to conformed to IEC 6 1 850．how to transform legacy communication network,and how to eliminate isolated island of information and to realize effective information integration，etc． In this dissertation，characteristic and connotation of IEC 61 850，domestic and international research status are introduced first；A design scheme of centralized IED based on IEC 61 850 is proposed later；General gateway for legacy IED to support IEC 6 1 850 is designed．and graphic oriented development means for IED based on IEC 6 1 850 is developed；Information Integration Platforill(1iP)and its pilot site implementation in Shanghai Grid are described．At 1ast,summary and prospect of future sduty is put forward．Main contents of this dissertation are as follows． In the first chapter，formulating background，main characteristics and present status of IEC 61 850 study and application．both domestic and oversea,are introduced． Meanwhile， main technical obstacles and prevalent research problems in implementation and popularization process are analyzed．At last,the main content．． innovation and chapter arrangement are stated． In the second chapter,iimitations for existing IEDs based on the idea of hierarchical distributed automation to be conformed to IEC 6 1 850 is analyzed．and then，substation global function oriented design scheme of NCIED conformed to IEC 6 1 850．is proposed．Several existing IEDs on bay level are replaced by one NCIED with strong network interface function,which means that each existing IED is abstracted as a logical protection and control unit,named as logi cal device(LD)． Every LD has its own functions independently and communicates with other IED through unified interface．Key technologies of software and hardware design have been studied．With the advantages of distribution and centralization．the total cost of SAS and network nodes is decreased significantly by using NCIED．It is beneficial to the coordination of different LDs and al so to popularization and implementation of SAS．conformed to IEC 6 1 850． In the third chapter，a design idea of IEC 6 1 850 based on object modelis analyzed． 1lI
基于EC61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 In order to realize communication services of IEC 61850 and ensure interoperability, software structure,external interface characteristic,and data structure of IED have its own speciality and complexity.Because of that,an advanced development tool is required for realization of IED software.A solution based on IEC 61850 is proposed in this chapter,which develops IEDs by means of IEC61131-3 standard based graphic oriented programming technique,speeds up IED software's development and enhances software's openness as well as other advantages owned by conventional graphic oriented programming technique.A software scheme is proposed and some key technologies,such as the parameter association between graphic oriented programming interface and IED's data memory,are researched.The solution is propitious to improve the flexibility of development and research,standardization and interchangeability of IEDs. In the fourth chapter,considering huge amount of legacy IEDs which are not conformed to IEC 61850,a new protocol-mapping method,named metadata-mapping using XML Schema technology to model metadata of protocol and protocol-mapping, is proposed.Then a configurable architecture of IEC 61850 gateway by metadata mapping is designed.The gateway loads files of the metadata models to realize mapping between different legacy protocols and IEC 61850.The novel gateway has generality because of flexible protocol conversion by configuration files. In the fifth chapter,an information integration platform IIP )conformed to IEC 61850using primary object oriented unified modeling,is proposed.Substation automation system faced to the future could use integrated IEDs based on IEC 61850, that is,one (or more than one as redundancy)multifunction IED corresponding to one primary object realizes functions;previously realized by several IEDs corresponding to several systems.For substation with many legacy systems,IIP above every application system could be adopted to access application systems and IEDs.The IIP unifies external hardware interface and releases production and management information in a unified way,thus ensures information consistency.Key technologies,such as dynamic modeling of platform model,coordination of concept object model of heterogeneous systems,adaptation of model data of heterogeneous systems,have been studied. In the sixth chapter,as an example of utilizing partial research results in practical project,an IIP is put into implementation in an 110kV substation in Shanghai.The IIP has accessed several main systems.Several key technologies of the IIP are described in this chapter,such as architecture of the platform,step of modeling,software and hardware scheme,performance index,and so on. Key Words:Substation Automation;IEC 61850;Communication Gateway; Configuration;Centralized IED;Graphic Oriented Programming; Information Island;Information Integration;Dynamic Modeling V
基于IEC 61850标准的变电站自动化若干关键技术研究 In 0rder to realize communication services of IEC 6 1 850 and ensure interoperability． software structure，external interface characteristic，and data structure of IED have its own speciality and complexity．Because of that，all advanced development tool iS required for realization of lED software．A solution based on IEC 6 1 850 iS proposed in this chapter,which develops IEDs by means of IEC61 1 3 1-3 standard based graphic oriented programming technique，speeds up IED software’S development and enhances software’S openness嬲well aS other advantages owned by conventional graphic oriented programming technique．A software scheme is proposed and some key technologies，such as the parameter association between graphic oriented programming interface and IED’S data memory，are researched．The solution iS propitious to improve the flexibility of development and research,standardization and interchangeability of IEDs． In the fourth chapter,considering huge amount of legacy IEDs which are not conformed to IEC 6 1 850，a new protocol·mapping method，named metadata-mapping using XML Schema technology to model metadata of protocol and protocol—mapping， iS proposed．Then a configurable architecture of IEC 6 1 850 gateway by metadata mapping iS designed．The gateway loads files of the metadata models to realize mapping between different legacy protocols and IEC 6 1 850．The novel gateway haS generality because of flexible protocol conversion by configuration files． In the fifth chapter,all information integration platform(IIP)，conformed to IEC 6 1 850 using primary object oriented unified modeling，is proposed．Substation automation system faced to the future could use integrated IEDs baSed on IEC 6 1 850． t11at is，one(or more than one aus redundancy)multifunction IED corresponding to one primary object realizes functions；previously realized by several IEDs corresponding to several systems．For substation with many legacy systems，IIP above every application system could be adopted to access application systems and IEDs．The IIP unifies external hardware interface and releases production and management information in a unified way，thus ensures information consistency．Key technologies，such as dynamic modeling of platform model，coordination of concept object model of heterogeneous systems，adaptation of model data of heterogeneous systems．have been studied． In the sixth chapter，aS an example of utilizing partial research results in practical project,an IIP iS put into implementation in all 11 OkV substation in Shanghai．The IIP haS accessed several main systems．Several key technologies of the IIP are described in tllis chapter，such as architecture of the platform,step of modeling，software and hardware scheme，performance index，and SO on． Key Words：Substation Automation；IEC 61 850；Communication Gateway； Configuration；Centralized IED；Graphic Oriented Programming； Information Island；Information Integration；Dynamic Modeling
渐江入学博士学位论文 第一章绪论 本章介绍了EC61850标准的制定背景，主要内涵，国内外研究现状及典型的实际工程 应用情况，论述了IEC61850标准在变电站自动化中的各种相关研究，引出了IEC61850标准 与数字化变电站的关系，指出了对基于IEC61850标准的变电站自动化和IED相关技术进行深 入研究和实践具有积极的理论意义和实用价值.最后对本文研究的主要创新点及研究内容、 章节安排做了说明， 1.1引言 变电站是电力系统的重要组成部分。二十年来，变电站自动化获得了快速发 展l-j],国内外多种变电站自动化系统(Substation Automation System,SAS)获 得了应用6)，通信技术成为变电站自动化的关键9。然而，由于变电站自动化对 应的通信协议标准的制定、执行具有一定的滞后性，导致了不同厂家自动化产品 间通信方式和传输协议的差异，变电站自动化系统内不同厂商的智能电子设备 (IED)之间无法直接互联，自动化功能受到了制约。为实现不同ED之间的互操作 和不同系统之间的无缝集成，国际电工委员会第57技术委员会(IEC TC57)制定了 关于变电站自动化系统和通信网络的国际标准—EC618501,目的是取消各 种协议转换，使变电站内不同厂家的ED之间通过一种标准协议实现互操作 (interoperability)和信息共享。采用该标准将大大提高变电站自动化系统技术水 平，提升变电站自动化系统安全稳定运行水平，为不同厂商的ED实现互操作和 系统无缝集成提供了途径☑，节约开发、验收、维护的人力物力以最大限度地 保护用户投资。 IEC61850标准由10个部分组成(ED1.0版共1085页)，它引入了大量其它专 业领域的技术思想和支撑工具（如计算机学科中的面向对象和类、工业自动化领 域中的MMS等)，是一个庞大、复杂的协议体系1。对用户而言，标准的技术难 度是“隐藏”的，用户看到的是更开放、灵活的系统设计和更先进的功能实现，而 设备制造商和系统集成商则需要更深厚的技术积累和具体详实的应用研究。 我国对EC61850标准应用价值的认识己经取得了一定的共识1s-16,2004年， 我国正式确定了将EC61850转化为国家标准，而且国家电网公司制定了未来5年 内研究和推广基于IEC61850标准的数字化变电站技术的实施方案，先后有20多 个网、省电力公司申报了数字化变电站示范工程项目。近年来已有多个基于EC 61850标准的变电站投入运行，它表明国内已经从标准研究开始过渡到工程应用 阶段。毋庸置疑，EC61850已成为变电站自动化系统特别是变电站内通信网络
浙江大学博士学位论文 第一章绪论 本章介绍了IEC 61850标准的制定背景，主要内涵，国内外研究现状及典型的实际工程 应用情况，论述了IEC 61850标准在变电站自动化中的各种相关研究。引出了IEC 61850标准 与数字化变电站的关系，指出了对基于IEC 61 850标准的变电站自动化和IED相关技术进行深 入研究和实践具有积极的理论意义和实用价值．最后对本文研究的主要创新点及研究内容、 章节安排做了说明。 1．1引言 变电站是电力系统的重要组成部分。二十年来，变电站自动化获得了快速发 展【l。5】，国内外多种变电站自动化系统(Substation Automation System，SAS)获 得了应用【6。8】，通信技术成为变电站自动化的关键【9】。然而，由于变电站自动化对 应的通信协议标准的制定、执行具有一定的滞后性，导致了不同厂家自动化产品 间通信方式和传输协议的差异，变电站自动化系统内不同厂商的智能电子设备 (1ED)之间无法直接互联，自动化功能受到了制约。为实现不同IED之间的互操作 和不同系统之间的无缝集成，国际电工委员会第57技术委员会(IEC TC57)匍J定了 关于变电站自动化系统和通信网络的国际标准——IEC 61850110l，目的是取消各 种协议转换，使变电站内不同厂家的IED之间通过一种标准协议实现互操作 (interoperability)和信息共享。采用该标准将大大提高变电站自动化系统技术水 平，提升变电站自动化系统安全稳定运行水平，为不同厂商的IED实现互操作和 系统无缝集成提供了途径【l卜12l，节约开发、验收、维护的人力物力以最大限度地 保护用户投资。 IEC 61850标准由10个部分组成(EDl．0版共1085页)，它引入了大量其它专 业领域的技术思想和支撑工具(如计算机学科中的面向对象和类、工业自动化领 域中的MMS等)，是一个庞大、复杂的协议体系【l31。对用户而言，标准的技术难 度是“隐藏”的，用户看到的是更开放、灵活的系统设计和更先进的功能实现，而 设备制造商和系统集成商则需要更深厚的技术积累和具体详实的应用研究【l 41。 我国对IEC 61850标准应用价值的认识已经取得了一定的共识【l孓№】，2004年， 我国正式确定了将IEC 61850转化为国家标准，而且国家电网公司制定了未来5年 内研究和推广基于IEC 61850标准的数字化变电站技术的实施方案，先后有20多 个网、省电力公司申报了数字化变电站示范工程项目。近年来已有多个基于IEC 61850标准的变电站投入运行，它表明国内已经从标准研究开始过渡到工程应用 阶段。毋庸置疑，IEC 61850已成为变电站自动化系统特别是变电站内通信网络
基于1EC61850标准的变电站自动化岩干关键技术研究 发展的必然趋势。深入、细致地对基于IEC61850标准的变电站自动化和IED相关 技术进行研究和实践具有重要的理论意义和实用价值。 1.2IEC61850及相关研究 1.2.1IEC61850标准的制定背景 自上世纪80年代以来，SAS一直是电力行业的热点，国内外很多电气设备制 造厂商相继推出了多种SAS产品。产品的多样性给用户带来更多选择的同时，也 带来不同厂商产品之间互操作的问题，在此背景下，新标准的制定呼之欲出。 1)现有变电站通信标准的不足 先进的通信技术是变电站自动化系统实现可靠、快速通信的重要保证，统一 的通信标准是其基本前提。IEC TC-57技术委员会曾制定了多种与SAS相关的通 信标准，主要有：①IEC60870-5远动设备及系统通信标准：②UCA公共设备通 信标准：③IEC60870-6计算机数据通信标准。 1EC60870-5由传输帧格式、链路传输规则、应用数据结构、应用信息元素的 定义与编码及基本应用功能5个部分组成。为满足不同应用领域的需要，ECTC57 的第3工作组(WG03)在IEC60870-5的基础上制订了一系列的配套标准，IEC 60870-5-10117用于常规远动，IEC60870-5-102181用于电能累计量传输，IEC 60870-5-1031用于继电保护信息传输，EC60870-5-10420则是EC60870-5-101 在TCP/IP上的应用。在变电站自动化系统中IEC60870-5-103是使用最广泛、影响 最大的一种。 IEC60870-5-103协议是在IEC60870-5系列标准的基础上，采用FT1.2异步式字 节传输的帧格式，对物理层、链路层、用户进程作了大量、具体的规定和定义， 详细说明了继电保护设备的信息接口，属于问答式POLLING)协议。该协议详细 地描述了遥测、遥信、遥脉、遥控、保护事件信息、保护定值、录波等数据传输 格式和传输规则，可满足变电站传输保护和监控的信息。 设备的互换性(Interchangeability)是IEC60870-5-103的预期目标。为此，协议 不仅规范了信息语义，而且也规范了部分保护功能2；此外，还通过“通用分类 服务”提供了信息扩展的功能（导致厂商都乐于使用原本用于向后兼容的协议私 有部分)。但由于信息语义未采用结构化的描述方法，导致了对信息的理解依赖 于上下文(Context),即信息语义不具有确定性。因此，EC60870-5-103在工程实 践中不仅没有达到预期的互换性，甚至采用同一协议的不同厂商的ED之间仍需 要通过大量的协商才能实现信息的互通，其开放性亦不能满足当今变电站自动化 技术的要求2
基T IEC 61 850标准的变电站白动化若干关键技术研究 发展的必然趋势。深入、细致地对基于IEC 61850标准的变电站自动化和IED相关 技术进行研究和实践具有重要的理论意义和实用价值。 1．2 IEC 61850及相关研究 1．2．1 IEC 61850标准的制定背景 自上世纪80年代以来，SAS一直是电力行业的热点，国内外很多电气设备制 造厂商相继推出了多种SAS产品。产品的多样性给用户带来更多选择的同时，也 带来不同厂商产品之间互操作的问题，在此背景下，新标准的制定呼之欲出。 1)现有变电站通信标准的不足 先进的通信技术是变电站自动化系统实现可靠、快速通信的重要保证，统一 的通信标准是其基本前提。IEC TC一57技术委员会曾制定了多种与SAS相关的通 信标准，主要有：①IEc 60870．5远动设备及系统通信标准；②UCA公共设备通 信标准；③IEC 60870．6计算机数据通信标准。 IEC 60870．5由传输帧格式、链路传输规则、应用数据结构、应用信息元素的 定义与编码及基本应用功能5个部分组成。为满足不同应用领域的需要，IEC TC57 的第3工作组(WG03)在IEC 60870．5的基础上制订了一系列的配套标准，IEC 60870—5．101t171用于常规远动，IEC 60870—5．102118l用于电能累计量传输，IEC 60870。5．1031191用于继电保护信息传输，IEC 60870．5．1041201则是IEC 60870．5．101 在TCP／IP上的应用。在变电站自动化系统中IEC 60870．5—103是使用最广泛、影响 最大的一种。 IEC60870．5．103协议是在IEC60870．5系列标准的基础上，采用FTI．2异步式字 节传输的帧格式，对物理层、链路层、用户进程作了大量、具体的规定和定义， 详细说明了继电保护设备的信息接口，属于问答式(POLLING)协议。该协议详细 地描述了遥测、遥信、遥脉、遥控、保护事件信息、保护定值、录波等数据传输 格式和传输规则，可满足变电站传输保护和监控的信息。 设备的互换性(Interchangeability)是IEC 60870．5．103的预期目标。为此，协议 不仅规范了信息语义，而且也规范了部分保护功能【2u；此外，还通过“通用分类 服务”提供了信息扩展的功能(导致厂商都乐于使用原本用于向后兼容的协议私 有部分)。但由于信息语义未采用结构化的描述方法，导致了对信息的理解依赖 于上下文(Context)，即信息语义不具有确定性。因此，IEC60870．5．103在工程实 践中不仅没有达到预期的互换性，甚至采用同一协议的不同厂商的IED之间仍需 要通过大量的协商才能实现信息的互通，其开放性亦不能满足当今变电站自动化 技术的要求121】
浙江大学博士学位论文 2)电子式互感器及智能断路器技术的发展 智能化开关2-2)、电子式互感器242河、一次设备在线状态监测27-28等技术日 趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，为变电站所有信息的采 集、传输实现全数字化处理提供了理论和物质基础。 2002年，EC根据新型电子式电压、电流互感器的发展趋势，制定了关于EVT 的EC6004472标准和ECT的IEC60044-830标准，明确了电子式互感器的定义及 相应的技术规范，大量电子式互感器产品已经被开发并有了运行经验31：3。 电子式互感器按原理不同可分为光学型和电原理型，国内外对两者都有深入 的研究2426,35-3)。光学型是利用光在电场或磁场中的偏转，根据偏转角度折算出 电场或磁场的大小，从而算出系统电压或电流值，因此光学型具有灵敏度高、绝 缘性能优异的特点，但是存在检测信号微弱、环境因素（温度、振动等）、光学传 感材料长期稳定性以及工艺技术等问题。光学型尽管在材料和检测方法上进行了 一些改进，但短期内不易实现工程应用。国外目前商业运行的多采用电原理型， 它实现简单可靠，稳定性好。国内的情况基本和国外相同，光学型互感器的研究 成分较多，电原理型的已大范围进入商业运行。电子式互感器按是否有电源可 分为无源式和有源式两类。所谓无源式电子互感器是指高压侧传感头部分不需要 供电电源的电子式互感器，而有源式电子互感器则指传感头部分需要供电电源的 电子式互感器。 图1.1概括了目前电子式互感器按原理的分类及采用的主要技术原理。 电子式互感器 电光效应 电效应 (OCT/OVT) (ECT/EVT) 法拉第效应 罗柯夫斯基线园 Faraday effec) Rogowski coi) 电流变换 电流变换 塞格奈克效应 带铁芯微型CT Sagnac effec) 普克尔效应 电容分压 Pockel efTect 电压变换 电压变换 逆压电效应 电阻分压 Inverse piezo effec) 图1.1电子式互感器分类 Fig.1.1 Catalog of electronic transducer 电子式互感器、智能断路器、通信技术是推动EC61850标准（尤其过程总 线)发展应用的重要动力。 3
浙江大学1尊士学位论文 2)电子式互感器及智能断路器技术的发展 智能化开关122之31、电子式互感器【24乏6】、一次设备在线状态监测【27之8】等技术日 趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，为变电站所有信息的采 集、传输实现全数字化处理提供了理论和物质基础。 2002年，IEC根据新型电子式电压、电流互感器的发展趋势，制定了关于EVT 的IEC60044．7t29】标准和ECT的IEC60044．8f30】标准，明确了电子式互感器的定义及 相应的技术规范，大量电子式互感器产品已经被开发并有了运行经验【3M41。 电子式互感器按原理不同可分为光学型和电原理型，国内外对两者都有深入 的研究【24-26,35-38]。光学型是利用光在电场或磁场中的偏转，根据偏转角度折算出 电场或磁场的大小，从而算出系统电压或电流值，因此光学型具有灵敏度高、绝 缘性能优异的特点，但是存在检测信号微弱、环境因素(温度、振动等)、光学传 感材料长期稳定性以及工艺技术等问题。光学型尽管在材料和检测方法上进行了 一些改进，但短期内不易实现工程应用。国外目前商业运行的多采用电原理型， 它实现简单可靠，稳定性好。国内的情况基本和国外相同，光学型互感器的研究 成分较多，电原理型的已大范围进入商业运行【321。电子式互感器按是否有电源可 分为无源式和有源式两类。所谓无源式电子互感器是指高压侧传感头部分不需要 供电电源的电子式互感器，而有源式电子互感器则指传感头部分需要供电电源的 电子式互感器。 图1．1概括了目前电子式互感器按原理的分类及采用的主要技术原理。 匝< 巨< 图1．1电子式互感器分类 Fig．1．1 Catalog of electronic transducer 电子式互感器、智能断路器、通信技术是推动IEC 61850标准(尤其过程总 线)发展应用的重要动力
基于1EC61850标准的变电站自动化岩干关键技术研究 ①电子式电压互感器(EVT) 根据IEC60044-7标准，EVT采用电阻分压器、电容分压器或光学装置作为一 次转换部件，利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电 子器件作测量信号的传输和放大，具有模拟量电压输出或数字量输出。 目前所研究的光学电压互感器大多是基于Pockels线性电光效应25-2。Pockels 线性电光效应的基本原理是：一束线偏振光通过有电场作用的Pockels晶体时其折 射率发生变化，使入射光产生双折射，从晶体中射出的两束线偏振光产生相位差， 此相位差与所用电光材料的电光系数、折射率、光波的波长及所加电场有关，当 选定电光材料且绝缘结构确定以后，相位差只与被测电压有关。 ②电子式电流互感器(ECT) ECT采用传统电流互感器、霍尔传感器、Rogowski线圈或光学装置作为一次 转换部件，利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电子 器件实现测量信号的传输和放大，它具有模拟量电压输出或数字量输出。 国内外电子式互感器的应用已逐步普及，并覆盖了各个电压等级1-34。ABB 公司已研制出多种无源电子式互感器及有源电子式互感器，在插接式智能组合电 器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS),高压直流(HVDC)及中低压开关柜中都有应 用。组合式光电互感器、GS中的复合式电子互感器已达到0.2级的准确度；数字 光学仪用互感器已有电压等级77-800KV,电流等级50-4000A的产品推向市场。 我国自二十世纪九十年代以来先后有清华大学、华中科技大学、中国电力科 学研究院等多家单位从事电子式电流、电压互感器的研究，有多种样机产品研 制出来，并取得了一定的运行经验。 ③智能断路器 集成智能开关设备系统中，目前SF6断路器的操作能量已减少到最初的20% 并可期望进一步减少到10%3河。操作能量的大幅度减少使断路器的断开与闭合， 由电力电子和微机组成的控制装置来代替常规的辅助开关继电器等有触点的控 制器来执行成为可能，同时为开关的智能化提供了可能。 集成开关设备系统的智能性主要表现在以下方面：按电压波形控制合闸角的 最佳灭弧时间控制跳闸以减少操作过电压，延长开关设备寿命，实现间隔内自动 闭锁和五防功能：保证设备和人身安全，就地实现重合闸，执行当地可以执行的 功能而不依赖站级的控制系统：实现设备在线自动监视和诊断，当设备出现缺陷 并在演变为故障前，发出报警信号，为状态检修提供参考。实现开关设备的智能 化，必须在断路器内嵌入电压和电流变换器及其数字光电量测系统，并作为智能 控制的输入。集成开关设备系统的智能性山微机控制的二次系统、人工智能接口 装置IED和相应的智能软件来实现。 总的来说，智能化一次设备及ECT、EVT由于成本、温度、稳定性等的制约， 4
基于IEC 61 850标准的变电站自动化若干关键技术研究 ①电子式电压互感器(EVT) 根据IEC60044．7标准，EVT采用电阻分压器、电容分压器或光学装置作为一 次转换部件，利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电 子器件作测量信号的传输和放大，具有模拟量电压输出或数字量输出。 目前所研究的光学电压互感器大多是基-于Pockels线性电光效应【25。26】。Pockels 线性电光效应的基本原理是：一束线偏振光通过有电场作用的Pockels晶体时其折 射率发生变化，使入射光产生双折射，从晶体中射出的两束线偏振光产生相位差， 此相位差与所用电光材料的电光系数、折射率、光波的波长及所加电场有关，当 选定电光材料且绝缘结构确定以后，相位差只与被测电压有关j ②电子式电流互感器(ECT) ECT采用传统电流互感器、霍尔传感器、Rogowski线圈或光学装置作为一次 转换部件，利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电子 器件实现测量信号的传输和放大，它具有模拟量电压输出或数字量输出。 国内外电子式互感器的应用已逐步普及，并覆盖了各个电压等级【31-34]。ABB 公司已研制出多种无源电子式互感器及有源电子式互感器，在插接式智能组合电 器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)，高压直流(HVDC)及中低压开关柜中都有应 用。组合式光电互感器、GIS中的复合式电子互感器已达No．2级的准确度；数字 光学仪用互感器已有电压等级77．800KV，电流等级50．4000A的产品推向市场。 我国自二十世纪九十年代以来先后有清华大学、华中科技大学、中国电力科 学研究院等多家单位从事电子式电流、电压互感器的研究，有多种样机／产品研 制出来，并取得了一定的运行经验。 ③智能断路器 集成智能开关设备系统中，目前SF6断路器的操作能量已减少到最初的20％ 并可期望进一步减少NlO％t39J。操作能量的大幅度减少使断路器的断开与闭合， 由电力电子和微机组成的控制装置来代替常规的辅助开关继电器等有触点的控 制器来执行成为可能，同时为开关的智能化提供了可能。 集成开关设备系统的智能性主要表现在以下方面：按电压波形控制合闸角的 最佳灭弧时间控制跳闸以减少操作过电压，延长开关设备寿命，实现间隔内自动 闭锁和五防功能；保证设备和人身安全，就地实现重合闸，执行当地可以执行的 功能而不依赖站级的控制系统；实现设备在线自动监视和诊断，当设备出现缺陷 并在演变为故障前，发出报警信号，为状态检修提供参考。实现开关设备的智能 化，必须在断路器内嵌入电压和电流变换器及其数字光电量测系统，并作为智能 控制的输入。集成开关设备系统的智能性由微机控制的二次系统、人工智能接121 装置lED和相应的智能软件来实现。 总的来说，智能化一次设备及ECT、EVTI扫于成本、温度、稳定性等的制约， 4
浙江大学博士学位论文 是数字化变电站实施的相对薄弱环节。 ④网络通信技术的发展 变电站自动化系统中，通信系统是信息利用和流动的枢纽，通信系统的信息 吞吐、处理能力、开放程度和运行可靠性是变电站自动化系统的主要指标。构建 可靠、实时、高效的网络体系是变电站自动化系统的关键之一o4),ED之间连 接全部采用高速的网络通信，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功 能装置变成了逻辑的功能模块。 随着以太网、光纤通信技术的发展，已经有越来越多厂家的间隔层装置支持 以太网通信24)。基于此技术，采用扁平化的通信结构，在站内可形成强大的数 字高速公路，将各个ED连接起来，实现所有一次、二次设备信息在光纤信息网 上交换，并对目前监视、控制、保护和计量等功能进行优化组合和系统集成，从 而形成高度集成的变电站自动化系统，这是变电站自动化系统的发展趋势1)。 其优势体现在：变电站电缆沟里数以几十、几百公里计的各种规格电缆，将被为 数很少的几根通信线所取代，大大节约变电站的新建或改造费用：采用通信连接 后的接口标准化，使变电站设备实现即插即用成为可能，方便调试维护，变电站 建设周期将大大缩短：整个变电站的信息容量将得到大幅度的提升，实现真正的 状态检修将成为可能，从而大大降低了整个变电站的运营维护成本。用以太网构 建EC61850标准所要求的变电站层和间隔层之间的透明的通信网络已经成为可 能4刀。 变电站通信网络的性能要求主要体现在可靠性、开放性、实时性、安全性四 个方面48-51川。 1.2.2IEC61850标准的主要内涵10,52-64 1994年，德国国家委员会率先提出制订通用SAS标准的建议；1995年，IEC TC57成立WG10/11/12三个工作组，开始着手制订新的SAS通信标准，其中WG10 负责变电站数据通信协议的整体描述和功能要求，WG11负责定义变电站层数据 的通信协议，WG12负责定义过程层数据的通信协议。 IEC61850标准主要为了实现以下目标： 1)互操作性 来自同一厂家或不同厂家的智能装置之间交换信息，正确使用信息协同操作 的能力，这是EC61850标准最基本的目标。 2)功能自由分布 功能自由分布强调了变电站自动化系统中的自动化功能的可分布性，而不仅 仅是自动化装置的分布，它可实现跨越自动化装置边界的自动化功能之间的协调 配合
浙江大学博士学位论文 是数字化变电站实施的相对薄弱环节。 ④网络通信技术的发展 变电站自动化系统中，通信系统是信息利用和流动的枢纽，通信系统的信息 吞吐、处理能力、开放程度和运行可靠性是变电站自动化系统的主要指标。构建 可靠、实时、高效的网络体系是变电站自动化系统的关键之一【40411，IED之间连 接全部采用高速的网络通信，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功 能装置变成了逻辑的功能模块。 随着以太网、光纤通信技术的发展，已经有越来越多厂家的间隔层装置支持 以太网通信【42矧。基于此技术，采用扁平化的通信结构，在站内可形成强大的数 字高速公路，将各个IED连接起来，实现所有一次、二次设备信息在光纤信息网 上交换，并对目前监视、控制、保护和计量等功能进行优化组合和系统集成，从 而形成高度集成的变电站自动化系统，这是变电站自动化系统的发展趋势f】-2]。 其优势体现在：变电站电缆沟里数以几十、几百公里计的各种规格电缆，将被为 数很少的几根通信线所取代，大大节约变电站的新建或改造费用；采用通信连接 后的接口标准化，使变电站设备实现即插即用成为可能，方便调试维护，变电站 建设周期将大大缩短；整个变电站的信息容量将得到大幅度的提升，实现真正的 状态检修将成为可能，从而大大降低了整个变电站的运营维护成本。用以太网构 建IEC 61850标准所要求的变电站层和间隔层之间的透明的通信网络已经成为可 能【44硼。 变电站通信网络的性能要求主要体现在可靠性、开放性、实时性、安全性四 个方面【48-511。 1．2．2 IEC 61850标准的主要内涵110’52崩l 1994年，德国国家委员会率先提出制订通用SAS标准的建议；1995年，IEC TC57成立WGl0／11／12三个工作组，开始着手制订新的SAS通信标准，其中WGl0 负责变电站数据通信协议的整体描述和功能要求，WGll负责定义变电站层数据 的通信协议，WGl2负责定义过程层数据的通信协议。 IEC 61850标准主要为了实现以下目标： 1)互操作性 来自同一厂家或不同厂家的智能装置之间交换信息，正确使用信息协同操作 的能力，这是IEC 61850标准最基本的目标。 21功能自由分布 功能自由分布强调了变电站自动化系统中的自动化功能的可分布性，而不仅 仅是自动化装置的分布，它可实现跨越自动化装置边界的自动化功能之间的协调 配合