开放式数字化变电站自动化系统的讨论

0. 引言
　　变电站综合自动化在近年的飞速发展主要是由两个原因的推动。一是IT技术与通信技术近些年来的突破性进展使得数字化变电站综合自动化从技术和经济角度而言成为可能。二是电力企业对提高工作效率、降低运营成本的重视以及日益认识到用电客户端的服务对于电力企业效益的重要性。变电站综合自动化的关键问题在于信息共享，须保证任何需要电力系统信息的部门在特定时间内获得足够的有效信息。对于这些信息的分析对制定电力系统优化运行的决策具有重要的意义。目前在很多变电站综合自动化系统中包含了丰富的有用信息，包括电力系统运行信息与非运行信息。所以当前的各地供电企业面临的急切问题是如何制定统一标准的体系结构来提取这些电力系统运行和非运行信息并分析这些信息，来降低企业运营成本和提高企业效益。因此建立变电站自动化系统的开放式标准在当前是必要的和必需的。

1. 开放式变电站综合自动化系统
　　关于变电站综合自动化，目前还没有统一的工业标准定义。一般来说，是指将变电站的二次设备经过功能组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能[1]。变电站综合自动化的目标是将保护、控制、数据采集功能集成在最少的平台上，以减少设备投资和运营成本，减少控制室面积，避免多余的设备和数据库。智能设备（IED）作为综合自动化系统的关键二次设备，具有一个或多个微处理器，可以从外部接受和向外部发送数据和控制（ 例如：电子式仪表、数字化继电器、控制等）。
　　 开放式变电站综合系统化系统通过系统的功能接口抽象和通信的标准化，为综合自动化提供了一个开放的统一平台，满足不同类型保护与控制设备的集成和交互。从另一角度而言，开放式的变电站综合自动化建立在供应商的产品软硬件接口的标准化基础之上，不同厂家的产品可以在本地交互或者与远方系统进行交互和信息共享。
　　开放式的变电站综自系统给电力企业带来的好处是降低投资风险和降低投资成本，允许现有变电站系统逐步升级改造而不是完全抛弃原来投资，而且为将来的系统改造也带来便利。开放式系统带来的好处还有延长系统寿命、变电站系统的功能易于扩展和兼容第三方产品等。

2. 开放式变电站综合自动化系统结构与对外数据传送
2.1 变电站综合自动化系统的层次结构
　　按照开放式系统分层划分的原则，我们可以将变电站综合自动化可从设备角度划分为一次设备层、IED应用层、IED综合层、变电站自动化应用层和企业层。五层结构如图1：

　　其中，一次设备层包括如断路器、变压器等电气设备。IED应用层完成一次设备的数据采集、保护、控制与监测等与一次设备相关的功能。IED综合层建立在IED应用层的基础上，借助于统一的通信接口，完成各种智能设备间的通信功能，并为将来可能的新型IED设备的接入预留接口。IED综合层包括两个层面：间隔层内IED设备的综合和变电站层IED的综合。变电站自动化应用层接收IED应用层的信息并进行处理，实现变电站内的协调控制，如电压与无功控制等，并为上层提供变电站运行信息，同时接收上层发布的命令并执行。最上层是企业层如各电力公司，利用下层信息制定电网运营决策，并向下层发布控制命令。从工程角度而言目前现场问题的焦点在于各智能设备间在变电站自动化平台上的集成。
2.2 开放式变电站综合自动化系统对外的数据传送通道
　　如下图二所示：

　　从变电站到上层系统共有三条数据通道相连，包括SCADA系统、数据仓库和远端联接智能设备。
　　（1）最为常用的数据路径是变电站综合自动化系统到SCADA系统的数据传输，包括变电站实时监测信息（如电压、电流等）、设备动作信息以及SCADA系统发布到变电站的控制命令。这些信息对于调度监视和控制电力系统是十分重要，必须在限定的较短时间内完成传送和处理工作，所以对信道的要求很高。
　　（2）数据仓库处理来自变电站综合自动化系统的非运行信息（如设备检修状态等）。数据传送的方式到底是从变电站主动送往数据仓库，还是数据仓库向变电站要求数据传递，还是两者兼而有之，这个问题值得进一步探讨。
　　（3）第三条数据通道是从远端直接从智能设备获取数据，如通过电话拨号方式。

3.实现开放式变电站自动化的通信协议
　　开放式变电站自动化系统平台的建立关键问题在于通信的标准化。变电站中IED与综合自动化的关系如下图三所示：

　　如图三所示，变电站综合自动化是由多个IED组成。IED间相互通讯，并且执行与变电站的应用层相互交互的功能（如与变电站层的网络控制、遥信、人机接口等等功能交互）。IED包括例如间隔控制单元、保护继电器、RTU、HMI、数字式电流/电压互感器等等。变电站内部通信网相当于为变电站中的IED构造了集成平台。
　　IEC61850系列标准是用来实现变电站中全部设备间的互操作性。变电站全部设备间的通信必须满足变电站中所完成功能的要求。然而各IED的功能配置以及控制策略不是固定的，其取决于生产厂家、用户和现代技术水平。这就导致了变电站内存在通信接口问题。IEC61850系列标准支持功能的任意配置，并提供清晰的结构，以使标准可在较长的时间内满足现场需求，且适应通信技术的快速发展。另外61850标准的绝大部分与实现无关，所以确保了IEC61850系列标准应用的灵活性。目前看来IEC61850系列标准为实现开放式变电站自动化系统平台提供了可能。
3.1 IEC61850标准中的功能建模
　　IEC61850系列标准为了达到变电站实现分布和分配在各不同IED上的目标，将所有功能被分解成逻辑节点。这些节点可能分布在一个或多个物理设备上。为了实现逻辑节点间的数据变换，逻辑节点间通过逻辑连接（LC）相连。图四中实现两个功能F1和F2。F1功能分解成5个逻辑节点LN1、LN2、LN3、LN4、LN5；F2功能分解成三个逻辑节点LN3 、LN5、 LN6。而在实际中这两个功能又由三个物理设备（IED）完成。如图第一个物理设备中含有三个逻辑节点，第二个设备中含有两个逻辑结点，第三个设备只有一个逻辑结点。它们之间的连线表示它们之间的通信联系。（注：LN0是IEC61850标准中一个特殊定义的逻辑结点，表示每一个物理设备的自我描述，而且是固定的。）

3.2 IEC61850标准中的通信建模与映射
　　IEC61850标准中把通信技术本身和要实现的通信功能分开。因为通信技术发展过快，即使最新制定出的通信协议也可能不代表出版时的最新技术。IEC61850标准的规定了变电站功能和设备模型的通信要求，区分所有功能和通信要求。同时为支持功能的自由配置，对功能作了适当分解，分解成相互通信的逻辑结点，而且IEC61850标准中列出了变电站各逻辑结点要交换的数据和性能要求。从信息抽象的角度来看，变电站的配置工作就成为定义变电站中的数据流向。
　　为达到将通信的内容独立出来的目的，IEC61850建立了数据模型，定义了很多对象（如数据对象、数据集、事件控制、报告控制、登录控制）以及对象提供的服务（读数、设定、报告、定义、删除等）。下图五描述IEC61850中通信映射的层次：

　　由图中可看出IEC61850在两个方面进行了标准化的工作，一是抽象通信服务接口，二是特殊通信服务映射。
　　抽象通信服务接口（ACSI）定义了获取变电站层的数据对象的数据对象和方法。变电站层的数据对象指某应用的具体实例，而抽象通信服务接口定义的是获取这些具体实例的方法和方法的载体数据对象，是一种抽象接口。通信对象服务不仅能够读写对象值,而且也可以执行其他操作如控制一次设备。
　　特殊通信服务映射(SCSM)定义的是这些对象和服务向网络层