基于IEC61850的配网自动化开放式通信体系

摘要

随着国民经济的发展和社会的进步，人们对供电可靠性的要求越来越高。配电网是电力系统中面向最终用户的关键环节，也是目前制约供电可靠性提高的瓶颈所在。加强配电网建设，实施配网自动化，解决配电网“盲管”问题，对于提高供电质量，保障社会经济的健康持续发展，具有十分重要的意义。近年来，智能电网、智能配电网的兴起又进一步推动了配网自动化的建设。配电网的一个重要特点就是终端设备点多面广，这就导致了配网自动化建设和维护的成本都很高。目前采用的通信规约只解决了数据传输问题，数据含义(来源)不明，数据之间缺少必要的关联关系，终端设备缺乏自描述功能。如何实现大量配网自动化设备的有效接入和减少维护的工作量，一直是困扰配网自动化发展的一大难题。
　　 IEC61850为变电站自动化提供了统一的标准，为实现不同智能设备之间的互操作提供了基础。本文将IEC61850的技术和方法应用到配网自动化中，并结合目前广泛使用的IEC60870-5-104标准，建立一套开放式的通信体系，力图解决配电终端之间、配电终端与主站之间的通信问题，最终实现配电终端的即插即用，减少施工和维护的工作量。具体研究内容包括：
　　 (1)分析了IP网络在配网自动化中的应用和性能，认为IP网络是目前配网自动化的发展方向，能够满足配网自动化通信的要求。通信网络是配网自动化通信体系的基础，采用IP网络有助于实现配电终端之间的对等通信，可以更多的使用标准的通信设备，简化配电自动化网络的建设。配网自动化使用分层的IP网络，变电站与控制中心之间为主干网络、配电终端与变电站之间为分支网络，分析了主干网络和分支网络的数据流量。采用OPNET进行仿真，结果表明采用光纤通信的IP网络，报文的传递时间<10ms，完全能够满足配网自动化的需要。在已建成的广州供电局配网自动化系统中，采用了IP通信网络，实践证明报文的传递时间(光纤通道<1s，GPRS通道<2s)满足要求。
　　 (2)建立了以IEC61850为基础的配网自动化通信体系。总结分析了配网自动化通信体系的需求，包括通信接口、通信性能、数据刷新周期、配电终端的规模，将配网自动通信系统分为主站层、馈线层、终端层、过程层，提出了以IEC61850为基础，并结合其它通信规约的开放式配网自动化通信体系。对IEC61850的配置语言进行了相应的扩展，增加了对馈线、环网柜的描述。论述了采用IEC61850的配网主站与配电终端之间、配电终端与配电终端之间通信系统的结构。
　　 (3)结合配网自动化的特点，扩展了IEC61850的逻辑节点，建立了配电终端的信息模型。分析了配网自动化中的通信的功能应用，认为大部分功能可以采用IEC61850-7-4的逻辑节点进行建模，对于配网自动化中特有的小电流接地故障选线和定位结合目前常用的几种算法，建立了相应的逻辑节点。在使用这些逻辑节点的基础上建立了柱上开关FTU、环网柜FTU、配变TTU、小电流接地选线装置等智能设备的设备信息模型。
　　 (4)增加了Discover/Register模型，用于实现配电终端的即插即用。分析了配网自动化通信体系的信息交换模型，认为大部分可以采用IEC61850-7-2的抽象服务模型ACSI。为了实现配电终端与配网自动化主站之间的即插即用，提出了Discover/Register模型，用于主站发现新的配电终端和配电终端主动上报信息。
　　 (5)将配网自动通信体系的信息模型和信息交换模型映射到标准的通信规约上。将Discover/Register模型采用ASN.1表示，采用UDP通信，映射到IP网络。分析了GOOSE模型的实时性，提出了GOOSE模型的UDP映射方式，认为在配网自动化中UDP通信能够满足实时性的需求。对于核心服务可以采用MMS映射、Web Services映射、IEC60870-5-104映射。重点论述了Web Services映射和IEC60870-5-104映射，认为 Web Services映射适合进行信息模型的传输，IEC60870-5-104映射适合传输实时数据，将这两种映射相结合比较适合于配网自动化系统。
　　 (6)开发试验系统验证了本文提出的通信体系的可行性。试验系统包括配网主站配电终端数据采集模块Manager样机、配电终端FTU样机。Manager采用Visual C++编程实现了配电终端的自动发现、信息模型获取、实时数据接收等功能。FTU样机在科汇公司PZK-3平台的基础上实现了注册、信息模型发送、实时数据发送等功能。
　　 总结本文的主要研究工作，取得的创新性成果主要包括：
　　 (1)建立了基于IEC61850的配网自动化通信体系。该体系采用IEC61850的信息模型和信息交换模型，Web Services传输信息模型，IEC60870-5-104传输实时数据。
　　 (2)针对于配网自动化的特点，扩展了IEC61850的逻辑节点，定义了小电流接地故障选线、定位逻辑节点，建立了FTU的信息模型，扩展了IEC61850的应用范围。
　　 (3)建立了发现/注册模型，实现了配网自动化主站系统与配电终端之间的即插即用。主站通过发现(Discover)命令召唤终端设备信息，终端设备通过注册(Register)命令将设备信息向主站进行注册。
　　 本文提出的基于IEC61850的配网自动化通信体系，具有良好的开放性，能够促进配电终端信息模型的标准化，接口的规范化，提高设备之间的互操作性，实现即插即用，进而推动配网自动化、智能配电网的建设和发展。