智能变电站与IEC61850标准：实现高效、可靠能源输送

变电站作为电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电能流向和调整电压的电力设施，在电力系统中已广泛应用。其主要作用是改变电压等级，控制和分配电能，实现电能经济、灵活且远距离输送给用户使用的目的。随着科学技术的发展与进步，特别是工业自动化技术的融合，到上世纪末，自动化技术在变电站中已普遍应用，从而形成了变电站综合自动化系统。然而，随着计算机技术、电子技术及通信技术的发展，这种传统变电站已难以满足电能生产、输送、分配之可靠、智能、低碳、集成的要求。为此，人们提出了以基于先进传感、通信、控制、计算、仿真技术的电网智能化调度和运行控制技术为基础的第三代智能电网技术。针对以智能电网技术为基础的智能变电站技术，国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission）第57技术委员会于2003年正式颁布了应用于变电站通信网络和系统的国际标准IEC 61850标准，作为基于网络通信平台的变电站通用的国际标准。IEC 61850标准吸收了IEC 60870系列标准和UCA（Utility Communication Architecture，公用通信体系结构）标准的经验，同时吸收了很多先进的技术，其应用范围并不局限于变电站内，还运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统（SAS，Substation Automation System）的设计与应用产生了深远的影响。我国也于2004年颁布了对应的中文版DL/T 860—2004标准，并在国内大规模推广应用，其主要应用形式是遵循IEC 61850标准的全数字化智能变电站为代表。

按照IEC 61850标准的定义，所谓智能变电站（Intelligent Substation）是指采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。

智能变电站内的设备，依据其所处功能和地位，国际电工委员会（IEC）将各类设备归属到过程层、间隔层和站控层等这三个层次，并在IEC 61850标准中引入以太网通信技术到过程层，提供了智能变电站从开关、主变、电子式电流互感器和电压互感器等一次设备开始，向上到整个变电站全面数字化的技术方案，其典型结构如图2.1所示。

图2.1　智能变电站自动化系统结构图(www.xing528.com)

过程层：由电子式互感器ECT/EVT（Electronic Current Transducer/Electronic Voltage Transducer，电子式电流互感器/电子式电压互感器）、合并单元（MU，Merging Unit）、智能终端（或智能操作箱）等构成，它们与一次设备相配合完成相关的功能，主要包括实时电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。目前，智能变电站内实现开关、刀闸的控制功能和上送开关、刀闸的状态信号等功能主要是通过智能操作箱实现的，相关信息以开关量报文的形式上送到智能设备，其通信报文格式通常为面向通用变电站事件对象的GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events，面向通用对象的变电站事件）报文，而GOOSE报文的定义主要是参照IEC 61850标准第八部分的规定。合并单元完成对电子式互感器同步采样的控制和收集，并按照IEC 61850-9-1和9-2标准通过光纤以太网提供给间隔层的IED（Intelligent Electronic Device，智能电子设备）使用。

间隔层：包括测控保护装置、计量装置、录波装置、规约转换装置等，实现保护与测控功能。其主要功能是：汇集本间隔过程层的实时信息，实施对一次设备保护控制、间隔操作闭锁、同期及其他控制等功能；其中，数据采集、统计运算及控制命令等信息的发布功能是具有优先级别控制能力的；作为智能变电站三层结构中的中间层，同时高速完成与过程层及变电站层（站控层）的网络通信功能。

站控层：是整个智能变电站自动化系统的顶层；站控层包括变电站自动化系统站级的监视控制系统、站域控制、通信系统和对时系统等，实现对全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，完成数据采集和监视控制（SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。站控层可由多台计算机、服务器构成，其网络通信部分通常采用双网结构，提高通信的可靠性，以实现共用网络和共享信息的目的。

对于智能变电站的继电保护与自动装置来说，基础是由电子式互感器ECT/EVT进行数据采样送入合并单元（MU）而得到基本电气量数据，如图2.1所示；智能变电站的保护与测控装置（IED）本身不需要进行模拟数字量转换，此功能已被分布到ECT/EVT以及合并单元中实现，这些基本电气量的数字化数据通过光纤通信接口以SMV（Sampled Measured Value，采样测量值）报文的形式传输至继电保护及测控IED中，继电保护及测控IED通过接收SMV采样值报文获取数字化的电气量采样值，然后经IED数字化计算处理后，得到系统故障及测控信息，再通过IED的人机接口进行显示，或通过IEC 61850通信接口GOOSE报文进行事件状态或命令数据发布，一次智能开关设备根据GOOSE报文的命令，断开故障点断路器，切除故障点，使故障设备与系统脱离，实现继电保护与自动装置的功能。

通过以上分析可知，对于基于IEC 61850标准的智能数字化变电站中的继电保护与自动装置，其输入电气量信号为保护安装处的电压、电流SMV采样值报文，输出电气量为发出切除故障命令的GOOSE报文。因此，本教程的实验就是以智能数字式继电保护及自动装置设备为基础，通过生成和监测SMV采样值报文及GOOSE报文，实现智能变电站继电保护与自动装置原理及功能的实验与测试。