基于IEC61850的变电站自动化系统的应用研究
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摘要
我国变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平。如今新建变电站，无论电压等级高低，基本采用变电站自动化系统。许多老变电站也通过改造实现变电站自动化。变电站自动化化技术的广泛采用提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的能力，降低了变电站建设的总造价。随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，IEC61850全套标准的颁布实施，变电站中所有信息的采集、传输和处理全数字化的变电站将成为变电站自动化建设的必然趋势。
文章首先介绍了变电站自动化的发展历程及IEC对变电站自动化定义的基本概念，分析了变电站自动化系统现状及其局限性，然后深入分析了IEC61850系列标准及其特点，对基于IEC61850的变电站自动化系统的国内外研究现状及具体应用进行了分析，包括非常规互感器、网络通信技术、智能断路器等的基本特点，重点研究了数字化变电站信息的安全性及具体对策。文章的最后，分析并指出了IEC61850应用中的难点和局限性。
Substation automation technology in China has reached a well level after 10 years of development. Currently, nearly all new substations implement substation automation systems despite of their different voltage levels, and many old substations will achieve substation automation by reconstruction. The wide use of substation automation technology improves the modernization of the power grid construction, enhances the abilities of transmission, distribution and power grid dispatching, and reduces the overall cost of the substation construction. With the gradually developed technologies of intelligent switches, photoelectric current-voltage transformers, online detection of the primary operation equipments and the training simulation of the substation operation, the application development of the high-speed computer network in the real-time systems, and the implementation of the IEC 61850 standard set, the digital substation, which collects, transmits and processes all digital information, will become an inevitable trend.
This paper firstly describes the development process of the substation automation and the basic concepts of the definition of the substation automation in EC, analyses the status and limitations of the substation automation systems. Then, IEC 61850 series standard and its characteristics are further analyzed. Also, it analyses the research status and specific applications of the IEC61850-based substation automation systems, including the basic characteristics of the unconventional transformers, network communication technology and intelligent breakers, focusing on the information security and specific Countermeasures of the digital substations. In the end, it discusses the difficulties and the limitations in the IEC 61850 applications.
文章首先介绍了变电站自动化的发展历程及IEC对变电站自动化定义的基本概念，分析了变电站自动化系统现状及其局限性，然后深入分析了IEC61850系列标准及其特点，对基于IEC61850的变电站自动化系统的国内外研究现状及具体应用进行了分析，包括非常规互感器、网络通信技术、智能断路器等的基本特点，重点研究了数字化变电站信息的安全性及具体对策。文章的最后，分析并指出了IEC61850应用中的难点和局限性。
Substation automation technology in China has reached a well level after 10 years of development. Currently, nearly all new substations implement substation automation systems despite of their different voltage levels, and many old substations will achieve substation automation by reconstruction. The wide use of substation automation technology improves the modernization of the power grid construction, enhances the abilities of transmission, distribution and power grid dispatching, and reduces the overall cost of the substation construction. With the gradually developed technologies of intelligent switches, photoelectric current-voltage transformers, online detection of the primary operation equipments and the training simulation of the substation operation, the application development of the high-speed computer network in the real-time systems, and the implementation of the IEC 61850 standard set, the digital substation, which collects, transmits and processes all digital information, will become an inevitable trend.
This paper firstly describes the development process of the substation automation and the basic concepts of the definition of the substation automation in EC, analyses the status and limitations of the substation automation systems. Then, IEC 61850 series standard and its characteristics are further analyzed. Also, it analyses the research status and specific applications of the IEC61850-based substation automation systems, including the basic characteristics of the unconventional transformers, network communication technology and intelligent breakers, focusing on the information security and specific Countermeasures of the digital substations. In the end, it discusses the difficulties and the limitations in the IEC 61850 applications.
引文
1.IEC 61850-5. Communication Networks and Systems in Substations Part 5:Communication Requirements for Functions and Device Models. FDIS,2003
2.IEC 61850-6. Communication Networks and Systems in Substations Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs. CDV, 2002
3.IEC 61850-7-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-1:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Principles and models. FDIS, 2003
4.IEC 61850-7-2. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-2:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Abstract communication service interface(ACSI). FDIS, 2002
5.IEC 61850-7-3. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-3:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Common data classes. FDIS, 2002
6.IEC 61850-7-4. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes. FDIS, 2003
7.IEC 61850-8-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 8-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Mapping to MMS(ISO/IEC 9506 Part 1 and Part 2)over ISO 8802-3. WG, 2002
8．杜宇．IEC 61850变电站通信网络与系统实现的研究：[硕士学位论文]．北京：华北电力大学(北京)．2004
9．蔡永梁．IEC 61850的研究及其在故障信息系统中的应用：[硕士学位论文]．浙江：浙江大学．2003
10.IEC 61850《Communication networks and systems in substations》，2005
11.徐立子，《再论变电站自动化系统的分析和实施》，电网技术，第25卷第9期，2001年9月；
12.蔡运青，《北美变电站自动化现状》，电力系统自动化，第21卷第7期，1997年7月；
13.杨奇逊，《变电站综合自动化发展趋势》，中国电机工程学报，第16卷第3期；1996：
14.IEEE P1525，《Draft Standard for Substation Integrated Protection，Control and Data Acquisition Communications》，1999
15.章坚民，姜健宁，赵舫，蔡永梁，陈辛辛，马传思．IEC 61850在继电保护故障信息处理子站系统中的应用：电力系统自动化，2003，61～63；
16.操丰梅，任雁铭等，《变电站自动化系统互操作实验建议》，电力系统自动化，第29卷第3期，2005年2月；9
17.吴在军，胡敏强．基于IEC 61850标准的变电站自动化系统研究：电网技术，2003，61～65：
18.易本顺，刘延冰，阮芳，《光学电流传感器现场运行性能分析》，中国电机工程学报，第17卷第2期；1997；
19.Kobayashi A, Higaki M ,Mori E,etal. 《Development and field test evaluation of optical current and voltage transformers for gas insulated switchgear》IEEE Trans on Power Delivery, 1992, 7(2)
20.孙军平，盛万兴，王孙安，《新一代变电站自动化网络通信系统研究》，中国电机工程学报，第23卷第3期，2003年3月；
21.朱大新，《数字化变电站综合自动化系统的发展》，电工技术杂志，2001年第4期；
22．滕林，刘万顺，李贵存，贾清泉，李岩松，《光学电流传感器及其在继电保护中的应用》，电网技术，第26卷第1期，2002年；
23．刘青，王增平，徐岩等，《光学电流互感器对继电保护系统的影响研究》，电网技术，第29卷第1期，2005年；
24. Sanders, G.A., Blake, J.N., Rose, A.H., etc. 《Commercialization of fiber-optic current and voltage sensors at NxtPhase》, [C], Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, 2002. vol.1: 31-34.
25.聂一雄，尹项根，张哲等，《基于光学传感器和光纤网的变电站自动化系统构想》，中国电力，第24卷第8期；2001；
26.曾庆禹，《电力系统数字光电量测系统的应用及效益分析》，电网技术，第25卷第5期，2001年；
27.谭文恕，《变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍》，电网技术，第25卷第9期，2001；
28．任雁铭，秦立军，杨奇逊，《IEC61850通信协议体系介绍和分析》，电力系统自动化，第24卷第8期，2000年;
29. Klaus Peter Brand, Tesuji Maeda, 《First experiences with customer specification of IEC61850 based Substaion Automation System》, CIGRE 2005, Sept. Canada
30.吴在军，胡敏强，《基于IEC 61850标准的变电站自动化系统研究》，电网技木，第27卷第10期，2003年10月；
31.C. Hoga and G.. Wong,《IEC 61850：Open Communication in Practice in Substations》, IEEE, 2004
32.任雁铭，操丰梅，秦立军，杨奇逊《基于嵌入式以太网的变电站自动化系统通信网络》，电力系统自动化，2001年；
33.丁书文，《数字化变电站自动化系统的网络选型》，继电器，第31卷第7期，2003年7月；
34.卞鹏、潘贞存等，《SCL在变电站远程配置管理中的应用》，电力自动化设备，第24卷第4期，2004年4月；
35. John Burger, Charles Sufana, Mark Adamiak, etc, 《Application Considerations of IEC 61850/UCA 2 for Substation Ethernet Local Area Network Communication for Protection and Control》，IEEE PSRC H6 Special Report, 5-05-2005
36.高翔，周健，周红等，《基于IEC61850标准GOOSE在南桥监控系统应用实现》，电力系统自动化，第30卷第16期，2006年8月；
37.H.Schubert, G. Wong, 《IEC 61850-The Future Global Standard for Seamless and Vendor-Independent Communication Within Substations》，Siemens AG Germany
38．辛建波，段献忠，《基于优先级标签的变电站过程层交换式以太网的信息传输方案》[J]，电网技术，2004，28(22)；
39. Gary W. Scheer and David J. Dolezilek, 《Comparing The Reliability Of Ethernet Network Topologies In Substation Control And Monitoring Networks》,Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.Pullman, WA USA
40. Tor Skeie, Svein Johannessen, and φyvind Holmeide,《Timeliness of Real-Time IP Communication in Switched Industrial Ethernet Networks》, IEEE Transaction on Industrial Informatics, VOL.2, NO.1, FEB, 2006
41．吴在军，胡敏强，杜炎森，《变电站通信网络实时性能仿真分析》，电力系统自动化，第29卷第8期，2005年4月；
42．韩小涛，聂一雄，尹项根，《基于OPNET的变电站二次回路通信系统仿真研究》，电网技术，第29卷，第6期，2005年3月；
43. IEC/TR 62063,《High-voltage switchgear and control gear-The use of electronic and associated technologies in auxiliary equipment of switchgear and control gear》, 1999
44．高翔，张沛超，《数字化变电站主要技术特征和关键技术》，电网技术，2006年，12月；
45．徐宁，朱永利等，《基于IEC61850的变电站自动化对象建模》，电力自动化设备，第26卷第3期，2006年3月;
46. Drew Baigent, Mark Adamiak Ralph Mackiewicz,《IEC 61850 Communication Networks and Systems In Substations:An Overview for Users》
47．张沛超，高翔，《数字化变电站系统结构》，电网技术，2007年，1月;
48. Lars Anderson, Christoph Brunner.《Substation automation based on IEC 61850 with new process-close technology》, [C], 2003 IEEE PowerTech conference, Bologna, Italy.
49．高翔，《数字化变电站应用展望》，华东电力，2006年，8月；
50. John D Mcdonald, 《Substation Automation IED integration and availability of information》
51．章坚民，朱炳铨，赵舫等，《基于IEC61850的变电站子站系统建模与实现》，电力系统自动化，2004，V28(21)；
2.IEC 61850-6. Communication Networks and Systems in Substations Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs. CDV, 2002
3.IEC 61850-7-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-1:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Principles and models. FDIS, 2003
4.IEC 61850-7-2. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-2:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Abstract communication service interface(ACSI). FDIS, 2002
5.IEC 61850-7-3. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-3:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Common data classes. FDIS, 2002
6.IEC 61850-7-4. Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4:Basic communication structure for substations and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes. FDIS, 2003
7.IEC 61850-8-1. Communication Networks and Systems in Substations Part 8-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Mapping to MMS(ISO/IEC 9506 Part 1 and Part 2)over ISO 8802-3. WG, 2002
8．杜宇．IEC 61850变电站通信网络与系统实现的研究：[硕士学位论文]．北京：华北电力大学(北京)．2004
9．蔡永梁．IEC 61850的研究及其在故障信息系统中的应用：[硕士学位论文]．浙江：浙江大学．2003
10.IEC 61850《Communication networks and systems in substations》，2005
11.徐立子，《再论变电站自动化系统的分析和实施》，电网技术，第25卷第9期，2001年9月；
12.蔡运青，《北美变电站自动化现状》，电力系统自动化，第21卷第7期，1997年7月；
13.杨奇逊，《变电站综合自动化发展趋势》，中国电机工程学报，第16卷第3期；1996：
14.IEEE P1525，《Draft Standard for Substation Integrated Protection，Control and Data Acquisition Communications》，1999
15.章坚民，姜健宁，赵舫，蔡永梁，陈辛辛，马传思．IEC 61850在继电保护故障信息处理子站系统中的应用：电力系统自动化，2003，61～63；
16.操丰梅，任雁铭等，《变电站自动化系统互操作实验建议》，电力系统自动化，第29卷第3期，2005年2月；9
17.吴在军，胡敏强．基于IEC 61850标准的变电站自动化系统研究：电网技术，2003，61～65：
18.易本顺，刘延冰，阮芳，《光学电流传感器现场运行性能分析》，中国电机工程学报，第17卷第2期；1997；
19.Kobayashi A, Higaki M ,Mori E,etal. 《Development and field test evaluation of optical current and voltage transformers for gas insulated switchgear》IEEE Trans on Power Delivery, 1992, 7(2)
20.孙军平，盛万兴，王孙安，《新一代变电站自动化网络通信系统研究》，中国电机工程学报，第23卷第3期，2003年3月；
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22．滕林，刘万顺，李贵存，贾清泉，李岩松，《光学电流传感器及其在继电保护中的应用》，电网技术，第26卷第1期，2002年；
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24. Sanders, G.A., Blake, J.N., Rose, A.H., etc. 《Commercialization of fiber-optic current and voltage sensors at NxtPhase》, [C], Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest, 2002. vol.1: 31-34.
25.聂一雄，尹项根，张哲等，《基于光学传感器和光纤网的变电站自动化系统构想》，中国电力，第24卷第8期；2001；
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27.谭文恕，《变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍》，电网技术，第25卷第9期，2001；
28．任雁铭，秦立军，杨奇逊，《IEC61850通信协议体系介绍和分析》，电力系统自动化，第24卷第8期，2000年;
29. Klaus Peter Brand, Tesuji Maeda, 《First experiences with customer specification of IEC61850 based Substaion Automation System》, CIGRE 2005, Sept. Canada
30.吴在军，胡敏强，《基于IEC 61850标准的变电站自动化系统研究》，电网技木，第27卷第10期，2003年10月；
31.C. Hoga and G.. Wong,《IEC 61850：Open Communication in Practice in Substations》, IEEE, 2004
32.任雁铭，操丰梅，秦立军，杨奇逊《基于嵌入式以太网的变电站自动化系统通信网络》，电力系统自动化，2001年；
33.丁书文，《数字化变电站自动化系统的网络选型》，继电器，第31卷第7期，2003年7月；
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35. John Burger, Charles Sufana, Mark Adamiak, etc, 《Application Considerations of IEC 61850/UCA 2 for Substation Ethernet Local Area Network Communication for Protection and Control》，IEEE PSRC H6 Special Report, 5-05-2005
36.高翔，周健，周红等，《基于IEC61850标准GOOSE在南桥监控系统应用实现》，电力系统自动化，第30卷第16期，2006年8月；
37.H.Schubert, G. Wong, 《IEC 61850-The Future Global Standard for Seamless and Vendor-Independent Communication Within Substations》，Siemens AG Germany
38．辛建波，段献忠，《基于优先级标签的变电站过程层交换式以太网的信息传输方案》[J]，电网技术，2004，28(22)；
39. Gary W. Scheer and David J. Dolezilek, 《Comparing The Reliability Of Ethernet Network Topologies In Substation Control And Monitoring Networks》,Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.Pullman, WA USA
40. Tor Skeie, Svein Johannessen, and φyvind Holmeide,《Timeliness of Real-Time IP Communication in Switched Industrial Ethernet Networks》, IEEE Transaction on Industrial Informatics, VOL.2, NO.1, FEB, 2006
41．吴在军，胡敏强，杜炎森，《变电站通信网络实时性能仿真分析》，电力系统自动化，第29卷第8期，2005年4月；
42．韩小涛，聂一雄，尹项根，《基于OPNET的变电站二次回路通信系统仿真研究》，电网技术，第29卷，第6期，2005年3月；
43. IEC/TR 62063,《High-voltage switchgear and control gear-The use of electronic and associated technologies in auxiliary equipment of switchgear and control gear》, 1999
44．高翔，张沛超，《数字化变电站主要技术特征和关键技术》，电网技术，2006年，12月；
45．徐宁，朱永利等，《基于IEC61850的变电站自动化对象建模》，电力自动化设备，第26卷第3期，2006年3月;
46. Drew Baigent, Mark Adamiak Ralph Mackiewicz,《IEC 61850 Communication Networks and Systems In Substations:An Overview for Users》
47．张沛超，高翔，《数字化变电站系统结构》，电网技术，2007年，1月;
48. Lars Anderson, Christoph Brunner.《Substation automation based on IEC 61850 with new process-close technology》, [C], 2003 IEEE PowerTech conference, Bologna, Italy.
49．高翔，《数字化变电站应用展望》，华东电力，2006年，8月；
50. John D Mcdonald, 《Substation Automation IED integration and availability of information》
51．章坚民，朱炳铨，赵舫等，《基于IEC61850的变电站子站系统建模与实现》，电力系统自动化，2004，V28(21)；