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0. 引言
變電站綜合自動化在近年的飛速發(fā)展主要是由兩個原因的推動。一是IT技術與通信技術近些年來的突破性進展使得數字化變電站綜合自動化從技術和經濟角度而言成為可能。二是電力企業(yè)對提高工作效率、降低運營成本的重視以及日益認識到用電客戶端的服務對于電力企業(yè)效益的重要性。變電站綜合自動化的關鍵問題在于信息共享，須保證任何需要電力系統(tǒng)信息的部門在特定時間內獲得足夠的有效信息。對于這些信息的分析對制定電力系統(tǒng)優(yōu)化運行的決策具有重要的意義。目前在很多變電站綜合自動化系統(tǒng)中包含了豐富的有用信息，包括電力系統(tǒng)運行信息與非運行信息。所以當前的各地供電企業(yè)面臨的急切問題是如何制定統(tǒng)一標準的體系結構來提取這些電力系統(tǒng)運行和非運行信息并分析這些信息，來降低企業(yè)運營成本和提高企業(yè)效益。因此建立變電站自動化系統(tǒng)的開放式標準在當前是必要的和必需的。
1. 開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)
關于變電站綜合自動化，目前還沒有統(tǒng)一的工業(yè)標準定義。一般來說，是指將變電站的二次設備經過功能組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現對全變電站的主要設備和輸、配電的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能[1>。變電站綜合自動化的目標是將保護、控制、數據采集功能集成在最少的平臺上，以減少設備投資和運營成本，減少控制室面積，避免多余的設備和數據庫。智能設備（IED）作為綜合自動化系統(tǒng)的關鍵二次設備，具有一個或多個微處理器，可以從外部接受和向外部發(fā)送數據和控制（ 例如：電子式儀表、數字化繼電器、控制等 ）。
開放式變電站綜合系統(tǒng)化系統(tǒng)通過系統(tǒng)的功能接口抽象和通信的標準化，為綜合自動化提供了一個開放的統(tǒng)一平臺，滿足不同類型保護與控制設備的集成和交互。從另一角度而言，開放式的變電站綜合自動化建立在供應商的產品軟硬件接口的標準化基礎之上，不同廠家的產品可以在本地交互或者與遠方系統(tǒng)進行交互和信息共享。
開放式的變電站綜自系統(tǒng)給電力企業(yè)帶來的好處是降低投資風險和降低投資成本，允許現有變電站系統(tǒng)逐步升級改造而不是完全拋棄原來投資，而且為將來的系統(tǒng)改造也帶來便利。開放式系統(tǒng)帶來的好處還有延長系統(tǒng)壽命、變電站系統(tǒng)的功能易于擴展和兼容第三方產品等。
2. 開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)結構與對外數據傳送
2.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)的層次結構
按照開放式系統(tǒng)分層劃分的原則，我們可以將變電站綜合自動化可從設備角度劃分為一次設備層、IED應用層、IED綜合層、變電站自動化應用層和企業(yè)層。五層結構如圖1：
其中，一次設備層包括如斷路器、變壓器等電氣設備。IED應用層完成一次設備的數據采集、保護、控制與監(jiān)測等與一次設備相關的功能。IED綜合層建立在IED應用層的基礎上，借助于統(tǒng)一的通信接口，完成各種智能設備間的通信功能，并為將來可能的新型IED設備的接入預留接口。IED綜合層包括兩個層面：間隔層內IED設備的綜合和變電站層IED的綜合。變電站自動化應用層接收IED應用層的信息并進行處理，實現變電站內的協(xié)調控制，如電壓與無功控制等，并為上層提供變電站運行信息，同時接收上層發(fā)布的命令并執(zhí)行。最上層是企業(yè)層如各電力公司，利用下層信息制定電網運營決策，并向下層發(fā)布控制命令。從工程角度而言目前現場問題的焦點在于各智能設備間在變電站自動化平臺上的集成。
2.2 開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)對外的數據傳送通道
如下圖二所示：
從變電站到上層系統(tǒng)共有三條數據通道相連，包括SCADA系統(tǒng)、數據倉庫和遠端聯(lián)接智能設備。
（1）最為常用的數據路徑是變電站綜合自動化系統(tǒng)到SCADA系統(tǒng)的數據傳輸，包括變電站實時監(jiān)測信息（如電壓、電流等）、設備動作信息以及SCADA系統(tǒng)發(fā)布到變電站的控制命令。這些信息對于調度監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)是十分重要，必須在限定的較短時間內完成傳送和處理工作，所以對信道的要求很高。
（2）數據倉庫處理來自變電站綜合自動化系統(tǒng)的非運行信息（如設備檢修狀態(tài)等）。數據傳送的方式到底是從變電站主動送往數據倉庫，還是數據倉庫向變電站要求數據傳遞，還是兩者兼而有之，這個問題值得進一步探討。
（3）第三條數據通道是從遠端直接從智能設備獲取數據，如通過電話撥號方式。
3.實現開放式變電站自動化的通信協(xié)議
開放式變電站自動化系統(tǒng)平臺的建立關鍵問題在于通信的標準化。變電站中IED與綜合自動化的關系如下圖三所示：
如圖三所示，變電站綜合自動化是由多個IED組成。IED間相互通訊，并且執(zhí)行與變電站的應用層相互交互的功能（如與變電站層的網絡控制、遙信、人機接口等等功能交互）。IED包括例如間隔控制單元、保護繼電器、RTU、HMI、數字式電流/電壓互感器等等。變電站內部通信網相當于為變電站中的IED構造了集成平臺。
IEC61850系列標準是用來實現變電站中全部設備間的互操作性。變電站全部設備間的通信必須滿足變電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，其取決于生產廠家、用戶和現代技術水平。這就導致了變電站內存在通信接口問題。IEC61850系列標準支持功能的任意配置，并提供清晰的結構，以使標準可在較長的時間內滿足現場需求，且適應通信技術的快速發(fā)展。另外61850標準的絕大部分與實現無關，所以確保了IEC61850系列標準應用的靈活性。目前看來IEC61850系列標準為實現開放式變電站自動化系統(tǒng)平臺提供了可能。
3.1 IEC61850標準中的功能建模
IEC61850系列標準為了達到變電站實現分布和分配在各不同IED上的目標，將所有功能被分解成邏輯節(jié)點。這些節(jié)點可能分布在一個或多個物理設備上。為了實現邏輯節(jié)點間的數據變換，邏輯節(jié)點間通過邏輯連接（LC）相連。圖四中實現兩個功能F1和F2。F1功能分解成5個邏輯節(jié)點LN1、LN2、LN3、LN4、LN5；F2功能分解成三個邏輯節(jié)點LN3 、LN5、 LN6。而在實際中這兩個功能又由三個物理設備（IED）完成。如圖第一個物理設備中含有三個邏輯節(jié)點，第二個設備中含有兩個邏輯結點，第三個設備只有一個邏輯結點。它們之間的連線表示它們之間的通信聯(lián)系。（注：LN0是IEC61850標準中一個特殊定義的邏輯結點，表示每一個物理設備的自我描述，而且是固定的。）
3.2 IEC61850標準中的通信建模與映射
IEC61850標準中把通信技術本身和要實現的通信功能分開。因為通信技術發(fā)展過快，即使最新制定出的通信協(xié)議也可能不代表出版時的最新技術。IEC61850標準的規(guī)定了變電站功能和設備模型的通信要求，區(qū)分所有功能和通信要求。同時為支持功能的自由配置，對功能作了適當分解，分解成相互通信的邏輯結點，而且IEC61850標準中列出了變電站各邏輯結點要交換的數據和性能要求。從信息抽象的角度來看，變電站的配置工作就成為定義變電站中的數據流向。
為達到將通信的內容獨立出來的目的，IEC61850建立了數據模型，定義了很多對象（如數據對象、數據集、事件控制、報告控制、登錄控制）以及對象提供的服務（讀數、設定、報告、定義、刪除等）。下圖五描述IEC61850中通信映射的層次：
由圖中可看出IEC61850在兩個方面進行了標準化的工作，一是抽象通信服務接口，二是特殊通信服務映射。
抽象通信服務接口（ACSI）定義了獲取變電站層的數據對象的數據對象和方法。變電站層的數據對象指某應用的具體實例，而抽象通信服務接口定義的是獲取這些具體實例的方法和方法的載體數據對象，是一種抽象接口。通信對象服務不僅能夠讀寫對象值,而且也可以執(zhí)行其他操作如控制一次設備。
特殊通信服務映射(SCSM)定義的是這些對象和服務向網絡層的映射。按照應用的網絡層協(xié)議不同，映射方法也各不相同，由IED供應商自己定義，但是IED的抽象通信服務接口是相同的。
從上可以看出，IEC61850標準的制定原則和面向對象的建模方法保證了該標準的以后擴展性問題的解決和建立開放式變電站自動化系統(tǒng)可能性。
4. 開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)的安全問題
由于原來的SCADA和其他的控制系統(tǒng)都是一個獨立系統(tǒng)，是廠家的專有產品。它們的安全性來自于它們的硬件平臺和邏輯結構與外界不同。開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)基于開放的、標準的網絡技術之上。所有的供應商都可以開發(fā)基于因特網的應用程序來監(jiān)測、控制或遠方診斷，但是帶來的問題是可能導致計算機控制系統(tǒng)的安全性降低。對于電力系統(tǒng)這樣一個要求高可靠性和安全穩(wěn)定性的系統(tǒng)而言，安全問題尤其突出。因此對于開放式變電站綜合自動化系統(tǒng)的具體設計和實施而言安全問題十分重要。
可采用的技術措施分為兩類：加密技術與防火墻。前者對網絡中傳輸的數據進行加密處理,到達目的地址后再解密還原為原始數據,從而防止非法用戶對信息的截取和盜用。防火墻技術通過對網絡的隔離和限制訪問等方法,來控制網絡的訪問權限,從而保證變電站綜自系統(tǒng)的網絡安全。
4.1 數據加密技術數據
加密型網絡安全技術是通過對網絡中傳輸的信息進行數據加密來保障網絡資源的安全性,加密技術是保證網絡資源安全的技術基礎,是一種主動安全防御策略。常用的加密方法有對稱密鑰加密和非對稱密鑰加密兩種。從加密技術應用的邏輯位置來看,有面向網絡和面向應用的兩種。前者工作在網絡層或傳輸層,它對網絡鏈路上傳輸的所有數據都進行加密,因而對網絡的性能會有一定的影響。面向應用層的加密技術實現較為簡單,它允許用戶對加密對象進行選擇。
4.2 防火墻技術
防火墻是一種訪問控制技術,它用于加強兩個或多個網絡間的邊界防衛(wèi)能力。其工作方法是在公共網絡和專用網絡之間設立一道隔離墻,在此檢查進出專用網絡的信息是否被準許通過,或用戶的服務請求是否被允許,從而阻止對信息資源的非法訪問和非授權用戶的進入,它屬于一種被動型防衛(wèi)技術。建立防火墻時要求網絡具有明確的邊界和服務類型,這樣才能夠隔離內外網絡,達到防護目的。由于防火墻只能夠對跨越網絡邊界的信息進行監(jiān)測、控制,而對網絡內部人員的攻擊不具備防范能力。因此單純依靠防火墻來保護網絡的安全性是不夠的,還必須與其它安全措施（如前面介紹的加密技術等）綜合使用,才能達到目的。
5．可行性研究
開放式變電站自動化系統(tǒng)的試驗在國外已經開展，并在工程中逐步推廣。在功能規(guī)范和模型方面,IEC61850標準基本上覆蓋了參考開關間隔的功能及其要求,成功地建立了開關間隔對象模型。國外研究者采用以太網/MMS(message manufacturing specification)的方式測試變電站站級通信總線的通信性能，結果表明交換式以太網可滿足各等級變電站自動化系統(tǒng)的時間性能要求。在進行測試的開放式變電站自動化系統(tǒng)中各IED裝置通過以太網,采用MMS作為應用層協(xié)議,與變電站控制系統(tǒng)通信。IEC61850標準以面向對象和抽象的方法描述實際的應用,使之可適應技術的發(fā)展并延伸。所有在裝置中基于IEC61850文件建立的對象和服務模型都被映射成MMS中通用服務和對象。采用以太網/MMS通信,可方便的應用標準的以太網工具監(jiān)視MMS層上的數據流。所以以太網通信標準與MMS結合,加之IEC61850的應用描述,是將變電站控制系統(tǒng)變?yōu)殚_放式系統(tǒng)的一個可能的路徑。測試結果和工程經驗表明IEC61850將應用與通信分離和間隔功能的抽象的方法是處理復雜的變電站控制的可行途徑。以太網同上層協(xié)議結合,可將變電站控制與企業(yè)的Intranet相連,并可能通過Internet建立IED遠方診斷和維護。所以建立一個開放式的變電站自動化系統(tǒng)應該是國內目前很有前途的發(fā)展方向。
6．結論
綜上所述，建立開放式變電站自動化系統(tǒng)是現代技術發(fā)展的必然趨勢。目前來說應用IEC61850標準來建立開放式變電站自動化系統(tǒng)是可能的。但是開放式變電站自動化系統(tǒng)要特別關注系統(tǒng)的安全性要求。
