IEC 61850、数字变电站和智能电网
作者：Niclas Wetterstrand 和 Andrea Bonetti
IEC 61850 于 2003 年作为数字变电站的标准推出，并广泛应用于此类应用。但从原则上讲，智能电网只是一个区域分布的变电站系统，因此 IEC 61850 与智能电网也非常相关，事实上，IEC 已将其指定为核心智能电网标准之一。
为了了解 Megger 在 IEC 61850 方面采取的措施，Electrical Tester 安排 Megger 保护行业总监 Niclas Wetterstrand 与 Megger 瑞典公司继电保护和 IEC 61850 高级专家 Andrea Bonetti 进行交谈。
NICLAS：Megger 从事数字变电站和智能电网工作多久了？
安德里亚： Megger 在 IEC 61850 方面有着悠久的工作历史。我们于 2008 年开始开发 GOOSER 和 MGC（Megger GOOSE 配置器），并因此获得了一些关键的开创性概念的专利，例如将网络数据与工程数据 (SCL) 进行比较，以及防止将 PC 连接到变电站通信网络的安全接入点。GOOSER 于 2009 年首次上市，现已停产。但是，它的功能嵌入在我们的 SMRT 和 FREJA 5xx 系列的继电器测试装置中。对于过程总线应用（采样值），我们在 2010 年实施了 IEC 61850-9-2 LE（精简版），当时我们参与了中美洲的一个调试项目。多年来，IEC 61850 已从第 1 版发展到第 2 版，现在又发展到第 2 版。1（实际上并不是一个包罗万象的新版本—— 我在《ET》杂志的第一期就向读者解释过这一点。在 Megger，我们的工作是遵循标准，并将新概念融入我们的硬件和软件工具中。
N： 我听到过很多关于 KEMA 认证的讨论。您能解释一下它是什么以及它与 Megger 产品有何关系吗？
答： IEC 61850 所谓的“KEMA 证书”实际上是来自认可测试机构的测试报告——这里指的是 KEMA（现为 CESI），尽管还有其他机构。该证书确认了在互操作性方面符合 IEC 61850 标准，并且由于它是由独立的认可测试机构出具的，因此被称为“A 级”证书。
“B 级”证书也确认了互操作性，但它是由非独立认证机构颁发的，例如瑞士的日立能源 IEC 61850 实验室。通常的做法是在产品首次发布时在 A 级进行测试，然后在 B 级进行后续的小调整或改进。Megger 拥有针对 GOOSE 和采样值的“A 级 KEMA”证书。众所周知，仅凭证书并不能完全确保互操作性。如果要顺利运行 IEC 61850 项目，则需要进行额外的测试并由最终用户提供良好的规范。认证是一项最低要求，表明制造商已尽其所能提供可靠的 IEC 61850 产品或工具。
N： 您提到了 GOOSE 和采样值。那么，IEC 61850 是一种新协议还是一系列新的通信协议，这样说对吗？
答： 这可能是关于 IEC 61850 最常见的问题，简单的答案是它不仅仅是一系列协议。IEC 61850 建立在三大支柱之上：标准信号列表、标准信息交换和标准系统工程。
N：从我们目前的讨论来看，我希望 GOOSE 和采样值成为标准信息交换的一部分。您能举一些其他两个支柱的例子以及它们之间的关系吗？
答： 你说得对，标准化协议是标准信息交换的一部分。不过，在继续讨论之前，我们还需要考虑一些事情。
标准信号列表提供了一种标准化方法来对系统、设备以及与系统和设备相关的信号进行建模。它通过定义称为逻辑节点 (LN) 的“基本功能”及其信号（即数据对象 (DO) 和数据属性 (DA)）及其描述（使用系统配置语言 (SCL)）来实现这一点。
一个关键的想法是，如果我们有一个描述系统的主 SCL 文件，它也会描述通过它的数据流量。另一个重要的想法是，我们可以将 SCL 文件视为变电站通信的指纹。
N：与简单的数据通信协议相比，这三大支柱有什么好处？
A： 我必须承认，我们多年来一直在问同样的问题！答案是，三支柱概念非常强大且面向未来。有些人甚至将其描述为美丽！但是，要了解它的好处，需要一些示例。让我们回到 SCL 文件，正如我所说，它可以被视为系统及其数据流量的描述。如果我们可以使用工具（有时称为数据嗅探）检测和测量此数据流量，我们可以将其与主 SCL 描述进行比较，如果存在差异，我们可以发出警告。这个想法最初是因为需要识别变电站中的互操作性问题而产生的。我们不会详细讨论这一点，但它仍然以这种方式使用。另一种可能性，正如我们已经说过的，是将 SCL 文件视为变电站通信的指纹。为了便于理解，我给出了一个 2020 年 IEEE GPECOM 上关于这些概念的主题演讲 。在一个小时的演讲中，我想我只提到了几分钟的通信协议！
N：有趣，但这实际上并不是接力测试，是吗？
答： 不，这超出了继电器测试的范围！由于该标准具有三支柱结构，因此它开启了一系列有待开发的可能性。Megger 自 2009 年初以来一直致力于将标准描述的数据模型与变电站中以 GOOSE 消息形式出现的实际数据流量进行比较。Megger 再次凭借这一开创性概念获得了专利。
这是可能的，因为 IEC 61850 不仅仅是一个协议标准：它提供了一种描述电气系统的方法。此描述以 SCL 语言形式化，最终可在 SCL 文件中获得。Megger 已为一些相关算法申请了专利，这些算法允许将 SCL GOOSE 与网络 GOOSE 消息进行比较。由于 SCL 文件是变电站通信的指纹，因此其想法是定期将实际通信与主（参考）指纹进行比较。这种比较为开发自动维护程序提供了极好的基础。Megger 就这些概念撰写了几篇论文；此外，Megger 还为斯德哥尔摩皇家工程学院 (KTH) 撰写了一篇关于 相同主题的重要论文：
N：为了进行这种比较，我们需要能够读取变电站中的 GOOSE 消息，并且我们需要读取 SCL 文件中的 GOOSE 消息。对吗？
答： 是的！用于此目的的工具称为 GOOSE 嗅探器。它是一种连接到变电站以太网总线的设备，可以透明地（被动地）读取流量，而无需将数据发送到系统中。Megger 的 GOOSE 嗅探器是 Megger GOOSE Configurator (MGC) 软件的一部分。该软件还可以读取 SCL 文件，因此我们有一个可以无缝处理来自网络和 SCL 文件的 GOOSE 消息的工具。
N：你的意思是我去变电站，读取所有 GOOSE 消息，然后从变电站 SCL 文件中导入 GOOSE 消息？
答： 是的！例如，变电站可能有 500 条 GOOSE 消息，我们也希望从 SCL 文件中获得 500 条消息。我们希望这两组中的消息是等效的。或者换句话说，我们希望变电站消息符合 SCL 文件中给出的描述。
N：你能举例解释为什么会有差异吗？
答： 在工程设计中，事情很少是完美的！不幸的是，在调试阶段，您不太可能只有一个版本的 SCL 文件。不同的供应商将使用他们自己的文件版本来编程他们的设备。如果最终的 SCL 文件没有完全更新最新信息，或者有些设备编程不当，变电站消息和 SCL 文件之间就会存在差异。
例如，在实际情况下，一个继电器可能停止服务。来自该继电器的 GOOSE 消息将从网络中消失，但它们仍存在于 SCL 文件中。因此，SCL 文件中只有 80 条变电站消息，但有 85 条消息。或者可能是有人对某些继电器进行了更改，但当被问及时，他们说他们没有更改任何内容。快速检查将显示这是否属实。或者以太网交换机可能已被具有不同设置的新交换机替换。这意味着 VLAN 现在不同了，这将导致错误和警告。
N：通过比较变电站和SCL文件消息，您在现场发现了哪些问题？
A： 到目前为止，我发现的问题包括以太网交换机被错误设置，这意味着一些 GOOSE 消息消失了，而其他一些消息则丢失了 VLAN 标记。我还看到过 IED 被重新配置，这意味着由于不同的配置修订 (ConfRev)，一些变电站消息没有合并（即“不同”）；IED 停止服务或断开连接，这意味着一些变电站 GOOSE 消息消失了；插入了额外的 IED，因此出现了新的变电站消息，而 SCL 文件并没有按预期进行更新。我甚至看到过这样的情况：系统集成商给客户提供了本应是竣工的 SCL 文件。然而，仅仅五分钟的测试就发现 GOOSE 流量和 SCL 文件之间存在很大差异——SCL 文件并没有反映变电站的情况！
N：在 SCL 文件中对变电站的正确描述有多重要？
答： 非常重要，因为 SCL 文件是发生意外情况时进行故障排除的基本文档。此外，它还是改造的基本文档。如果 SCL 文件不描述变电站，整个 IEC 61850 概念就会土崩瓦解。许多公用事业公司坚持在工厂验收测试 (FAT) 和现场验收测试 (SAT) 期间对竣工 SCL 文件和网络流量进行比较检查。错误的 SCL 文件意味着不接受和不付款！顺便说一句，当 SCL 文件描述变电站时，它被称为 SCD（变电站配置描述）文件。
N：那么，工厂验收测试是比较测试方法的另一种应用吗？
答： 是的，而且这是一个重要的应用。在最终用户手中，比较测试是一个强大的工具，使他们能够确定是否存在差异。如果有，则需要进行调查和解决。
几年前，我为 Megger 举办了一场 IEC 61850 培训课程。我解释了如何测试继电器，然后继续说，每个 Megger 用户都可以使用比较测试方法，尽管他们可能不知道可以用它做什么。第二天，十名参与者中只有两名参加了培训。当我问其他人时——想知道他们是否遇到了一个大变电站问题，因为他们都是公用事业员工——我被告知，由于我的演讲，他们全都在该地区检查他们的 SCL 文件！
N：如果我们在对比测试中收到 10 条不同警告，该怎么办？我们该怎么办？
答： 视情况而定。如果是工厂验收测试，可能只需写一份关于警告的报告，即可拒绝批准 SCL 文件。或者，您可能想参与调查差异发生的原因。如果使用得当，Megger 工具可以识别比较中的差异。手动确定差异可能非常困难，因此可以节省大量时间。该工具无法解决差异，但可以精确定位差异。
N：这一切听起来都会非常昂贵。
答： 实际上并非如此。每个 Megger 用户都可以使用比较方法，因为 IEC 61850 的 MGC 软件是 Megger 测试设备的标准配置。但许多 Megger 用户并没有意识到他们拥有它！我承认，这种方法确实需要一定程度的 IEC 61850 能力，这超出了“继电器测试”的范围，但一旦你习惯了它，它就不是什么难事了。即便如此，如果比较测试可以作为某种连续监控自动完成，效果会好得多。此外，我发现其他人最近才开始采用我们在 2009 年推向市场的这种手动比较概念。
N：自动比较测试有什么优点？
答： 我们谈论的是自我监督程序、自动维护程序、事件驱动维护等。与使用定期手动测试程序相比，实施这些程序的好处是它们大大提高了系统的可用性。
N：这些概念与智能电网有何关系？
答： 我认为主要问题之一是成本。没有人愿意为仍在正常运行的系统支付定期测试费用。一方面，我们希望获得尽可能高的可用性，另一方面，我们希望系统简单、便宜，并在需要维修时自动发出警报。因此，自动维护程序的开发将有助于智能电网在社会各个领域，甚至在我们家中的发展。
N：但是我们没有自动化系统……
答： 没错，目前还是手动的，但我们具备实施自动化系统所需的所有能力。Megger 需要的是一位友好的客户，他对这些主题很敏感，愿意与我们合作实施智能电网项目的自动比较测试。
N：Andrea，感谢您抽出时间参加这次采访。这次采访既有趣又发人深省。我希望您能得到一些积极的回应，帮助您寻找合作伙伴与您一起开发您的想法。另外，我想说的是，我们欢迎您对这次采访提出反馈意见，如果《ET》的读者有任何问题，请通过编辑（electricaltester@megger.com）转发给我们。