IEC61850建模

IEC61850建模（精选9篇）

IEC61850建模 第1篇

IEC 61850变电站通信网络和系统系列标准[1]已在实际变电站中得到越来越广泛的应用。目前,直流换流站的高压直流(HVDC)输电系统还没有使用IEC 61850。IEC 61850系列标准的设计对象是交流变电站系统,其中继电保护系统是其描述的重点[2]。由于IEC 61850系列标准是一个开放、可扩充的标准,任何变电站系统均可遵循一定规则[3,4],通过标准的补充(扩充)得到实现,HVDC输电系统也不例外。

交流站一个物理设备(如线路保护)仅面向少量的一次、二次设备;众多物理设备协同完成交流站全站一次、二次设备的操作和管理。然而,在直流换流站中一个物理设备(控制或保护系统)需要面向全站一次、二次设备。IEC 61850系列标准涉及的对象设备没有涵盖部分直流换流站中设备;HVDC输电控制保护系统中状态和控制方式更没有涉及。本文探讨了HVDC输电控制保护系统IEC 61850模型的实现,重点描述逻辑节点类型和数据对象类等的扩充。

1 保护模型

1.1 逻辑节点类型的扩充

直流输电系统保护原理和实现方法与交流保护大不相同,特别是定值配置。本文保留逻辑节点(LN)类(基类)不变,设计新的LN类型。部分扩充的LN类型如表1所示。

下面举例描述LN类型的详细设计。表1中PCFP-MAIN详细设计如表2所示(从状态信息开始;从通用LN类中继承的所有强制数据没有包括在表格中,下同),其中,M表示强制属性,O表示可选属性。

1.2 逻辑设备

直流保护系统通常有不同的保护分区,如换流器区、直流场区、线路区和双极区等。一般,所有保护在一个物理设备中完成。将不同的保护分区设计成不同的逻辑设备,有利于后台结构清晰地显示直流保护系统配置的信息。如果一个系统中存在保护和启动2种逻辑和算法,可以将它们设计成不同的逻辑设备。

表3所示为部分逻辑设备定义实例。其他逻辑设备还有LINEPR(线路区保护)、BIPOLEPR(双极区保护)、CONVQD(换流器区启动)、POLEQD(极区启动)、LINEQD(线路区启动)、BIPOLEQD(双极区启动)等。

1.3 保护动作矩阵(PAM)

直流系统保护动作后的处理策略有30余种。不同原理和类型保护选择的处理策略不同。直流PAM可灵活配置直流系统保护动作后的处理策略。

常规PAM为2020方阵;包含20个32位整型定值(实际使用低20位),20个输入和20个输出。这些信息均需通过IEC 61850模型在保护工程师工作站上显示或修改。其LN如表4所示(从状态信息开始)。表中,PamId用于区别不同的PAM。

2 控制模型

2.1 事件

直流换流站绝大部分设备运行方式的变化,以及控制保护系统中状态和控制方式的变化,均需通过“事件”在运行人员工作站上显示。在IEC 61850系列标准文档中几乎找不到直流控制系统中的事件设计模型。

数据对象类DOClass的扩充:直流系统事件带有数据信息,例如:电流值、操作台/操作员名称等,这些数据信息必须包含在数据对象类DOClass中。作者扩充一些数据对象类DOClass,例如:SPS-V1C(含带一个字符型数据信息的单点状态类)、SPS-V3F(含带3个浮点型数据信息的单点状态类)等。表5描述了SPS-V1C定义(仅显示增加部分(黑体),以及原SPS定义),其中,FC表示功能约束,C表示条件属性。

LN类LNClass的扩充:原则上按照直流控制系统功能模块进行LNClass的扩充,例如:EMSQ(模式顺序事件)、ECFC(触发控制事件)、EPPC(功率电流控制事件)、ERPC(无功控制事件)、EOLL(过负荷逻辑事件)、ESSQ(顺序控制事件)、ETCC(分接头控制事件)、EMOD(功率调制事件)、EOLT(开路试验事件)等。

表6列出了LN类EMSQ的部分定义(从状态信息开始)。

2.2 遥控

由于需要对换流站的大部分设备以及控制系统本身状态进行控制,所以HVDC输电控制系统需要控制的节点数目非常多。设计时需要充分考虑这一特点。标准中控制LN(如GGIO[5])不能完全满足这些特点。

扩充数据对象类DOClass分单点遥控和双点遥控。双点遥控如表7所示(其中黑体为扩充部分)。

扩充一个含10个控制节点的通用LN类LNClass(见表8,从控制开始)以适应直流控制系统包括众多遥控对象的特点。

为了方便查找和识别遥控LN的遥控对象,对遥控LNTypes进行扩充(基类LNClass都采用“通用的遥控逻辑节点类型”)。遥控LNTypes的扩充:原则上按照直流控制系统功能模块进行扩充,例如:CMSQ-RC(模式顺序控制)、CCFC-RC(触发控制)等。

2.3 遥调

扩充数据对象类DOClass:APC-HVDC。类似遥控表7,没有联锁信息(permit-open/permit-close),stVal用setMag(FC=MX)代替。

由于极控系统的遥调对象数目远小于遥控对象数目,扩充含5个调节节点的通用LN类LNClass以适应直流控制系统包括不多遥调对象的特点,类似表8。

同样,类似于遥控,对遥调LNTypes原则上按照直流控制系统功能模块进行扩充。

2.4 遥测[6]/遥信

常规直流输电控制系统约有50个遥测量;遥信量中开关/刀闸等位置信号占大部分。开关/刀闸等对象全部受运行人员工作站控制;也就是说,在遥控LN中有开关/刀闸的状态描述。在遥控LN中有状态描述的遥信量无需重复定义,可直接使用。

作者增添一个逻辑节点RMRS描述直流输电控制系统中的遥测量和遥信量(在遥控LN中没有状态描述)。部分内容如表9所示(从状态信息开始)。

2.5 讨论

本文控制系统LN采用功能进行分类:一是四遥类和事件类;二是直流控制系统功能模块类(面向对象)。属于部分面向对象分类。

直流输电控制系统LN的分类也可以采用IEC 61850推荐的面向对象的分类方法。可以预见,这样的全部面向对象分类会使部分LN中数据对象(DO)非常多;并且这些LN的重用性及各个工程间的互用性很差。另外,LN数目的异常庞大在实际使用中也可能带来其他问题。

3 系统相关的扩充

HVDC输电控制和保护系统通常有下列状态和属性(系统信息):值班/备用(Active/StandBy)系统、A/B系统、极1/极2系统等。

扩展公共数据属性类型中的Quality字[7]如表10所示,其中第13位、14位、15位为扩展位(用黑体突出显示)。

值班/备用等系统信息在直流输电系统后台显示和处理中有着重要意义,例如数据是否有效、事件过滤等。IEC 61850系列标准中,所有数据传送都可以选择携带Quality字。这也是作者选择扩展Quality字实现值班/备用等系统信息传送的原因。

4 结语

本文探讨了直流输电工程控制和保护系统的IEC 61850模型建立问题,重点对采用扩展DO和LN的方法加以描述。控制系统分事件和四遥进行模块分类,结合面向控制对象分类;保护系统采用面向对象模块分类方法,并对动作矩阵进行了IEC 61850建模。基于本文工作的科技项目已通过验收,相关IEC 61850模型完全实现了四遥、事件、保护定值等各项功能。

感谢冯亚东、陈未远同志以及本课题组相关同志对本文工作的帮助和有益的探讨。

参考文献

[1]IEC61850Communication networks and systems in sub-stations.

[2]IEC61850-7-4Communication networks and systems in sub-stations:Part7-4basic communication structure for substationand feeder equipment—compatible logical node classes and data classes.2003.

[3]张结,黄德斌,唐毅.应用标准与IEC61850的引用和兼容关系.电力系统自动化,2004,28(19):88-91.ZHANGJie,HUANG Debin,TANG Yi.Application standard and IEC61850’s reference and compatible relations.Automation of Electric Power Systems,2004,28(19):88-91.

[4]何卫,唐成虹,张祥文,等.基于IEC6850的IED数据结构设计.电力系统自动化,2007,31(1):57-60.HE Wei,TANG Chenghong,ZHANG Xiangwen,et al.Design of data structure for IED based on IEC61850.Automation of Electric Power Systems,2007,31(1):57-60.

[5]孙一民,陈远生.母线保护装置的IEC61850信息模型.电力系统自动化,2007,31(2):51-54.SUN Yimin,CHEN Yuansheng.An IEC61850standard communication model for bus protection.Automation of Electric Power Systems,2007,31(2):51-54.

[6]殷志良,刘万顺,杨奇逊,等.基于IEC61850标准的采样值传输模型构建及映射实现.电力系统自动化,2004,28(21):38-42.YI N Zhiliang,LI U Wanshun,YANG Qixun,et al.Modeling and mappingimplementation of a sampled value model based on IEC61850.Automation of Electric Power Systems,2004,28(21):38-42.

IEC61850建模 第2篇

关键词：CDT；IEC61850；协议转换；通信协议

中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0023-02

1 通信协议转换概述

通信协议的转换，需要系统能够对互相转换的协议进行支持，也就是说能够在系统中实现这些通信协议。通信协议的实现涉及具体的应用系统，当确定采用某种通信协议后，应该按照通信协议对于各个层次的规定进行硬件系统和软件系统的构建。

要解决不同协议的智能电子设备之间的通信，通常采用的办法是将变电站通信系统内的物理设备以及用于通信的软件进行升级、更新或者直接更换。这种工作模式需要把变电站中的许多正常工作的设备都替换下来，这种做法使得成本过高并且浪费设备。为此我们将一个转换网关加入到远程终端设备外并且将该网关接入无缝远动体系，就能够解决替换设备成本过高的问题，如图1所示：

2 CDT协议向IEC61850转换方案

在众多的变电站自动化协议中，CDT协议由于其简单、稳定性强，在我国得到了广泛应用，我们采用CDT协议作为传统变电站协议的代表向IEC61850协议进行转换设计。本文利用IEC61850-6定义的变电站配置语言采用的XML文件作为这两种协议转换的中间桥梁，先把CDT报文数据准换成XML文件，再把转换好的XML文件转换成IEC61850协议的报文数据格式ASN.1，如图2所示：

2.1 CDT协议向IEC61850转换流程

IEC61850协议采用SCL语言描述变电站自动化系统的相关配置，生成XML文件作为配置文件。本文就是利用XML文件作为协议转换的一个中间桥梁，先将传统的变电站通信协议的报文数据解析成为可用的变电站信息，建立数据模型后，采用XML进行描述，生成XML文件，再将生成的XML文件转换成为IEC61850协议报文数据，这里需要用到ASN.1编码来表示符合IEC61850协议规定的报文数据。具体的转换流程如图3所示。

2.2 CDT协议帧结构分析

CDT协议中规定的数据帧的结构如图4所示，数据帧由同步字、控制字、信息字、校验码组成，多数的数据帧都有信息字，信息字的个数可以根据需要进行添加。由于信息字的个数未知所以所发送的数据帧的长度也不一样，在发送CDT报文时，按照“先低后高”的原则进行发送，先发送低字节的码，然后再发送高字节的码，在同一个字节内，优先发送低数据位，然后再发送高数据位。

2.3 建立CDT协议中的变电站遥信数据与IEC61850模型映射

在IEC61850标准中没有明确地规定如何建立逻辑设备的模型，所以可以根据实际的变电站信息进行建立逻辑设备模型。变电站系统的远程信息中心为了对变电站系统中的智能电子设备进行监控，依靠间隔层的接口与现场设备相互通信进而进行指令发布。逻辑设备下面有划分逻辑

节点。

2.4 使用配置文档描述

XML是一种简捷、高效的文本文档，标记语言具有可扩展性和可移植性。XML语言主要是用来处理INTERNET的数据交换和业务交换，IEC61850协议中使用的XML-Schema是一种特殊的XML文档，它的语法规则与XML文件的语法规则基本相同。IEC61850标准采用XML文件来描述变电站、智能电子设备、通信系统等模型，并给出了建立各种模型描述文档时所需要的XML模式（Schema）。采用正确的XML模式描述文件能够使不同生产厂家生产的智能电子设备的管理工具和系统管理工具之间达到互操作性，使不同的变电站设备之间相互交换自身的配置文件信息以及变电站的相关信息。

2.5 将XML文档转换为IEC61850协议使用的编码规范ASN.1

ASN.1（Abstract Syntax Notation One）是一种标准的抽象语法定义描述语言，与平台和编程语言无关，它的作用之一就是具体描述各种通信协议。ASN.1的另一个重要作用就是对已描述的结构化信息进行编码。IEC61850的制造报文规范MMS就采用了ASN.1来作为其数据结构定义描述工具与传输语法，在传输方面，采用数据流来表示抽象语法所描述的数据结构。

XML文档转换成ASN.1分为两个过程：

第一步是完成数据信息的提取，系统首先解析XML Schema文档，生成相应的DOM树，在遍历DOM树的同时执行相应的语义动作，提取语义信息，生成反映数据信息的核心语义数据结构。

第二步是目标数据生成阶段，根据XML的文档解析生成的DOM树，遍历核心语义数据结构，并插入相应语义动作，生成目标数据。在进行语法分析时首先要创建组件类，XML Schema由许多不同类型的组件构成，每个组件作为一个语法单元，这些语法单元不同组合描述了XML数据的信息。采用面向对象技术将语法单元封装成类，每个类中既有语法分析又有语义处理行为，使得语法单元之间具有独立性。

3 结语

本文主要对自动化系统协议转换进行了研究，分析了变电站自动化系统的结构形式和变电站系统的基本通信结构，提出了CDT协议向IEC61850转换的方法，使不同的电力设备进行互相通信，实现设备的互操作。

作者简介：于大全（1987—），男，山东海阳人，鸡西大学电信系助教，硕士，研究方向：电气自动化。

IEC61850建模 第3篇

关键词：IEC61850,IED,建模,工程,《DL/T860实施技术规范》

0 引言

IEC61850变电站通信网络和系统标准,是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统的唯一国际标准[1]。该标准详细阐述了分层的变电站通信体系结构,通过定义抽象的类和服务,实现了应用和通信的解耦,为不同生产厂商的智能电子设备(IED)之间实现互操作性和系统无缝集成提供了途径。它的推广和应用为变电站自动化系统实现全数字化奠定了基础。

IEC61850的核心内容包括:采用面向对象建模技术对变电站功能和智能电子设备建模;为实现应用与通信分离,采用抽象通信服务接口映射到具体通信协议栈;基于扩展标识语言(XML)的变电站配置语言(SCL)对系统和智能设备进行配置。其中,利用面向对象的统一建模技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口对实际IED进行建模是IEC61850标准应用的关键[2]。

IEC61850在保护建模方面与国内的继电保护应用现状还有一定的差距,为满足国内需求,国家电网公司发布了《DL/T 860实施技术规范》。本文依据IEC61850建模思想,以某中压线路微机保护装置为例,结合实施技术规范,重点阐述IED工程化建模时所遇到的一些问题及解决方法。

1 IEC61850中的IED建模技术

1.1 IEC61850建模技术

变电站自动化系统由IED组成,并由分布于IED中LD的LN交互完成其系统功能。IEC61850-7部分采用面向对象的建模技术,描述了若干类以及这些类的特征和类的服务。这些类描述了变电站自动化通信系统模型的层次结构:服务器、逻辑设备、逻辑节点和数据对象等部分,如图1所示[3]。

IED的分层信息模型自上而下分为4个层级:Server(服务器)、Logical Device(逻辑设备)、Logical Node(逻辑点)、Data Object(数据对象)。每个IED包含一个或多个服务器,每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包括逻辑节点,逻辑节点包含数据对象,数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。任何一个客户都可以通过抽象通信服务接口(ASIC)和服务器通信访问数据。

1.2 IED建模思想

IEC61850关注的是可以在网络上传输的信息。所谓建模,就是把功能可以对外交互的信息组织在模型中,并建立合适的通信服务以确定信息的传输方式和过程。基于IEC61850的IED建模思想是:对实际间隔层设备功能进行抽象,依据面向对象思想分析设备的逻辑构成,对传统的过程化流程实现的功能进行解耦分析,抽象出设备所含有的逻辑节点以及每个逻辑节点所含的参数、属性,找出逻辑节点之间的数据流向,再利用统一建模语言工具对其进一步分析[4]。

在对一个IED装置进行建模时,首先要确定该IED具有哪些功能,哪些功能是用来交换数据的。然后,根据IEC61850-7-4标准,将每个需要进行数据交换的变电站自动化功能逐一分解为若干个逻辑节点。一旦确定了某个逻辑节点,就得到了逻辑节点类中所有的兼容数据。这些数据都分为“必选”和“可选”2类。“必须”数据是强制性的,逻辑节点的实例化必须具有,而“可选”数据应根据IED的实际情况而选取。如果“必选”和“可选”都不能满足该IED的实际功能需求时,需要扩展数据[5]。

建立好逻辑节点后,以这些逻辑节点的公共特征为依据,划分逻辑设备。一个逻辑设备至少包含3个逻辑节点1个LLN0(逻辑节点零)、1个LPHD(物理设备信息)和1~n个LN(待定逻辑节点)。

最后将IED建模为一个或多个Server类的实例,通信模式采用为客户/服务器模式或订阅者/发布者模式。

2 IED工程建模方法

由于IEC61850中定义的保护逻辑节点是按照国外的保护装置设计的,与国内的应用需求有一些不相适应的地方[6]。下面将分析工程化建模时所遇到的问题,并结合《DL/T 860实施技术规范》,给出解决方法。

2.1 软压板建模

保护装置中使用软压板来设置某个保护功能的投入或退出。但是在IEC61850标准中并没有给出软压板的表述。

《DL/T 860实施技术规范》指出:保护压板数据应建模于保护逻辑设备中。保护功能压板宜建模于LLN0。保护出口压板宜建模于PTRC(保护跳闸条件)和RREC(自动重合闸)中[7]。

建模时,dsRelayEna(保护压板数据集)建立于PROT(保护)逻辑设备中的LLN0(逻辑节点零)逻辑节点,还应建立引用了该数据集的报告控制块brcbRelayEna,实现保护压板信息的及时上送。

2.2 逻辑节点建模

在实际的保护功能建模中,有很多保护功能在IEC61850中并没有相应的保护逻辑节点。遇到这种情况,先分析一下保护功能,判断标准已有的LN类是否满足功能要求,若满足,则采用合适的LN类。若不满足被建模功能,则考虑是否可以用通用的LN类来描述,即GAPC(通用过程自动控制)和GGIO(通用过程输入/输出)。

比如说线路保护装置的加速保护。装置设立独立的加速保护段,当重合于故障或者手合于故障时,加速保护不带时限无选择性地动作跳闸加速故障的切除。逻辑框图如图2所示。

在IEC61850标准中,并没有定义加速保护这个逻辑节点。但是从保护逻辑框图中可看出,后加速保护中的两个定值电流和时限,和PTOC逻辑节点类的逻辑是相似的。因此,在保护功能建模的时候,可以用PTOC来表示加速保护。同理,过负荷保护、充电保护均是PTOC逻辑节点类的不同实例。

还有一个需要注意的地方,如果没有合适的LN类符合被建模功能的核心需求,则可以新建LN类。新建LN类的名称,则要符合标准所规定的逻辑节点组相关前缀的要求,不可以与已经存在的LN类名称相冲突。但是为了保证各个厂商IED之间的互操作性,一般不建议新建LN类。

2.3 数据扩展

IEC61850所定义的逻辑节点中的数据比较少,如果不进行扩充,很难满足保护装置的需要。扩展数据时,先判断LN类中已有的可选数据是否满足要求,若满足,则应使用可选数据。若不能满足建模需求,则在该LN类中新建数据。新建的数据不可与已有数据名称冲突,要采用标准所规定的通用数据类和基本数据类型,要提供详细的描述和用法等信息。此外,不宜扩充通用数据类、复杂数据类型和基本数据类型。

2.4 GOOSE建模

装置GOOSE输入定义采用虚端子的概念,在以“GOIN”为前缀的GGIO逻辑节点实例中定义DO信号,DO信号与GOOSE外部输入虚端子意义对应,通过该GGIO中DO的描述和d U(使用UNICODE字符的文字描述)可以明确描述该信号的含义,作为GOOSE连线的依据。在相应LD的LN0中定义GOOSE数据集和GOOSE控制块用来发送GOOSE信号。在GOOSE数据集中预先配置满足工程需要的GOOSE输出信号。

GOOSE通信中断应该送出告警信号,设置网络断链告警。在接收报文的允许生存时间的2倍时间内没有收到下一帧GOOSE报文时判断为中断。另外,GOOSE通信时对接收报文的配置不一致信息须送出告警信号,判断条件为配置版本号及DA类型不匹配。

另外,装置应该通过在ICD文件中支持多个Access Point(访问点)的方式支持多个独立的GOOSE网络。

2.5 逻辑设备建模

把某些具有共同特性的逻辑节点组合成一个逻辑设备。逻辑设备的划分以功能进行,一般分为以下几种:公用LD,测量LD,保护LD,控制LD,录波LD,智能终端LD等。

在工程实施中,根据工程需要适当地组合。

3 IED工程化建模实例

中压线路XRL-261微机保护装置适用于中低压输电线路出线,实现的功能有:三段过流保护、过负荷保护、接地保护、低周减载保护、低压解列保护、加速保护、重合闸、自动序位减载保护、模拟量测量、故障录波、开关量输入和告警等。根据IED工程建模方法,本文对其进行建模。

XRL-261可建模为两个服务访问点,S1(普通MMS服务)和G1(GOOSE专用服务)。在S1访问点,建模为一个Server类,通信方式采用服务器/客户端模式。在G1访问点,建模为一个Server类,通信方式采用订阅者/发布者信息。开入报文作为GOOSE的订阅者,定义该装置接收哪些GOOSE输入,每个输入相对应的Extref(外部引用)中DO信号的引用名。

XRL-261根据功能的划分,在S1访问点,可建立5个LD:LD0(公用LD),MEAS(测量LD),PROT(保护LD),CTRL(控制LD)和RCD(录波LD)。各逻辑设备的具体构成如表1所示。

逻辑设备LD0的LLN0包含:(1)装置的参数数据集dsParameter;(2)装置自检告警数据集dsWarning,包含了装置自检告警信息;(3)报告控制块brcbWarning,引用数据集dsWarning,实现装置自检告警信息的及时上传。GGIO1:保护装置自检。

逻辑设备MEAS的LLN0包含:(1)保护遥测数据集dsRelayAin,包含了电压、电流等模拟量的测量信息;(2)报告控制块urcbRelayAin,引用数据集dsRelayAin,实现模拟量测量信息的及时上送。MMXU1:保护测量。

逻辑设备PROT的LLN0包含:(1)保护压板数据集dsRelayEna及引用了该数据集的报告控制块brcbRelayEna;(2)保护定值数据集ds Setting;(3)保护事件数据集dsTripInfo及引用了该数据集的报告控制块brcb Trip Info;(4)保护故障数据集dsAlarm及引用了该数据集的报告控制块brcbAlarm。PTOC1、PTOC2、PTOC3:三段式过流保护;PTOC4:加速保护;PTOC5:过负荷保护;RREC1:自动重合闸;PTUF1:低周减载保护;PTUV1:低压解列保护;PSDE1:接地保护;GAPC1:自动序位减载保护;TCTR/TVTR:电流/电压互感器;GGIO1:保护压板;GGIO2:保护事件;GGIO3:保护告警。

逻辑设备CTRL的LLN0包含:(1)保护遥信数据集ds Relay Din及引用了该数据集的报告控制块brcbRelayDin;(2)通信工况数据集dsCommState及引用了该数据集的报告控制brcbComm State。GGIO1:保护开入;GGIO2:GOOSE接收软压板;GGIO3:GOOSE异常告警;GGIO4:GOOSE输入信息。

逻辑设备RCD的LLN0包含:故障录波数据集dsRelayRec及引用了该数据集的报告控制块brcbRelayRect。RDRE1:故障录波。

在S2访问点下,可建立1个LD:GOLD。逻辑设备GOLD是GOOSE的专用服务。它由LLN0、LPHD1、PTRC1(GOOSE跳闸)、GGIO1(GOOSE输入信息)构成。其中LLN0包括:(1)GOOSE信号数据集ds GOOSE0,包含了GOOSE的跳闸信号;(2)Inputs(绑定外部信号)部分定义了该装置输入的GOOSE连线,每一个GOOSE连线包含了装置内部输入虚端子信号和外部装置的输出信号信息。

4 结论

本文根据IEC61850建模思想,结合《DL/T 860实施技术规范》,针对进线保护装置XRL-261I、出线保护装置XRL-261A进行了建模研究,实例验证了通过这种建模方法得到的配置文件结构清晰、功能合理。在西安供电局10 kV数字化开闭所工程中得到应用,能够比较好地满足工程需要。

参考文献

[1]IEC.IEC61850communication networks and systems in substations[S].2004.

[2]徐敏,王钢,王智东.基于IEC61850标准的电抗器保护建模方法[J].电网技术,2008,32(1):84-86.XU Min,WANG Gang,WANG Zhi-dong.IEC61850based modeling method for shunt reactor protective functions[J].Power System Technology,2008,32(1):84-86.

[3]IEC.IEC61850communication networks and systems for power utility automation-part7-2Ed.2:basic information and communication structure-abstract communication service interface(ACSI)[S].2008.

[4]李映川,王晓茹.基于IEC61850的变电站智能电子设备的实现技术[J].电力系统通信,2005,29(9):58-60.LI Ying-chuan,WANG Xiao-ru.Preliminary technology analysis on implementing IEDs in substation based on IEC61850[J].Telecommunication for Electric Power System,2005,29(9):58-60.

[5]罗四倍,黄润长,等.基于IEC61850标准面向对象思想的IED建模[J].电力系统保护与控制,2009,37(17):88-92.LUO Si-bei,HUANG Run-chang,et al.IED modeling based on object-oriented technology of IEC61850standard[J].Automation of Electric Power Systems,2009,37(17):88-92.

[6]王丽华,江涛,等.基于IEC61850标准的保护功能建模分析[J].电力系统自动化,2007,31(2):55-59.WANG Li-hua,JIANG Tao,et al.Analysis on protection function based on IEC61850standard[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(2):55-59.

IEC61850建模 第4篇

关键词：数字化变电站 IEC61850 二次检修

0 引言

随着220kV白洋淀数字化变电站的投产，保定供电公司数字化变电站的二次检修工作也已提上日程。电子式互感器、面向通用对象的变电站事件(GOOSE)功能的运用[1]，使得传统变电站的检修模式难以适应，全新的适应于全数字化变电站的检修模式也应运而生。

1 数字化变电站的特点

采用有源或者无源电子式互感器取代传统的互感器，实现了数据的采集从模拟量转向数字量。而基于EC61850-9-2规约，实现了数据点到网络的传输，利于数据的共享和互操作。虽然无源电子互感器采用光学原理，其传感头部不需要电源与电子电路，但是其有光学传感材料的选择、传感头的组装技术、震动对精度的影响、长期稳定性等关键技术难点。而由于不同生产厂商制造不同的IED，为了实现数据互换性。规定了在不改变IEC61850通信标准体系的前提下，提出了资源定义机制和基于需求激励的资源匹配机制，将IED的资源分为需求资源对象和生产资源对象，实现了变电站智能设备数据模型的自动配置，通过生产资源对象带语义的描述，屏蔽了IED内部的差异，实现了互换性。

目前，SMV采样的传输、GOOSE网络数据的传输、时钟PTP1588三网合一，从而使光纤的数量减少、交换机数量减少，节约成本。同样在数字化变电站中网络化的二次系统是数字化变电站最有代表性的部分，LCC结果表明全数字化变电站在保证供电可靠性的基础上，较传统综合系统全生命周期成本大幅降低。

1.1 数字化变电站的定义[2]

以数字式互感器，智能型断路器为基础，并利用现代化的网络信息平台，利用目前标准的通信协议，进行变电站运行状态的信息化传输，并且能够达到变电站内部的智能操作和信息共享，这就是数字化变电站当前的定义。

1.2 数字化变电站的技术特点

目前的数字化的变电站和传统意义上的自动变电站也是不一样的，属于是在自动化的基础上又提升了一个阶段。主要特点有三点：

1.2.1 数字化的一次设备

传统的电磁互感器被现在的数字式的互感器代替，是数字化变电站的一个主要的特点，而目前比较常见的数字式的互感器有磁光式、全光纤式和电子式这三种。而在断路器的选择上，也是有所变化的，通常采用的是智能型的断路器或者使用普通断路器进行智能改造后的断路器，这样的变化就能够达到断路器的智能化控制。

1.2.2 网络化的二次设备

光缆代替电缆是数字化变电站的另一个特点，在一、二次设备之间采用百兆光纤以太网，从而在变电站内除了使用很少的直流和交流电缆之外，全部采用光缆。

1.2.3 标准化的通信协议

IEC61850标准通信协议是现在最常见的通信协议，这种标准化的通信协议对变电站的数字化传输具有巨大的作用，并且加强了变电站内部的互操作性，另外是实现资源共享的重要部分。

1.3 數字化变电站的系统结构

过程层，间隔层和站控层三部分构成了数字化变电站系统的逻辑结构。并利用网络通信连接各个层次。电子式的电流，电压互感器和合并单元等组成的过程层在整个系统中主要承担对数字信号采集合并处理的作用，变电站的数据传输工作也是由这一层次进行的；而变电站的测控功能主要是由间隔层完成的，并担负着对变电站的测量和控制任务；变电站的无缝通信主要是站控层的任务，另外还能协调变电站运行功能的施行。

1.4 白洋淀数字化变电站技术特点

白洋淀变电站依据IEC 61850标准构建，采用电子互感器实现采样值的数字化，采用GIS智能控制装置实现GIS智能开关的数字化，应用GOOSE服务，实现开关量传输的数字化。

2 数字化变电站的二次模式

最新的二次模式是在数字化变电站出现之后产生的。在这个过程中，保护装置的硬件条件进行了大的变革，从最普通的电磁继电保护到后来的微机保护，再到目前的数字化变电站的数字化保护，从而实现了变电站数据传输的信息化。由于电子互感器的应用，使得变电站的保护水平和技术都有很大的提升，并得到简化。

在IEC 61850的基础上的变电站统一的数据模型和数据通信平台是数字化变电站的一大特点，这个平台主要是进行数据采集和开出的工作。保护装置通过对智能测量系统传输的测量值进行分析和判断，并把分析数据传输给智能断路器，智能断路器根据数据信息做出动作。

3 数字化变电站的二次检修

根据白洋淀的数字化变电站的运行模式，二次设备的检修内容应包括：

3.1 智能单元校验[4]

关于数字化变电站的简修方法，其实是可以借鉴常规的变电站的二次设备的检修模式的，因为这种模式经过长期的实践考验，是一种非常有针对性，并且取得了良好效果的模式。在一次设备没有智能化之前的时候，智能单元和断路器，闸刀二次回路之间采用的主要是常规的二次电缆，而光纤以太网只要连接的是智能单元和保护装置。所以有必要进行对二次电缆的全面检测，包括接线检查、绝缘电阻测试、逆变电源的检验、通电初步检验、开关量输入回路检验、输出触点和信号检查。

3.2 采样同步性功能校验

不能用同一时刻的电气量为依据是差动和距离等保护功能的一个要求，这样就要求数据采集具有高度的同步性。

3.3 数字式互感器准确度校验

这项检验主要是为了判断数字式互感器采集器采样精度是否满足保护、测量、计量的要求。

3.4 合并单元激光电源模块校验

合并电源激光电源模块的正常运行与否直接影响着采集器的工作，因此，检测合并单元激光电源模块，就要从采集器的运行入手[5]。

3.5 光纤以太网性能检验

数字化变电站的一大特点就是光纤以太网的应用，这项测试主要是为了检验光纤的应用效果，数据传输的正确性和可靠性。

3.6 GOOSE报文正确性校验[6]

这项检测的目的主要是针对保护装置对断路器智能单元传输的信息是否准确。

4 结语

数字化变电站和常规变电站的保护工作方式存在很大不同，相应地要求新的二次设备的检修技术和方法，只有通过工作实际观察和理论相结合，才能提出更好的二次检修方案，以促进变电站的稳定运行和发展。

参考文献：

[1]DL/T860.72.2004第7.2部分：变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口(ACSI)[S].

[2]王玉玮，王兰.浅析数字化变电站[J].江苏电机工程，2008，27(2): 50-53．

[3]吴卫民.110kV数字化变电站二次系统检验规范的研究[J].华东电力，2009，37(7):1185-1188.

[4]陈亦平，费云中，祝建华.基于IEC61850-9-2数字化变电站的二次检修[J].电力系统保护与控制，2011，39(2):142-144.

[5]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社，2008.

IEC61850建模 第5篇

实现不同厂商设备的互操作是制定IEC 61850标准的主要目标。根据IEC 61850标准的定义,互操作性是指来自同一厂商或不同厂商的智能电子设备(IED)之间交换信息和正确使用信息协同操作的能力。信息和服务模型是IEC 61850标准的核心。信息模型规范了变电站内交互信息的内容和语义,服务模型规范了变电站内信息交互的对象和方式,这2个规范是互操作的基石。

IEC 61850作为变电站内部通信网络的标准,偏重于继电保护及与继电保护相关应用的定义[1],因此,国内外针对IEC 61850的建模研究大都围绕保护设备和系统展开[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。现有的继电保护逻辑节点是为了满足变电站自动化系统(SAS)的要求而建立的,包含的信息众多,而控制中心很多情况下只需要保护动作信息。另外,电力远动系统涉及的功能,除了保护动作信息,还包括测量、遥信、遥控等其他信息,其传输是在变电站与控制中心之间,与变电站内的系统有很大的差异,而目前IEC 61850标准并未定义远动系统的具体实现细节。因此,必须结合电力远动系统的功能与需要,研究基于IEC 61850的电力远动系统建模方法。现有的研究还很少。文献[11]采用IEC 61850对变电站的自动化对象进行建模,涉及部分远动通信功能,还主要是框架性的,并未给出真正适合电力远动系统的建模方法。

本文通过对IEC 61850模型的分析,以某变电站为例,建立电力远动通信的逻辑设备、逻辑节点,以及遥测、遥信、遥控等信息与服务模型,目的是保障不同厂商的远动通信系统与IED的互操作。

1 基于IEC61850的电力远动通信建模方法

从提交给IEC TC57战略咨询小组(SPAG)的报告中可以看出,IEC TC57准备定义一组新的基于IEC 61850的特定逻辑节点类和数据类,例如:新的逻辑节点组Bay代表间隔,新的逻辑节点BDBB代表双母线,控制中心与这些新的逻辑节点进行通信。该方法由于采用控制中心视图,不利于控制中心与变电站IED直接进行通信。另外,新的逻辑节点和数据类名还需要与IEC 61970的公共信息模型(CIM)进行协调,而相关的工作正在开展中[12,13,14,15]。

与上述方法不同,本文将控制中心的远动主机直接与远动IED进行通信,控制中心使用变电站视图。考虑大多数情况下,电力远动系统不需要获取变电站内所有数据,控制中心可以通过代理与IED进行通信,而对于不符合IEC 61850的IED,通过网关与IED进行通信。网关除了具备代理的功能之外,还能够与非IEC 61850协议之间进行协议转换。该方法虽然具体实现起来比较复杂,但能够实现远动主机、代理/网关和IED在IEC 61850体系下直接、自由的信息交换,而且,从配置、管理和维护的角度来看更具有实用价值。

以IEC 61850的模型为基础,结合电力远动通信的功能需要,进行裁剪或扩展,给出远动IED或代理/网关建模的基本方法为:

1)在IEC 61850标准中对于逻辑设备的建模没有规定。对于控制中心而言,变电站的基本组成部件是间隔,控制中心往往对变电站以间隔为单位进行监控,因此,把一个间隔内的远动信息划分为一个逻辑设备,多个物理设备到代理/网关的映射采用对逻辑设备进行复制的方法,建立逻辑设备模型。

2)考虑到远动系统涉及保护、测量、计量、控制等功能,从IEC 61850标准中抽取出与远动通信相关的逻辑节点与公共数据类,建立逻辑节点模型。

3)电力远动系统只需要监视和控制关键设备的运行状态。对于现有能满足要求的逻辑节点及其数据进行裁剪,而对于IEC 61850标准中未定义的信息,借用其他逻辑节点,或者对逻辑节点进行扩展甚至定义。

4)采用客户机/服务器通信模式,将关联模型用于控制中心与变电站之间的双边应用关联,数据集与报告模型用于遥测和遥信的数据交换,操作前选择控制模型用于远程控制,建立远动信息交换服务模型。

2 电力远动信息模型的建立

信息模型的建模过程包括3个层次,分别是逻辑设备建模、逻辑节点和数据建模,以及信息交换服务模型。下面结合某变电站(见图1),详细研究远动通信模型的建立过程。

图1中变电站有D1(110 kV)和E1(10 kV)这2个电压等级,被划分为6个部分,包括1台变压器D1T1、1个母线间隔E1W1和4个线路间隔(分别为D1Q1,E1Q1,E1Q2和E1Q3,由断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等一次设备和相应保护和控制二次设备构成)。

2.1 逻辑设备建模

根据IED中服务器、逻辑设备、逻辑节点与数据的层次关系,将远动IED或代理/网关建模为服务器,所有其他模型是服务器的一部分。

逻辑设备是服务器内的虚拟设备,汇集相关逻辑节点和数据集,为访问和引用数据进行通信提供便利。按照断路器、变压器或母线序号,将示例中每个间隔划分为一个逻辑设备,分别为LD111,LD011,LD055,LD057,LDT1和LDW1。代理/网关与间隔层IED之间的模型协调采用对逻辑设备进行复制的方法。在模型映射过程中,若逻辑设备存在与之对应的IED,其逻辑节点LPHD代表与之对应的IED,例如:LD111若属于IED1,它的LPHD代表IED1,将其LPHD.Proxy.stVal属性设置为TRUE;若逻辑设备不存在与之对应的IED,其逻辑节点LPHD代表代理/网关,例如:LDT1和LDW1的LPHD代表代理/网关,它们的LPHD.Proxy.stVal设置为FALSE。另外,通过新增逻辑设备LDProxy来表示代理/网关自身的信息。

2.2 逻辑节点与数据建模

逻辑节点是信息交换的最小功能单元,一个逻辑节点代表服务器的一项基本功能或IED中的一组设备信息,可以与其他逻辑节点进行信息交互,并执行特定的操作。

以变压器D1T1和线路间隔E1Q2为例,选取与远动通信相关的逻辑节点,如电流互感器TCTR、电压互感器TVTR、断路器XCBR、隔离开关XSWI、开关控制器CSWI、测量单元MMXU,计量单元MMTR、分接开关YLTC、通用输入/输出GGIO和保护功能等逻辑节点,并通过这些逻辑节点所包含的数据对象和数据属性建立逻辑节点模型。将TCTR,TVTR,XCBR,XSWI,YLTC和GGIO等逻辑节点分布在过程层;将MMXU,MMTR,CSWI和保护功能等逻辑节点分布在间隔层。XCBR和XSWI的遥控以及遥信状态通过CSWI实现,TCTR和TVTR的遥测以及计量通过MMXU和MMTR得以实现,遥调通过YLTC实现,保护动作信号以及设备报警等遥信信息采用GGIO实现。

由于电力远动系统不要求对变电站内所有信息全面获取,因此,逻辑节点的数据和功能需要针对电力远动的实际需要进行选取。下面从四遥信息入手,分析相应逻辑节点及其数据的选取和建模过程。

2.2.1 遥测信息的建模

遥测信息主要包括有功、无功、电流、电压、电能量计量值和设备状态的测量值等。对于电流、电压、功率等反映电网运行的测量值,采用MMXU来实现。由于远动系统中上传至控制中心的有功和无功主要是三相之和,因此仅采用总有功功率和总无功功率。针对线路间隔E1Q2上的有功、无功、电流与电压值等遥测信息,建立MMXU实例如表1所示。

TotW和TotVAr数据对象为测量值(MV)类型,包含测量值的大小mag(属性f和i至少使用一个,若同时存在,应用时应确保一致)、时间戳t和品质属性q。另外,从公共逻辑节点类继承模式、性能、健康状况和铭牌等描述性信息。

对于遥测信息中的电能量计量值,可以采用MMTR,而对于反映电力设备运行状况的测量值,需要选用与设备相对应的逻辑节点和数据对象,例如:变压器绕组热点温度测量值可以采用YPTR的HPTmp(类型为MV)数据对象。

2.2.2 遥控信息的建模

遥控信息主要包括对断路器和隔离开关的分合控制信息,选用CSWI进行建模,所建立的CSWI实例如表2所示。

Pos数据的类型为扩展的公用数据类可控双点(DPC),支持操作前选择(SBO)、增强安全SBO(SBOw)、操作(Oper)和取消(Cancel)这些特殊的公用数据属性类型。

2.2.3 遥调信息的建模

遥调信息主要指变压器分接头调节信息,采用YLTC实现。对于远动调节采用手工方式, YLTC按操作人员的命令对分接头调节控制,所建立的YLTC实例如表3所示。

2.2.4 遥信信息的建模

遥信信息包括继电保护、断路器、隔离开关、变压器等装置的位置和报警信息。由于CSWI不仅能反映隔离开关和断路器的控制信息,还能反映位置信息,因此仍然使用CSWI进行建模,如表2所示。对于电力设备的报警信息,若IEC 61850标准中已经定义,选用与设备相对应的逻辑节点和数据对象建模,例如:变压器绕组热点温度报警信息采用YPTR的HPTmpAlm(类型为SPS)数据对象。

在电力远动通信中,继电保护的状态信息主要是指保护的动作信息,不包括方向保护激活信息与整定信息等。另外,某些远动系统中的设备报警信息在IEC 61850中并未定义,因此,借用GGIO的Alm(类型为SPS)来进行保护动作信息和设备报警信息的建模。

3 电力远动信息交换服务模型的构建

在电力远动通信过程中,控制中心与变电站内的代理/网关或IED之间实时数据交换主要包括通信连接的建立、主动上传的遥测告警和遥信变位、召唤和循环上传的遥测和遥信,以及下发的控制命令等。采用客户机/服务器通信模式,应用关联模型、数据集模型、报告模型和控制模型等建立基于IEC 61850的远动通信服务模型,如图2所示。

在模型中,控制中心作为IEC 61850客户端,变电站内的代理/网关或IED充当IEC 61850服务器,通过IEC 61850服务实现控制中心与变电站内的IED(或通过代理/网关)之间的远动通信。应用关联模型被用来建立IEC 61850客户机与服务器之间的双边应用关联。服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型和数据模型被用来进行远动信息模型的获取以及单个或多个遥测、遥信量的读取。数据集模型和报告模型被用来实现遥测、遥信数据的召唤和循环上传,以及主动变位上传与事件顺序记录(SOE)等。控制模型被用来实现远程设备的控制。可以看出,远动信息的实时交换主要依赖于数据集、报告和控制模型。

结合对线路间隔E1Q2的开关位置,以及有功、无功、电流、电压等信息的监测,建立缓冲报告控制块 (BRCB)的一个实例,如表4所示,并进一步研究BRCB及数据集在电力远动通信中的应用方法。

从表4可以看出,报告上传的是数据集所引用的数据,数据集是逻辑节点中有序的数据或数据属性引用的集合。表5给出了所建立的数据集实例AllRpt,由于该数据集引用的数据来源于不同的逻辑节点(CSWI1和MMXU1),故把AllRpt定义在LLN0中。

当控制中心的IEC 61850客户端与变电站内代理/网关或IED的IEC 61850服务器建立了应用关联,并通过SetBRCBValues服务对BRCB(例如LD011/LLN0.BRCBAll)进行了设置,使得BRCB的报告使能属性(RptEna)被设定为“TRUE”以后,IEC 61850服务器的事件监视器不断监视数据集(例如LD011/LLN0.AllRpt)中所引用的数据,确定是否发生了内部事件(数据变化dchg或品质变化qchg,或数据值刷新dupd),一旦发生了内部事件,触发一个报告(或用滤波机制代替状态或测量值发生变化就传送,先缓存后发送,以降低传输数据值的总量),报告中包括报告名称、数据集成员的值,也可以通过报告选项属性(OptFlds)控制是否传送所引用数据集名称、触发报告的数据对象引用、时标和原因等。

上述内部事件所触发的报告用于遥信变位和遥测告警,还可以通过设置完整性周期属性(IntgPd=500 ms)循环发送数据集的全部数据,实现远动通信中的循环遥测。另外,IEC 61850客户端也可以在任何时候设置总召唤属性(GI=TRUE)启动IEC 61850服务器报告所引用数据集中的所有数据。

考虑到电力远动通信中遥信的重要性,采用BRCB的方法能够根据内部事件立即发送报告,或在发送过程中随着某些实际条件的限制而暂时缓存事件报告,存储事件到一定数量后发送,即使通信中断或受到其他原因的干扰都不会造成数据丢失。

4 结语

本文通过对公共数据类、数据类、数据集和报告的研究,建立了电力远动通信的逻辑设备、逻辑节点,以及遥测、遥信、遥控等信息与服务模型。该模型是一个抽象的信息与服务模型,目的是对电力远动通信系统进行分析与设计,并与来自不同制造商的系统与IED之间进行互操作。为了进一步实现,需要进行与制造报文规范(MMS)之间的映射,并通过变电站配置描述语言(SCL)配置工具对模型进行实体构建,生成SCL实例文档,相应的研究工作将另文讨论。

摘要：为了保障不同厂商设备之间实现互操作,文中研究了IEC 61850标准的公共数据类、数据类、数据集和报告等模型,提出基于IEC 61850标准的电力远动通信建模方法,建立电力远动通信的逻辑设备、逻辑节点,以及信息交换服务模型。在模型中,控制中心作为IEC 61850客户端,变电站内的智能电子设备(IED)或代理/网关充当IEC 61850服务器,通过IEC 61850服务实现控制中心与变电站之间的远动通信。关联模型被用来建立IEC61850客户机与服务器之间的双边应用关联,数据模型被用于遥测与遥信量的读取,数据集和报告模型被用来实现遥测、遥信数据的召唤和循环上传,以及主动变位与事件顺序记录。

IEC61850建模 第6篇

网络化、信息化、标准化和智能化已成为电能质量监测系统的必然发展趋势, 特别是随着智能变电站的推广建设, 将IEC61850标准引入到电能质量监测设备的开发成为一种必然趋势。

1 IEC61850建模方法概述

信息交换机制主要依赖于准确定义的信息模型, 这些信息模型和建模方法是IEC61850标准系列的核心。能否对IED (智能电子设备) [1]模型进行确切、有效的定义, 是能否对外提供标准服务的关键。IEC61850关于模型最显著的特点就是提出了面向对象的建模技术, 使系统模型具有继承性和可复用性。对变电站内的实际IED, IEC61850通过逻辑抽象, 按功能分为最小的实体———逻辑节点LN。逻辑节点按照相近的功能组合到一起组成逻辑设备, 通过IEC61850-6所定义的变电站配置描述语言实现具体的模型描述, 通过IEC61850-7-2定义的抽象通信服务接口 (ACSI) 建立服务模型, 再通过特殊通信服务映射 (SCSM) 映射为MMS报文通过TCP/IP网络进行传输。

2 电能质量信息模型实现

2.1 电能质量逻辑节点建模

IEC61850标准对IED的处理方法是将其应用功能分解为最小的实体———逻辑节点LN, 这些逻辑节点用于通信。根据逻辑节点的功能, LN由专有的数据和数据属性组成。这些数据和数据属性所代表的信息通过标准定义的通信服务进行传递, 功能的最小实体LN组合起来, 形成IED数据模型。电能质量监测装置主要依据国标相关要求对线路进行监测。根据国标要求和实际电力系统的需求, 电能质量监测装置主要包含了以下几个指标:供电电压的允许偏差、电压波动与闪变、三相电压不平衡度、电网谐波等。不同的电能质量事件的具体表现即电能质量指标, 因此, 不同的电能质量指标就形成了逻辑节点实例。IEC61850-7-4第一版使用了450个数据类, 定义了88个逻辑节点。

2.2 逻辑设备建模

IEC61850的实现过程是将功能分解并再组合的过程。对具有实用功能的电力设备依据标准建模, 再将整个设备分解成为若干个逻辑节点, 然后由逻辑节点按相近功能组合成逻辑设备。一个物理设备可以由一个或多个逻辑设备组成。在完成对电能质量监测装置的逻辑节点和数据对象建模后, 下一步就可进行逻辑设备建模。所有逻辑节点的集合再加上辅助服务 (如GOOSE、定值整定) 便构成了逻辑设备。按照IEC61850规定, 逻辑设备中逻辑节点的分组以这些逻辑节点的公共特性为基础。在标准中, 并没有规范逻辑设备的模型, 因此, 在考虑电能质量装置的逻辑设备建模时有很强的灵活性。一般情况下, 一台电能质量监测装置可以完成多条线路的监测, 因此, 可以根据监测线路的不同划分逻辑设备, 模型逻辑结构层次比较清楚, 比较符合61850的层次结构。在逻辑设备中对逻辑节点分组是按照其公共特性进行的。逻辑设备还提供其宿主———物理设备或者被其控制的外部设备的信息。

2.3 模型描述语言

IEC61850-6部分规定了变电站IED的配置描述语言, 称为变电站配置描述语言, 缩写为SCL[2]。它用于描述变电站IED、变电站系统和变电站网络通信拓扑结构的配置。主要目的是收集不同厂家IED的配置信息并对设备进行配置, 使系统维护升级、智能电子器件控制变得更为简单易行。SCL语言是基于XML语言的。相当于SCL语言是根据XML提供的规则, 根据变电站自动化系统即IEC61850标准的需要, 定义的特定用途的置标语言。SCL语言是XML语言在变电站系统中的特定应用。SCL将变电站自动化系统分为5个主要元素:Header、Substation、IED、Communication和Data TypeTemplates。其中, Header包含了SCL文件的版本和订正号, 以及名称映射信息;Substation节包含了变电站的功能结构、它的主元件及其电气连接;IED节描述了所有IED的信息, 如所包含的逻辑设备、逻辑节点、数据对象和所具备的通信服务能力;Data Type Templates详细定义了在文件中出现的逻辑节点实例, 包括它的类型以及该逻辑节点实例所包含的数据对象DO等;Communication节定义了逻辑节点之间通过逻辑总线和IED接入点之间的联系方式。这些元素各有其子元素和属性, 层层包含, 最终完成对整个变电站综合自动化系统模型的描述, 充分体现了使用SCL描述IED的可扩展性和灵活性。本项目所设计模型中, 主要是针对IED本身, 因此, 忽略对变电站功能结构的描述, 这并不影响模型描述的规范性。

2.4 数据集中器

基于IEC61850的电能质量监测数据建模主要在电能质量数据集中器中实现。它通过以太网电能质量在线监测装置连接, 主要功能包括: (1) 采集电能质量装置的实时数据、历史数据、波形数据等实施统一监视与管理。 (2) 采用IEC61850通讯协议与电能质量主站通信。 (3) 接收GPS时钟信息并与电能质量装置保持时间同步。

数据集中器电能质量实时数据采集模块通过以太网方式从电能质量监测设备接收实时数据并存入实时数据库中, 并将波形数据转换成标准COM-TRADE格式波形文件, 存储在指定目录下。GPS实时时钟采集模块通过RS-232方式修改数据集中器的系统时间。电能质量历史数据采集模块通过ODBC[3]方式从多台电能质量监测设备的SQL Server数据库中获取历史数据并存到本地历史数据库中 (SQL Server) 以备查询之用。实时数据库是电能质量实时数据存储的地方, 其他使用实时数据的模块均从该实时数据库获取实时数据, 此模块为数据集中器的核心模块之一。历史数据库存放各台电能质量监测设备的历史数据, 该数据库为通用的商用数据库SQL Server。其存储容量大、速度快且访问接口支持标准的SQL规范, 使用方便。电能质量数据监视模块以图形化的界面展示电能质量实时数据, 从历史数据库查询指定电能质量监测间隔及时间的历史数据, 并以表格或曲线方式展示查询到的所有历史数据。参数库模块为电能质量数据监视模块的配套模块, 主要管理监视模块使用的各种参数、图形及工具等。IEC61850服务器主要负责跟电能质量监测中心进行通信, 该通信采用IEC61850通信协议。该软件模块以IEC61850模型为基础, 根据模型从实时数据库中获取实时数据并按照IEC61850规范将实时数据发送给电能质量监测中心。数据集中器中, IEC61850模型根据集中器所接的电能质量监测设备台数及监测内容建立模型。该模型按照IEC61850规范描述数据集中器所能提供IEC61850服务能力描述, 该模型提供给电能质量监测中心, 监测中心根据模型提供的内容与数据集中器IEC61850服务器通信, 如注册报告、传输录波文件、获取历史数据等。IEC61850服务器根据IEC61850客户端 (电能质量监测中心) 的报告注册情况将周期性数据或 (和) 突发数据主动发送给IEC61850客户端 (电能质量监测中心) 。另外, IEC61850服务器响应电能质量监测中心对指定逻辑设备、逻辑节点、数据对象、波形文件及历史数据召唤。如IEC61850服务器收到电能质量监测中心对指定逻辑设备/逻辑节点和数据对象进行召唤时, 检索该数据对象与实时数据库的映射, 根据此映射关系从实时数据库中获取当前值, 按照IEC61850规范将该当前值赋予接收对象的对应属性, 然后按照IEC61850规范将该对象发送给电能质量监测中心, 其他录波数据及历史数据的召唤与召唤数据对象类似。

3 结束语

现有监测设备广泛采用厂家自定义通讯规约, 遵循的标准也不一致, 导致监测网建设过程中出现不同厂家设备之间的兼容性差、数据共享困难、监测系统平台运行效率低等问题。为保证不同设备间的数据兼容, 直接从设备层面解决数据兼容问题成为了一种必然趋势。基于IEC61850的电能质量监测数据建模无疑可以很好地解决这些问题。

参考文献

[1]童晓阳, 李岗, 陈德明, 等.采用IEC61850的变电站间隔层IED软件设计方案[J].电力系统自动化, 2006, 30 (14) :54-57, 81.

[2]卞鹏, 潘贞存, 高湛军, 等.SCL在变电站远程配置管理中的应用[J].电力自动化设备, 2004, 24 (04) :54-56.

IEC61850建模 第7篇

随着建设经济、环保和低碳社会需求的日益强烈, 热电联供CHP (Combined Heat and Power) 、光伏、风电等分布式能源DER (Distributed Energy Resource) 受到广泛关注, 成为国内外能源领域的研究热点。DER在增强供电可靠性、改善电能质量、实现清洁可再生能源规模化接入等方面发挥着重要的作用[1,2,3]。DER中发电技术与储能技术 (如超导储能、超级电容器、飞轮、蓄电池等) 相结合能够形成运行灵活的综合供能系统[4,5,6], 可以进一步提高多类型能源利用效率, 降低化石能源消耗与二氧化碳排放, 促进低碳电力与低碳社会的快速发展。

在储能设备应用日益广泛的同时, 由于各设备制造厂商提供的通信接口与规约不尽相同, 给多类型储能设备的系统快速集成与功能灵活扩展带来了一定的障碍, 如何有效地组织、管理日益增多的储能设备, 成为一项具有理论与现实意义的研究课题。IEC 61850系列标准 (简称IEC 61850, 下同) 具备标准化的系统语言、语义、协议和体系结构, 详细定义了水电站、DER以及变电站自动化等领域信息交互的公共数据类CDC (Common Data Classes) 与逻辑节点LN (Logical Node) 类[7,8], 能够为储能设备提供面向对象的信息建模技术以及灵活的通信架构, 将有助于储能设备实现“即插即用”功能。

IEC 61850第7-420部分针对多类型发电设备 (如CHP、光伏发电系统以及燃料电池等) 与分散式储能设备定义了各自对应的基本LN类与CDC。利用IEC 61850的抽象通信服务接口ACSI (Abstract Communication Service Interface) , DER可以实现快速的信息交互[9,10]。目前, 围绕DER的IEC61850相关研究涉及基于IEC61850和IEC61400-25的风力发电机通信数据模型[11]、基于IEC61850的电动汽车LN类扩展与建模[12]、基于IEC 61850的分层管理及通信架构[13,14,15]等方面。IEC61850第7部分定义了变电站和馈线装置基本LN类, IEC 61850第7-420部分定义了蓄电池 (ZBAT) 、蓄电池充电器 (ZBTC) 等基本LN类, 提供了蓄电池状态、放电曲线、保护定值设置、运行值测量等数据对象DO (Data Object) [16]。在此基础上, 可以利用ZBAT、ZBTC等基本LN类构建不同类型的储能逻辑设备LD (Logical Device) 。这些LN与LD能够解决储能系统各物理设备自身的建模问题, 但较少充分考虑储能系统的典型运行方式及从储能系统整体的角度出发进行信息建模, 规模化储能系统运行时其大量物理设备仍需与相应的控制管理中心交互信息, 这一方面会给通信网络带来巨大压力, 影响通信及运行控制的可靠性, 另一方面也会影响储能系统的集成效率。基于IEC61850将储能系统以整体DER的形式进行信息建模, 可以为其相应的运行控制与管理提供可靠、快速的通信支撑, 为完成不同运行状况下储能系统的能量管理与控制协调提供更为高效的信息交互手段, 在此基础上可以快捷实现储能系统的可靠集成。现阶段的研究工作较少涉及基于IEC 61850的储能系统整体建模及其实际的运行测试。

本文提出一种适用于储能系统信息建模与运行的解决方案, 针对典型储能形式蓄电池储能系统BESS (Battery Energy Storage System) 的通用应用需求, 扩展IEC61850相关的基本LN类, 从BESS整体运行的角度出发构建BESS智能电子设备IED (Intelligent Electronic Device) 信息模型, 进一步提出基于IEC61850的BESS信息交互实现方法, 并进行实际的运行测试。

1 IEC 61850在BESS中的应用

1.1 IEC 61850 LN

IEC发布的变电站通信网络和系统标准IEC 61850提供变电站和馈线装置统一的信息模型和访问服务[17,18,19,20], 并随着标准的不断滚动修订, 其应用范围逐步涵盖公用电力事业自动化通信网络和系统的多个领域。

IEC 61850依据BESS实际的应用功能将各组成物理设备抽象成虚拟的LD, 其具体应用功能可以形成对应的LN。LN为交换数据功能的最小单元, 是由其数据和方法定义的对象。LN由多个DO组成, DO代表不同类型的特定信息, 如状态或者测量值, 通常由CDC定义其属性类型。CDC定义了由1个或多个数据属性DA (Data Attribute) 组成的结构体信息。DA可以定义CDC各项具体数值的名称、类型、功能约束FC (Function Constraint) 、触发选项Trg Op (Trigger Option) 、值/值域以及强制选项等属性, 其中FC指明可应用于该DA的服务, 通常包括状态信息 (ST) 、测量值 (模拟值) (MX) 、设点 (SP) 、描述 (DC) 等类型;Trg Op指明该DA的触发条件, 可以为数据变化 (dchg) 、数据刷新 (dupd) 或品质变化 (qchg) 等类型。

1.2 ACSI

IEC 61850中的ACSI提供客户应用和远方服务器应用之间通信、事件传输 (发布者/用户) 以及采样测量值传输 (发布者/用户) 的抽象接口, 其包括基本模型与信息交换服务模型, 前者支持服务器 (server) 模型、关联 (association) 模型、LD模型、LN模型、数据 (data) 模型、数据集 (Data Set) 模型、报告控制块RCB (Report-Control-Block) 模型、设置组控制块 (setting-group-control-block) 模型、面向变电站事件的通用对象GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) 模型、采样值SV (Sampled Value) 传输模型等;后者则提供相应的ACSI服务, 以完成各具体模型的通信功能。

BESS运行时, 主要交互的信息通常包括以下几种。

a.告警信息:包括蓄电池组组端电压超上限报警、蓄电池组组端电压超下限报警、放电电流超上限报警、温度越限报警、内阻过高报警、通信故障等。

b.设定值:充电截止电压、内阻修正系数、充电电流上限、充电曲线、输出功率等。

c.状态信息:直流接触器开关状态、电池组投运状态、蓄电池组充放电状态等。

d.统计信息:累计充电电量、累计放电电量、蓄电池单体电压均值、可充/放电容量等。

e.测量值:蓄电池组组端电压、单体内阻、电池荷电状态SOC (State Of Charge) 、电池温度、输出功率、网侧电压、系统频率等。

f.控制指令:断路器闭合、电池组投运、启动电池组测试等。

g.计划安排:蓄电池充电计划曲线、蓄电池放电计划曲线、交流侧输出功率调度计划等。

围绕上述BESS交互信息, IEC 61850可以提供对应的ACSI服务, 如表1所示。表中“√”表示其所在行对应的ACSI服务项目可以实现其所在列对应的信息交互功能。

1.3 信息交互体系

依据IEC 61850提供的通信体系, BESS运行时可采用设备层、间隔层以及系统层的信息交互分层结构。围绕该分层结构, 相应形成的通信网络包括设备层与间隔层通信网络以及间隔层与系统层通信网络。

a.设备层与间隔层通信网络。支持IEC 61850GOOSE、SV通信规约的物理设备可以直接与间隔层IED进行信息交互, 以GOOSE报文传输BESS物理设备的运行状态信息、开关量控制信息等, 以SV报文传输BESS物理设备的运行数据SV。当物理设备不支持IEC 61850时, 可以通过其RS-485、控制局域网络 (CAN) 等通信接口与间隔层IED交互相关信息。

b.间隔层与系统层通信网络。IEC 61850第8-1部分通过特殊通信服务映射SCSM (Specific Communication Service Mapping) 实现ACSI的对象和服务到制造报文规范MMS (Manufacturing Message Specification) 的映射, 并利用局域网进行实时与非实时的数据交换。间隔层IED可以采用MMS报文向系统层传输BESS运行过程中的各类型测量值与状态信息, 并接收系统层下达的设定值与控制指令, 经过解析后传输至相应的BESS物理设备。

2 基于IEC 61850的BESS LN

2.1 BESS典型应用

BESS通常由储能器件 (如铅酸蓄电池组) 、控制设备 (如蓄电池充电器、直流变换器) 与其他辅助设备 (如直流开关、断路器) 构成, 通过电气连接点ECP (Electrical Connection Point) 接入电网。BESS可以运行在有功/无功功率 (PQ) 控制方式, 按照功率调节指令参与系统的经济调度与能量优化;BESS也可以运行在恒压恒频 (V/f) 控制方式, 作为电压源提供一定时间的系统电压与频率支撑, 保证重要负荷的不间断电力供应。当多个BESS并联运行时, 可以采用PQ控制方式, 也可以运行在无互联通信线的下垂控制方式, 按照有功功率-频率 (P-f) 下垂特性、无功功率-电压 (Q-U) 下垂特性自动均分负荷功率, 实现多个BESS之间的协调运行。

当BESS输出功率时, 其蓄电池充电器为直流变换器提供稳定的直流电压支撑。直流变换器运行在逆变工作状态, 根据系统运行状况以V/f控制方式、PQ控制方式或下垂控制方式运行, 如图1所示。

当蓄电池组充电时, 受蓄电池物理特性的影响, 不同SOC下BESS的充电方式不尽相同:蓄电池组电压较低时通常采用恒电流控制方式以较大的限值电流进行充电;当蓄电池组SOC较高时, 可转入浮充或涓流充电即恒电压控制方式;恒功率控制方式可以根据蓄电池组SOC的变化自动调整充电电流, 优化蓄电池组的充电过程。直流变换器运行在整流工作状态, 将ECP三相交流电压变换为直流电压, 作为蓄电池充电器的输入。蓄电池充电器根据系统运行状况以恒功率控制方式、恒电流控制方式或恒电压控制方式运行, 如图2所示。

2.2 BESS LN

依据BESS各组成物理设备的实际功能并结合IEC 61850第7-420部分规定, BESS可以划分为多个LD, 如ECP、蓄电池系统、直流开关、直流变换器、断路器、储能控制器等。图3描述了基于IEC61850的BESS LN构成。

基于IEC 61850的BESS LN扩展类及LD中, 采用DER控制器特性 (DRCT) 类描述BESS类型、电气特性等信息;采用DER控制器状态 (DRCS) 类描述BESS手动/自动运行方式、本地/远程控制方式等信息;采用DER监视控制 (DRCC) 类描述BESS所具备的监视控制功能。

直流开关连接直流变换器与蓄电池系统的功率主电路, 其建模可采用开关控制器 (CSWI) 类或隔离开关 (XSWI) 类;断路器完成BESS、电网、其他DER及负荷之间的连接, 其建模可采用断路器 (XCBR) 类或CSWI类;BESS直流变换器建模可采用整流器 (ZRCT) 类来描述直流变换器整流工作特性, 或采用逆变器 (ZINV) 类来描述直流变换器逆变工作特性;蓄电池系统建模可采用ZBAT类以及ZBTC类分别描述蓄电池组特性、蓄电池充电器工作特性。

对保护、测量等二次设备进行建模时, 保护功能建模可采用低周频率 (PTUF) 类、高周频率 (PTOF) 类等LN;测量功能建模可采用计量 (MMTR) 类描述BESS统计或历史数据信息, 采用测量 (MMXU) 类描述BESS电流、电压以及功率等电力运行数据, 采用直流测量 (MMDC) 类、温度测量 (STMP) 类、热量测量 (MHET) 类等LN完成BESS不同类型的测量功能。

ECP模型用来描述BESS的公共属性, 如所有权、合同义务、额定容量、电气连接类型 (单相或三相) 、操作权限以及能量/辅助服务计划等。

IEC 61850第7-420部分定义DRCT类来描述1种DER或同类型DER设备集合采用单个控制器时的控制特性与能力。DRCT类将部分关键参数作为强制M (Mandatory) DO, 可以采用CDC为整数状态定值 (ING) 的DO-DERNum来设定接入的BESS数量, 采用CDC为ING的DO-DERtyp来设定接入的BESS类型。在此基础上, 结合BESS的实际应用需求进一步扩展DRCT类的相关DO, 增加DERtyp类型项, 当DRCT.DERtyp=6时表明接入的DER为BESS类型。DRCT扩展类的具体结构如表2所示。表中, T表示瞬态DO;O表示LN定义的DO是可选的;ASG为模拟定值;LLN0代表LD的公共数据。

IEC 61850第7-420部分定义DRCC类来完成DER运行目标值设定、控制方式切换、运行启动/停止操作等通用功能。DRCC类的DO (M) 中, 可以采用CDC为可控单点 (SPC) 的DERStr、DERStop分别控制BESS的投运、停运。结合2.1节分析结果, 进一步扩展DRCC类的部分DO, 增加CDC为可控枚举 (ENC) 的Mode Set来设定BESS不同的控制方式:当DRCC.Mode Set=1、DRCC.Mode Set=4时, BESS分别转入PQ控制、充放电恒功率控制方式, 并由DRCC.Out WSet、DRCC.Out Var Set分别确定有功、无功功率目标设定值;当DRCC.Mode Set=2、DRCC.Mode Set=6时, BESS分别转入V/f、充放电恒电压控制方式, 并由DRCC.Out VSet、DRCC.Out Hz Set分别提供电压、频率目标设定值。基于此, 增加CDC为曲线设定 (CSG) 的DO-Pf Droop Set、DO-QVDroop Set, 在DRCC.Mode Set=3即BESS转下垂控制方式时, 分别由DRCC.Pf Droop Set、DRCC.QVDroop Set确定P-f下垂特性、Q-U下垂特性设定值;增加CDC为可控模拟设点信息 (APC) 的DO-Out ASet, 在DRCC.Mode Set=5即BESS转入充放电恒电流控制方式时, 由DRCC.Out ASet提供电流目标设定值。DRCC扩展类的具体结构如表3所示。

3 基于IEC 61850的BESS信息交互

3.1 IED信息模型

依据BESS各组成物理设备的实际功能, 扩展IEC 61850相关LN类, 在此基础上利用可扩展标记语言XML (e Xtensible Mark-up Language) 并且结合IEC 61850颁布的XML语法规则, 对BESS各LN类进行实例化, 确定所有关联的DO以及DA数据信息。图4给出了BESS部分LN类实例的XML描述, 代码如下。

BESS LNs通过一定的配置流程可以生成BESS IED信息模型所需的配置IED描述CID (Configured IED Description) 文件, 以实现对BESS IED信息模型的自动识别。CID文件配置流程如图5所示, 具体流程如下:

a.应用BESS制造厂商所提供的IED配置工具, 将扩展的BESS LNs转换为符合工程实施规范的IED能力描述ICD (IED Capability Description) 文件;

b.结合系统规范描述SSD (System Specification Description) 文件和ICD文件, 进一步应用系统集成商所提供的系统配置工具形成系统配置描述SCD (System Configuration Description) 文件;

c.在步骤b的基础上应用IED配置工具将SCD文件转化为CID文件 (CID文件记录BESS所有LNs的域名位置、数据类型等信息, 并定义需要进行信息交互的具体Data Set内容及其RCB触发方式与通信服务属性) , 并下载至BESS对应的IED。

3.2 信息交互

BESS运行时其交互信息主要围绕状态信息、测量值以及控制指令等类型, BESS IED工作时载入信息模型CID文件, 并提取其中的状态信息DO、测量值DO以及控制DO的相关配置 (状态信息DO主要记录BESS的运行状态, 测量值DO主要记录BESS的运行数据, 控制DO主要调整BESS的运行调节值与控制方式) 。当IED启动ACSI服务后, 将BESS实际运行工况的SV定期更新至Data Set对应的状态信息DO与测量值DO, 并依据RCB触发方式与通信服务属性触发相应报告;当BESS接收到设置、控制请求时, DRCC.Mode Set响应并解析获取具体的BESS控制方式指令, DRCC.Out WSet、DRCC.Out Var Set等响应并解析获取具体的BESS运行调节设定值, 并更新对应关联物理设备的设定与控制信息。图6描述了基于ACSI的BESS信息交互实现流程 (IHMI为人机接口) , 在完成可靠、快速信息交互的基础上, BESS可以根据系统运行状况进一步完成相应的运行控制与管理。

4 示范测试

采用如图7所示的DER示范系统作为BESS测试研究平台, 该示范系统包含动力负荷 (峰值功率为23 k VA) 、照明负荷 (峰值功率为18 k VA) 、光伏发电阵列 (额定容量为19 k Wp) 以及BESS (采用阀控铅酸蓄电池组, 其逆变器额定容量为50 k VA) , 各电流为断路器对应的额定电流。示范系统中, BESS与其他各组成单元均配置IED并载入对应的信息模型CID文件, 各IED通过以太网与示范系统能量管理系统EMS (Energy Management System) 进行通信互联。

图8描述了BESS采用PQ控制方式时的示范系统运行监测曲线, 该时段内EMS的运行目标为控制示范系统与配电网公共连接点 (PCC) 无交互功率, 即当示范系统出现光伏发电输出功率波动、负荷变化等情况时, EMS将动态调整BESS的输出功率以维持PCC交互功率恒定为0。由图8可知, BESS IED信息模型能够准确解析EMS下达的控制方式指令与运行调节设定值:当接收到EMS下达的PQ控制方式指令时, 其信息模型中的控制DO-DRCC.Mode Set设定为1, 信息模型中的控制DO-DRCC.Out WSet、DO-DRCC.Out Var Set响应EMS下达的功率设定值并进行动态更新, 进而调整BESS直流变换器的有功/无功功率设定值, 以缓冲光伏发电出力变化、负荷投切等状况引起的示范系统功率波动, 维持其PCC交互功率恒定。

当示范系统接受EMS调度转入离网运行时, BESS将采用V/f控制方式为示范系统提供一定时间的电压与频率支撑。图9描述了BESS采用V/f控制方式时的实验波形, 当BESS IED接收到EMS下达的V/f控制方式指令时, 其信息模型中的控制DO-DRCC.Mode Set设定为2, 信息模型中的控制DO-DRCC.Out Hz Set、DO-DRCC.Out VSet分别响应EMS下达的系统频率、电压幅值设定值, 并进行动态更新, 以调整BESS直流变换器的输出电压。图9实验结果表明, BESS能够快速响应EMS的控制指令, 在2个工频周期内建立示范系统电压 (频率50.0 Hz, 有效值224.1 V) 并提供稳定支撑。

图10描述了BESS采用充放电恒功率控制方式时的示范系统运行监测曲线, 其中EMS在09:58:00前的时段对BESS进行4 k W恒功率充电, 在09:58:00时下达9 k W恒功率充电指令。由图10可知, BESS IED信息模型能够准确解析EMS控制指令:当接收到EMS下达的充放电恒功率控制方式指令时, 其信息模型中的控制DO-DRCC.Mode Set设定为4, 信息模型中的控制DO-DRCC.Out WSet响应EMS下达的充放电恒功率设定值并进行动态更新, 进而控制BESS蓄电池充电器的功率输出、完成对BESS的充放电恒功率控制。

上述示范系统运行测试结果表明, BESS IED能够准确、可靠地与EMS进行信息交互, 一方面, BESS IED信息模型中的控制DO能够快速响应EMS控制指令, 并动态更新BESS不同控制方式下对应的运行调节值, 完成相应的运行目标;另一方面, BESS IED信息模型中的状态信息DO与测量值DO能够依据预设的RCB触发方式与通信服务属性, 将BESS实际运行状态与运行数据完整地向EMS进行反馈。EMS获取的监测数据能够反映BESS的真实工况, 为BESS性能测试、控制方式调整以及综合决策分析提供可靠的信息源。

5 结论

IEC61850建模 第8篇

随着对智能电网和高级配电自动化研究的不断深入[1,2,3,4],智能设备之间的通信问题已成为一个重要的研究课题[5]。配电网的一个重要特点是设备点多面广,智能设备种类繁多,其采用的通信方式和通信接口也复杂多样,这就导致了配电自动化建设和维护的成本都很高[6]。采用统一的标准,建立一个开放的双向通信体系,为智能设备和控制中心建立一个安全的、即插即用的应用环境,对推动智能电网和配电自动化的建设都有重要的意义。

国际电工委员会(IEC)制定的IEC 61850标准《变电站自动化通信网络和系统》,为不同厂商的智能设备实现互操作和无缝集成提供了有效的途径[7]。随着IEC 61850标准的逐渐成熟和广泛应用,其技术和方法逐渐推广至变电站自动化以外的其他应用领域,如风力发电、水力发电、分布式能源等,并作为实施智能电网的标准,用于输电和配电自动化通信领域[8]。

小电流接地故障是配电网中的常见故障,对故障的处理包括选线和区段定位2个部分,而目前IEC 61850标准中缺乏相应的逻辑节点和设备模型。为了推动小电流接地故障选线和区段定位在数字化变电站、配电自动化中的相关应用,规范设备的接口,需要对小电流接地故障选线和定位装置进行设备建模,增加相应的逻辑节点。

1 小电流接地故障处理方案

国内配电网多采用中性点不接地或经消弧线圈接地(谐振接地)的运行方式,发生单相接地故障时,故障电流很小,故称为小电流接地故障。在配电自动化中,对小电流接地故障的处理包括选线和区段定位。当发生小电流接地故障时,变电站选线装置将选线结果上报给配电自动化主站系统,配电自动化主站利用选线结果和相关馈线终端装置(FTU)上报的故障信息完成区段定位,如图1所示。

图1中,配电自动化主站系统位于控制中心,通过通信网络接入选线装置和FTU等终端设备,实现了配电网的监测与控制、馈线自动化(也称故障定位隔离与恢复供电)等功能,能够对短路故障、小电流接地故障进行处理,是配电网监控和管理系统的核心。选线装置安装在变电站中,发生小电流接地故障时,选出故障线路,并将选线结果上报主站系统。FTU安装在10 kV馈线的分段开关处,采集配电网的电压、电流等信息,并进行故障判断,通过通信线路将信息上报主站系统。主站系统通过对比同一馈线上多个FTU的故障信息进行故障定位。

目前已经提出了很多种选线和区段定位的方法,总体上可以分为以下几种方法:①利用故障稳态信息的被动式保护方法,包括零序电流幅值法、方向法等;②基于故障暂态信息的被动式保护方法,包括首半波法、暂态特征量法;③主动式保护方法,包括信号注入法和中电阻法。其中,利用故障暂态特征量的方法,检测灵敏度和可靠性高,在配电网中已有了很多应用,并取得了良好的效果[9,10,11,12]。本文主要以这种方法为例进行选线和检测逻辑节点的信息建模,对于采用其他方法的信息建模也可以参考使用。

2 小电流接地故障选线模型

2.1 小电流接地故障选线功能

小电流接地故障选线装置安装在变电站内,按照母线分组方式接入母线三相电压、母线零序电压、被监测线路的零序电流。发生小电流接地故障时,完成母线三相电压、母线暂态零序电压和线路暂态零序电流的数据采集与记录,进行故障选线,输出故障线路和故障波形。

选线装置一般仅发出故障启动信号,如果需要线路跳闸功能,应向接地线路的出线断路器发跳闸命令[13]。

2.2 小电流接地故障选线逻辑节点

为了简化模型,基于暂态信号的小电流接地故障选线逻辑节点PSPE仅监测一段母线和该母线的出线。如果需要监测多段母线,可以采用多个PSPE。

分析选线功能,PSPE需要输出的状态信息包括:启动、动作信息;接地馈线的编号。测量信息包括:母线的暂态零序电压;馈线的暂态零序电流。测量信息用于故障的录波数据,输出故障波形。需要的定值信息包括:零序电压启动定值、启动延时、动作延时;监视的母线名称、馈线数目、馈线名称;暂态信号选定频段(SFB)的范围。

对于故障的启动时间等相关信息不在逻辑节点中扩展,而以可扩展置标语言(XML)格式体现在录波文件的标题文件中[14]。故障的暂态零序电压、电流波形数据采用COMTRADE格式[15]记录。PSPE如图2所示。图中,PSPE继承了公用逻辑节点的全部属性并进行了相应地扩展。NumFed定义了故障选线装置监测的出线数目,FedName[n]采用数组的方式定义了被监测出线的名称。TransVClc为暂态零序电压计算值,TransAClc[n]采用数组方式定义了被监测出线的暂态零序电流计算值。PSPE通过监测母线零序电压启动。文献[9]证明:对于小电流接地信号的暂态信息,可在1个SFB内进行处理,在SFB内,所有线路可等效为集中参数电容,并且该频段内保留了暂态信号的绝大部分能量。SFBHigh为频段的上限,SFBLow为频段的下限,一般选取频段为150～2 000 Hz。

2.3 暂态零序信号的获取

利用电压互感器的开口三角绕组获得母线零序电压,将零序电压信号通过带通滤波器(频段采用SFB)获得暂态零序电压,然后再进行A/D转换以及特征量计算。为了能够保证SFB内的信号完整性,根据Nyquist采样定理[16],采样频率为SFB上限的2倍以上,如果SFB为150～2 000 Hz,那么采样频率至少为4 000 Hz,即每周期80个采样点以上,一般可以选择每周期128个采样点。

利用零序电流互感器或者三相电流互感器二次绕组并联合成这2种方式都可以获得零序电流,将零序电流信号通过带通滤波器,采用与电压信号相同的处理方式获得暂态零序电流。

在数字化变电站中,采用电子式互感器获取相电压、电流,其可以通过合并单元计算获取零序电压、电流信号;对于不能通过合并单元获取零序电压、电流信号的应用,文献[17]给出了通过相电压、电流获取零序电压、电流的方法。将零序电压、电流信号通过带通滤波器(频段采用SFB),即可获得暂态电压、电流信号。对于电子式互感器输出信号,要求每周期80个采样点以上。

2.4 小电流接地故障选线装置建模

为了完成小电流接地故障选线功能,选线装置除了使用PSPE外,还包括测量逻辑节点和相应的辅助逻辑节点,如图3所示。

图3中,测量逻辑节点MMXU、电压互感器逻辑节点TVTR是用来测量母线电压的逻辑节点。1条出线的零序电流可用1组MMXU、电流互感器逻辑节点TCTR来测量,多条出线可采用多组MMXU和TCTR。在数字化变电站中,如果采用通过网络与选线装置相连的智能电压互感器或电流互感器,则选线装置内量测量的获取不再使用TVTR和TCTR,仅使用MMXU。图中所示装置仅为监测一段母线及其出线的模型,如果需要监测多段母线及其出线,可以采用多个逻辑设备。

PSPE通过监测零序电压超过定值GndStr作为保护的启动条件,选线完成后,启动扰动记录功能RDRE,采用COMTRADE格式记录母线的暂态零序电压、所有线路的暂态零序电流故障信息[15]。

3 小电流接地故障定位模型

3.1 小电流接地故障定位功能

安装在线路上的FTU,监测线路的零序电流、电压,计算暂态零序电流、电压,在出现小电流接地故障时,记录故障初始周期的暂态零序电流。主站读取现场装置送上来的这些测量值后,通过与相邻FTU记录的数据波形进行比较[12],判断发生故障的区段。

3.2 小电流接地故障定位逻辑节点

IEC 61850标准中定义了灵敏方向接地故障模型,但其利用零序电流的稳态变化进行故障检测,不适用于零序电流变化不明显的故障检测。因此,需要建立小电流接地故障定位逻辑节点PFSE,利用零序电流的暂态特征进行故障检测,适用于中压配电线路的小电流接地故障定位。

PFSE需要输出的状态信息包括启动、动作信息。测量信息包括:暂态零序电压(可选);暂态零序电流。测量信息用于故障的录波数据,输出故障波形。需要设定的定值信息包括:零序电流、电压启动定值、启动延时、动作延时;暂态信号SFB的范围。

对于故障的启动时间等相关信息不在逻辑节点中扩展,而以XML格式体现在录波文件的标题文件中[14]。故障的暂态零序电压、电流波形数据采用COMTRADE格式[15]记录。PFSE如图4所示。

图4中,GndOp为故障启动零序电流值。GndStr为故障启动零序电压值。

3.3 暂态零序信号的获取

由于目前电子式互感器价格较高,在配电线路上还是以传统的电压采集方式为主。通过电压互感器的开口三角绕组获得零序电压,然后通过带通滤波器获得暂态零序电压信号。

需要说明的是,在线路上加装大量的零序电压互感器不仅施工不方便,而且容易引起铁磁谐振[12],所以配电线路上一般不采集零序电压。

配电线路零序电流的获取还是以传统的方法为主。可以通过零序电流互感器、三相电流互感器二次绕组并联合成、FTU计算三相电流之和这3种方式得到零序电流,然后通过带通滤波器获得暂态零序电流信号。

3.4 柱上FTU的装置模型

FTU安装在中压配电线路上,监测线路的电压、电流及开关位置等信号,并完成短路故障和单相接地故障保护功能。为FTU所建立的装置模型见图5。图中,FTU的装置模型包括LD1,LD2,LD3这3个逻辑设备。LD1主要完成测控功能,包括电压、电流信号的采集和开关的控制;LD2完成保护相关的功能,包括过流保护PTOC、小电流定位;LD3完成电源管理、电池充电管理功能。如果采集了电压信号,采用方向元件RDIR计算方向系数。

PFSE通过监测零序电流的变化来启动保护,使用扰动记录功能RDRE采用COMTRADE格式记录故障暂态零序电流、电压信息[14]。

4 结语

目前建成的配电自动化系统中一般缺乏对小电流接地故障的有效处理。本文采用IEC 61850标准的技术和方法,对小电流接地故障的选线和定位进行了分析,提出了适合配电自动化建设使用的信息模型,对于推动IEC 61850标准在配电自动化中的应用和小电流接地故障选线、定位装置通信接口的规范化都有积极的意义。

IEC61850建模 第9篇

IEC 61850定义了标准的配置模型和信息模型[1,2,3,4],该模型已被广泛应用。文献[5,6]针对制造报文规范(MMS)通信映射方式的数据结构、数据流和实现架构,分别提出了保护信息管理系统和智能电子设备(IED)基于IEC 61850的建模方法,具有重要参考意义。

随着智能变电站的推广应用,工程调试和维护复杂的问题日益突出[7]。变电站主要设备是一次设备,它组成了输送和分配电能的功能实体。然而,在系统集成时,国内过于重视IED的一致性测试,忽略了系统规格建模,导致变电站配置文件(SCD)普遍缺少一次设备描述,模型描述不完备。2011年完成了国家电网公司智能变电站和主站共享建模科技项目的研究,在SCD基础上,补充一次设备模型定义,建立一次设备与二次设备逻辑节点之间的关联关系,通过共享建模技术,将变电站配置模型转换成公共信息模型(CIM),同时生成图形和通信配置信息,直接应用于主站系统,基本满足源端维护要求[8,9]。

IEC 61850对二次设备产生了很大影响,但给一次设备带来的变化却较小,因此,虽然变电站内部通信发生了巨大变化,但功能需求相对不变。IEC 61850 与传统规约不同,它不仅定义了数据,还定义了与数据密切相关的服务。变电站自动化系统若能直接采用统一配置模型生成数据库,保持数据和服务的完整性,无需人工映射,将大大简化工程的调试和维护。随着IEC 61850模型不断扩充更新,这种需求尤为迫切[10]。但是,国内变电站自动化系统集成厂家为了兼容常规变电站,一般在IEC 60870-5-103 的基础上,扩充IEC 61850数据库模型定义。因此,各厂家的数据库模型结构是私有的,通常采用映射方式建立标准配置模型与私有数据库模型之间的映射关系,不仅工程调试复杂,同时难以保证信息的完整性。

本文提出了基于IEC 61850通用数据类的数据库信息模型的设计方法,旨在解决站控层设备模型维护复杂、信息不完整的问题,实现标准模型的复用和自动导入、导出。

1 设计方法

在软件工程中,“开闭原则”是一项最基本的原则,即“对扩展开放,对修改关闭”,这也是软件复用的基础。本文严格遵循这一原则,设计了通用的数据库建模方法,信息模型采用IEC 61850定义的通用数据类(CDC),设备模型采用IEC 61970-301定义的CIM,在信息模型与设备模型之间建立关联关系。数据库信息模型由SCD模型文件自动生成,设备模型由CIM自动生成,其中CIM通过共享建模技术由SCD转换生成[9]。基于CDC的变电站数据库建模流程如图1所示。

1.1 通用数据类

IEC 61850定义了包含逻辑设备(LD)、逻辑节点、数据对象(DO)、数据属性(DA)的层次化对象模型。IEC 61850-7-3定义了38个CDC类,国内扩充定义了1个CDC类(STG,字符串定值),总计39个CDC类。CDC类包含的数据属性,其类型包括基本数据类型、简单的复合数据类型,以及嵌套的CDC类。CDC类的数据属性既有强制性的,也有可选的。数据属性的名称及其数据类型必须符合IEC 61850定义,否则须在数据类型模板中扩充定义。

1.2 信息模型结构

为了实现通用数据库设计,本文定义了4类数据库表,分别是模型类、模板类、数据类和通信类。其中,模型类17个表、模板类8个表、数据类41个表、通信类1个表,总计67个表。信息模型的关系型数据库结构如图2所示。

模型类定义了IED的模型结构,包括智能电子设备表(IED)、访问点表(ACC_POINT)、逻辑设备表(LG_DEV)、逻辑节点表(LG_NODE)、数据对象表(DAT_OBJ)、数据集表(DATSET)、功能约束数据属性表(FC_DA)、功能约束控制块表(FC_CB)、报告控制块表(RPT_CB)、日志控制块表(LOG_CB)、事件控制块表(GSE_CB)、采样值控制块表(SMV_CB)、定值区控制块表(SG_CB)、外部引用表(EXT_REF)、静态目录表(STATIC_DIR)、动态目录表(RUNTIME_DIR)、基本数据属性索引表(BDA_INDEX)、量测索引表(MEAS_INDEX)。其中,静态目录表的记录通过SCD文件自动生成,动态目录表的记录则在运行时通过服务动态创建,基本数据属性索引表和量测索引表用于数据检索。基本数据属性索引表包含自身的引用(ref),还有检索关键字域,即所属IED(ied_id)、所属LD(ld_id)、所属LN(ln_id)、所属数据对象(do_id)、所属CDC对象(cdc_id),分别与IED,LG_DEV,LG_NODE,DAT_OBJ,CDC对象表建立关联关系。量测索引表包含自身的引用(ref),所属IED(ied_id)和量测ID(meas_id),分别与智能电子设备表和数据采集与监控(SCADA)应用的参数类表建立关联关系。这里的参数类表是指遥信、遥测、保护信号等表,是SCADA应用的一部分。

模板类定义了数据类型的模型结构,包括逻辑节点类型表(LN_TYPE)、数据对象类型表(DO_TYPE)、数据属性类型表(DA_TYPE)、数据对象定义表(DO_DEF)、嵌套数据对象定义表(SDO_DEF)、数据属性定义表(DA_DEF)、基本数据属性定义表(BDA_DEF)。

数据类是通用数据库的核心,变电站IED的实例化数据展开后生成CDC类对象,存储在相应的CDC表记录中。数据类包括单点状态表(CDC_SPS)、双点状态表(CDC_DPS)、整数状态表(CDC_INS)、枚举状态表(CDC_ENS)、保护启动信息表(CDC_ACT)、方向保护启动信息表(CDC_ACD)、安全违规计数表(CDC_SEC)、二进制计数器读数表(CDC_BCR)、直方图表(CDC_HST)、测量值表(CDC_MV)、复合测量值表(CDC_CMV)、采样值表(CDC_SAV)、分相测量值表(CDC_WYE)、相间测量值表(CDC_DEL)、序列表(CDC_SEQ)、谐波值表(CDC_HMV)、分相谐波值表(CDC_HWYE)、相间谐波值表(CDC_HDEL)、单点控制表(CDC_SPC)、双点控制表(CDC_DPC)、整数控制表(CDC_INC)、枚举控制表(CDC_ENC)、二进制步进位置控制表(CDC_BSC)、整数步进位置控制表(CDC_ISC)、模拟过程量控制表(CDC_APC)、二进制模拟过程值控制表(CDC_BAC)、单点定值表(CDC_SPG)、整数定值表(CDC_ING)、枚举定值表(CDC_ENG)、对象引用定值表(CDC_ORG)、时间定值表(CDC_TSG)、货币定值表(CDC_CUG)、模拟定值表(CDC_ASG)、曲线定值表(CDC_CURVE)、曲线形状定值表(CDC_CSG)、设备铭牌表(CDC_DPL)、逻辑节点铭牌表(CDC_LPL)、曲线形状描述表(CDC_CSD)、整数阵列表(CDC_INT_ARRAY)、点阵列表(CDC_POINT_ARRAY)、方块阵列表(CDC_CELL_ARRAY)、字符串定值表(CDC_STG)。数据类表都有通用的数据属性,包括ID号(id)、英文名(code)、中文名(name)、所属IED(ied_id)、所属LD(ld_id)、所属LN(ln_id)、所属DO(do_id)、引用(ref),可定义数据实例的描述、外键和索引。此外,还定义了层次化描述数据属性,包括装置名(ied_name)、逻辑设备实例名(ld_name)、前缀(prefix)、逻辑节点类(ln_class)、逻辑节点实例名(ln_inst)、逻辑节点名(ln_name)、数据对象名(do_name),方便查询。这样,每个CDC类实例数据在数据库记录中的描述都整齐、规范。

以上数据库表的设计,除了静态目录表、动态目录表、基本数据属性索引表、量测索引表提供检索查询外,其他表域的名称和数据类型严格参照IEC 61850-6 和IEC 61850-7-3定义,根据IED、逻辑设备、逻辑节点、数据对象的层次关系,通过表中的ID号域(ied_id,ld_id,ln_id,do_id)定义各表之间的关联关系(如图2虚线所示)。此外,模板类的逻辑节点类型、数据对象类型、数据属性类型及其定义,与逻辑节点、数据对象、数据属性实例数据通过类型名建立关联关系。数据库信息模型能够直接由SCD配置文件生成,实例数据可通过字符串格式的引用检索,数据库信息模型也能直接导出生成SCD配置文件,无论是编程,还是工程调试和升级维护,都可以简化。

由于IEC 61850仅发布了MMS通信服务映射方式,因此通信类目前定义了1个表,该表为MMS规约表(IEC 61850_MMS_INFO),其数据属性包括装置描述、通信地址、订阅参数、非缓冲报告控制块(URCB)实例、缓冲报告控制块(BRCB)实例等。若IEC 61850发布新的通信服务映射方式,如IEC 61850-8-2 Web服务映射,可参照此表,增加其他的数据属性,定义IEC 61850_WEBSERVICES_INFO表。

1.3 复合数据的描述方法

复合数据包含于CDC类中,构成实例化对象的嵌套数据对象(SDO)、DA、基本数据属性(BDA),其中DA和BDA属于简单的复合数据,SDO是嵌套的DO,也是某个CDC类的一个实例。为了方便建库,需将CDC类实例中的DA和BDA展开成基本数据类型,嵌套的SDO则以INT64类型的索引值保存,其实际数据作为一条新记录存储,通过do_id 建立与其父DO的关联关系。为了便于访问数据,本文采用对象引用的检索方式,封装了表域名与IEC 61850数据名之间的映射关系,保留功能约束。CDC表的记录数据包括3个部分:索引、命名描述以及IEC 61850数据。索引部分用于检索数据,描述部分用于提取数据对象的引用,IEC 61850数据用于实际存储。根据IEC 61850的定义,数据对象引用可以描述为ld_name/ln_name.do_name,其中do_name采取了必要的数据冗余,可通过其余3项组合而成,即$prefix$ln_class$ln_inst,其中$表示取字符串值。每条数据对象记录中,字符串格式的引用是关键词。

1.4 数据库访问接口

根据上文定义的表结构,可设计C++类,用以封装表中的域数据和对象访问接口。这些接口包括记录的增加、删除、修改、查询,以及关联设备的查询等。通过封装类和主键值,可以实现数据库表记录和内存对象数据之间的双向访问。

数据库访问接口的UML类图见图3。

下面以CDC对象的访问为例,介绍接口调用方法。对应每个CDC类,本文封装了一个类,它们派生于cdc_base 基类。cdc_base类派生于dbo_adapter数据库对象接口类,其中封装了CDC对象数据的读写接口。table_operate类封装了数据库与对象之间的访问接口。实际编程时,先定义一个table_operate对象,并设定特定的数据库接口,例如SQLite3、达梦、Oracle等,然后添加需要操作的CDC对象,最后调用read,write,modify,delete通用接口执行数据库操作。以上对象检索方式都基于字符串格式的引用,非常直观、方便。

为了支持多种数据库平台,可开放底层接口封装在基础接口类中。若需增加新的数据库接口,可从接口类派生子类,实现其中虚拟的接口函数。打开数据库时,需要加载具体的访问接口,才能对特定的数据库进行操作。

为了方便访问,本文定义的接口接受字符串格式的对象引用参数,查询并获取对象数据。例如,某开关位置信号为P5021ACTRL/Q0CSWI1.Pos.stVal,调用接口函数,首先解析对应DO的引用,即P5021ACTRL/Q0XCBR1.Pos,然后从DAT_OBJ表中检索对象INT64类型的索引值,从该索引值中可以解析DO的类型,即可知道表名(CDC_DPS)和记录索引。通过上面的对象访问接口,可以生成对象实例,提供应用程序操作。以上过程封装在一个接口函数中。

除此之外,在以上接口的基础上,还设计了通过数据对象引用查询关联SCADA应用模型的信号和设备,通过设备查询关联信息模型中的逻辑节点等访问接口,方便上行和下行通信数据的检索。

2 数据库的自动生成方法

以上建立的数据库可通过编程实现由SCD文件直接生成数据库表记录。自动生成的表包括:设备模型表、信息模型表、SCADA模型表、前置模型表。本文只讨论信息模型表的自动生成方法,设备模型和应用模型只做简单描述。

设备模型采用IEC 61970模型,一是因为IEC 61850 一次设备模型的定义没有IEC 61970完善,二是为了适应调度和变电环节技术融合的发展趋势。文献[9]提供了SCD模型文件生成CIM模型文件的方法。一次设备模型通过LNode与二次设备模型(信息模型)建立关联关系。

SCADA模型和前置模型属于应用模型。SCADA模型自动创建的记录主要包括遥信、遥测、遥控等信号表,可以通过读取SCD文件中的数据集,解析相关内容自动生成。前置模型自动创建的记录主要是IEC 61850_MMS_INFO通信表记录的创建,可以通过解析IED的通信参数、报告控制块等参数生成。

实际生成数据库时,先建立设备模型,然后建立信息模型,最后建立SCADA模型和前置模型等应用模型。生成信息模型时,先生成模板类数据库表,然后生成模型类部分数据库表,最后生成数据类数据库表和数据对象相关的模型类数据库表。

信息模型中模板类表的自动生成较为直接,但因其嵌套复杂,又要为后续实例化的生成提供模板类型检索,因而处理较为复杂,需要创建模板类型映射。模型类的IED,LG_DEV,LG_NODE,RPT_CB,DATSET,FC_DA等数据对象以外的表可通过解析SCD相关内容直接生成。生成DATSET表时,需要同时在MEAS_INDEX中创建记录,以便检索信号。

数据类数据库表的生成需要建立复杂的关联和嵌套关系。编程时,需要通过使用的逻辑节点类型模板,查询数据对象定义;通过数据对象类型模板,查询数据属性定义;通过数据属性类型,查询基本数据属性定义。如此嵌套反复,才能自动生成CDC类数据对象记录。生成数据对象的同时,需要建立数据对象的索引,即在DAT_OBJ和BDA_INDEX中增加记录。

上述过程完成后,需要建立信息模型与SCADA应用模型之间的关联关系。例如,若SCD文件中的设备配置了关联的LNode,则先获取SCADA应用模型的设备ID,将其写入逻辑节点表记录中的dev_id域,便可在数据库中建立逻辑节点与SCADA设备表的关联关系。所有FC_DA表中的记录,都是报告数据集中的数据,也是SCADA要采集的信号。须生成SCADA遥信、遥测等表记录,并将其记录索引值写入MEAS_INDEX表的meas_id域,建立关联关系,以便检索信号。

3 技术验证

为了验证国家电网公司组织开发的新一代智能电网调度技术支持系统基础平台(以下简称“调度平台”)可以应用于变电站自动化系统,项目组承担了调度变电一体化监控系统软件的前期研发工作。在调度平台上开发了信息模型访问接口和MMS通信进程mms_client,搭建了变电站监控系统软件测试环境,完成了通用数据库信息模型的验证工作。测试环境包括系统配置工具、D-5000平台主机和测控装置。首先采用系统配置工具绘制变电站主接线图,输出变电站SCD统一配置模型,转换生成变电站电网模型文件(CIM/E)模型,导出电网图形文件(CIM/G)。通过模型导入工具,导入CIM/E,生成D-5000调度变电一体化平台的设备模型;通过本文实现的信息模型导入工具,导入SCD模型,生成D-5000调度变电一体化平台的信息模型;通过图形导入工具,导入CIM/G,生成主接线图。mms_client进程打开IEC 61850_MMS_INFO表,读取全部记录,解析IED通信地址和报告控制块等参数,自动订阅装置报告。在装置上模拟产生数据变化,mms_client解析报告后通过MEAS_INDEX表检索关联的设备,通过消息总线发送变化数据给SCADA应用,SCADA分析处理后刷新实时库,并在界面上显示最后变化的数据。整个流程以往至少需要1周的调试时间,采用本文的建库方法后1 h即可完成。

上述测试系统基于D-5000平台的实时数据库,本文编写了1.4节中所述的IEC 61850信息模型的访问接口。另外,为了验证不同的数据库平台,同时开发了SQLite3嵌入式数据库访问接口,完成了以上信息模型的测试。实验表明,本文所述的数据库信息模型通用性强、接口开放、对象查询方便,可显著提高工作效率。

4 结语

本文设计并实现了基于IEC 61850通用数据类的数据库信息模型及其接口的实现方法,提出了信息模型、设备模型、应用模型3层架构,主要优点如下。

1) 信息模型遵循IEC 61850,设备模型遵循IEC 61970,实现了标准模型的复用,且信息最为完整。

2) 能够直接由SCD配置文件自动生成数据库,也可以由数据库自动生成SCD配置文件,与具体变电站模型无关,明显减少了工程调试周期和维护成本。

3) 建立了基于通用数据类的数据库信息模型,设计了基于字符串格式的数据对象引用的检索方式,提供开放的访问接口,适用于不同的数据库平台。

参考文献

[1]IEC61850-6Communication networks and systems in substations:Part6configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs.2006.

[2]IEC61850-7-2Communication networks and systems in substations:Part7-2basic communication structure for substation and feeder equipment—abstract communicationservice interface(ACSI).2004.

[3]IEC61850-7-3Communication networks and systems in substations:Part7-3basic communication structure for substation and feeder equipment—common data classes.2004.

[4]IEC61850-7-4Communication networks and systems in substations:Part7-4basic communication structure for substation and feeder equipment—compatible logical node classes and data classes.2004.

[5]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[J].电力系统自动化,2004,28(21):43-48.ZHANG Jianmin,ZHU Bingquan,ZHAO Fang,et al.Modeling and implementation of the subsystem in substations[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(21):43-48.

[6]何卫,唐成虹,张祥文,等.基于IEC61850的IED数据结构设计[J].电力系统自动化,2007,31(1):57-60.HE Wei,TANG Chenghong,ZHANG Xiangwen,et al.Design of data structure for IED based on IEC61850[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(1):57-60.

[7]辛建波,吴素农.智能变电站建设过程中值得关注的几个问题[J].江西电力,2010,34(3):1-9.XIN Jianbo,WU Sunong.Several issues concerned in the construction of smart substation[J].Jiangxi Electric Power,2010,34(3):1-9.

[8]陈爱林,乐全明,冯军,等.代理服务器在智能变电站和调度主站无缝通信中的应用[J].电力系统自动化,2010,34(20):99-102.CHEN Ailin,YUE Quanming,FENG Jun,et al.Application of IEC61850proxy server in seamless communication between smart substation and control center[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(20):99-102.

[9]陈爱林,耿明志,张海东,等.智能变电站和主站共享建模的关键技术[J].电力系统自动化,2012,36(9):72-76.CHEN Ailin,GENG Mingzhi,ZHANG Haidong,et al.The key technology of model harmonization between smart substation and control center[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(9):72-76.