基于IEC61850－90－1的廣域保護(hù)信息模型和信息流分析

唐瑜，王倩

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

基于廣域信息的繼電保護(hù)與穩(wěn)定控制有機(jī)協(xié)調(diào)構(gòu)成的廣域保護(hù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，本文討論的是廣域繼電保護(hù)功能，即充分利用廣域范圍內(nèi)采集的各種信息，并利用網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行多點(diǎn)綜合比較判斷，應(yīng)用各種保護(hù)原理來豐富保護(hù)功能和提高傳統(tǒng)保護(hù)性能，防止發(fā)生大范圍長時(shí)間停電事故的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)。目前應(yīng)用到廣域保護(hù)的通信系統(tǒng)中還沒有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換模型。

IEC61850－90－1是使用IEC61850的變電站之間的通信規(guī)范，已經(jīng)作為技術(shù)報(bào)告于2010年03月發(fā)布了英文版。該部分對(duì)變電站之間通信所涉及的各個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)范化。給出了該規(guī)范的使用領(lǐng)域（用例）；描述了通信要求；給出了變電站之間通信所需要的通信服務(wù)及通信架構(gòu)；并對(duì)建模規(guī)范及涉及站間通信的增強(qiáng)的配置描述 SCL語言的使用進(jìn)行了說明［1］。目前國內(nèi)對(duì)該規(guī)范的研究才剛剛起步。

廣域保護(hù)通信系統(tǒng)中涉及變電站與變電站之間的通信，因此，在IEC 61850－90－1變電站間通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立廣域保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型和通信服務(wù)模型，對(duì)建立開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的廣域保護(hù)通信系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

2 IEC 61850－90－1概述

IEC 61850－90－1給出了使用站間通信的保護(hù)和控制功能用例。主要包括線路電流差動(dòng)保護(hù)、允許式和閉鎖式距離保護(hù)、方向和相序比較保護(hù)、跳閘傳輸?shù)缺Ｗo(hù)功能和自動(dòng)重合、互鎖、發(fā)電機(jī)和負(fù)荷減載等控制功能。

2.1 通信接口配置

IEC61850－90－1中規(guī)定，站間通信的通信接口配置比變電站站內(nèi)通信接口配置增加了接口2和接口11。且變電站站間通信的接口都位于間隔層，由間隔層IED直接進(jìn)行通信。

接口2:用于變電站之間的保護(hù)數(shù)據(jù)交換。該接口涉及到例如線路差動(dòng)保護(hù)的數(shù)據(jù)以及如線路距離保護(hù)的數(shù)字信號(hào)（二進(jìn)制信號(hào)）；接口11:變電站之間的控制數(shù)據(jù)交換。該接口涉及到如遠(yuǎn)方閉鎖或者變電站間自動(dòng)化功能的數(shù)字信號(hào)［1］。

2.2 通信機(jī)制

根據(jù)IEC 61850－90－1技術(shù)報(bào)告，站間通信可以采用隧道機(jī)制和網(wǎng)關(guān)機(jī)制兩種通信方式。網(wǎng)關(guān)方法即是用一個(gè)特定的遠(yuǎn)方通信裝置作為網(wǎng)關(guān)，采用相應(yīng)的低速通信通道。這也是現(xiàn)今已被采用的方法，不同點(diǎn)在于，需采用遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)方保護(hù)裝置。

“隧道機(jī)制”是指允許采用“直接接入”至遠(yuǎn)方站的功能的連接多變電站網(wǎng)絡(luò)的方法，即兩個(gè)變電站采用高速通道直接交換信息。隧道是為一些特定類型的協(xié)議配置的，例如基于VLAN ID。對(duì)于IEC61850，相關(guān)的類型的協(xié)議可以是TCP/IP（對(duì)于客戶端/服務(wù)器通信）和以太網(wǎng)第2層的多播報(bào)文（GOOSE和SV）［1］。

2.3 邏輯節(jié)點(diǎn)改變

IEC61850－90－1報(bào)告根據(jù)站間通信的應(yīng)用范圍，新增了通信接口邏輯節(jié)點(diǎn)ITPC，用于通信通道的設(shè)置和監(jiān)視功能，ITPC不包含傳送的輸入輸出數(shù)據(jù)，也沒有處理的數(shù)據(jù)對(duì)象，可以使用實(shí)例名ITPC1，ITPC2等分別代表多個(gè)通道的通信接口。報(bào)告根據(jù)線路保護(hù)用例對(duì)線路保護(hù)配置邏輯節(jié)點(diǎn)PSCH進(jìn)行了修改，根據(jù)站間電流差動(dòng)保護(hù)用例將差動(dòng)測量邏輯節(jié)點(diǎn)MDIF替換為RMXU。該邏輯節(jié)點(diǎn)除了具備MDIF的功能之外還提供了同步采樣的功能，本側(cè)RMXU將作為本側(cè)電流傳感器的采樣序列或相量的同步源，并將信息傳至本側(cè)PDIF和遠(yuǎn)端PDIF［1］。

3 廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法

電流差動(dòng)保護(hù)是反應(yīng)從被保護(hù)元件各對(duì)外端口流入該元件的電流之和的一種保護(hù)，是根據(jù)基爾霍夫電流定律的具有絕對(duì)選擇性的一種保護(hù)。廣域電流差動(dòng)保護(hù)則將該保護(hù)原理拓展應(yīng)用到廣域電力系統(tǒng)中，通過采集廣域網(wǎng)中多測量點(diǎn)的電流信息進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算和故障定位。基于GPS的廣域測量系統(tǒng)為廣域保護(hù)提供了能同步采集全電網(wǎng)多個(gè)結(jié)點(diǎn)信息的有效手段。

廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法主要解決兩方面的問題，一是保護(hù)范圍的劃分；二是IED關(guān)聯(lián)域的形成，即任意IED的信息交換對(duì)象。文獻(xiàn)［5］根據(jù)電網(wǎng)接線圖，以研究對(duì)象IED為“根”，采用拓?fù)錁涞姆椒ㄖ鹨凰阉鱅ED在各個(gè)保護(hù)區(qū)域中的關(guān)聯(lián)IED。IED與不同的關(guān)聯(lián)IED進(jìn)行電流差動(dòng)計(jì)算可為不同的區(qū)域提供差動(dòng)保護(hù)。該方法只適用于放射性網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮環(huán)網(wǎng)的情況。且當(dāng)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，或者接線方式為分段式母線、雙母線和一個(gè)半接線的情況下，保護(hù)范圍將隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化而變化。文獻(xiàn)［6］提出了基于圖論的保護(hù)范圍劃分實(shí)現(xiàn)方法。將電網(wǎng)拓?fù)鋱D用相關(guān)矩陣表示，通過矩陣可以得到IED保護(hù)范圍和關(guān)聯(lián)域，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變時(shí)亦可通過修改矩陣參數(shù)重新生成IED關(guān)聯(lián)域。文獻(xiàn)［7］采用知識(shí)表示描述電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用專家系統(tǒng)以及通過與SCADA系統(tǒng)連接，按照規(guī)則搜索各一次設(shè)備鄰接的保護(hù)IED，動(dòng)態(tài)在線劃分保護(hù)區(qū)域。

本文采用文獻(xiàn)［7］的知識(shí)方法描述電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照知識(shí)表示中對(duì)IED的描述:IED（編號(hào)，名稱，狀態(tài)，I側(cè)連接的一次設(shè)備，J側(cè)連接的一次設(shè)備），擴(kuò)展廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)并新建數(shù)據(jù)對(duì)象。

4 基于IEC61850－90－1的廣域電流差動(dòng)保護(hù)信息建模

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分為集中式和分布式兩大類。集中式結(jié)構(gòu)由IED擔(dān)任測量和命令執(zhí)行功能，中央處理單元執(zhí)行保護(hù)算法和決策，這種結(jié)構(gòu)對(duì)中央單位依賴性大，且有較長的時(shí)間延遲。在分布式結(jié)構(gòu)中，每個(gè)IED的地位是平等的，并由IED與其他IED進(jìn)行對(duì)等（Peer－to－Peer）通信，獨(dú)立完成信息的采集、算法的執(zhí)行、策略的生成以及跳、合閘命令的執(zhí)行功能，對(duì)IED要求很高。

在分布式結(jié)構(gòu)中，只要確定好信息交換的范圍，不會(huì)出現(xiàn)信息在IED之間多次往返的情況，因此通信延時(shí)不會(huì)較長。因此，本文廣域電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)號(hào)表示基于IEC61850－90－1的通信邏輯接口配置編號(hào)。以變電站A為例，先將站A及站B的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒋嫒胝続的站控層計(jì)算機(jī)，采用廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法，計(jì)算得出站A中所有IED的關(guān)聯(lián)IED編號(hào)，存入IED中。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮锤淖儠r(shí):每個(gè)IED與關(guān)聯(lián)域內(nèi)的IED進(jìn)行通信:站內(nèi)通過接口8，站間通過接口2和接口11傳輸保護(hù)與控制信息，并根據(jù)交換的電流信息進(jìn)行差動(dòng)計(jì)算和故障定位，發(fā)出跳閘命令。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓臅r(shí):IED向站控層發(fā)送自己的拓?fù)湫畔?，站A與站B通過站控層通信，根據(jù)拓?fù)涓淖冃畔⒏髯灾匦律烧緝?nèi)IED的新的關(guān)聯(lián)域，并將結(jié)果發(fā)送至IED。

系統(tǒng)采用這種分層分布式通信結(jié)構(gòu)，信息交互靈活，既防止了變電站之間傳輸大量故障信息對(duì)站控層造成的通信負(fù)荷，又能準(zhǔn)確地根據(jù)拓?fù)渥兓贸鯥ED的新關(guān)聯(lián)域。

4.2 廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)類的擴(kuò)展

IEC61850－90－1中定義了用于電流差動(dòng)保護(hù)的邏輯節(jié)點(diǎn)PDIF，但該邏輯節(jié)點(diǎn)并未包含保護(hù)范圍和IED關(guān)聯(lián)域劃分的功能。因此，本文基于PDIF邏輯節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展新的邏輯節(jié)點(diǎn)——廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)。

按照IEC61850中邏輯節(jié)點(diǎn)的命名規(guī)則，屬于繼電保護(hù)范疇的第一個(gè)字符取為“P”，其他字符按英文名稱可取為“WDIF”，因此，廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)命名為“PWDIF”。具體各字符含義如表1所示。

表1 新邏輯節(jié)點(diǎn)“廣域電流差動(dòng)保護(hù)”

可以使用實(shí)例名PWDIFA，PWDIFB，PWDIFC分別代表廣域電流A，B，C相差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)擴(kuò)展一個(gè)新邏輯節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須為這個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)。為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)類創(chuàng)建什么樣的數(shù)據(jù)，取決于建模功能的需要。廣域電流差動(dòng)保護(hù)主要具備劃分關(guān)聯(lián)IED和電流差動(dòng)保護(hù)計(jì)算兩大功能。

廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)象如表2所示。

其中，差動(dòng)保護(hù)功能相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)象:Str，Op，RstA，RstMod，MinOpTmms，MaxOpTmms，RsDlTmms，TmACrv。

保護(hù)區(qū)域和IED關(guān)聯(lián)域劃分功能相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)象有:MinRch、MaxRch、Stu、MaxRchID、MinRchID；ID、CnetI、CnetJ。其中，ID、CnetI、CnetJ 以及 Stu（IED 狀態(tài)）用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓臅r(shí)向站控層傳送的IED拓?fù)湫畔⒚枋觯琈axRchID和MinRchID用于IED通信對(duì)象的描述，MinRch和MaxRch為廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法輸出結(jié)果，用于跳閘判斷。

表2 廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)類的數(shù)據(jù)

此外，應(yīng)為每一個(gè)新增數(shù)據(jù)對(duì)象在IEC61850－7－3的CDC公共數(shù)據(jù)類中選擇合適的數(shù)據(jù)類型。如MinRch（故障是否位于最小保護(hù)區(qū)域），是通過廣域保護(hù)算法輸出的結(jié)果，屬于狀態(tài)信息，可以選擇SPS單點(diǎn)狀態(tài)信息類型。限于篇幅，其他數(shù)據(jù)對(duì)象的選型標(biāo)注于表2中。

下面給出了基于C++語言描述的PWDIF邏輯節(jié)點(diǎn)類。

4.3 廣域電流差動(dòng)保護(hù)信息模型構(gòu)建及信息流分析

為了更好地說明信息模型建立的過程，以一個(gè)六節(jié)點(diǎn)的簡單電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為例，如圖2所示。

圖2 六節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

G代表發(fā)電機(jī)，e為斷路器和IED編號(hào)，L1－L3為線路編號(hào)。廣域電流差動(dòng)保護(hù)通信系統(tǒng)中任意IED都是對(duì)等的，可以按照算法與關(guān)聯(lián)域中IED進(jìn)行對(duì)等通信。因此，本文以IED1為例，e1最大保護(hù)范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)IED有:e2～e9，需要與sub2和sub3兩個(gè)變電站的IED進(jìn)行通信。

本文采用隧道通信機(jī)制，給出了廣域電流差動(dòng)保護(hù)通信信息模型，如圖3所示:虛線框所示為廣域電流差動(dòng)保護(hù)IED對(duì)象模型。其中:測量功能采用90－1技術(shù)報(bào)告中新增的邏輯節(jié)點(diǎn)RMXU，具有同步采樣的采用源功能；新建邏輯節(jié)點(diǎn)PWDIF代表廣域差動(dòng)保護(hù)功能；PTRC代表斷路器控制功能；ITPC代表通信功能；RBRF代表斷路器失靈保護(hù)功能。此外，該通信信息模型還包括邏輯節(jié)點(diǎn):TVTR、TCTR電壓電流互感器，XCBR斷路器。

圖3中，以IED2和IED3為代表，表示IED1的保護(hù)范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)IED，其它關(guān)聯(lián)域內(nèi)的IED在圖中省略。

模型中信息流用箭頭表示。TCTR、TVTR傳送電壓電流信息至RXMU，由其同步采樣并將采樣序列或相量值傳送至PWDIF廣域保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)，PWDIF將廣域保護(hù)算法所得故障定位結(jié)果傳送至PTRC斷路器邏輯控制節(jié)點(diǎn)，并由其發(fā)送跳閘命令控制斷路器跳閘。

圖3中，站間IED交互的信息流包括:①站間傳輸?shù)碾妷弘娏餍畔ⅲ碔ED1將同步采樣所得的電流值傳送至關(guān)聯(lián)域內(nèi)的 IED2和IED3，并接收來自關(guān)聯(lián)IED的電流信息。②站間傳輸?shù)墓收吓袛嘟Y(jié)果信息，IED1通過差動(dòng)計(jì)算得出故障定位結(jié)果，并將結(jié)果傳送至關(guān)聯(lián)域內(nèi)其他IED，同時(shí)接收來自關(guān)聯(lián)IED的故障判斷結(jié)果。③站間傳送的跳閘請(qǐng)求。IED具備向其他IED發(fā)送跳閘信息完成遠(yuǎn)方直跳的功能。圖中，假設(shè)線路L1故障，IED1正常工作，IED3的數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)正常工作但沒有正確執(zhí)行保護(hù)算法，無法做出故障判斷決策。IED1應(yīng)能直接向IED3發(fā)跳閘信息，控制斷路器3跳閘。④站間傳輸?shù)臄嗦菲魇ъ`觸發(fā)信號(hào)。該信號(hào)實(shí)質(zhì)為跳閘允許信號(hào)，如圖IED1的RBRF節(jié)點(diǎn)判斷本斷路器失靈，將該信息傳送至關(guān)聯(lián)IED2和IED3，IED3和IED2再根據(jù)各自測點(diǎn)是否存在故障電流最終確定是否跳閘。

圖3 基于IEC61850－90－1廣域電流差動(dòng)保護(hù)信息模型

4 結(jié)論

廣域保護(hù)的提出為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效途徑，而廣域保護(hù)通信系統(tǒng)涉及多個(gè)變電站之間及變電站與控制中心的通信。IEC61850－90－1的頒布為建立開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的廣域保護(hù)通信系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。本文以廣域電流差動(dòng)保護(hù)為例，基于IEC61850－90－1，采用分布式結(jié)構(gòu)，并參照廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法，擴(kuò)展了廣域電流差動(dòng)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)，采用隧道通信機(jī)制，建立了涉及站間通信的廣域電流差動(dòng)保護(hù)信息模型。為構(gòu)建開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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