基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的牽引 變壓器保護(hù)裝置的建模研究

童 鐳 楊小磊 許武松 王 俊

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)制定的變電站自動(dòng)化通信結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它是為了方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)而提出。IEC61850的特點(diǎn)是：①面向?qū)ο蠼?；②抽象通信服?wù)接口；③面向?qū)崟r(shí)的服務(wù)；④配置語(yǔ)言；⑤整個(gè)電力系統(tǒng)的統(tǒng)一建模。該標(biāo)準(zhǔn)極大地提高了變電站自動(dòng)化水平，提高了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，節(jié)約了開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本，實(shí)現(xiàn)了完全的互操作性。

而為了達(dá)到變電站內(nèi)各種裝置信息交換的目的，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議采用了對(duì)IED（智能電子設(shè)備）統(tǒng)一建模的方法。因此，變電站內(nèi)的IED設(shè)備在實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要做的工作之一是把本設(shè)備中的信息數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，完成數(shù)據(jù)建模。本文所做的工作是以牽引變壓器保護(hù)裝置為列，依照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)智能電子設(shè)備的建模過(guò)程和步驟進(jìn)行了討論。

2 IED數(shù)據(jù)模型分析

邏輯節(jié)點(diǎn)（Logical Node,LN)是IED模型內(nèi)用于信息交換的最小功能單元。IEC61850把裝置所有的功能分解成邏輯節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以分布在一個(gè)或者多個(gè)物理裝置上。邏輯節(jié)點(diǎn)間以邏輯連接，用來(lái)進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換。而每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)都包含有一組數(shù)據(jù)對(duì)象（Data Object，DO），數(shù)據(jù)對(duì)象是最小的信息單元。每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象又包含一組特殊的數(shù)據(jù)屬性（Data Attribute，DA）。數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性的信息可以通過(guò)抽象服務(wù)進(jìn)行交換。邏輯節(jié)點(diǎn)和一些邏輯節(jié)點(diǎn)之外的信息就構(gòu)成了邏輯設(shè)備（Logic Device,LD),一個(gè)或者多個(gè)的邏輯設(shè)備就構(gòu)成了IEC61850規(guī)定的服務(wù)器（server），而一個(gè)或者多個(gè)server就構(gòu)成一個(gè)IED。用戶通過(guò)抽象通訊服務(wù)接口（AbstractCommunication Service Interface,ASCI)訪問(wèn)IED上的server，與IED進(jìn)行信息交換。即采用的是客戶/服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 客戶/服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

3 牽引變壓器保護(hù)裝置的功能分析

以傳統(tǒng)牽引變壓器保護(hù)裝置為列，分析一個(gè)IED的功能。可以將牽引變壓器保護(hù)裝置按功能分為變壓器主保護(hù)裝置、變壓器后備保護(hù)裝置、變壓器測(cè)控裝置等。以變壓器后備保護(hù)裝置為例，對(duì)其功能配備相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)。變壓器后備保護(hù)具有：保護(hù)功能（高側(cè)A相過(guò)電流保護(hù)對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)PTOC1，高壓側(cè)B相過(guò)電流保護(hù)對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)PTOC2……）；測(cè)量功能（測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)，計(jì)算高壓側(cè)三相電流、三相電壓對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU……)；開(kāi)關(guān)功能（高壓側(cè)斷路器對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)XCBR1……）；傳感器功能（高壓側(cè)A相電流互感器對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)TCTR1）；遙信功能（開(kāi)入對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO1）；自檢功能（開(kāi)出對(duì)應(yīng)GGIO25）；其他功能（變壓器類型對(duì)應(yīng)GGIO52）。

4 牽引變壓器保護(hù)裝置數(shù)據(jù)建模的實(shí)現(xiàn)

4.1 服務(wù)器和邏輯設(shè)備建模

對(duì)牽引變壓器保護(hù)裝置功能分析完畢后就可以進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)建模了。首先將整個(gè)IED建模成一個(gè)server，它至少包含一個(gè)LD。除了邏輯設(shè)備外，服務(wù)器還包括由通信系統(tǒng)提供的其他一些公共的基本組成部件，如應(yīng)用關(guān)聯(lián)，時(shí)間同步，文件傳輸?shù)?。另外，服?wù)器還具有服務(wù)器訪問(wèn)點(diǎn)屬性——它是地址的抽象，用于在底層的特殊通信服務(wù)（SCSM）標(biāo)識(shí)服務(wù)器。根據(jù)牽引變壓器功能的不同可以將其分為三個(gè)LD，它們分別為：變壓器主保護(hù)裝置（LD1）、變壓器后備保護(hù)裝置（LD2）、變壓器測(cè)控裝置（LD3），如圖2所示。

圖2 服務(wù)器和邏輯設(shè)備建模圖

根據(jù)第3章所分析的IED的功能，對(duì)變壓器后備保護(hù)裝置進(jìn)行具體的邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)建模如表1所示。

表1 變壓器后備保護(hù)裝置邏輯節(jié)點(diǎn)建模數(shù)據(jù)表

其中一個(gè)邏輯設(shè)備至少包括3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)：邏輯節(jié)點(diǎn)0（LLN0）；邏輯節(jié)點(diǎn)物理設(shè)備（LPHD）；功能邏輯節(jié)點(diǎn)。LLN0和LPHD都是惟一的，功能邏輯節(jié)點(diǎn)至少要有一個(gè)。邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)的數(shù)據(jù)（Data）和數(shù)據(jù)屬性（Data-Attribute）可采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬性，只是根據(jù)實(shí)際需要，確定邏輯節(jié)點(diǎn)中可選數(shù)據(jù)屬性的取舍。如果標(biāo)準(zhǔn)的定義的數(shù)據(jù)不能滿足需要，就需依照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兼容數(shù)據(jù)類擴(kuò)展的規(guī)定，創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)。表1中每類邏輯節(jié)點(diǎn)只列舉了一個(gè)用以舉列說(shuō)明，實(shí)際工程中每類邏輯節(jié)點(diǎn)還有很多，根據(jù)表1，具體邏輯節(jié)點(diǎn)建模舉列如圖3所示。

圖3 變壓器后備保護(hù)裝置邏輯節(jié)點(diǎn)建模圖

4.2 邏輯節(jié)點(diǎn)的建模

邏輯節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有交換數(shù)據(jù)功能的最小單位。結(jié)合本IED的需要，對(duì)變壓器后備保護(hù)裝置（LD2）下的保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV（進(jìn)線失壓）進(jìn)行數(shù)據(jù)建模舉列如表2所示。

表2 邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV建模數(shù)據(jù)表

在邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV中包含8個(gè)數(shù)據(jù)，表2中M表示這個(gè)數(shù)據(jù)屬性是必選的，O表示可選。LNName表示的是邏輯節(jié)點(diǎn)名，LNRef為邏輯節(jié)點(diǎn)的唯一路徑。Mod說(shuō)明了邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV的工作模式，Beh表述邏輯節(jié)點(diǎn)POTV的性能，Health描述邏輯節(jié)點(diǎn)PTOCV相關(guān)的軟硬件狀態(tài)，NamePlt描述了邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV的銘牌。Str和Op是邏輯節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。STrval和PoDITmms是邏輯節(jié)點(diǎn)的整定值信息。具體建模實(shí)列如圖4和圖5所示。

圖4 邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV建模圖

圖5 邏輯節(jié)點(diǎn)PTOV建模圖

4.3 確定數(shù)據(jù)

對(duì)4.2節(jié)的8個(gè)數(shù)據(jù)要分別進(jìn)行定義，如數(shù)據(jù)Op的類型是ACT（Protection Activation Information），Op定義如下表3所示。

DataName是數(shù)據(jù)名，DataRef是數(shù)據(jù)路徑。Presence屬性為BOOLEAN它有兩個(gè)參數(shù)：TURE和FALSE，當(dāng)公共數(shù)據(jù)類型或邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)是必選（M)時(shí)，Presence為T(mén)URE，否則為FALSE。Op.General，Op.Q，Op.T，Op.D，都有不同的屬性用以描述數(shù)據(jù)。至此，從IED的服務(wù)器到數(shù)據(jù)屬性的建模過(guò)程都已經(jīng)完成。

4.4 模型的驗(yàn)證

模型建立以后，需要使用XML-Schema對(duì)其進(jìn)行描述。XML-Schema是一種特殊的XML文檔，它遵循XML的基本語(yǔ)法規(guī)則。IEC61850中的XML-Schema描述了變電站配置語(yǔ)言文檔的結(jié)構(gòu)，定義了文檔中標(biāo)記的語(yǔ)法規(guī)則，嚴(yán)格規(guī)定了以它為標(biāo)準(zhǔn)的所有自描述文檔樹(shù)狀層次結(jié)構(gòu)的全部細(xì)節(jié)，包括數(shù)據(jù)對(duì)象的嵌套關(guān)系、數(shù)據(jù)屬性的約束條件、取值范圍等，并且能夠檢驗(yàn)自描述文檔的正確性和有效性。因此，對(duì)于文中所設(shè)計(jì)的牽引變壓器保護(hù)裝置模型，可以根據(jù)XML-Schema進(jìn)行定義。由于篇幅的原因具體的描述語(yǔ)言在此就不累述，僅對(duì)建立起的描述文件進(jìn)行驗(yàn)證，其中語(yǔ)法驗(yàn)證如圖 6 所示。最后，還要對(duì)建立起的整個(gè)模型所具有的應(yīng)用功能進(jìn)行驗(yàn)證，看它是否符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，功能驗(yàn)證如圖 7所示。

圖6 對(duì)建立起的描述文件語(yǔ)法驗(yàn)證圖

圖7 對(duì)建立起的模型應(yīng)用功能驗(yàn)證圖

5 結(jié)論

基于IEC61850的IED數(shù)據(jù)建模的研究和實(shí)現(xiàn)具有重要的意義，是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)用于應(yīng)用的核心內(nèi)容。本文通過(guò)對(duì)牽引變壓器保護(hù)實(shí)際建模，闡明了IED建模的步驟和方法，該方法具有一般性，對(duì)實(shí)際工程的建模具有很好的指導(dǎo)意義。我國(guó)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和IED具有一些特殊性，在實(shí)際的建模過(guò)程中不可避免的會(huì)遇到一些問(wèn)題，對(duì)此還要繼續(xù)進(jìn)行研究，提出切實(shí)可行的方案。

[1] IEC.IEC61850：Communication Networks and Systems in Substations[S].

[2] 陳麗華.基于IEC61850的變壓器保護(hù)IED的研究[D].西南交通大學(xué)碩士論文,2006.

[3] 廖澤友,孫莉,賀岺,劉偉.IED遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)建模[J].繼電器,2006,34(20)：40-43.

[4] 許振明,翟富昌,李紹滋.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力系統(tǒng)的兩種建模方式[J].繼電器,2008,36(6)：55-58.