IEC61850變電站間隔層IED的建模與分析

張 利， 陶維青， 袁新喜， 王大亮

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

IEC61850自正式發(fā)布以來，受到國內(nèi)外廣大科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品開發(fā)公司的重視，2004年，ABB、SIMENS、GE、SEL等公司成功地完成各個廠家間的互操作性試驗。國內(nèi)主要產(chǎn)品廠家也對IEC61850展開了深入的研究與實現(xiàn)，并取得了可喜的進(jìn)展［1－3］。

IEC61850把變電站自動化系統(tǒng)分成3層：變電站層、間隔層、過程層，其中間隔層IED是變電站系統(tǒng)的核心，同時與變電站層和過程層設(shè)備通信，在IEC61850解決的8類通信接口中，涉及間隔層IED的有6類［4］。本文對變電站間隔層IED的功能進(jìn)行分析，指出了IED建模的一般方法，在此基礎(chǔ)上對具有線路保護(hù)功能的間隔層IED進(jìn)行建模，闡述ACSI和MMS之間的映射關(guān)系，討論了間隔層數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，指出了為實現(xiàn)新型IED所需的外部技術(shù)支撐，為遵循IEC61850產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

1 間隔層IED功能分析

間隔層處于變電站層和過程層之間，需要同時與變電站層和過程層進(jìn)行通信，如圖1所示。間隔層IED要從過程層的電子式電流互感器和電子式電壓互感器等設(shè)備中采集實時電流電壓等采樣值信息，將變電站層的命令如跳閘、閉鎖等信息傳輸給過程層；同層之間要相互傳輸閉鎖、解鎖、跳閘、報警等信息；從變電站層接收對時、控制、查詢、參數(shù)設(shè)置等命令，還要向變電站層上報日志、報告、故障等信息［5］。

圖1 間隔層IED的功能分析

2 間隔層IED建模

2.1 IED建模的一般方法

IEC61850要實現(xiàn)設(shè)備的互操作性，模型建立是實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要步驟。IEC61850采用的是面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ肁CSI進(jìn)行建模。IED建模一般需要3個步驟：①根據(jù)IED的功能描述，確定需要交換數(shù)據(jù)的功能，進(jìn)行功能分解，確定核心功能邏輯節(jié)點（LN），進(jìn)而確定數(shù)據(jù)（Data）和數(shù)據(jù)屬性（DA）；②根據(jù)LN之間交互的信息片（PICOM）設(shè)計LN的分布方案，將同一個物理裝置中的1個或多個LN組成邏輯設(shè)備模型（LD）；③為IED建立服務(wù)器模型，將LD包含在服務(wù)器中，根據(jù)服務(wù)器之間需要傳輸?shù)腜ICOM，選取各層模型需要的服務(wù)模型［6］。

2.2 間隔層IED建模

上述LD、LN、Data、DA等，是IEC61850中ACSI所定義的抽象類，真正建模使用的是兼容邏輯節(jié)點類和兼容數(shù)據(jù)類，它們繼承了LN和 Data的所有屬性和服務(wù)。這使得IEC61850具有很好的開放性，在其他領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用時，只需導(dǎo)出適合特定應(yīng)用的兼容邏輯節(jié)點類和兼容數(shù)據(jù)類，就可以構(gòu)建起特定領(lǐng)域的模型。

下面根據(jù)IED建模的一般方法，對某110 k V線路上具有線路保護(hù)功能的間隔層IED進(jìn)行建模，該IED具有3段相間距離保護(hù)、3段接地距離保護(hù)、3段零序方向過流保護(hù)和低頻率保護(hù)，并輔以三相一次重合閘、過負(fù)荷告警等功能。

根據(jù)該IED功能，可由IEC 61850－7－4中對應(yīng)的LN描述，并按功能分配在不同層，如圖2所示［7］。

圖2中，PTUF、ZPTOC、GPDIS、PPDIS、PTRC、RREC分別表示低頻率保護(hù)、零序電流保護(hù)、接地距離保護(hù)、相間距離保護(hù)、跳閘條件和自動重合閘；MMXU表示測量功能；RDRE、RDRS表示擾動記錄和擾動處理；XRCB表示斷路器；IHMI表示手動操作功能；TCTR、TVTR表示電流互感器和電壓互感器。

圖2 線路保護(hù)IED的LN分配

圖2較好地表達(dá)了圖1中的間隔層IED的功能：PTUF、ZPTOC、GPDIS、PPDIS、PTRC向同層之間傳遞閉鎖、解鎖、跳閘等信息；PTRC、RREC向過程層傳遞跳閘、閉鎖等GOOSE信息；MMXU及所有保護(hù)節(jié)點接收過程層傳遞的采樣電壓、電流等采樣值信息；RDRE向變電站層傳輸錄波、故障、日志和報告等信息，所有間隔層邏輯節(jié)點均接收變電站層的對時、控制、查詢、參數(shù)設(shè)置等信息。

下面僅對ZPTOC邏輯節(jié)點進(jìn)行建模，見表1所列，其余LN可參照進(jìn)行建模［8］。

表1 ZPTOC屬性列表

LN的建模完成后，根據(jù)LN之間的交互，將LN分屬在不同LD中，將線路保護(hù)IED分解為3個LD，即LD1、LD2、LD3。LD1為保護(hù)功能；LD2為測量、記錄功能；LD3為人機(jī)接口、斷路器描述功能。所有LD均定義了LLN0和LPHD。LLN0代表LD的公共數(shù)據(jù)，如銘牌、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息；LPHD代表擁有LN的物理設(shè)備的公共數(shù)據(jù)，如物理設(shè)備的銘牌、運(yùn)行狀況信息。3個LD組成服務(wù)器（Server），再將Server單獨作為一個IED，如圖3所示。

圖3 線路保護(hù)IED模型

ACSI的信息模型建立以后，還要建立其相應(yīng)的信息模型服務(wù)，主要采用客戶機(jī)／服務(wù)器（C／S）模型和點對點（Peer－to－Peer）模型。IED的通信服務(wù)模型［9］，如圖4所示。

圖4 IED信息服務(wù)模型

定值調(diào)用是一組典型的采用C／S模型的通信服務(wù)，GOOSE通信是典型的采用Peer－to－Peer模型的服務(wù)。信息模型每層提供的內(nèi)容主要有以下幾種：Server主要提供讀服務(wù)器目錄服務(wù)（Get－Server Directory）；LD主要提供讀邏輯設(shè)備目錄服務(wù)（Get LogicalDeviceDirectory）；LN主要提供讀邏輯節(jié)點目錄服務(wù)（Get Logical NodeDirectory）和讀全部數(shù)據(jù)值服務(wù)（Get All Data Values）；Data提供讀數(shù)據(jù)值（GetData Values）、設(shè)置數(shù)據(jù)值（Set Data Values）、讀數(shù)據(jù)定義（Get DataDefini－tion）和讀數(shù)據(jù)目錄（Get DataDirectory）服務(wù)。除此之外，還有應(yīng)用關(guān)聯(lián)、文件、日志和報告等服務(wù)。到此，基本完成IED的建模。

3 ACSI與MMS的映射

IED模型建立后，需要被映射到具體的通信協(xié)議棧才可以正常工作。目前大部分ACSI服務(wù)都在應(yīng)用層映射到MMS，映射的接口通常采用SIS－CO公司的MMS－EASE Lite。ACSI與MMS相關(guān)的對象和服務(wù)的映射關(guān)系見表2所列［10］。

需要指出的是，MMS目前可以很便利地支持通信服務(wù)，但是打亂了IED模型結(jié)構(gòu)層次，沒有真實地反映IED模型，破壞了語義依賴的確定上下文，會對互操作性帶來一定影響。文獻(xiàn)［6］中的ACSI－FC結(jié)構(gòu)，把FC引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)且真實反映了信息模型的對象層次，較好地支持了互操作性。

表2 對象及服務(wù)映射

4 需要的外部支撐

間隔層與變電站層主要是通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但其與過程層之間或者間隔層同層之間的傳輸較為特殊，其中的GOOSE信息沒有經(jīng)過TCP／IP而是直接從表示層到數(shù)據(jù)鏈路層，目的是確保傳輸速度。當(dāng)不能對GOOSE單獨組網(wǎng)時，要實現(xiàn)GOOSE報文與普通報文一起傳輸，并保證其傳輸快速性，就必須使用含有以下功能的交換機(jī)。

（1）802.1P優(yōu)先級。圖5給出了不同數(shù)據(jù)共網(wǎng)按優(yōu)先級發(fā)送信息的機(jī)制，這個機(jī)制保證了交換機(jī)優(yōu)先處理GOOSE信息。GOOSE優(yōu)先級控制功能根據(jù)優(yōu)先級設(shè)置將變位信息直接傳送至相應(yīng)優(yōu)先級隊列中，而不傳送至通常的報文緩沖區(qū)。在支持IEEE802.P優(yōu)先級的以太網(wǎng)交換機(jī)中，一般設(shè)置GOOSE報文優(yōu)先級為4，普通報文優(yōu)先級為1，這樣就可以率先傳輸GOOSE報文，保證其快速性［11］。

（2）802.1Q VLAN。VLAN是一個與其他網(wǎng)絡(luò)共用相同硬件的獨立的以太網(wǎng)，不同的是每個VLAN作為獨立的以太網(wǎng)，802.1Q定義了“tagged”幀格式，允許多個VLAN在一個主干網(wǎng)上傳輸。通過使用支持802.1Q的以太網(wǎng)交換機(jī)，可以減少廣播流量，釋放帶寬，隔離實時數(shù)據(jù)流，使帶有關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)的IED不需要處理無關(guān)的數(shù)據(jù)包，同時還可減少廣播的產(chǎn)生，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，這也是為了GOOSE信息傳輸?shù)目焖傩浴?/p>

VLAN的劃分有多種方法：按交換機(jī)的端口劃分、根據(jù)MAC地址劃分等等。目前國內(nèi)建設(shè)的一些符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站多采用按交換機(jī)的端口劃分VLAN。

圖5 GOOSE報文和其他數(shù)據(jù)共網(wǎng)優(yōu)先發(fā)送

（3）802.1W快速生成樹。支持該協(xié)議的交換機(jī)決定最短路徑，保證所有交換機(jī)均有一條路徑連接網(wǎng)橋，阻止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生，具有快速自愈能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5 結(jié)束語

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)第1版已于2004年全部出版，第2版也在積極的出版中，第2版的內(nèi)容已經(jīng)擴(kuò)展到變電站之外，涉及水電廠、分布式能源、變電站之間、變電站和控制中心之間的通信［12］。隨著標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的修改和擴(kuò)充，其涉及和需要考慮的內(nèi)容也越來越多，其作為一個龐大的協(xié)議集，在系統(tǒng)設(shè)計時對對象模型、通信接口、程序調(diào)度等方面要仔細(xì)考慮，結(jié)合具體的開發(fā)環(huán)境和平臺，才可能真正實現(xiàn)互操作。本文對間隔層IED的功能進(jìn)行了分析，給出了IED建模的一般方法，并對線路保護(hù)IED建模給出了詳細(xì)的步驟，闡述了ACSI和MMS的映射關(guān)系，指出了支持GOOSE與一般數(shù)據(jù)通信公網(wǎng)所需要的交換機(jī)的外部技術(shù)支撐，對生產(chǎn)出符合IEC61850的間隔層IED有一定借鑒意義。

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