IEC61850標(biāo)準(zhǔn)控制模型在保護(hù)裝置控制中的應(yīng)用

徐 彬，文 洪，華煌圣

（廣州供電局有限公司，廣東廣州 510620）

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)控制模型在保護(hù)裝置控制中的應(yīng)用

徐 彬，文 洪，華煌圣

（廣州供電局有限公司，廣東廣州 510620）

對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的SGCB、Control模型的服務(wù)、控制機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析，將SGCB應(yīng)用至繼電保護(hù)裝置的定值讀寫、定值區(qū)切換服務(wù)，將Control模型的增強(qiáng)安全的操作前選擇控制、常規(guī)安全的直接控制模式分別應(yīng)用至繼電保護(hù)裝置的軟壓板投退控制、信號復(fù)歸服務(wù)，將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的控制模型映射至常用的繼電保護(hù)裝置控制功能。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)裝置控制功能的應(yīng)用模式，并在廣州電網(wǎng)成功應(yīng)用。

SGCB模型；Control模型；定值控制；軟壓板控制；信號復(fù)歸控制

0 引言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)（變電站網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議）針對繼電保護(hù)、自動控制的應(yīng)用需求，定義了一系列符合其應(yīng)用特點(diǎn)的數(shù)據(jù)模型及控制模型。數(shù)據(jù)模型用于表達(dá)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制模型用于控制數(shù)據(jù)對象以及與數(shù)據(jù)對象相關(guān)聯(lián)的實(shí)際設(shè)備。在監(jiān)視與控制應(yīng)用層面（不包括過程層應(yīng)用），IEC61850標(biāo)準(zhǔn)常用的控制模型有RCB（Report Control Block，報(bào)告控制塊）、LCB（Log Control Block，日志控制塊）、Control（控制）、SGCB（Setting Group Control Block，定值控制塊）等。RCB、LCB模型已經(jīng)在變電站監(jiān)控系統(tǒng)中成熟應(yīng)用，主要用于一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視以及二次設(shè)備的動作事件報(bào)告，Control模型在一次設(shè)備遙控中已有成熟應(yīng)用。相對而言，Control、SGCB模型在繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備控制上則缺乏成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

斷路器等一次設(shè)備的遙控技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用并取得了較好的應(yīng)用效益，但常因繼電保護(hù)裝置無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制而必須到保護(hù)屏上進(jìn)行繼電保護(hù)的協(xié)同操作，該“短板效應(yīng)”明顯地限制了電網(wǎng)操作效率。長期以來，由于定值讀寫與切換控制、軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制等常見的繼電保護(hù)控制所需的信息交互方式比一次設(shè)備遙控的信息交互更為復(fù)雜，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置控制技術(shù)未能在電網(wǎng)生產(chǎn)中得以有效應(yīng)用。目前，國內(nèi)繼電保護(hù)仍普遍采用就地操作的模式。近年來，有部分文獻(xiàn)對基于IEC61850控制模型的繼電保護(hù)裝置控制技術(shù)進(jìn)行了不同程度地研究[1-6]，但鮮有深入、完整地模型分析及應(yīng)用實(shí)踐，難于從中尋求完善的技術(shù)解決方案。因此，本文結(jié)合繼電保護(hù)裝置常用控制的應(yīng)用需求，加強(qiáng)了SGCB、Con?trol模型的約束條件，并將其應(yīng)用于繼電保護(hù)定值讀寫與切換控制、軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制等功能，提出了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置控制應(yīng)用方案。

1 SGCB定值控制模型及其功能映射

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中與保護(hù)相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)（LogicalNode，LN）的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)屬性中通常包含了部分定值數(shù)據(jù)（功能約束類型為定值類，F(xiàn)C=SG）。定值數(shù)據(jù)允許有多個(gè)實(shí)例值，某一時(shí)刻只使用其中的一個(gè)激活值。在一臺保護(hù)裝置中，通常包含多個(gè)與保護(hù)相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)，如線路保護(hù)裝置包含PDIF（差動保護(hù)）、PVOC（過流保護(hù)）等（詳細(xì)定義詳見IEC61850-7-4），這些邏輯節(jié)點(diǎn)包含的定值數(shù)據(jù)匯集成一個(gè)定值數(shù)據(jù)集（DataSet），通過SGCB來管理與控制。一邏輯設(shè)備通常只包含一個(gè)SGCB實(shí)例，作為邏輯設(shè)備的公用控制類，定義在邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0下。定值數(shù)據(jù)與SGCB的關(guān)系如圖1所示。

圖1 定值數(shù)據(jù)和SGCB的關(guān)系

在IEC61850-7-2中，定義SGCB類的原理模型如圖2所示。

圖2 SGCB的基本模型示意圖

SGCB實(shí)例包含的屬性如表1所示，可以通過GetSGCBValues服務(wù)獲得該SGCB實(shí)例的所有屬性值。

表1 SGCB類的屬性

以IEC61850-7-2定義SGCB類的原理模型為例，說明SGCB的支持的服務(wù)與控制機(jī)制。圖2示的SGCB擁有3個(gè)實(shí)例值，除此以外還包含了運(yùn)行定值區(qū)與編輯定值區(qū)的邏輯概念。運(yùn)行定值區(qū)表示當(dāng)前被激活的定值區(qū)，ActSG屬性值表示當(dāng)前被激活的定值區(qū)號，即運(yùn)行定值區(qū)號。編輯定值區(qū)表示當(dāng)前被讀寫的定值區(qū)，EditSG屬性值表示當(dāng)前被讀寫的定值區(qū)號，即編輯定值區(qū)號。SGCB提供了定值區(qū)切換控制（選擇激活定值）、定值讀寫控制（選擇編輯定值區(qū)、讀寫編輯區(qū)定值、確認(rèn)編輯區(qū)定值）等基本控制服務(wù)，如表2所示。

表2 SGCB類支持的服務(wù)

通過SelectActiveSG服務(wù)寫ActSG屬性值，選擇激活定值區(qū)，即切換定值區(qū)，被激活的定值被拷貝至激活緩沖區(qū)，供保護(hù)邏輯計(jì)算使用。同時(shí)，也可能對3個(gè)實(shí)例值中的任何一個(gè)值進(jìn)行讀寫。通過SelectEditSG服務(wù)寫EditSG屬性值，選擇編輯定值區(qū)，被選擇的定值被拷貝到編輯緩沖區(qū)，處于編輯緩沖區(qū)的定值可通過GetSGValues服務(wù)讀取，可通過SetSGValues服務(wù)編輯，可通過ConfirmEditSGValues服務(wù)將其回寫至目標(biāo)定值區(qū)的固化存儲區(qū)（掉電數(shù)據(jù)不丟失）。上述定值組的狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

通過上述SGCB模型表述可知，通過SelectE?ditSG、GetSGValues服務(wù)的組合可以實(shí)現(xiàn)任意區(qū)定值的讀操作，通過SelectEditSG、SetSGValues、ConfirmEditSGValues的服務(wù)組合可以實(shí)現(xiàn)任意區(qū)定值的寫操作，將上述服務(wù)映射至定值讀寫控制的過程如圖4所示。

圖3 SG狀態(tài)機(jī)

通過GetSGCBValues服務(wù)可以獲得當(dāng)前運(yùn)行定值區(qū)號值，通過SelectActiveSG服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)定值區(qū)切換操作，將上述服務(wù)映射至定值切換控制的過程如圖5所示。

2 Control控制模型及其功能映射

在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，客戶端可以控制和外部設(shè)備或與內(nèi)部功能有關(guān)的數(shù)據(jù)（功能約束類型為控制類，F(xiàn)C=CO或SP），通過Control模型來管理與控制。在IEC61850-7-2中定義Control類的原理模型如圖6所示。

圖4 定值讀寫的控制過程（成功）

圖5 切換定值區(qū)的控制過程（成功）

圖6 Control模型

被控?cái)?shù)據(jù)接收到控制報(bào)文后，設(shè)置該數(shù)據(jù)的ctlVal數(shù)據(jù)屬性值并記錄操作信息（來源、時(shí)間等），觸發(fā)相應(yīng)的內(nèi)部設(shè)置或外部輸出，內(nèi)部設(shè)置或外部輸出完成后該數(shù)據(jù)的stVal數(shù)據(jù)屬性值設(shè)置為控制后的實(shí)際狀態(tài)值，stVal數(shù)據(jù)屬性值的變化產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)告?？刂祁愔С值姆?wù)如表3所示。根據(jù)不同安全性要求，IEC61850-7-2中定義了四種控制模式：常規(guī)安全的直接控制、常規(guī)安全的操作前選擇控制、增強(qiáng)安全的直接控制、增強(qiáng)安全的操作前選擇控制。

表3 Control類支持的服務(wù)

繼電保護(hù)裝置的軟壓板數(shù)據(jù)是繼電保護(hù)裝置的內(nèi)部數(shù)據(jù)，不涉及外部設(shè)備的控制輸出，可以近似認(rèn)為是內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲與投入使用（在保護(hù)邏輯中生效），通常采用可控雙點(diǎn)數(shù)據(jù)類型（DPC），是決定相應(yīng)功能投入、推出的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其安全性要求高，因此采用安全性最高的增強(qiáng)安全的操作前選擇控制（SelectBeforeOper?ate-Control，SBO）模式。增強(qiáng)型的操作前選擇控制通過SelectWithValue、Cancel、Operate、Time?ActiveOperate、CommandTermination服務(wù)實(shí)現(xiàn)，控制狀態(tài)機(jī)如圖7所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，軟壓板作為一種即時(shí)控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)，通過SelectWithValue、Operate服務(wù)實(shí)現(xiàn)控制，上述服務(wù)映射至軟壓板控制的交互過程如圖8所示。被控對象到實(shí)際設(shè)備之間的交互過程不屬于控制定義的范疇，對于控制過程不可見，由設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行處理。在實(shí)際應(yīng)用中，軟壓板是內(nèi)部數(shù)據(jù)，被控?cái)?shù)據(jù)到實(shí)際設(shè)備之間的交互過程為虛擬或者幾乎是即時(shí)生效的。

圖7 增強(qiáng)安全的操作前選擇控制狀態(tài)機(jī)

圖8 增強(qiáng)安全的操作前選擇控制過程（成功）

繼電保護(hù)裝置的信號通常為各類起提醒作用的具有自保持性能的信號狀態(tài)，如保護(hù)跳閘提示LED燈等，在繼電保護(hù)裝置中屬于輔助提醒功能，不涉及保護(hù)邏輯等關(guān)鍵功能，其復(fù)歸控制的可靠性要求相對較低，可采用常規(guī)安全的直接控制（DirectOperate-Control）模式。特別的，若為了提高操作效率而采用廣播復(fù)歸的方式，采用常規(guī)安全的直接控制模式可以大大簡化控制的交互過程。常規(guī)安全的直接控制通過Operate、Time?ActiveOperate服務(wù)實(shí)現(xiàn)，控制狀態(tài)機(jī)如圖9所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，裝置信號復(fù)歸是一種即時(shí)控制，直接采用Operate服務(wù)進(jìn)行控制操作，上述服務(wù)映射至信號復(fù)歸控制的交互過程如圖10所示。與被復(fù)歸的信號相關(guān)的事件記錄不應(yīng)受影響，實(shí)際信號的復(fù)歸控制結(jié)果控制客戶端并不特別關(guān)心。

3 控制模型在繼電保護(hù)裝置控制中的應(yīng)用

隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)頻繁變化，繼電保護(hù)運(yùn)行方式需同步調(diào)整，繼電保護(hù)操作工作量迅猛增長。斷路器等一次設(shè)備的遙控技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用并取得了較好的應(yīng)用效益，但常因繼電保護(hù)裝置無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制而必須到保護(hù)屏上進(jìn)行繼電保護(hù)的協(xié)同操作。由此可知，繼電保護(hù)操作壓力日益凸顯，現(xiàn)有的繼電保護(hù)就地操作模式因操作界面不友好、操作效率低、部分操作無法在線進(jìn)行等缺點(diǎn)，已經(jīng)難于滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)的運(yùn)行管理需求。采用統(tǒng)一操作管理界面、信息可靠傳輸、支持在線操作的繼電保護(hù)裝置控制技術(shù)是理想的解決途徑。

由上述分析可知，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)SGCB、Con? trol控制模型為繼電保護(hù)裝置的定值讀寫與切換控制、軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制等常用的控制功能提供了完善的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，并具有良好的互操作性。對于支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，客戶端和繼電保護(hù)裝置之間的控制過程交互可以直接通過SGCB、Control模型的服務(wù)實(shí)現(xiàn)；對于客戶端不支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的，可以通過中間環(huán)節(jié)的服務(wù)映射方式，進(jìn)行規(guī)約之間的轉(zhuǎn)換，最終與保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)控制過程交互。圖11是典型的變電站監(jiān)控系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)、繼電保護(hù)信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。繼電保護(hù)裝置通過站控層網(wǎng)絡(luò)以IEC61850規(guī)約接入變電站監(jiān)控計(jì)算機(jī)、保信子站、遠(yuǎn)動機(jī)；保信子站通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)以《南方電網(wǎng)繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)通信與接口規(guī)范》（以下簡稱南網(wǎng)103規(guī)約）接入保信主站，遠(yuǎn)動機(jī)通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)以101/104規(guī)約接入EMS系統(tǒng)。變電站監(jiān)控計(jì)算機(jī)可直接通過SGCB、Control模型的服務(wù)實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的定值讀寫與切換控制、軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制。保信子站將SGCB模型的服務(wù)映射至南網(wǎng)103規(guī)約的通用分類讀、寫服務(wù)，可在保信主站上實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的定值讀寫與切換控制[7-8]。遠(yuǎn)動機(jī)將Control模型的服務(wù)映射至101/104的遙控服務(wù)，可在EMS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制。

圖9 常規(guī)安全的直接控制狀態(tài)機(jī)

圖10 常規(guī)安全的直接控制過程（成功）

按照上述解決方案，繼電保護(hù)裝置控制技術(shù)可以在典型的變電站監(jiān)控系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)、繼電保護(hù)信息系統(tǒng)上有效應(yīng)用。典型的應(yīng)用主要包括以下兩種。

（1）基于變電站監(jiān)控系統(tǒng)的一、二次設(shè)備程序化控制。變電站監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)接入測控裝置與繼電保護(hù)裝置，同時(shí)具備對一、二次設(shè)備控制的條件。在變電站監(jiān)控計(jì)算機(jī)集成程序化控制功能模塊，按照變電運(yùn)行操作的要求，將必要的繼電保護(hù)裝置操作作為程序化控制操作票的組成部分，實(shí)現(xiàn)一、二次設(shè)備的協(xié)同自動控制操作，提高變電運(yùn)行操作效率。

圖11 繼電保護(hù)遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)示意圖

（2）基于繼電保護(hù)信息系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)的繼電保護(hù)遠(yuǎn)程操作。通過規(guī)約映射，保信主站可實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的定值讀寫與切換控制，EMS主站可實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的遠(yuǎn)程控制操作，可遠(yuǎn)程在線完成定值整定（定值修改）、保護(hù)運(yùn)行方式調(diào)整（壓板投退、定值區(qū)切換）等工作，節(jié)省操作時(shí)間。

上述繼電保護(hù)裝置控制技術(shù)在廣州供電局110 kV長洲站、尖峰站得到了完整應(yīng)用。相關(guān)繼電保護(hù)裝置、保信子站、遠(yuǎn)動機(jī)、保信主站、EMS主站能夠完整地支持本文所述的控制模型，實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)的一、二次設(shè)備程序化操作以及遠(yuǎn)程查看、修改定值、切換定值區(qū)、投退軟壓板、復(fù)歸信號等控制功能。很好地提高了操作效率。

4 結(jié)論

本文結(jié)合繼電保護(hù)裝置控制的應(yīng)用需求，將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的SGCB、Control模型應(yīng)用到了繼電保護(hù)裝置的定值讀寫與切換控制、軟壓板投退控制、信號復(fù)歸控制功能上，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置的程序化控制與遠(yuǎn)程操作，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，指出了相關(guān)設(shè)備在控制模型實(shí)現(xiàn)上存在的常見問題。本文提供的繼電保護(hù)裝置控制模型已經(jīng)在廣州供電局的部分變電站成功試點(diǎn)應(yīng)用，其可靠性與可行性獲得了有效驗(yàn)證。

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Application of IEC61850 Standard Control Model on Relay Protective Device

XU Bin，WEN Hong，HUA Huang-sheng
（Guangzhou Power Supply Bureau，Guangzhou 510620，China）

The services and work mechanism of SGCB and Control model in IEC61850 standard are analyzed.The SGCB model is applied on the relay protective devices to realize setting group's reading，writing and activation.The control model's SelectBeforeOperate-Control model and DirectOperate-Control model are applied on the relay protective devices to realize logic links control and signal position control. The standard control models in IEC61850 are successfully mapped to the relay protective devices common control function.The application mode of control models to power system relaying and the experinences in Guangzhou Power Grid are introduced in this paper.

SGCB model；Control model；setting group control；logic link control；signal reposition control

TM77

B

1009－9492(2014)02－0019－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.006

徐 彬，男，1973年生，廣東豐順人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量控制。

(編輯：阮 毅)

2013－08－01