基于IEC61850的智能分布式饋線自動化系統(tǒng)建模

陳云國，戴 勝，楊乘勝，倪 健

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引言

饋線自動化FA（Feeder Automation）是配電自動化的重要組成部分。FA利用終端裝置或系統(tǒng)，對配電線路進(jìn)行監(jiān)控和監(jiān)視，并提高供電可靠性［1］。FA的一項(xiàng)基本功能是發(fā)現(xiàn)線路故障，迅速診斷出故障區(qū)域并將故障區(qū)域隔離，實(shí)現(xiàn)故障檢測隔離與恢復(fù)FDIR（Fault Detection Isolation and Recovery）。 FA系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)方式可以分為集中型和就地型。

集中型FA系統(tǒng)將安裝在各個開關(guān)處的終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)上傳至主站，主站根據(jù)采集到的故障信息實(shí)現(xiàn)FDIR。近年來，該領(lǐng)域取得了大量研究成果［2］。隨著光纖成本的降低以及新型終端的研發(fā)，集中型FA方案運(yùn)用越來越廣泛。

就地型FA系統(tǒng)也稱為分布式FA系統(tǒng)，它不依靠配電主站／子站，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式可分為重合器方式和智能分布式方式。目前重合器方式FA已經(jīng)取得許多研究成果［3-4］，實(shí)際應(yīng)用中不需要主站和通信網(wǎng)絡(luò)，因此建設(shè)費(fèi)用低，但該系統(tǒng)不具備監(jiān)測和遙控功能，限制了其適用范圍。智能分布式FA是近幾年提出的技術(shù)處理方式［5］，它不依賴主站／子站的全局信息，借助終端之間的通信，快速進(jìn)行FDIR。由于省去了信息上傳和指令下達(dá)的時延，故障處理時間相對集中型FA大幅縮短。

目前市場上配電網(wǎng)終端廠家多達(dá)上百家，如何使不同廠家終端設(shè)備之間能夠交換信息及正確使用信息進(jìn)行協(xié)同操作，是實(shí)現(xiàn)FA智能化的關(guān)鍵。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國際電工委員會（IEC）提出，是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)具有優(yōu)良的互操作性、開放性和可擴(kuò)展性，能夠?qū)崿F(xiàn)不同智能設(shè)備的無縫接入，極大地推動了數(shù)字化變電站的發(fā)展［6］。目前已有不少學(xué)者開始將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于配電自動化領(lǐng)域，但僅停留在終端設(shè)備層面［7-9］，對終端間的協(xié)調(diào)配合未有深入研究。

本文在研究IEC61850標(biāo)準(zhǔn)部分技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到智能分布式FA中，建立通用的終端設(shè)備信息模型，通過相鄰終端間兩兩通信的信息交換方式，最終實(shí)現(xiàn)FDIR功能。

1 智能分布式FA

1.1 FA概述

隨著城市配電網(wǎng)線路的日趨復(fù)雜，新能源接入配電網(wǎng)的需求日益普遍，導(dǎo)致配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。在多變的應(yīng)用場合下，基于集中式FA的配電網(wǎng)自動化方案難以自適應(yīng)處理，而依靠終端間相互通信的智能分布式FA能夠自適應(yīng)，無論是電纜線路或架空線路，還是開環(huán)線路或合環(huán)線路，智能分布式FA均能較好適應(yīng)配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓行p少了配電網(wǎng)的維護(hù)工作量。

典型的電纜型開環(huán)線路如圖1所示，該典型開環(huán)配電網(wǎng)由2個變電站電源點(diǎn)和4座配電站組成，變電站出線開關(guān)為斷路器，每臺配電站配1進(jìn)、1出、1支線、3個負(fù)荷開關(guān)，其中B3表示聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

圖1 典型開環(huán)配電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical open-loop distribution network

1.2 工作原理

假設(shè)故障點(diǎn)在B1、A2之間，即為配電站間的線路故障，智能分布式FA處理邏輯如下。

a.故障定位：根據(jù)開關(guān)的過流信息，判斷故障開關(guān)為 B1和 A2。

b.故障隔離：斷路器K1跳開，并啟動FA，負(fù)荷開關(guān)B1、A2再跳開以隔離故障。

c.故障恢復(fù)：斷路器K1合閘；聯(lián)絡(luò)開關(guān)B3是否合閘取決于負(fù)荷轉(zhuǎn)供條件的滿足情況。

下文討論配電終端為實(shí)現(xiàn)智能分布式FA功能需要交互的信息。

2 終端信息模型

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的建模思想，智能分布式FA系統(tǒng)由分布在配電網(wǎng)線路上的終端設(shè)備組成，每個終端設(shè)備包含SERVER對象、邏輯設(shè)備（LD）和邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）。本文主要工作是建立關(guān)于智能分布式FA功能的LD及新的LN。

2.1 構(gòu)建服務(wù)器

配電終端建模為2個服務(wù)訪問點(diǎn)，即S1（MMS服務(wù)）和G1（GOOSE服務(wù)）。在訪問點(diǎn)S1，建模為一個SERVER類，通信方式采用服務(wù)器／客戶端模式，用于配電終端與配電主站之間的通信。在訪問點(diǎn)G1，建模為一個SERVER類，通信方式采用訂閱者／發(fā)布者信息，用于配電終端之間的通信。

2.2 構(gòu)建LD

針對配電終端設(shè)備，一般需要為測量、控制、保護(hù)等常規(guī)功能建立LD［10-11］。除此之外，對于提出的智能分布式FA功能，本文建立專有的LD，實(shí)例名為“FDIR”，F(xiàn)DIR對象除了包含 LD均有的 LLN0和LPHD 2個LN外，還有如下3個LN。

a.OSFA（Operate Station FA）：完成 FDIR 功能。

b.TSFA（Test Station FA）：為 OSFA 提供測試信息。

c.MSFA（Monitor Station FA）：為上位機(jī)或配電主站提供FA狀態(tài)信息。

2.3 確定LN和數(shù)據(jù)

在變電站自動化系統(tǒng)中沒有關(guān)于配電網(wǎng)分布式FA的LN，為了實(shí)現(xiàn)終端間的互操作和信息共享，本文擴(kuò)展新的LN，以實(shí)現(xiàn)智能分布式FA系統(tǒng)的運(yùn)行、測試和監(jiān)視功能。

（1）OSFA是FDIR的核心部分，當(dāng)故障發(fā)生時，既要從其他LD得到本地故障信息，也要和相鄰終端對應(yīng)的OSFA節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。本文在實(shí)現(xiàn)智能分布式FA保護(hù)邏輯的過程中，總結(jié)歸納出以下需要的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)屬性。

① 數(shù)據(jù) Fa，數(shù)據(jù)屬性為 faStart、faBlock和 fa-Revert。

a.faStart：電源側(cè)斷路器跳開后，向受電側(cè)傳出FA啟動信號；故障區(qū)域接收到FA啟動信號，開始對故障進(jìn)行隔離。

b.faBlock：當(dāng)發(fā)生開關(guān)拒動、誤動或通信異常等情況時，終端向相鄰終端傳出FA閉鎖信號。

c.faRevert：接收到鄰側(cè)傳入的FA復(fù)歸信號，復(fù)歸當(dāng)前閉鎖信息。

② 數(shù)據(jù) OverCurrent，數(shù)據(jù)屬性為 ocForward、ocReverse，即發(fā)生故障時，終端本地保護(hù)LD判斷出開關(guān)是正向過流還是反向過流，OSFA利用過流信息，執(zhí)行FA邏輯，同時與相鄰OSFA交換過流信息。

③ 數(shù)據(jù)Load，數(shù)據(jù)屬性為 loadMax、loadFault。

a.loadMax：變電站允許最大轉(zhuǎn)供負(fù)荷。

b.loadFault：故障區(qū)域開關(guān)正常運(yùn)行時的負(fù)荷。

④ 數(shù)據(jù) Action，數(shù)據(jù)屬性為 tripBreaker、rejectionStart、isolationOK 和 recoveryOK。

a.tripBreaker：當(dāng)故障發(fā)生時，屬于故障區(qū)域的終端會向供電側(cè)斷路器傳出請求跳閘命令。

b.rejectionStart：開關(guān)拒動時，終端傳出失靈啟動信號；鄰側(cè)接收到失靈啟動信號后，進(jìn)行故障隔離。

c.isolationOK：當(dāng)故障開關(guān)跳開成功時，傳出隔離成功信號。

d.recoveryOK：斷路器或聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)成功時，傳出恢復(fù)成功信號。

⑤ 數(shù)據(jù)Base，數(shù)據(jù)屬性為powerPath、linkStation。

a.powerPath表示線路是否導(dǎo)通。

b.linkStation表示與鄰側(cè)終端通信狀態(tài)。

（2）TSFA用于測試終端FDIR功能。長期以來，F(xiàn)A系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用一直是個難題。為了驗(yàn)證FA動作邏輯的正確性，需要頻繁地在實(shí)際配電網(wǎng)中進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn)，而這會對電力系統(tǒng)造成沖擊，一般不被允許。若是在實(shí)驗(yàn)室搭建測試環(huán)境，使用實(shí)時數(shù)字仿真 RTDS（Real Time Digital Simulator）平臺模擬故障運(yùn)行方式［12］，則需要投入極大成本。本文建立的TSFA節(jié)點(diǎn)，可接收PC機(jī)發(fā)出的故障測試信號，無需實(shí)際硬接線，可以方便快捷地對FDIR邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。所需數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)屬性如下。

① 數(shù)據(jù) OverCurrent，數(shù)據(jù)屬性為 ocForward、ocReverse，即接收PC機(jī)模擬實(shí)際故障發(fā)出的過流信號。

② 數(shù)據(jù)Strap，數(shù)據(jù)屬性為 rejectionStrap、link-Strap。

a.rejectionStrap：表示失靈軟壓板，若不投失靈軟壓板，則開關(guān)拒動后全網(wǎng)閉鎖；若投入，則開關(guān)拒動后鄰側(cè)終端動作。

b.linkStrap：表示通信軟壓板，若投入通信軟壓板，則通信異常時全網(wǎng)閉鎖；若不投，則異常區(qū)域上游仍可正常動作。

③ 數(shù)據(jù)Load，數(shù)據(jù)屬性為value，即接收PC機(jī)模擬正常運(yùn)行時線路上的負(fù)荷。

（3）MSFA可監(jiān)視終端FA的運(yùn)行狀態(tài)，方便測試或運(yùn)行時了解FA的實(shí)時信息，為FA邏輯的調(diào)試和FA性能的評判提供依據(jù)。所需數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)屬性如下所示：

① 數(shù)據(jù) OverCurrent，數(shù)據(jù)屬性為 ocForward、ocReverse，即監(jiān)視線路過流信息；

② 數(shù)據(jù) Exception，數(shù)據(jù)屬性為 faBlock、link-Exp，即監(jiān)視智能分布式FA運(yùn)行過程中的異常信息，包括FA閉鎖和通信異常；

③ 數(shù)據(jù)Switch，數(shù)據(jù)屬性為Position、Type，即監(jiān)視線路開關(guān)位置及開關(guān)類型（斷路器或負(fù)荷開關(guān)）；

④ 數(shù)據(jù)Flag，數(shù)據(jù)屬性為faStart、isolationOK和recoveryOK，即監(jiān)視FA動作進(jìn)程。

3 信息交換模型

3.1 信息交換模型

智能分布式FA系統(tǒng)是一個無主從節(jié)點(diǎn)之分的對等系統(tǒng)，因此各終端在系統(tǒng)中的地位是平等的，完成的功能是一致的。上文采用面向?qū)ο蟮姆椒榕潆娊K端建立信息模型，從終端抽象出一個穩(wěn)定規(guī)范的對外數(shù)據(jù)交互接口。針對該通用接口，本文采用GOOSE服務(wù)實(shí)現(xiàn)信息模型的交換，它是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的一種快速報文傳輸機(jī)制，適用于智能分布式FA系統(tǒng)這種數(shù)據(jù)流量大且實(shí)時性要求高的場合。

基于GOOSE服務(wù)的傳輸機(jī)制采用“發(fā)布者／訂閱者”模式，即對等通信模式，就是每臺終端都與其他所有終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，但這種數(shù)據(jù)交互方式存在如下問題：

a.數(shù)據(jù)交換量大，交互的無用信息多，加重了網(wǎng)絡(luò)和各終端的負(fù)載；

b.終端需要交互和處理的數(shù)據(jù)量隨項(xiàng)目規(guī)模的變化而變化，無法實(shí)現(xiàn)終端FA功能的抽象及可重用性；

c.當(dāng)線路中終端拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生任何變化時，都需要對所有終端進(jìn)行重新部署，無法實(shí)現(xiàn)局部修改和局部重新部署。

3.2 兩兩通信

為了克服上述不足，本文提出了一種兩兩通信數(shù)據(jù)交換方式，將通信限制在相鄰2個終端之間，與非相鄰終端的數(shù)據(jù)交互則依靠相鄰終端代理，各終端互為代理后形成了全局?jǐn)?shù)據(jù)交互的通道。這種簡化并規(guī)范的信息交換方式，為智能分布式FA的實(shí)用性提供了有力的支撐。

兩兩通信數(shù)據(jù)交換示意圖如圖2所示。在兩兩通信方式下，終端D若要獲取終端H的數(shù)據(jù)a，需要終端G與終端H兩兩通信，并組合同類信息，形成新數(shù)據(jù)a1，然后依此類推，最后終端D與終端E兩兩通信并組合同類信息，形成新數(shù)據(jù)a3。這樣終端D即可通過多次兩兩交換獲取終端H的信息。

圖2 兩兩通信數(shù)據(jù)交換示意圖Fig.2 Schematic diagram of pairwise communication for information exchange

將終端通信限制在相鄰的2個終端之間，遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)的交互采用終端代理的方式來實(shí)現(xiàn)，可以將信息模型的定義限制在局部，從而使分布式FA系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變更限制在局部。

4 應(yīng)用分析

本文以國電南自配電終端DS3251為基礎(chǔ)搭建了智能分布式FA測試系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

本系統(tǒng)主要由監(jiān)視主機(jī)、配電系統(tǒng)、測試主機(jī)和交換機(jī)組成，相互之間的通信通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，其中配電系統(tǒng)是由配電終端和模擬斷路器組成的如圖1所示的電纜網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)。

圖3 測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

4.1 開環(huán)運(yùn)行分析

以故障發(fā)生在配電站1和2間（B1-A2）為例，分析各個終端在故障處理中的信息交換過程。當(dāng)線路開環(huán)運(yùn)行時，故障定位的原則是：對于流過故障電流的開關(guān)，若其相鄰兩側(cè)開關(guān)一側(cè)流過故障電流，而另一側(cè)沒有，則該開關(guān)為故障開關(guān)。

圖4 終端FTU2的動作邏輯和數(shù)據(jù)流Fig.4 Protection logic and data flow of FTU2

圖4描述了終端FTU2在故障發(fā)生后的處理過程及與鄰側(cè)終端交互的信息。當(dāng)終端FTU2判定B1為故障開關(guān)時，由于負(fù)荷開關(guān)無法切斷故障電流，因此需要變電站出口斷路器先切斷，然后故障開關(guān)B1再跳開。終端FTU3也是同樣的處理邏輯，故障開關(guān)A2跳開，完成對線間故障的隔離。

圖5描述了終端FTU1的動作邏輯過程。由圖可見，終端FTU1控制變電站出口斷路器，當(dāng)接收到來自故障開關(guān)的跳閘請求后，會跳開斷路器，并發(fā)出FA啟動信號；當(dāng)接收到故障開關(guān)跳開成功后發(fā)出的隔離成功信號時，將合上斷路器，恢復(fù)非故障區(qū)域K1-A1的供電。

圖5 終端FTU1的動作邏輯和數(shù)據(jù)流Fig.5 Protection logic and data flow of FTU1

圖6描述了終端FTU4的動作邏輯過程，通過相鄰兩側(cè)終端傳入的供電路徑可以判斷出開關(guān)B3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)B3接收到故障隔離成功信號時，會進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供的判斷。本文的判斷依據(jù)是：比較聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)接收到的最大允許負(fù)荷和故障發(fā)生前的常態(tài)負(fù)荷，若loadMax＞loadFault，則聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘；反之不合。若聯(lián)絡(luò)開關(guān)B3合閘，則非故障區(qū)域B2-A3恢復(fù)供電。

圖6 終端FTU4的動作邏輯和數(shù)據(jù)流Fig.6 Protection logic and data flow of FTU4

4.2 合環(huán)運(yùn)行分析

當(dāng)圖1的聯(lián)絡(luò)開關(guān)B3閉合時，線路運(yùn)行在合環(huán)狀態(tài)，示意圖如圖7所示。相對開環(huán)而言，合環(huán)運(yùn)行的區(qū)別是若線路上一點(diǎn)故障，則全網(wǎng)線路上均有故障電流流過。此時，故障電流就存在方向的問題。本文規(guī)定電流流入母線為正，流出為負(fù)。在此基礎(chǔ)上，合環(huán)運(yùn)行的故障定位原則是：對于流過故障電流的開關(guān)，若其過流方向與相鄰兩側(cè)中的其中一側(cè)同向，而與另一側(cè)反向，則該開關(guān)為故障開關(guān)。

圖7 電纜型接線合環(huán)運(yùn)行示意圖Fig.7 Schematic diagram of cable wiring for close-loop operation

合環(huán)運(yùn)行下終端故障處理邏輯和信息交互過程與開環(huán)運(yùn)行基本一致，有2處不同：

a.當(dāng)檢測到故障后，兩側(cè)出口斷路器均會跳開；

b.當(dāng)故障隔離成功后，沒有合聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作。

4.3 異常分析

在FA動作過程中，會遇到異常情況，如開關(guān)拒動或開關(guān)誤動等，本文針對如下異常情況，給出處理邏輯。

a.開關(guān)拒動分析。

在終端發(fā)出跳令后，若故障開關(guān)在規(guī)定的時間內(nèi)沒有分?jǐn)?，則認(rèn)為該開關(guān)發(fā)生拒動。若不采取措施，會擴(kuò)大故障范圍。本文將開關(guān)失靈啟動作為可配置項(xiàng)，若失靈軟壓板投入，則拒動開關(guān)會傳出失靈啟動信號，鄰側(cè)開關(guān)跳開以隔離故障，后續(xù)恢復(fù)邏輯正常進(jìn)行；若失靈軟壓板不投入，則拒動開關(guān)傳出FA閉鎖信號，整條線路的開關(guān)閉鎖，出口斷路器保護(hù)跳閘。

b.開關(guān)誤動分析。

開關(guān)誤動存在沒有收到跳令而開關(guān)分閘和沒有收到合令而開關(guān)合閘2種。若判斷出開關(guān)誤動，則誤動開關(guān)傳出FA閉鎖信號，整條線路的開關(guān)閉鎖，出口斷路器保持合閘。

c.通信異常分析。

智能分布式FA邏輯能否實(shí)現(xiàn)，主要取決于各終端之間的信息能否正常交互。當(dāng)線路出現(xiàn)通信中斷的異常情況時，本文的處理方式是將通信異常閉鎖作為可配置項(xiàng)。當(dāng)通信異常閉鎖投入時，若線路上任意一點(diǎn)發(fā)生通信異常，則全網(wǎng)FA閉鎖，開關(guān)不執(zhí)行任何動作，消除了自動化誤動作的可能性，異常處理過程簡單，但此方式可能會因極小的通信異常而閉鎖全部自動化邏輯。當(dāng)通信異常閉鎖不投入時，若某終端通信異常，則通信異常區(qū)域所覆蓋的開關(guān)閉鎖，異常區(qū)域上游的開關(guān)可以正常執(zhí)行FA邏輯，這樣可以縮小受影響區(qū)域范圍。

本文提出的智能分布式FA模型，通過各個終端之間的通信配合，一次性完成故障定位、隔離及非故障區(qū)域的恢復(fù)且不依賴主站，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.通用的信息模型和數(shù)據(jù)交換方式易于推廣使用；

b.快速切除故障，整個FDIR過程達(dá)到秒級；

c.對異常狀態(tài)的處理提高了供電的可靠性。

5 結(jié)語

本文將IEC61850建模思想引入智能分布式FA功能中，旨在建立通用的終端信息模型，以實(shí)現(xiàn)配電終端之間的互操作和信息共享。在GOOSE服務(wù)的基礎(chǔ)上，提出了兩兩通信機(jī)制，將信息交換限定在相鄰終端，簡化并規(guī)范了信息交換模型。實(shí)際分析了該模型在電纜型配電線路中的邏輯動作過程和異常處理機(jī)制，表明了其可行性。

本文建立的信息模型是否適用于其他配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)，還有待實(shí)踐驗(yàn)證。另外，智能分布式FA的實(shí)現(xiàn)完全依賴于通信的可靠性，如何克服這一缺陷還需要進(jìn)一步研究。

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