向珉江，趙嫄

（1.濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南250021）

·試驗(yàn)研究·

行波故障測(cè)距裝置的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信建模

向珉江1，趙嫄2

（1.濟(jì)南供電公司，山東濟(jì)南250012；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南250021）

IEC61850是世界統(tǒng)一的智能變電站通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)其通信首先要建立起符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信模型。IEC61850規(guī)定了智能電子設(shè)備“服務(wù)器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點(diǎn)—數(shù)據(jù)對(duì)象—數(shù)據(jù)屬性”的五層信息模型體系，根據(jù)輸電線(xiàn)路行波故障測(cè)距的技術(shù)特點(diǎn)，擴(kuò)展定義了行波故障測(cè)距裝置邏輯節(jié)點(diǎn)RTWL及其包含的數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)屬性，建立完整的五層信息模型。在此基礎(chǔ)上定義行波故障測(cè)距裝置的信息服務(wù)內(nèi)容，對(duì)其含義、通信模式、通信方式等進(jìn)行討論。

行波故障測(cè)距；IEC61850建模；信息模型；信息服務(wù)；邏輯節(jié)點(diǎn)

0 引言

輸電線(xiàn)路故障行波是線(xiàn)路發(fā)生故障后產(chǎn)生的一種電磁波，它沿著線(xiàn)路以光速前進(jìn)，在遇到不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生反射。雖然行波是一種短時(shí)的突變信號(hào)，卻包含了幅值、極性、方向等豐富的故障信息。行波還具有不受過(guò)渡電阻、系統(tǒng)運(yùn)行方式等影響的優(yōu)點(diǎn)，目前在傳統(tǒng)變電站中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了行波故障測(cè)距的應(yīng)用，實(shí)踐證明其定位精度優(yōu)于傳統(tǒng)工頻量的測(cè)距方法［1］。

智能變電站作為新一代變電站具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其關(guān)鍵技術(shù)之一是采用了IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，目的是實(shí)現(xiàn)裝置間的互操作。具體來(lái)講，IEC61850采用了面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，依照“服務(wù)器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點(diǎn)—數(shù)據(jù)對(duì)象—數(shù)據(jù)屬性”的層級(jí)關(guān)系來(lái)建立通信模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置功能的描述，由此不同裝置間就可以實(shí)現(xiàn)相互的理解［2］。裝置的通信模型與具體的通信協(xié)議是無(wú)關(guān)的，將通信模型轉(zhuǎn)化為具體通信協(xié)議的過(guò)程稱(chēng)為映射，IEC61850建模實(shí)現(xiàn)了裝置功能與具體通信協(xié)議的解耦［3］。

建立符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信模型是實(shí)現(xiàn)通信首要且關(guān)鍵的一步。目前對(duì)IEC61850建模的研究多集中于繼電保護(hù)、合并單元、電子式互感器等裝置上，還鮮有針對(duì)行波故障測(cè)距裝置的報(bào)道。本文在分析IEC61850面向?qū)ο蠼Ｋ枷氲幕A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)行波故障測(cè)距裝置的建模，明確了其信息模型、信息服務(wù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信的步驟

圖1展示了從裝置到通信模型，再到具體通信協(xié)議以實(shí)現(xiàn)IEC61850通信的全過(guò)程，前一個(gè)過(guò)程稱(chēng)為建模，后一個(gè)過(guò)程稱(chēng)為映射。面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷刖褪菍⒚總€(gè)對(duì)象封裝成屬性和服務(wù)兩個(gè)部分，其中屬性描述了對(duì)象的外部可視性，服務(wù)則提供了訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象屬性的方法，因此裝置的通信模型是由信息模型和信息服務(wù)兩部分組成（也有論文將兩者統(tǒng)稱(chēng)為信息模型的）。信息模型按“服務(wù)器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點(diǎn)—數(shù)據(jù)對(duì)象—數(shù)據(jù)屬性”的結(jié)構(gòu)對(duì)裝置功能進(jìn)行描述，是對(duì)象的屬性。在此基礎(chǔ)上定義了信息服務(wù)功能——抽象通信服務(wù)接口ACSI（AbstractCommunication Service Interface），ACSI是對(duì)通信方式的描述。信息模型是基礎(chǔ)，信息服務(wù)是目標(biāo)。

圖1 IEC61850建模過(guò)程示意圖

通信模型從邏輯上能完整的描述各裝置的功能及通信，形成了一張完善的“邏輯圖”，這種從“裝置—邏輯圖—通信協(xié)議”的過(guò)程使邏輯圖完全獨(dú)立于通信協(xié)議，不會(huì)因通信協(xié)議的變化而改變。具體來(lái)講，要實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信，需要遵循以下幾個(gè)步驟［4］。

步驟1：建立目標(biāo)對(duì)象的信息模型，即“服務(wù)器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點(diǎn)—數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)屬性”的五層信息結(jié)構(gòu)，它描述了對(duì)象的成員和架構(gòu)。

步驟2：定義目標(biāo)對(duì)象的信息服務(wù)，即根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)已定義的14類(lèi)ACSI確定目標(biāo)對(duì)象的信息服務(wù)功能，它描述了外部的操作、訪(fǎng)問(wèn)、控制等信息交換方法。

步驟3：最后將信息服務(wù)映射到具體通信協(xié)議上，實(shí)現(xiàn)具體的通信功能。

本文僅對(duì)行波故障測(cè)距裝置的建模理論進(jìn)行探討，不涉及通信的最終實(shí)現(xiàn)，因而本文僅對(duì)前兩個(gè)步驟進(jìn)行討論。

2 信息模型

信息模型的定義必須保證唯一性，才能使計(jì)算機(jī)能自動(dòng)識(shí)別，這構(gòu)成了IED設(shè)備互操作的基礎(chǔ)。IEC61850定義的信息模型的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)化、層次化，如圖2所示，從高到低的5個(gè)信息等級(jí)是服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性。1臺(tái)服務(wù)器可以包含多個(gè)邏輯設(shè)備，而1臺(tái)邏輯設(shè)備又可以包含多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，以此類(lèi)推。

圖2 IEC61850信息模型的五層結(jié)構(gòu)

2.1 服務(wù)器和邏輯設(shè)備

服務(wù)器是信息模型的最高級(jí)，通常1臺(tái)實(shí)際的裝置就可以看成1臺(tái)服務(wù)器。邏輯設(shè)備通?？砂丛O(shè)備的功能和通信目標(biāo)來(lái)進(jìn)行劃分，例如保護(hù)測(cè)控一體化裝置就可以建立為1臺(tái)服務(wù)器下包括保護(hù)、測(cè)量和控制3個(gè)邏輯設(shè)備。可以看出，服務(wù)器和邏輯設(shè)備并不代表特定的功能含義，而更多的表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)的分類(lèi)，根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)它們的名稱(chēng)可由用戶(hù)自行定義。

2.2 邏輯節(jié)點(diǎn)

邏輯節(jié)點(diǎn)是邏輯信息的關(guān)鍵載體，是IEC61850中規(guī)定的交換數(shù)據(jù)功能的最小單位，每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)代表特定的信息。根據(jù)應(yīng)用需求，IEC61850-7-4部分定義了5類(lèi)13組，共約90個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，如：距離保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)名為PDIS，保護(hù)配置邏輯節(jié)點(diǎn)名為PSCH。雖然標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站各類(lèi)裝置邏輯節(jié)點(diǎn)的定義已經(jīng)比較全面了，但遺憾的是卻并不包括行波故障測(cè)距的邏輯節(jié)點(diǎn)，好在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了邏輯節(jié)點(diǎn)名的擴(kuò)展定義辦法［5］。

1）其第1個(gè)字符應(yīng)表征組別，應(yīng)盡量選擇現(xiàn)有組別，當(dāng)現(xiàn)有邏輯節(jié)點(diǎn)組不能滿(mǎn)足要求時(shí)才可新建；

2）其它3個(gè)字符應(yīng)與新邏輯節(jié)點(diǎn)英文名稱(chēng)相關(guān)，并便于記憶；

3）保證唯一性，不與已有的重復(fù)；

4）新邏輯節(jié)點(diǎn)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)定義概念和屬性，在使用時(shí)加以說(shuō)明。

根據(jù)上述原則，本文定義行波故障測(cè)距邏輯節(jié)點(diǎn)名為RTWL，每個(gè)字符及其含義見(jiàn)表1所示。考慮行波故障測(cè)距的功能，且滿(mǎn)足要求1）的規(guī)定，不新設(shè)新的組別，采用已有的組別（“保護(hù)相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)”邏輯節(jié)點(diǎn)組），其第1個(gè)字符為R。

表1 邏輯節(jié)點(diǎn)RTWL的字符含義

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性

新建邏輯節(jié)點(diǎn)名后，還需要進(jìn)一步定義其數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性，仿照IEC61850-7-4部分對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象定義的表格形式，設(shè)計(jì)邏輯節(jié)點(diǎn)RTWL的數(shù)據(jù)對(duì)象如表2所示［6］。

表2 行波測(cè)距邏輯節(jié)點(diǎn)RTWL的數(shù)據(jù)對(duì)象信息

表中第1列為定義的數(shù)據(jù)對(duì)象名，其中測(cè)量值類(lèi)的Tm1st、Tm2nd、TmSel、TmFar1、TmFar2為新定義的數(shù)據(jù)對(duì)象名，其余的為標(biāo)準(zhǔn)里其它邏輯節(jié)點(diǎn)中已定義的數(shù)據(jù)對(duì)象名。

第2列表示數(shù)據(jù)對(duì)象所屬的公共數(shù)據(jù)類(lèi)，公共數(shù)據(jù)類(lèi)表征了數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)屬性。由于IEC61850定義了數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，如果再詳細(xì)定義每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)屬性，無(wú)疑將會(huì)是一件浩大的工程，同時(shí)也過(guò)于繁瑣而不便使用。事實(shí)上很多數(shù)據(jù)對(duì)象僅名稱(chēng)不同，屬性是相通的，因此IEC61850定義了公用數(shù)據(jù)類(lèi)，相同類(lèi)型的數(shù)據(jù)對(duì)象將共同引用同一個(gè)類(lèi)［6］。例如表中初始行波時(shí)刻Tm1st和反射波時(shí)刻Tm2nd都表征時(shí)間，按標(biāo)準(zhǔn)其它關(guān)于時(shí)間的數(shù)據(jù)對(duì)象的歸類(lèi)方法，都屬I(mǎi)NS（整數(shù)狀態(tài)）類(lèi)。因此其余3個(gè)新定義的數(shù)據(jù)對(duì)象的屬性也都屬I(mǎi)NS類(lèi)。表中其它數(shù)據(jù)屬性分別為：測(cè)量值類(lèi)MV、保護(hù)激活信息類(lèi)ACT、模擬定值類(lèi)ASG，查看標(biāo)準(zhǔn)7-3部分即可確定每類(lèi)數(shù)據(jù)屬性的詳細(xì)含義。

第3列為含義的說(shuō)明，考慮到對(duì)RTWL通用性的要求，對(duì)RTWL同時(shí)定義了A、B兩型行波測(cè)距法，以滿(mǎn)足兩類(lèi)行波測(cè)距法的要求?？紤]到B型行波測(cè)距法在T型接線(xiàn)方式下的特殊要求，設(shè)計(jì)了兩個(gè)對(duì)端行波到達(dá)時(shí)刻。此外，考慮到實(shí)際線(xiàn)路波阻抗與理論值往往有一定差別，從而會(huì)影響測(cè)量精度，故在定值類(lèi)保留了線(xiàn)路正序、零序阻抗值的定義，并采用了定義法1（電阻+電抗）和定義法2（幅值+相角）兩種表述線(xiàn)路阻抗參數(shù)的方法，以方便選擇。

第4列表示是否需要跳閘（Trip），需要時(shí)標(biāo)注T。由于行波測(cè)距僅反映故障位置，不直接作用于跳閘，故此列無(wú)需標(biāo)注。

第5列表示該數(shù)據(jù)對(duì)象是否為邏輯節(jié)點(diǎn)RTWL所必須包含的，M表示必須，O表示可選。除故障距離FltDiskm是必選以外，其余各數(shù)據(jù)對(duì)象均為可選項(xiàng)。

3 信息服務(wù)

在建立好行波裝置的信息模型后，便可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信息服務(wù)的建模。前文已經(jīng)介紹過(guò)信息服務(wù)建模并不是實(shí)現(xiàn)某種具體通信的過(guò)程，而是解決怎樣通信以及通信時(shí)交換哪些內(nèi)容的問(wèn)題。信息服務(wù)建模的過(guò)程可以理解為實(shí)現(xiàn)邏輯上通信的過(guò)程，這種邏輯上的通信被稱(chēng)為ACSI。根據(jù)不同應(yīng)用的需求IEC61850定義了14類(lèi)ACSI，行波故障測(cè)距裝置的信息服務(wù)從中進(jìn)行選擇。

智能變電站中，與行波故障測(cè)距裝置存在通信聯(lián)系的有合并單元（MU，Merging Unit）和后臺(tái)系統(tǒng)。MU向行波故障測(cè)距裝置發(fā)送采樣值，行波測(cè)距裝置可向MU讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)。行波測(cè)距裝置向后臺(tái)系統(tǒng)發(fā)送報(bào)告，后臺(tái)系統(tǒng)也可向其讀測(cè)距結(jié)果數(shù)據(jù)。

目前對(duì)MU建模研究的文章很多［3，7］，本文建立了行波用MU信息模型，如圖3所示。在MU服務(wù)器模型中，建立了名為MU01的邏輯設(shè)備。由于目前行波測(cè)距裝置多基于電流行波信號(hào)，因此分相建立了3個(gè)關(guān)于電流信號(hào)的邏輯節(jié)點(diǎn)twaTCTR、twbTCTR、twcTCTR，每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)下包含多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，如Amp（電流采樣值）、ARtg（額定電流）。在發(fā)送采樣值過(guò)程中，各邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共同組成一個(gè)數(shù)據(jù)集，此外還需要設(shè)定采樣值控制塊（MSVCB，Multicast Sample Value Control Block）以對(duì)發(fā)送地址、發(fā)送頻率等信息進(jìn)行控制。

圖3 行波故障測(cè)距裝置的信息服務(wù)模型

行波故障測(cè)距服務(wù)器TWL下建立了TWL01、TWL02兩個(gè)邏輯設(shè)備，分別代表A、B兩型行波測(cè)距方法，實(shí)際應(yīng)用中可進(jìn)行取舍。邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象等信息已經(jīng)在前文進(jìn)行了描述，不再累述。

圖3共設(shè)計(jì)了①~⑥共6種ACSI，其中①為基于發(fā)布者／訂閱者模式，針對(duì)快速且可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；其余ACSI基于客戶(hù)機(jī)／服務(wù)器模式，針對(duì)控制、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)值等功能服務(wù)。

①表示發(fā)送采樣值的ACSI，在發(fā)布者／訂閱者模式下，發(fā)布者向訂閱者發(fā)送信息，訂閱者不需要向發(fā)送者回饋信息，這樣的模式保證了很好的通信實(shí)時(shí)性。

②④表示客戶(hù)機(jī)向服務(wù)器讀數(shù)據(jù)的ACSI，②表示TWP向MU讀數(shù)據(jù)（如某時(shí)刻的采樣值），④表示BGS向TWP讀數(shù)據(jù)（如某次測(cè)距結(jié)果）。在這類(lèi)ACSI中，客戶(hù)機(jī)率先發(fā)出請(qǐng)求（.req），服務(wù)器隨即做出響應(yīng)（.rsp），這樣一來(lái)一回通信才得以完成，響應(yīng)（.rsp）有正確響應(yīng)或響應(yīng)失敗之分。

③表示行波測(cè)距裝置向MU寫(xiě)入控制塊數(shù)據(jù)的ACSI，它也通過(guò)“請(qǐng)求+響應(yīng)”來(lái)完成服務(wù)。不同的是它會(huì)更改MU中的數(shù)據(jù)，例如對(duì)MU采樣值發(fā)送間隔等關(guān)鍵信息進(jìn)行重新設(shè)置。

⑤表示報(bào)告ACSI，雖然它也是基于客戶(hù)機(jī)／服務(wù)器模式，但卻是單向的信息。報(bào)告可實(shí)現(xiàn)經(jīng)故障信息觸發(fā)后，立即向后臺(tái)系統(tǒng)報(bào)告的機(jī)制。它僅在需要時(shí)進(jìn)行主動(dòng)發(fā)送，減少了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬影響。

⑥表示后臺(tái)系統(tǒng)與行波測(cè)距裝置間其他數(shù)據(jù)交換的ACSI，包括寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)集等。后臺(tái)系統(tǒng)與行波測(cè)距裝置之間的信息交換與繼電保護(hù)裝置類(lèi)似，該部分技術(shù)已在智能變電站中實(shí)現(xiàn)了，因此不再累述。

圖3定義了行波測(cè)距裝置涉及的ACSI名稱(chēng)，IEC61850-7-2部分為每個(gè)ACSI都詳細(xì)定義了通信時(shí)需要交換哪些數(shù)據(jù)，對(duì)照ACSI名即可查找到上述每個(gè)ACSI交換信息的具體內(nèi)容。至此基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的完善通信模型建立起來(lái)了。

4 結(jié)語(yǔ)

在分析理解IEC61850面向?qū)ο蠼Ｋ枷牒吞攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)行波故障測(cè)距裝置進(jìn)行建模研究。根據(jù)技術(shù)要求擴(kuò)展定義行波故障測(cè)距邏輯節(jié)點(diǎn)RTWL，完善它的數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性，實(shí)現(xiàn)按“服務(wù)器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點(diǎn)—數(shù)據(jù)對(duì)象—數(shù)據(jù)屬性”模式的信息建模。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了各服務(wù)器間相互通信的抽象通信服務(wù)接口，完成了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的行波應(yīng)用系統(tǒng)通信建模。下一步還需要研究模型的映射實(shí)現(xiàn)技術(shù)，尤其是要解決高速行波采樣數(shù)據(jù)的傳輸?shù)葐?wèn)題。

［1］徐丙垠．利用暫態(tài)行波的輸電線(xiàn)路故障測(cè)距技術(shù)［D］．西安：西安交通大學(xué)，1991.

［2］張結(jié)．IEC61850的結(jié)構(gòu)化模型分析［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（18）：90-93.

［3］竇曉波，吳再軍，胡敏強(qiáng)，等．IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下合并單元的信息模型與映射實(shí)現(xiàn)［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（2）：80-86.

［4］王麗華，江濤，盛曉紅，等．基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能建模分析［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（2）：55-59.

［5］IEC61850，Communication networks and systems in substations［S］.

［6］向珉江．基于羅氏線(xiàn)圈的行波傳遍特性與應(yīng)用技術(shù)研究［D］．濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

［7］Cagil R.Ozansoy，Aladin Zayegh，Akhtar Kalam．Object modeling of data and dataSets in the International Standard IEC61850［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（3）：1140-1147.

［8］黃燦英．基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元研究［D］．西安：西安科技大學(xué)，2008.

Communication Modeling of Travelling Wave Fault Location Device Based on IEC61850

IEC61850 is a unified communication standard for smart substations all over the world.Communication model of device based on IEC61850 should be built firstly.IEC61850 stipulates five layers model for intelligent electronic devices，such as servers，logical devices，logical nodes，data objects and data attributes.According to technical characteristics of transmission line travelling wave fault location，we defines logical node RTWL and its data object and data attributes for travelling wave fault location device.A complete five-layers information model has been established.On the basis of definitions，information services of travelling wave fault location device have been defined，and their meanings，communication modes，communication ways are discussed.

travelling wave fault location；IEC61850 modeling；information model；information service；logical node

TM771

：B

：1007－9904（2014）04－0001－04

2014-04-01

向珉江（1986—），男，博士，工程師，從事智能變電站、智能配電網(wǎng)的工作。