李重慶，董如亞，卞秋野，高 藝，王 磊

（1.國網(wǎng)安徽宣城供電公司，安徽 宣城 242000；2.國網(wǎng)山東利津縣供電公司，山東 東營 257000；3.國網(wǎng)山東省電力公司物資公司，山東 濟(jì)南 250000；4.國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

2009 年5 月，國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布了智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，建設(shè)和發(fā)展智能化、數(shù)字化變電站成為發(fā)展的新方向［1］。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)作為國內(nèi)變電站發(fā)展的指導(dǎo)性規(guī)范，近年來在智能變電站建設(shè)方面的應(yīng)用研究被廣泛探討，文獻(xiàn)［1-2］以IEC 61850 技術(shù)為主線，以模塊化的結(jié)果解釋IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)在變電站工程應(yīng)用中所涉及的相關(guān)知識，充實(shí)了變電站數(shù)字化系統(tǒng)的內(nèi)涵，促進(jìn)了變電站的自動化、數(shù)字化與互操作化；文獻(xiàn)［3］討論了智能變電站和主站模型、圖形、通信一體化共享建模的解決方案，提出了完全基于模型的維護(hù)模式，為變電站設(shè)備之間的互操作、一致性測試及一體化信息平臺構(gòu)建提供了保證。隨著IEC 61850 應(yīng)用的進(jìn)一步深入研究，數(shù)字化變電站開發(fā)及建設(shè)方面取得了較為可觀的進(jìn)展，近幾年逐步開始有一些基于IEC 61850 的數(shù)字化變電站投入到生產(chǎn)運(yùn)行當(dāng)中，并取得了較好的運(yùn)行效果。

盡管基于IEC 61850 的應(yīng)用研究較大程度地促進(jìn)了智能變電站開發(fā)及建設(shè)工作，但落實(shí)到具體工程實(shí)踐中，仍存在以下問題。

1）模型完善與修改方面。由于智能變電站模式不斷發(fā)展，站內(nèi)所涉及數(shù)字化模型應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需求進(jìn)行適度改進(jìn)，以完善功能。

2）模型缺失方面。盡管IEC 61850 保護(hù)及保護(hù)相關(guān)功能邏輯節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)已較為全面、詳盡，但由于國內(nèi)外采用的繼電保護(hù)原理以及所關(guān)注的對外通信接口存在差異，邏輯節(jié)點(diǎn)及其數(shù)據(jù)對象、屬性并沒有完全符合我國數(shù)字化變電站建模要求，應(yīng)針對模型的缺失做進(jìn)一步擴(kuò)充。

3）保護(hù)裝置配置模型建立方面。國際電工委員會制定的IEC 61850 基本符合國外變電站自動化設(shè)備的工程自由配置做法，卻與國內(nèi)由設(shè)計(jì)院統(tǒng)一設(shè)計(jì)的應(yīng)用原則難以匹配，保護(hù)裝置的配合工作全部需要在施工、調(diào)試過程中完成，帶來了“數(shù)字化變電站是調(diào)試出來”的尷尬［4］。

因此，研究一種滿足智能變電站IEC 61850 應(yīng)用設(shè)計(jì)要求的新方案是非常必要的。根據(jù)IEC 61850建模的體系結(jié)構(gòu)，以某變電站220 kV 線路典型保護(hù)裝置為例，探討IEC 61850 在實(shí)際工程中線路保護(hù)層次化信息模型智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）的構(gòu)建方法，給出了線路保護(hù)建模實(shí)例化的具體步驟；隨后按照過程層、間隔層與站控層的分層體系結(jié)構(gòu)建立符合該線路信息維護(hù)的通信服務(wù)方式，并對工程建模中邏輯節(jié)點(diǎn)GOOSE 信息流進(jìn)行了詳細(xì)闡述；最后以線路保護(hù)裝置ICD 配置文件樹形結(jié)構(gòu)對線路保護(hù)裝置進(jìn)行描述，方便不同廠商配置信息的交換。

1 高壓線路保護(hù)建模步驟

IEC 61850 實(shí)現(xiàn)了對外功能信息在標(biāo)準(zhǔn)化的模型中的組建，并建立這些信息的傳輸方式和過程。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)對目標(biāo)對象的建模包括數(shù)據(jù)建模和通信服務(wù)建模兩部分。目前變電站多采用國內(nèi)外多廠家不同制造商的保護(hù)測控設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)IEC 61850在變電站數(shù)字化系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，線路保護(hù)建模步驟敘述如下［5］。

1）模型對象成員的信息建模。包括：服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性。對于須建模對象，當(dāng)現(xiàn)有的IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中的邏輯節(jié)點(diǎn)類（LN）描述不能滿足變電站通信的實(shí)際需求時(shí)，可開展數(shù)據(jù)擴(kuò)展，擴(kuò)展應(yīng)遵循IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)建模原則［6］。

2）采用適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧?wù)模型及通信服務(wù)映射方式，提供遵循IEC 61850 MMS、GOOSE、SV 的數(shù)字化對外接口。

3）構(gòu)建變電站配置語言。按照服務(wù)器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點(diǎn)—數(shù)據(jù)對象—數(shù)據(jù)屬性的分層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建設(shè)備模型IED 和通信模型ICD，以便實(shí)現(xiàn)不同廠商的配置工具間的信息交換，實(shí)現(xiàn)互操作。

根據(jù)上述線路保護(hù)建模步驟與原則，對某變電站220 kV I 線進(jìn)行線路保護(hù)工程建模應(yīng)用研究。

2 高壓線路保護(hù)功能工程建模實(shí)例

2.1 信息模型

500 kV 與220 kV 線路保護(hù)均包括母差保護(hù)、失靈保護(hù)、重合閘，其中，重合閘為雙重化配置且完全獨(dú)立，互不聯(lián)系。建模實(shí)例220 kV I 線采用雙重化保護(hù)配置，第1 套線路保護(hù)裝置型號為CSC101A，第2 套線路保護(hù)裝置型號為RCS901A，失靈保護(hù)與重合閘裝置采用CSC122A。

將保護(hù)裝置IED 按其功能分解為多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）實(shí)例，如斷路器（XCBR）和距離保護(hù)（PDIS）；再組建斷路器（XCBR）和距離保護(hù)（PDIS）等邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例，形成一個(gè)或多個(gè)邏輯裝置（LD）；進(jìn)一步地，邏輯裝置再映射到數(shù)據(jù)對象（DO）和若干個(gè)數(shù)據(jù)屬性（DA）。根據(jù)上述建模流程進(jìn)行某220 kV I 線所配置保護(hù)信息建模。

1）邏輯節(jié)點(diǎn)建模。

邏輯節(jié)點(diǎn)及其數(shù)據(jù)可用于實(shí)際系統(tǒng)功能的描述，對DL／T 860.74—2013《電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第7-4 部分：基本通信結(jié)構(gòu)兼容邏輯節(jié)點(diǎn)類和數(shù)據(jù)類》所定義的邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例化，其實(shí)例化對象可表示為某種具有特定意義的功能作用。所選220 kV I線保護(hù)裝置相應(yīng)保護(hù)功能及相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)組如表1所示，保護(hù)功能所涉及的邏輯節(jié)點(diǎn)均應(yīng)實(shí)例化。表1中，由于邏輯節(jié)點(diǎn)索引根據(jù)邏輯節(jié)點(diǎn)名稱進(jìn)行區(qū)分，因此，對具有同一原理的不同區(qū)段的保護(hù)應(yīng)分別建立不同的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例，如三段式距離保護(hù)分別為PDIS1、PDIS2、PDIS3；對同一原理不同測量方式分別使用前綴區(qū)分，如接地距離保護(hù)為GndPDIS，相間距離保護(hù)為PhsPDIS；對具有相同動作定值、多個(gè)時(shí)限和獨(dú)立保護(hù)動作信號的保護(hù)功能，應(yīng)細(xì)分成多個(gè)同一類型的邏輯節(jié)點(diǎn)，動作定值只在第1 個(gè)時(shí)限的實(shí)例中映射，如具有4 個(gè)不同延時(shí)段零序反時(shí)限過流保護(hù)，則需要定義4 個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)對象PTOC1、PTOC2、PTOC3、PTOC4。

邏輯節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)對象分為公共邏輯節(jié)點(diǎn)信息、狀態(tài)信息、定值和測量量4 類。保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)首先須繼承公用邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和部分可選數(shù)據(jù)。若現(xiàn)有的數(shù)據(jù)無法對目標(biāo)對象的實(shí)際功能進(jìn)行全部描述時(shí)，應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展。

表1 某220 kV I 線線路保護(hù)裝置功能分解

2）邏輯設(shè)備（LD）建模。

因保護(hù)設(shè)備所提供的信息分散，根據(jù)不同裝置的功能設(shè)計(jì)分布可將邏輯設(shè)備劃分成若干個(gè)，分為公用邏輯設(shè)備（LD0）、保護(hù)邏輯設(shè)備（PROT）、錄波邏輯設(shè)備（RCD）、過程層GOOSE 邏輯設(shè)備（PIO）以及過程層SV 邏輯設(shè)備（SVLD）等。本文工程建模主要涉及保護(hù)邏輯設(shè)備（PROT）的建模。

3）IED 建模。

根據(jù)所配置的保護(hù)裝置將上述220 kV I 線分為3 個(gè)IED。

完成信息模型整體框架后，對照保護(hù)功能及相關(guān)功能邏輯節(jié)點(diǎn)組，建立如圖1 所示邏輯節(jié)點(diǎn)描述的線路保護(hù)模型。

圖1 中建立3 個(gè)IED 來組成該220 kV I 線的保護(hù)信息模型，根據(jù)工程邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例化原則，成組的保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)為同一原理不同段保護(hù)。不同保護(hù)測量方式通過邏輯節(jié)點(diǎn)名的前綴區(qū)分，如零序方向使用DirZeroPXXX；PSCH 為縱聯(lián)／高頻通道邏輯節(jié)點(diǎn)，盡管工程上分為閉鎖式與允許式縱聯(lián)保護(hù)兩種，但在對外接口上并無區(qū)別；對于保護(hù)功能邏輯節(jié)點(diǎn)，本線路采用了2 套重合閘（RREC），運(yùn)行方式應(yīng)為一投一備；保護(hù)跳閘調(diào)理邏輯節(jié)點(diǎn)（PTRC）、連接多個(gè)保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)，當(dāng)多于1 個(gè)保護(hù)裝置的信號輸出時(shí)，形成一個(gè)公共跳閘信號傳送于過程層（XCBR）。

須指出的是，為開展檢修或特殊情況處理，保護(hù)跳閘和啟動回路中往往串聯(lián)保護(hù)壓板。對實(shí)際工程建模時(shí)，應(yīng)擴(kuò)展保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的壓板類數(shù)據(jù)對象，以描述跳合閘信號輸出。表2 列舉出部分PTRC 和RREC 的數(shù)據(jù)擴(kuò)充實(shí)例。

表2 PTRC 和RREC 數(shù)據(jù)對象擴(kuò)充實(shí)例

2.2 通信服務(wù)模型

圖1 線路保護(hù)模型

為實(shí)現(xiàn)變電站控制、監(jiān)視和保護(hù)3 大功能，IEC 61850 提出變電站功能分層概念，共分為3 個(gè)功能層，即變電站層、間隔層或單元層、過程層［7-8］，如圖2所示。其中站控層與間隔層之間采用以制造報(bào)文規(guī)范（MMS）為核心的客戶／服務(wù)器和面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）通信，間隔層與間隔層、間隔層與過程層之間采用采樣值傳輸（SV）報(bào)文或面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）通信，并分別配置各層的交換機(jī)。通過上述MMS、GOOSE 與SV 3 類信息服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)各層中所定義的IED 數(shù)據(jù)的上傳［9-11］。

圖2 變電站自動化系統(tǒng)功能層和邏輯接口

1）制造報(bào)文規(guī)范（MMS）服務(wù)。

變電站間隔層內(nèi)保護(hù)裝置遙測、遙信、遙調(diào)以及定值召喚擾動等事件信號往站控層發(fā)送時(shí)，以制造報(bào)文規(guī)范進(jìn)行通信，如圖2 中的接口信息傳輸，相同的通信服務(wù)方式可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的通信傳輸，實(shí)現(xiàn)來自不同廠商設(shè)備的互操作。本文實(shí)例中220 kV I 線間隔保護(hù)IED 與站控層通信的MMS 服務(wù)，是通過建立220 kV I 線保護(hù)模型邏輯節(jié)點(diǎn)到虛擬制造設(shè)備屬性MMS 服務(wù)模型的映射，具體包括邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)映射、邏輯設(shè)備模型映射以及通信服務(wù)方式的映射。關(guān)于虛擬制造設(shè)備與保護(hù)模型映射方法，目前已有較多的研究成果，很多已具有良好的工程應(yīng)用效果，具體映射方法可參見文獻(xiàn)［12-14］。

2）變電站事件和采樣值傳輸（GOOSE／SV）通信。

圖3 某220 kV I 線線路間隔保護(hù)GOOSE／SV 信息流

間隔層與間隔層、間隔層與過程層之間的報(bào)文通信，是利用面向?qū)ο蟮腉OOSE 通信和SV 報(bào)文實(shí)現(xiàn)的，用于圖2 中的接口信息傳輸。變電站線路保護(hù)使用GOOSE／SV 進(jìn)行智能裝置IED 交互信息、跳合閘出口等信息的通信，文獻(xiàn)［1］給出了一種適用于220 kV 典型變電站的GOOSE／SV 虛端子配置方法設(shè)計(jì)，并在實(shí)際變電站工程施工中開展應(yīng)用，具有良好借鑒意義。為更直觀地描述智能裝置的輸入、輸出端口邏輯，以220 kV I 線路間隔保護(hù)動作跳開線路斷路器的A、B、C 三相過程進(jìn)行GOOSE／SV 通信設(shè)計(jì)如圖3 所示。圖3 中，采用智能裝置GOOGE／SV 的“虛端子”實(shí)現(xiàn)信號的輸入輸出。將智能裝置和合并單元的信號輸出定義為IN01—IN03，信號輸出邏輯分別定義為虛端子OUT01—OUT03，智能裝置中的內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性，如IN01 表示斷路器A 相跳閘，其數(shù)據(jù)屬性可表示為 “GOINGG101stVal”，合并單元輸出保護(hù)電流A 相，其數(shù)據(jù)屬性可表示為“OEMU／MU01.TC.TR1.Amp1”。以此類推，可得到B 相和C 相的信號數(shù)據(jù)屬性。

2.3 IEC 61850 工程配置

對變電站自動化設(shè)備、開關(guān)、保護(hù)以及其他配置情況是由基于XML 技術(shù)的變電站配置語言SCL 來描述的。SCL 是IEC61850 技術(shù)體系的重要組成部分，其目的是為了給來自不同廠商的設(shè)備提供一種標(biāo)準(zhǔn)的描述方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作。采用這種標(biāo)準(zhǔn)的描述方式有利于簡化系統(tǒng)的集成過程，降低集成費(fèi)用。

SCL 文檔應(yīng)包含頭、變電站、通信、智能電子設(shè)備和數(shù)據(jù)模板5 個(gè)基本組成部分。

1）頭（Header）。

頭部分可對整個(gè)SCL 文檔進(jìn)行整體描述，該部分涵蓋所配置變電站對象的SCL 文件的制造商、版本、名稱結(jié)構(gòu)、文檔命名等信息，也用于指定名字與相關(guān)信號的映射選項(xiàng)。

2）變電站（Substation）。

變電站模塊的SCL 用于描述整個(gè)變電站的功能結(jié)構(gòu)，標(biāo)識站內(nèi)開關(guān)、變壓器等一次設(shè)備及設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系。變電站部分描述應(yīng)包含變電站結(jié)構(gòu)中所包含的元素，從上到下涵蓋變電站、電壓等級、間隔、設(shè)備、子設(shè)備的有關(guān)功能和子功能選項(xiàng)。

3）通信（Communication）。

通信模塊描述IED 通過訪問點(diǎn)連到公共子網(wǎng)上的配置，以及IED 實(shí)現(xiàn)邏輯節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行連接通信的配置。通信部分是進(jìn)行IED 裝置的實(shí)例化，因而在未進(jìn)行配置前，該模塊均為空，只有實(shí)例化配置后才能有具體值。

4）IED。

智能電子設(shè)備敘述智能電子設(shè)備的預(yù)配置，包括訪問點(diǎn)、邏輯裝置、具體邏輯節(jié)點(diǎn)等。根據(jù)所提供的通信服務(wù)同LNType、具體數(shù)據(jù)對象DO、缺省配置的值等一起定義IED 的能力，在一個(gè)SCL 文件內(nèi)，IED 的名稱應(yīng)唯一。

5）數(shù)據(jù)類型模板（Date Type Templates）。

數(shù)據(jù)類型模板定義邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一個(gè)具體樣本，每次引用的是智能電子設(shè)備內(nèi)一個(gè)具體化的邏輯節(jié)點(diǎn)類型LNodeType。邏輯節(jié)點(diǎn)類型樣本由Data（DO）元素創(chuàng)建，該元素具有DO 屬性，從DL／T 860.73—2013 《電力自動化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第7-3部分：基本通信結(jié)構(gòu)》定義的數(shù)據(jù)類（CDC）派生出來。DO 由屬性（DA）和已經(jīng)定義的DO 類型組成。

本文案例220 kV I 線是該變電站的一個(gè)線路間隔，共有3 個(gè)保護(hù)裝置（CSC101A、CSC122、RSC901A），可應(yīng)用IED 能力描述文件 （IED Capability Description，ICD）來描述IED 的基本數(shù)據(jù)模型及服務(wù)方式。單裝置ICD 裝置文件結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 單裝置ICD 配置文件結(jié)構(gòu)

通過SCL 配置文件，即使不同廠商的智能設(shè)備信息描述存在異構(gòu)性，通信雙方依然可以進(jìn)行配置信息的交互。

3 結(jié)語

IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)嚴(yán)密復(fù)雜的體系，其應(yīng)用將會隨著變電站工程技術(shù)的需求不斷完善，滿足不斷演進(jìn)的系統(tǒng)要求。以某變電站220 kV 線路典型保護(hù)工程為例，進(jìn)行全面建模，首先遵循標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建起統(tǒng)一的、面向?qū)ο蟮膶哟位畔⒛Ｐ停瑢?shí)現(xiàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化描述；然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立了該線路信息交互的3類信息服務(wù)模型，有效解決了本線路IED 之間以及本線路與其他設(shè)備IED 的運(yùn)行維護(hù)信息交互的問題；最后構(gòu)建線路保護(hù)裝置ICD 配置文件，使變電站自動化系統(tǒng)的集成過程從人工處理向自動化處理轉(zhuǎn)變。目前，由于標(biāo)準(zhǔn)制定的慎重性和復(fù)雜的操作流程，模型的隨意擴(kuò)充會使得應(yīng)用難以統(tǒng)一，從而削弱了標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)意義［1］。因此，如何既能保證標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性，又能滿足用戶多樣性需求，值得進(jìn)一步深入探討。