基于IEC 61850的智能配电网保护控制通信建模

基于IEC 61850的智能配电网保护控制通信建模
李维;周懋坤;范志扬
【摘要】智能配电网保护控制依赖于信息共享,其信息传输需要满足一定的标准规范,然而目前发布的IEC 61580标准尚未涵盖智能配电保护控制领域,为实现配电网保护控制智能装置的互操作,满足互操作的通信需求,对IEC 61850应用于智能配电网保护控制的数据模型、通信服务映射进行了相关研究,首先对逻辑节点,逻辑设备以及服务器进行搭建,然后,根据配电网保护控制的信息流交互关系确定其报文服务模型,构建基于IEC 61850的智能配电网保护控制通信模型,对实现智能配电网保护控制功能具有重要的现实意义.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2017(046)007
【总页数】4页(P82-85)
【关键词】配电网;IEC61850;保护控制;建模
【作者】李维;周懋坤;范志扬
【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明 650000;云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明 650000;云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明 650000
【正文语种】中文
【中图分类】TM727
随着经济社会的快速发展，电力用户对供电可靠性与电能质量提出更高的要求，配电网的作用与地位更为凸显。

此外，新能源和分布式电源的发展迅速，电网与分布式发电相结合的优势明显，分布式能源的接入使得配电网供电结构以及潮流方向的多变。

然而目前，配电网线路主要采用速断保护结合过电流保护，速断保护瞬时动作切除故障，过电流保护延时动作，并采取故障重合闸措施。

这种传统的保护控制方案已经不能适应配电网运行方式复杂多变的特点[1]。

建设智能配电网是电力系统发展的潮流趋势，智能配电网需要依托智能化的保护与控制，智能化的保护与控制打破传统保护控制利用就地信息的单一模式，通过信息共享进而实现共同决策。

改善了配电网保护控制性能，从根本上解决传统保护配合困难、适应能力差等问题。

为实现智能配电网执行保护控制功能的智能装置的互操作，智能装置之间的通信需要遵循相同的通信规范。

IEC 61850标准自发布以来，受到国内外科研机构和产品开发公司的重视，已经成为智能变电站功能实现的基础。

狭义上的IEC 61850适
用于变电站保护控制[2]，广义上，其适用的范围为逻辑上的层次通信并不局限于
变电站内部，可以扩展至配电网[3-4]，但是，IEC 61850在变电站内与配电网中
的应用并非无缝对接的[5]，目前该标准缺少对智能配电网保护控制通信模型的具
体描述，构建基于IEC 61850的智能配电网保护控制通信模型，对实现智能配电
网保护控制功能具有重要的现实意义。

1.1 IEC 61850标准建模要求
基于IEC 61850标准数据建模是指定义与通信交换相关的信息数据的组织构造和
数据类型模型以及这些数据类型模型的通信访问服务，IEC61850标准具有数据自描述以及面向对象的数据统一建模技术等特点，通过引IED
（in⁃telligentelectronic device）的概念表示包含一个或多个处理器的物理装置，配电网执行保护控制功能的智能装置均可归纳为IED。

借助标准化的信息模型，对
IED进行抽象描述。

为实现IEC 61850标准的配电网保护控制通信建模，需要对IEC 61850模型进行扩展与映射，根据IEC 61850标准利用面向对象的数据建模
技术对配电系统进行通信建模，逻辑设备模型、逻辑节点模型、通信服务及其映射、数据格式等。

具体建模过程如下。

（1）逻辑节点建模：逻辑节点建模将配电网智能装置按功能分解成不同模块，每个模块代表设备具体某项功能，并从IEC 61850标准中选取合适的逻辑节点、数
据及数据属性进行表示。

如果标准中定义的逻辑节点、数据和数据属性不能满足功能要求，对标准进行相应扩展；
（2）逻辑设备建模：逻辑设备建模从设备的整体结构、功能角度对设备进行分解，将从属于同一间隔或功能相近的逻辑节点进行组合构成逻辑设备；
（3）服务器建模：服务器建模对设备的应用业务进行分解，并进行一一映射，从而规定通信的规则、周期以及数据格式。

根据网络通信模式，设置不同的访问点，将逻辑设备放到相应的访问节点下，以满足不同报文的通信需求。

1.2 逻辑节点建模
配电网开关站通常包含馈线主干线间隔、馈线分支线（配变）间隔等，由开关设备、互感器等一次设备和智能装置等二次设备构成。

配电网设备区别于变电站智能装置，一般情况下集采样，保护决策判断，控制执行以及通信等功能于一体。

以本节着重对智能装置进行信息建模。

目前IEC 61850标准定义的逻辑节点涉及大部分的IED功能，包括：常规保护、
断路器开关控制、采样值采集、测量、计量等功能节点。

在配电网保护控制系统中，传统保护功能可以继承标准中已有的逻辑节点，如，继承XCBR作为线路断路器
逻辑节点，继承XSWI作为线路开关逻辑节点，继承TCTR作为线路电流采样逻
辑节点，继承MMXU作为向量值逻辑节点，线路过流保护采用PIOC逻辑节点，
如采用PIOCI表示第一段过流保护，采用PIO⁃CII表示第二段过流保护，三段式距离保护逻辑节点PDISI（II、III）是从PDIS扩展定义而来；采用CSWI作为开关设备控制逻辑节点；采用CALH作为告警处理逻辑节点等。

对IEC 61850标准没有涉及的如与广域保护功能相关的逻辑节点，可依据标准进行如下扩展。

首先对新逻辑节点进行命名，命名应保障互操作性，不能与现有名称相冲突。

依据命名规则，如采用差动保护作为配电网广域保护具体形式，可对差动保护逻辑节点PDIF增加前缀DWA-作为配电网广域差动保护的标志，如DWAPDIF以区别于传统的差动保护。

完成新逻辑节点的命名后，需要进一步完善新建节点的数据以及数据属性，IEC 61850标准定义了30多种公用数据类，如表1所示。

可以概括为五种类型，包括公共逻辑节点信息类、状态信息类、定值类、测量值类和控制类。

数据同样可以继承标准中已有数据，并可以进行扩展创建新的数据，以新增广域差动保护节点数据选取为例，保护功能逻辑节点通常都不包含“控制类”数据，公共数据类可以根据标准进行选取，状态信息可以根据新增节点的特点进行拓展，扩展后的广域差动保护逻辑节点数据如表2。

通过Str反映广域差动保护启动信息，Op显示广域差动保护动作出口信息，对于分布式广域差动保护而言需要记录其他协作站点保护动作信息，可通过Indn分别映射其他协作站点的广域差动保护动作信息，映射关系如下：Switchingstation1.LD.DWAPDIF.Ind2映射
Switchingsta⁃tion2.LD.DWAPDIF.Op
Switchingstation1.LD.DWAPDIF.Ind3映射
Switchingsta⁃tion3.LD.DWAPDIF.Op
......
Switchingstation1.LD.DWAPDIF.Indn映射
Switchingsta⁃tionn.LD.DWAPDIF.Op
1.3 逻辑设备建模
IEC 61850标准分层信息模型将逻辑节点包含于逻辑设备中，逻辑设备汇集了功能相关的逻辑节点和数据集。

逻辑设备的划分通常有两种方式，按间隔进行划分或按逻辑节点功能进行划分，配电网智能装置一体化配置，可以由功能相关的逻辑节点进行组合，形成逻辑设备。

如图1所示。

建立保护类逻辑节点，主要包含保护功能逻辑节点，具体的逻辑节点类型由具体采用的保护逻辑确定，去根据保护配置，选取三段式过流保护，广域电流方向式保护，广域电流差动保护等，还包括保护闭锁逻辑节点RPSB，保护逻辑判断逻辑节点PTRC以及保护启动逻辑节点GGIO等。

控制类逻辑设备包括开关控制逻辑节点CSWI、向量值逻辑节点MMXU以及计量值逻辑节点MMXR等等。

保护控制相关逻辑设备包括：扰动记录RDRE、故障定位RFLO、自动重合闸RREC以及告警CALH等逻辑节点，接口类逻辑设备包括故障记录IARC、人机接
口IH⁃MI、远方监视接口ITMI以及远方监控接口ITCI等逻辑节点，此外，还应包括开关设备逻辑设备以及电流采样逻辑设备等。

1.4 服务器建模
服务器描述一个设备外部可访问的行为。

一个服务器通常包含一到多个逻辑设备，服务器建模通过设置访问点支持服务器与外部设备间的通信。

根据配电网广域通信网络特点，设置M1、G1和S1三个访问点，如表3所示。

2.1 信息交互模型
配电网保护控制信息交互发生在配电网变电站与下游开关站以及开关站与开关站的
智能装置之间。

由于开关站保护控制一体化配置智能装置，简化了站内的信息交互。

因此配电网的信息服务表示为开关站内能装置与其他站点的智能装置之间的通信服务。

正常情况下的信息流包括各站点之间的ACSI（ab⁃stractcommunication service interface）服务，站点根据保护逻辑订阅的采样值SV报文服务、保护动作、控制命令以及反映断路器开关设备变位的状态信息等，这些信息经由配电网通信网络进行传输。

2.2 SV服务模型
遵循IEC 61850通信规约，配电网保护控制采样值信息通过SV报文形式传输，基于发布者/订阅者机制。

按照智能变电站采样值传输模式，线路间隔采样值分别上传，鉴于配电网通信范围广，通信带宽有限的特点，配电网采样值传输不宜分别上传。

借鉴合并单元的工作模式，可将开关站内智能装置所获取的采样值信息进行组合再上传，以减轻智能装置的处理负担并减少通信网络的通信流量。

基于IEC 61850规约，SV报文的传输可以遵循IEC61850-9-1以及IEC61850-9-2两种数据帧格式封装，采用ISO/IEC 8802-3版本的以太网数据帧格式。

其中，IEC 61850-9-1规定的报文格式与报文长度相对确定，包含12路采样值报文，IEC 61850-9-2规定的报文格式相对灵活，数据协议单元APDU（Application Protocol Data Unit）可包含多个ASDU（Application Service Data Unit），能够支持多个间隔采样值数据集中封装，ASDU数目由订阅的采样值数据集决定，
对于IEC 61850标准在配电网中的应用，采样值传输可先将开关站连接的馈线采
样值信息集中封装成一帧SV报文，在传送给订阅采样值信息的相关站点相关智能设备。

报文的帧结构如表4所示，由表4可以看出，一帧SV报文封装了多个数据集的采样值信息。

保护用SV报文采样率采用80点/周期，采样值模拟量的传输遵循有不同的传输模式，对于子站向一个主站传输模拟量信息的情况，采用双边点对点应用类模型；对于子站向其他多个子站传输模拟量信息的情况，则采用多路广播点对多点应用关联模型。

2.3 GOOSE服务模型
遵循IEC61850规约，保护动作、控制指令、断路器状态量等信息以GOOSE报文的形式传输，采用ISO/IEC 8802-3版本数据帧格式，GOOSE报文所映射的通信协议以及报文结构和SV报文类似。

同样的，减少通信网络的通信流量，以开关设备状态信息传输为例，为开关站所有线路建立一个开关设备状态量信息数据集。

GOOSE是基于发布者/订阅者机制，事件驱动的方式，并采用变时间间隔的重传
机制无事件发生时，以较长时间间隔（1 s或5 s）重复传输；当有事件产生时，
以较短的时间间隔(1ms、2ms、4ms)重复传输，时间间隔逐渐增大至1 s或5 s，并恢复至初始状态。

2.4 客户端/服务器传输模型
ACSI服务采用客户端/服务器传输模型，采用TCP传输协议，以太网传输数据包
格式如表5所示。

通过源地址和PDU中的Rpt ID字段区分数据信息来源。

本文基于IEC61850标准对配电网保护控制进行统一建模，实现对设备的统一描述，通过对服务建模，规范了设备接口，可以方便地实现配电网保护控制设备的互联操作。

将IEC61850标准应用到智能配电网保护控制通信中，目前仍处于探索和实验阶段，信息模型的建立和服务的映射还需要不断完善。

【相关文献】
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