IEC61850標準在饋線自動化中的應用

姚崇固，滕歡，袁龍，夏榆杭，胡妍

（1．四川大學電氣信息學院，成都 610065；2．東南大學儀器科學與工程學院，南京 210096）

IEC61850標準在饋線自動化中的應用

姚崇固1，滕歡1，袁龍1，夏榆杭1，胡妍2

（1．四川大學電氣信息學院，成都 610065；2．東南大學儀器科學與工程學院，南京 210096）

為解決大量配電終端之間、配電終端與主站之間的信息交換問題，利用了IEC61850通信體系的技術，采用了分層IP網絡通信原理，將整個網絡分為主干網絡和分支網絡。把FA看作是SA的概念的延伸，構造出了3層FA體系結構，即主站層、子站層和終端層。終端層使用了IEC61850提供的數據模型和邏輯節點，完成了對TTU的信息建模。進一步分析了ACSI與SCSM在FA中的作用和映射關系，以及用于描述IED配置與參數的SCL。最后，將這種3層通信體系結構應用到DAS中，達到了加快饋線故障處理，提高系統供電可靠性的效果。

IEC61850；饋線自動化；通用變電站事件模型；配電自動化；饋線終端

饋線自動化FA（feeder automation）是配電網最基本也是最重要的組成部分，是提高配電網可靠性的關鍵技術之一[1～3]。如何使來自同一廠家或不同廠家生產的智能電子設備IED（intelligent electronic device）之間交換信息以及正確使用信息協同操作的能力，避免出現“自動化孤島”現象，是實現FA智能化的關鍵。IEC61850標準是關于變電站自動化系統的完整的通信標準體系，采用自頂向下對系統進行分層、功能定義和對象模型，徹底實現面向對象、面向應用的自描述，設備之間采用通用變電站事件GSE（generic substation event）模型實現系統范圍內快速輸入、輸出數據值，達到互操作性的要求[2～4]。

基于IEC61850標準的數字化饋線自動化模式是一種最優的控制模式，本文在研究了IEC61850標準部分技術和方法后，應用到FA中，實現保護功能完全下放，力求在分布饋線終端FTU（feeder terminal unit）、配變終端TTU（trans－former terminal unit）、開閉所終端DTU（data terminal unit）裝置上實現饋線保護功能，并將基于IEC61850標準的FA應用到配電自動化系統DAS（distribtion automation system）中，極大地提高配電網故障處理的響應速度及系統供電的可靠性。

1 通用變電站事件模型

IEC61850標準定義了兩種抽象模型：采樣值傳輸SAV（sampled analogue value）模型和GSE模型。前者應用于采樣值傳輸及相關服務；后者提供在全系統范圍內快速可靠地輸入、輸出數據值的功能。GSE模型分為面向通用對象變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）模型和通用變電站狀態事件GSSE（generic substation state event）模型，前者支持數據集組織的公共數據交換；后者用于傳輸狀態變位信息[5，6]。SAV報文和GSSE報文的傳輸均采用發布者/訂閱者通信結構，本節以GOOSE模型為例分析此種通信結構在信息傳輸中的靈活應用。

發布者/訂閱者通信結構支持多個通信節點之間的點對點直接通信，是1個或多個數據源（即發布者）向多個接受者（即訂閱者）發送數據的最佳解決方案，尤其適合于數據流量大且實時性要求高的數據通信[4]，這也是我們選擇采用該通信結構的主要原因。本文所研究的FA包含了大量的饋線終端測量的實時數據通信，而且饋線終端與饋線終端之間、饋線終端與主站層之間都存在點對點直接通信，這部分內容在第2節介紹。考慮到GOOSE報文傳輸的特殊要求（即時序性控制、可靠性控制和詢問—響應功能），需要對傳統的發布者/訂閱者通信結構進行改進，文獻[7]中基于IEC61850標準對傳統的發布者/訂閱者通信結構進行了改進，引入了報文存活時間、事件序列計數器和狀態改變計數器3個重要的控制參數。本文在此基礎上增加一個參數狀態改變時刻（T），它表示由于某種事件狀態變化導致GOOSE/GSSE報文發送的時刻，訂閱者利用此參數可對其內部計數器進行設置。

經過上述的改進，得到如圖1所示的GOOSE模型。改進后的GOOSE模型報文傳輸通信過程由發布者的控制模塊進行控制，數據源將值寫入發送側的本地緩沖區，接收者從接受側的本地緩沖區讀數據，通信系統負責刷新訂閱者的本地緩沖區。緩沖型工作方式是發布者/訂閱者之間報文傳輸通信關系的重要特征，也就是說，只有最近發布的數據保留在網絡緩沖區內，新的數據會完全覆蓋先前的數據。

圖1 GOOSE模型Fig.1Model of GOOSE

2 FA

2.1 FA概述

在目前的配電自動化系統中，FA是最基本也是最重要的組成部分。其功能[2，3]主要包括：在正常情況下實時監視饋線分段開關的狀態和饋線電流、電壓情況，并實現開關的遠方分、合閘操作；在故障時進行故障記錄，遙控饋線柱上開關的合閘、分閘，在配電自動化系統分析故障信息后遙控執行故障診斷、隔離、恢復功能，根據負荷均衡情況實現配電網的優化與重構。

IEC61850標準作為變電站內的通信標準，并不包括站外通信、與控制中心通信和變電站之間的通信。但是由于FA與變電站自動化SA（substation automation）結構類似，可以把FA看作是SA的概念的延伸，IEC標準指定的保護、控制、監測等邏輯節點都可以用在FA中，這樣就能夠使FA中的開關實現點對多點的通信，依據互交信息能夠快速診斷、定位故障、減少停電時間、停電區域，從而提高配電網饋線自動化水平[1～4]。

2.2 體系結構

FA是多層體系結構，如圖2所示。按信息分層的方法，從邏輯上分為主站層、子站層和終端層。

2.2.1 終端層

圖2 FA體系結構Fig.2Structure of FA

FA的終端層的結構與智能變電站的結構類似。終端層是位于具體的配電網線路上的自動化現場設備，包括FTU、DTU、TTU，配電終端需要完成SCADA（supervisory control and data acquisition）測量與控制功能、諧波測量、短路故障檢測等功能。對于終端層設備可以作為IED以智能電子裝置描述文件ICD（IED capability description）建模[2]。文獻[7]和文獻[8]使用IEC61850標準提供的數據模型和邏輯節點，完成了對FTU的信息建模。本文在他們基礎上對TTU進行建模，增加了TTU特有無功補償功能的邏輯節點ARCO（reactive control）和可選計量統計分析功能的邏輯節點MMTR（measuring for commercial purpose），并對配電終端之間的通信進行分析。圖3為改進的TTU的信息模型。

圖3 TTU的信息模型Fig.3Information model of TTU

圖3是對包含1路電壓、1路電流的TTU進行建模，其余多路可以進行相應的擴展。邏輯設備LD（logical device）主要完成SCADA功能。邏輯零節點LLN0（logical node zero）包含IED的公共數據，可以用來描述LD部分與主站層進行通信時將IEC61850-7-2提供的抽象服務映射到IEC61850-8-1中定義的制造報文規范MMS（manufacturing message specification）以及其他的TCP/IP與以太網的特殊通信服務映射SCSM（specific communication service mapping）。邏輯節點物理設備LPHD（logical node physical device）代表擁有邏輯節點的TTU的公共數據。測量單元MMXU（measuring for operative purpose）負責從電壓互感器TVTR（voltage transformer）、電流互感器TCTR（current transformer）采集電壓和電流，計算電壓、電流有效值，并通過電壓、電流采樣值計算功率。無功控制ARCO通過測量的電壓電流，結合功率因數，計算無功功率的盈缺量，利用電容器和（或）電抗器自動控制無功功率流在一定范圍內。序值和不平衡MSQI（sequences and imbalances）通過采樣數值計算三相電路的序值和不平衡。諧波和間諧波MHAI（harmonics and interharmonics）通過采集數據計算諧波、簡諧波和相關數值，用于確定電能質量。計量單元MMTR通過電壓電流計算電能量，適用于計費。通用輸入輸出GGIO（generic I/O）可以將一些不方便建模的模擬量或者狀態量接入。

2.2.2 子站層

子站層位于變電站或配網分支控制中心，與SA一樣，子站層能夠獨立實現對饋線的信息采集與控制。文獻[10]提出的建設分層的IP通信網絡的方案，將整個網絡分為主干網絡和分支網絡。本文將在此基礎上建立FA的通信網絡。子站層主要功能是將分散在配電線路上的FTU、TTU、DTU等裝置信息匯集到一起上傳給主站，并將主站下發的信息轉發給相應的配電終端，一方面保證通信的無縫連接，另一方面隔離了主干網絡和分支網絡，避免分支網絡信息集中進入主干網絡造成主干網絡性能下降[9]。這種控制方式實現了主站中緊急控制部分功能的下放，增強了子站的控制功能，減弱了饋線故障處理對主站的依賴。主干網絡采用高速光纖，用于主站與子站之間的通信，寬帶在100 Mbit/s以上。圖2中的分支網絡用于子站與終端之間的通信，并使用GOOSE模型實現信息交換，它采用的組網技術有工業以太網和以太網無源光纖網絡EPON（ethernet passive optical network），寬帶均在10 Mbit/s以上。子站層可以作為變電站以變電站配置描述文件SCD（substation configuration description）建模[2]。

2.2.3 主站層

主站層位于控制中心，基于IEC61850標準，從整體上實現電網的監控、故障定位、隔離與恢復供電，是整個FA的核心。主站層連接多個子站，各子站又包含大量IED，為了避免頻繁操作IED和較少網絡的數據流量，需要合理規劃IED數據刷新的速度。

3 通信服務

由圖1可知抽象通信服務接口ACSI（abstract communication service interface）與SCSM之間的基本關系。ACSI是一個虛擬接口，定義了與具體協議無關的通信服務、通信對象以及參數。它并沒有定義具體的數據通信報文，而是從通信中分離出應用過程，采用SCSM將其映射為具體的實時通信協議。SCSM負責刷新訂閱方緩沖區的內容，將訂閱者緩沖區接收的新值通知應用。它使用重傳方案來獲得適合級別的可靠性，當GOOSE服務器產生一個發送GOOSE報文請求時，當前的數據集值被編碼進入GOOSE報文并作為傳播數據在組播關聯上發送[11，12]。

3.1 服務映射

ACSI的具體報文及編碼需要通過SCSM映射到具體的實現方式上，目前比較可行的方式有映射到MMS、公共對象請求代理體系結構CORBA（common object request broker architecture）和IEC60870-5-101/104[13]。文獻[14]討論了映射到MMS和CORBA的實現問題，文獻[8]分析了映射到MMS和IEC60870-5-101/104的可行性。在此基礎上，本文重點考慮了各種方式在FA中具體應用時的優點和缺點：MMS在高級配網自動化中采用以太網，以MMS+TCP/IP來實現網絡通信是一種比較可行的實現方式；CORBA采用面向對象技術，但實現方式比較困難；IEC61850-80-1是IEC61850與IEC60870-5-101/104之間信息交換的導則，IEC61850-80-1對于信息模型能夠很好地進行映射。結合目前FA的發展及IEC61850的應用情況[8，9]，本文認為映射到IEC60870-5-101/104的方式比較適合在FA中應用。

3.2 配置語言

IEC61850-6中定義了變電站配置描述語言[4]SCL（substation configuration language），用來描述通信相關的IED的配置和參數、通信系統的配置、變電站的系統結構以及它們之間的關系。將IEC61850標準應用到DAS中，需要增加描述饋線上不同終端之間的拓撲關系，為實現分布智能做好基礎。

4 在配電網自動化系統中的應用

應用饋線系統保護的典型配電自動化系統如圖4所示，在正常情況下，監視饋線分段開關與聯絡開關的狀態，并控制開關的分合閘；在故障時，利用通信網絡快速判斷故障的所在，隔離故障區，并恢復非故障區分段供電。文獻[15]采用網絡動態拓撲方法實現了配網饋線故障區段定位，本節著重討論故障時怎樣運用本文所改進的技術和方法對故障區進行快速定位、隔離及恢復的保護過程。

圖4中當線路故障F1發生在BC區段時，開關S1、S2處流過故障電流，S3處無故障電流，但是將出現低電壓。此時系統將按以下步驟執行。

步驟1終端保護S1、S2、S3啟動，并將故障信息通過通信網絡由子站層傳到主站層（即配電SCADA）；

步驟2主站層計算故障區段信息（即故障功率或電流方向是否與供電方向一致）；

步驟3相鄰饋線終端之間采用GOOSE通行結構進行點對點相互通信；

步驟4S2、S3動作切出故障；

步驟5S2重合，如果重合成功，向S3發送報文遙控S3重合；

步驟6如S2重合不成功，則S2再次跳開；

步驟7S3在△T時間內未測到電壓恢復，則通知S4合閘，或由S2在第二次跳開后遙控S4合閘；

步驟8S4收到步驟7的合閘命令后，根據故障前C、G兩處的負荷情況，判斷是否要合閘，恢復CD段供電；

步驟9故障隔離，恢復供電結束。

圖4 應用FA保護的典型配電自動化系統Fig.4protection of FA for typical DAS

以上饋線自動化保護是利用良好的遵循IEC61850標準規約的網絡通信和分散安裝的配電終端實現特殊原理的全線速動式饋線保護。由于配電網的通信條件十分理想。在此基礎之上實現的饋線保護功能的性能大大提高。饋線系統保護利用通信實現了保護的選擇性，將故障識別、故障隔離、重合閘、恢復故障一次性完成，具有以下優點：

（1）一次性快速處理故障，不影響非故障區段，提高供電可靠性；

（2）快速切除故障，故障切除時間很短，對大多數電動機類負荷的電能質量沒有影響；

（3）同時處理故障隔離和負荷轉移。

5 結語

隨著智能變電站的發展，站內整合了SA、地理信息系統GIS（geographic information system）、SCADA等技術，信息在站內可以通過光纖實現共享。FA作為SA的延伸，利用信息的交互性，以開放式IP網絡為基礎，使用IEC61850標準技術和方法，本文試圖將智能變電站技術擴展到配電網系統，但存在的問題還不少，如怎樣用SCL語言準確配置各個智能電子裝置、FA中一些額外的功能如何利用現有的邏輯節點進行擴展等還需要進一步深入研究。

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Application of IEC61850 Standard in the Feeder Automation

YAO Chong-gu1，TENG Huan1，YUAN Long1，XIA Yu-hang1，HU Yan2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2.School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Solving the message exchange between distribution terminals and the main station and the message exchange of distribution terminals so as to provide a seamless link among different devices，this paper utilized the technology and method of IEC61850 standard communication system，and adopted the principle of layered IP network communication，that was dividing the entire network into the backbone network and the branch network.It regarded FA as the extension of SA，constructed FA architecture with three layers.The three layers respectively were main station layer，slave station layer and terminal layer.Data model and logic node supplied by IEC61850 were used to accomplish the modeling of TTU information in terminal layer.And then，it analyzed the function of ASCI and SCSM in FA，the mapping relationship between them，and the SCL used in describing IED configurations and parameters.At last，the communication system architecture with three layers was applied in the DAS to accelerate the feeder recovery processing and improve the power distribution reliability.

IEC61850；feeder automation（FA）；generic substation event（GSE）model；distribution automation；feeder terminal

TM73

A

1003-8930（2013）03-0147-05

姚崇固（1987—），男，碩士研究生，研究方向為調度自動化及計算機信息處理。Email：ycg278086129@163.com

2011-11-11；

2012-03-07

滕歡（1965—），女，高級工程師，碩士生導師，研究方向為電力系統及其自動化科研、教學及工程實踐。Email：434988455@qq.com

袁龍（1987—），男，碩士研究生，研究方向為調度自動化及計算機信息處理。Email：514488026@qq.com