基于IEC61850－90－1的廣域保護信息模型和信息流分析

唐瑜，王倩

（西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

基于廣域信息的繼電保護與穩定控制有機協調構成的廣域保護已經成為現代電力系統的研究熱點，本文討論的是廣域繼電保護功能，即充分利用廣域范圍內采集的各種信息，并利用網絡通信進行多點綜合比較判斷，應用各種保護原理來豐富保護功能和提高傳統保護性能，防止發生大范圍長時間停電事故的廣域繼電保護系統。目前應用到廣域保護的通信系統中還沒有一個統一的數據交換模型。

IEC61850－90－1是使用IEC61850的變電站之間的通信規范，已經作為技術報告于2010年03月發布了英文版。該部分對變電站之間通信所涉及的各個方面進行了規范化。給出了該規范的使用領域（用例）；描述了通信要求；給出了變電站之間通信所需要的通信服務及通信架構；并對建模規范及涉及站間通信的增強的配置描述 SCL語言的使用進行了說明［1］。目前國內對該規范的研究才剛剛起步。

廣域保護通信系統中涉及變電站與變電站之間的通信，因此，在IEC 61850－90－1變電站間通信標準的基礎上，建立廣域保護系統的數據模型和通信服務模型，對建立開放性、標準化的廣域保護通信系統具有重要的理論意義和實際意義。

2 IEC 61850－90－1概述

IEC 61850－90－1給出了使用站間通信的保護和控制功能用例。主要包括線路電流差動保護、允許式和閉鎖式距離保護、方向和相序比較保護、跳閘傳輸等保護功能和自動重合、互鎖、發電機和負荷減載等控制功能。

2.1 通信接口配置

IEC61850－90－1中規定，站間通信的通信接口配置比變電站站內通信接口配置增加了接口2和接口11。且變電站站間通信的接口都位于間隔層，由間隔層IED直接進行通信。

接口2:用于變電站之間的保護數據交換。該接口涉及到例如線路差動保護的數據以及如線路距離保護的數字信號（二進制信號）；接口11:變電站之間的控制數據交換。該接口涉及到如遠方閉鎖或者變電站間自動化功能的數字信號［1］。

2.2 通信機制

根據IEC 61850－90－1技術報告，站間通信可以采用隧道機制和網關機制兩種通信方式。網關方法即是用一個特定的遠方通信裝置作為網關，采用相應的低速通信通道。這也是現今已被采用的方法，不同點在于，需采用遵循IEC61850標準的遠方保護裝置。

“隧道機制”是指允許采用“直接接入”至遠方站的功能的連接多變電站網絡的方法，即兩個變電站采用高速通道直接交換信息。隧道是為一些特定類型的協議配置的，例如基于VLAN ID。對于IEC61850，相關的類型的協議可以是TCP/IP（對于客戶端/服務器通信）和以太網第2層的多播報文（GOOSE和SV）［1］。

2.3 邏輯節點改變

IEC61850－90－1報告根據站間通信的應用范圍，新增了通信接口邏輯節點ITPC，用于通信通道的設置和監視功能，ITPC不包含傳送的輸入輸出數據，也沒有處理的數據對象，可以使用實例名ITPC1，ITPC2等分別代表多個通道的通信接口。報告根據線路保護用例對線路保護配置邏輯節點PSCH進行了修改，根據站間電流差動保護用例將差動測量邏輯節點MDIF替換為RMXU。該邏輯節點除了具備MDIF的功能之外還提供了同步采樣的功能，本側RMXU將作為本側電流傳感器的采樣序列或相量的同步源，并將信息傳至本側PDIF和遠端PDIF［1］。

3 廣域電流差動保護算法

電流差動保護是反應從被保護元件各對外端口流入該元件的電流之和的一種保護，是根據基爾霍夫電流定律的具有絕對選擇性的一種保護。廣域電流差動保護則將該保護原理拓展應用到廣域電力系統中，通過采集廣域網中多測量點的電流信息進行差動保護的計算和故障定位。基于GPS的廣域測量系統為廣域保護提供了能同步采集全電網多個結點信息的有效手段。

廣域電流差動保護算法主要解決兩方面的問題，一是保護范圍的劃分；二是IED關聯域的形成，即任意IED的信息交換對象。文獻［5］根據電網接線圖，以研究對象IED為“根”，采用拓撲樹的方法逐一搜索IED在各個保護區域中的關聯IED。IED與不同的關聯IED進行電流差動計算可為不同的區域提供差動保護。該方法只適用于放射性網絡，沒有考慮環網的情況。且當電網拓撲結構改變，或者接線方式為分段式母線、雙母線和一個半接線的情況下，保護范圍將隨網絡結構的變化而變化。文獻［6］提出了基于圖論的保護范圍劃分實現方法。將電網拓撲圖用相關矩陣表示，通過矩陣可以得到IED保護范圍和關聯域，網絡拓撲發生改變時亦可通過修改矩陣參數重新生成IED關聯域。文獻［7］采用知識表示描述電網拓撲結構，并利用專家系統以及通過與SCADA系統連接，按照規則搜索各一次設備鄰接的保護IED，動態在線劃分保護區域。

本文采用文獻［7］的知識方法描述電網拓撲結構，按照知識表示中對IED的描述:IED（編號，名稱，狀態，I側連接的一次設備，J側連接的一次設備），擴展廣域電流差動保護邏輯節點并新建數據對象。

4 基于IEC61850－90－1的廣域電流差動保護信息建模

4.1 系統結構

廣域繼電保護系統結構一般分為集中式和分布式兩大類。集中式結構由IED擔任測量和命令執行功能，中央處理單元執行保護算法和決策，這種結構對中央單位依賴性大，且有較長的時間延遲。在分布式結構中，每個IED的地位是平等的，并由IED與其他IED進行對等（Peer－to－Peer）通信，獨立完成信息的采集、算法的執行、策略的生成以及跳、合閘命令的執行功能，對IED要求很高。

在分布式結構中，只要確定好信息交換的范圍，不會出現信息在IED之間多次往返的情況，因此通信延時不會較長。因此，本文廣域電流差動保護系統采用分布式系統結構。如圖1所示，給出了該系統的結構示意圖，標號表示基于IEC61850－90－1的通信邏輯接口配置編號。以變電站A為例，先將站A及站B的網絡拓撲信息存入站A的站控層計算機，采用廣域電流差動保護算法，計算得出站A中所有IED的關聯IED編號，存入IED中。

當網絡拓撲未改變時:每個IED與關聯域內的IED進行通信:站內通過接口8，站間通過接口2和接口11傳輸保護與控制信息，并根據交換的電流信息進行差動計算和故障定位，發出跳閘命令。

圖1 系統的結構示意圖

當網絡拓撲更改時:IED向站控層發送自己的拓撲信息，站A與站B通過站控層通信，根據拓撲改變信息各自重新生成站內IED的新的關聯域，并將結果發送至IED。

系統采用這種分層分布式通信結構，信息交互靈活，既防止了變電站之間傳輸大量故障信息對站控層造成的通信負荷，又能準確地根據拓撲變化得出IED的新關聯域。

4.2 廣域電流差動保護邏輯節點類的擴展

IEC61850－90－1中定義了用于電流差動保護的邏輯節點PDIF，但該邏輯節點并未包含保護范圍和IED關聯域劃分的功能。因此，本文基于PDIF邏輯節點，擴展新的邏輯節點——廣域電流差動保護邏輯節點。

按照IEC61850中邏輯節點的命名規則，屬于繼電保護范疇的第一個字符取為“P”，其他字符按英文名稱可取為“WDIF”，因此，廣域電流差動保護邏輯節點命名為“PWDIF”。具體各字符含義如表1所示。

表1 新邏輯節點“廣域電流差動保護”

可以使用實例名PWDIFA，PWDIFB，PWDIFC分別代表廣域電流A，B，C相差動保護。

當擴展一個新邏輯節點時，必須為這個邏輯節點創建新的數據。為一個邏輯節點類創建什么樣的數據，取決于建模功能的需要。廣域電流差動保護主要具備劃分關聯IED和電流差動保護計算兩大功能。

廣域電流差動保護邏輯節點的數據對象如表2所示。

其中，差動保護功能相關數據對象:Str，Op，RstA，RstMod，MinOpTmms，MaxOpTmms，RsDlTmms，TmACrv。

保護區域和IED關聯域劃分功能相關的數據對象有:MinRch、MaxRch、Stu、MaxRchID、MinRchID；ID、CnetI、CnetJ。其中，ID、CnetI、CnetJ 以及 Stu（IED 狀態）用于網絡拓撲更改時向站控層傳送的IED拓撲信息描述，MaxRchID和MinRchID用于IED通信對象的描述，MinRch和MaxRch為廣域電流差動保護算法輸出結果，用于跳閘判斷。

表2 廣域電流差動保護邏輯節點類的數據

此外，應為每一個新增數據對象在IEC61850－7－3的CDC公共數據類中選擇合適的數據類型。如MinRch（故障是否位于最小保護區域），是通過廣域保護算法輸出的結果，屬于狀態信息，可以選擇SPS單點狀態信息類型。限于篇幅，其他數據對象的選型標注于表2中。

下面給出了基于C++語言描述的PWDIF邏輯節點類。

4.3 廣域電流差動保護信息模型構建及信息流分析

為了更好地說明信息模型建立的過程，以一個六節點的簡單電力系統結構圖為例，如圖2所示。

圖2 六節點電力系統結構示意圖

G代表發電機，e為斷路器和IED編號，L1－L3為線路編號。廣域電流差動保護通信系統中任意IED都是對等的，可以按照算法與關聯域中IED進行對等通信。因此，本文以IED1為例，e1最大保護范圍內的關聯IED有:e2～e9，需要與sub2和sub3兩個變電站的IED進行通信。

本文采用隧道通信機制，給出了廣域電流差動保護通信信息模型，如圖3所示:虛線框所示為廣域電流差動保護IED對象模型。其中:測量功能采用90－1技術報告中新增的邏輯節點RMXU，具有同步采樣的采用源功能；新建邏輯節點PWDIF代表廣域差動保護功能；PTRC代表斷路器控制功能；ITPC代表通信功能；RBRF代表斷路器失靈保護功能。此外，該通信信息模型還包括邏輯節點:TVTR、TCTR電壓電流互感器，XCBR斷路器。

圖3中，以IED2和IED3為代表，表示IED1的保護范圍內的關聯IED，其它關聯域內的IED在圖中省略。

模型中信息流用箭頭表示。TCTR、TVTR傳送電壓電流信息至RXMU，由其同步采樣并將采樣序列或相量值傳送至PWDIF廣域保護邏輯節點，PWDIF將廣域保護算法所得故障定位結果傳送至PTRC斷路器邏輯控制節點，并由其發送跳閘命令控制斷路器跳閘。

圖3中，站間IED交互的信息流包括:①站間傳輸的電壓電流信息，即IED1將同步采樣所得的電流值傳送至關聯域內的 IED2和IED3，并接收來自關聯IED的電流信息。②站間傳輸的故障判斷結果信息，IED1通過差動計算得出故障定位結果，并將結果傳送至關聯域內其他IED，同時接收來自關聯IED的故障判斷結果。③站間傳送的跳閘請求。IED具備向其他IED發送跳閘信息完成遠方直跳的功能。圖中，假設線路L1故障，IED1正常工作，IED3的數據采集和通信系統正常工作但沒有正確執行保護算法，無法做出故障判斷決策。IED1應能直接向IED3發跳閘信息，控制斷路器3跳閘。④站間傳輸的斷路器失靈觸發信號。該信號實質為跳閘允許信號，如圖IED1的RBRF節點判斷本斷路器失靈，將該信息傳送至關聯IED2和IED3，IED3和IED2再根據各自測點是否存在故障電流最終確定是否跳閘。

圖3 基于IEC61850－90－1廣域電流差動保護信息模型

4 結論

廣域保護的提出為大電網安全穩定運行提供了有效途徑，而廣域保護通信系統涉及多個變電站之間及變電站與控制中心的通信。IEC61850－90－1的頒布為建立開放性、標準化的廣域保護通信系統提供了理論基礎。本文以廣域電流差動保護為例，基于IEC61850－90－1，采用分布式結構，并參照廣域電流差動保護算法，擴展了廣域電流差動保護邏輯節點，采用隧道通信機制，建立了涉及站間通信的廣域電流差動保護信息模型。為構建開放性、標準化的廣域繼電保護系統奠定了基礎。

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