基于IEC61850的智能斷路器IED建模及SCL描述*

連兵兵 ，方瑞明 ，洪 欣

（1.華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021；2.廈門市電業局，福建 廈門361004）

IEC61850標準是目前電力系統中最完善的通信標準，它采用面向對象的方法描述變電站及設備信息，旨在實現不同廠家生產的智能電子設備IED(Intelligent Electronic Device)之間的互操作。該標準將變電站通信體系分為3層：變電站層、間隔層和過程層，智能斷路器屬于過程層，層內的IED間通信采用IEC61850協議。

國內外學者對IED間互操作問題十分關注，并從多方面進行了相關試驗[1]。IED間互操作的核心是建立其IED信息模型，目前研究主要集中在IED的在線監測功能模塊[2]，對IED整體結構研究得較少。

本文以某公司生產的智能斷路器為例，分析智能斷路器的結構和功能，搭建完整的信息模型，并對模型進行描述，為實現IED間互操作奠定基礎。

1 智能斷路器IED建模方法

1.1 智能斷路器建模技術

實現智能斷路器IED間互操作的核心是其IED信息模型，IEC61850定義信息模型層次結構依次為服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據和數據屬性，如圖1所示。

圖1 IED分層信息模型

智能斷路器（IED）相當于一個服務器（Server），由若干個邏輯設備LD組成，邏輯設備反映設備本身的信息和功能單元共享的信息；將設備功能分解成若干邏輯節點LN，邏輯節點是協議中能實現具體功能的最小抽象單位，邏輯節點間通過邏輯連接LC來完成數據交接[3-4]。邏輯節點包含數據對象DO和數據屬性DA，數據對象由數據屬性組成，是網絡交換信息的基礎，通過對數據的操作實現網絡交互。

1.2 智能斷路器建模規則

對智能斷路器IED 進行建模時，首先要確定IED具有的功能。依據面向對象思想分析設備的邏輯構成，對斷路器系統包含的功能進行解耦分析，抽象出設備所含有的邏輯節點以及每個邏輯節點所含的參數和屬性，再利用統一建模語言工具作進一步分析。

由于標準側重于保護與控制方面的功能，智能斷路器在建模時必須對標準規定的基本信息模型進行擴展，以保證將斷路器所有功能包括在內。具體擴展規則如圖2所示。

2 智能斷路器IED模型

2.1 功能分析

本文根據某公司生產的智能斷路器產品，對智能斷路器系統主要功能進行分解。智能斷路器系統主要功能歸為4類：

（1）保護功能：過載保護、選擇性短路保護、自動重合閘保護、瞬時短路保護、接地故障保護、過/欠壓保護、斷路器失靈保護、剩余電壓保護、過/欠頻保護、逆功率保護、負載保護、相平衡電壓/電流保護、過熱保護等；

（2）測量功能：電壓、電流、功率、頻率及峰值系數、電能、諧波等電網參量的測量；

（3）報警控制功能：斷路器運行模式、斷路器工作模式、試驗模式、負載控制、故障定位、操作次數、產生報警、觸頭磨損情況及壽命計算等運行維護參數的儲存和顯示；

（4）與主站通信功能：多種電網參數和運行參數的遠程監測、智能斷路器當前運行狀態的遠程監視（如觸頭位置、閉鎖情況、通信狀態等）、各種保護限值參數的遠程調整和察看（如延時電流整定值、瞬時電流整定、開合閘時間調整等）、智能斷路器的遠程分合閘操作等。

2.2 信息模型

根據上述分解的功能和建模規則，本文構造了一個物理設備——智能斷路器ICB(Intelligent Circuit Breaker)，它包括4個邏輯設備：保護斷路器正常運行的保護功能裝置LD1；測量斷路器電壓、電流等參數的測量功能裝置LD2；記錄儲存含超出限定值、通信失敗和操作在內的報警控制功能裝置LD3；實現與遠方通信和人機界面控制的遠方通信功能裝置LD4。如圖3所示。

（1）邏輯設備 LD模型

邏輯設備LD是虛擬設備，由邏輯節點組成，每個邏輯設備至少包含3個邏輯節點：邏輯節點零邏輯節點（LNN0）、物理設備邏輯節點（LPHD）和功能邏輯節點。功能邏輯節點包含：①保護邏輯設備包含XCBR等邏輯節點；②測量邏輯設備包含MMXU等邏輯節點；③報警控制設備包含CSW等邏輯節點；④遠方通信邏輯設備包含ITMI等邏輯節點。具體定義見標準IEC61850-5、7邏輯節點定義。表1所示為保護邏輯設備LD1的詳細說明。

（2）邏輯節點模型

根據圖2的建模流程，針對低壓智能斷路器剩余電流保護的功能特點，本模型對相應的邏輯節點和數據進行擴展，以構造完整的數據模型。自定義剩余電流保護邏輯節點PTRA，如表2所示。

（3）數據及數據屬性模型

邏輯節點包含若干數據(Mode、Beh等)，數據又包含數據屬性(ctlVal、operTim等)。以 XCBR中的數據 DPL為例，智能斷路器的產品名稱model屬性和安裝位置location屬性，如表3所示。

3 智能斷路器配置描述

3.1 IED配置描述工程步驟

IEC61850-6定義了一種通過不同配置描述文件的配置與傳遞，實現IED間互操作的變電站配置描述語言（SCL）。SCL包含4類文件：變電站配置描述文件SCD、IED出廠配置信息ICD、配置IED功能描述文件CID和變電站結構信息SSD。其工程步驟如圖4所示。

表1 保護邏輯設備LD1列表

表2 剩余電流保護邏輯節點（PTRA）

表3 設備銘牌DPL模型

圖4 智能斷路器的SCL配置流程

圖4中，ICD文件描述智能斷路器IED的能力，由IED配置工具生成，向主站傳遞IED的詳細配置信息；系統配置工具結合ICD文件和SSD文件生成SCD文件；CID文件用來對IED各參量進行功能配置，由IED配置工具下載到智能斷路器IED中，從而得到包括IP地址在內的智能斷路器IED實例化系統信息。

3.2 智能斷路器配置描述

IEC61850-6定義的SCL文件包含5個部分：頭(Header)、 變 電 站(Sbustation)、 智 能 電 子 設 備 (IED)、 通 信系統(Communication)和邏輯節點類型定義(DataTypeTemplates)[5]。斷路器配置文件的結構如圖5所示。變電站對ICD文件解析后，通過對配置文件的讀取、編輯和瀏覽，保存修改后的配置文件，實現對斷路器配置信息的操作。

智能斷路器配置描述采用IED設備對象模型，由Server、LDevice、LNnode等對象描述邏輯節點的數據結構和功能來構建，在智能斷路器IED配置工具內完成。另外配置工具還可以對生成的SCL文件進行解析和有效性校驗，使之成為結構良好并且有效的配置描述文件。

IED間互操作的核心是IEC61850信息模型。本文對智能斷路器系統結構和保護控制進行分解，構造完整的信息模型，結合低壓斷路器通常作為開關設備頻繁操作的特點，自定義剩余電流保護等邏輯節點，最后利用IED配置工具實現智能斷路器的配置描述，實現通過變電站層瀏覽、修改斷路器的配置信息，對后續實現智能斷路器IED間互操作有一定的指導意義。

[1]辛耀中，王永福，任雁銘.中國 IEC 61850研發及互操作試驗情況綜述[J].電力系統自動化，2007，31（12）：1-6，72.

[2]鄔航杰，盛戈皞，崔榮花，等.基于 IEC61850的變壓器狀態監測 IED的信息建模及SCL描述[J].華東電力，2011，39（12）：2012-2016.

[3]IEC.IEC61850-5 communication networks and systems in substations Part5：communication equipments for functions and device models[S].2003.

[4]IEC.IEC61850-7-1 communication networks and systems in substations Part7-1：basic communication structure for substations and feeder equipment Principles and models[S].2003.

[5]IEC.IEC61850-6 communication networks and systems in substations Part5：configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].2003.