基于IEC61850的對時裝置建模

李大鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

隨著數(shù)字化變電站的發(fā)展，GOOSE，SAV 在變電站過程層中的廣泛應(yīng)用，信號、模擬量的時標(biāo)精度非常重要。變電站對時主鐘裝置設(shè)備如果狀態(tài)異常，GOOSE，SAV 報文時標(biāo)精度會超過規(guī)定范圍，引起變電站保護、測控設(shè)備邏輯判斷錯誤，從而可能導(dǎo)致跳閘事故等情況發(fā)生。如何快速發(fā)現(xiàn)變電站時鐘裝置故障是智能變電站急需解決的問題。

變電站對時裝置技術(shù)發(fā)展已有幾十年時間，而大部分研究在于高精度時間測試技術(shù)，高精度守時技術(shù)，授時方式靈活性方面[1-3]。現(xiàn)有對時系統(tǒng)通信尚沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)傳輸時盡管采用了國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但這些協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)語義定義中沒有對時的定義。各廠家都自行進行了擴展，而且互不相容。

本文分析了對時裝置的數(shù)據(jù)需求，提出了對時設(shè)備的數(shù)據(jù)模型來描述對時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并介紹了基于ΙEC61850 標(biāo)準(zhǔn)為對時裝置建立了信息模型，以實現(xiàn)不同廠家之間的設(shè)備互連互通和監(jiān)視其運行狀態(tài)。

1 變電站時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站時鐘同步系統(tǒng)由時鐘源，主時鐘，時鐘信號傳輸通道，時鐘信號接口，被授時裝置組成，如圖1所示。變電站時鐘主鐘裝置將時間同步給變電站內(nèi)的保護裝置，測控裝置，錄波裝置等。

圖1 變電站時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過時鐘裝置同步變電站時鐘，可為系統(tǒng)故障分析和處理提供準(zhǔn)確的時間依據(jù)；時鐘同步是提供電網(wǎng)綜合自動化水平的必要技術(shù)手段；電子式互感器的應(yīng)用，時鐘同步是保證同步采樣的基礎(chǔ)；數(shù)字化變電站采用分布式采集，由合并單元輸出的數(shù)字采樣信號中必須含有時間信息。各合并單元輸出的電壓、電流信號必須嚴(yán)格同步，否則將直接影響保護動作的正確性，甚至在失去同步時要退出相應(yīng)的保護。

所以，智能變電站內(nèi)時鐘主從時鐘裝置工作狀態(tài)和輸出時鐘準(zhǔn)確性直接關(guān)系的高壓保護設(shè)備保護動作的正確性，直接關(guān)系著電網(wǎng)綜合自動化水平的高低。所以時鐘裝置的工作狀態(tài)非常重要，對其進行監(jiān)視，是智能化變電站必須要做的工作。

隨著ΙEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的廣泛運用，時鐘裝置通過MMS 傳輸時鐘裝置的測量以及狀態(tài)數(shù)據(jù)將成為必然。

2 智能變電站時鐘設(shè)備信息數(shù)據(jù)分析

智能變電站時鐘設(shè)備信息數(shù)據(jù)源有兩大類：對時狀態(tài)測量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)。

2.1 對時狀態(tài)測量數(shù)據(jù)

對時狀態(tài)測量的方法有多種手段，基于分層管理，建設(shè)成本低，管理成本低，技術(shù)風(fēng)險低，性能上至少保證SOE 記錄有效性的要求。傳統(tǒng)變電站、智能站的站控層采用NTP 測量時鐘差的方法作為對時狀態(tài)測量的手段，在智能變電站過程層采用GOOSE 時標(biāo)的方式作為對時狀態(tài)測量的手段，以期盡可能的利用現(xiàn)有資源。

1）站控層NTP 測量鐘差的原理

NTP 測量鐘差原理是基于網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議的對時過程是先測量兩地時鐘偏差再做修正。

具體的鐘差測量算法如圖2所示。

圖2 基于NTP 原理的鐘差測試原理

T0，T1，T2，T3為裝置時標(biāo)，⊿t為鐘差，NTP建立在網(wǎng)絡(luò)連路延遲對稱的假設(shè)上，因此

對時狀態(tài)測量核心工作原理是乒乓原理，通過問答時標(biāo)實現(xiàn)對傳輸延遲的補償，站內(nèi)被測設(shè)備只需要具備標(biāo)準(zhǔn)的NTP 服務(wù)，用一個需要單獨編寫的在線監(jiān)測采集端去輪流查詢這些被監(jiān)測設(shè)備即可獲取到全站的時鐘偏差，這些偏差數(shù)據(jù)再由標(biāo)準(zhǔn)的站內(nèi)通信協(xié)議上傳到變電站后臺，進行統(tǒng)一的分析告警。

根據(jù)這種方案的監(jiān)測準(zhǔn)確度等于NTP 的對時準(zhǔn)確度，經(jīng)過實例驗證，在變電站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下NTP 測量有效靈敏度為20ms。

經(jīng)過分析，狀態(tài)可歸納為以下三種類型（見表1）。

表1 狀態(tài)類型表

2）過程層GOOSE 測量鐘差的原理

對時狀態(tài)測量軟件集成在測控裝置內(nèi)，在需要輪詢時，測控裝置發(fā)起一個請求，在被測過程層設(shè)備上配置一個虛遙控點，被測設(shè)備收到后，返回一個虛遙信，通過測控裝置受到虛遙信時自身登記的時戳T2和返回 GOOSE 報文中的發(fā)出時戳T1，△t=T2-T1，該方法測量誤差等于網(wǎng)絡(luò)延遲，合格的監(jiān)控系統(tǒng)GOOSE 延遲在±4ms 以內(nèi)，因此該方法的測量靈敏度在10ms 級，如圖3所示。

圖3 GOOSE 測量鐘差的原理

請求返回的輪詢機制可保證測量的可靠性，當(dāng)請求超時無返回時可自動重發(fā)，并且管理權(quán)由對時狀態(tài)測量軟件控制，如測量對象，測量周期等，不易產(chǎn)生沖突。

2.2 設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)

設(shè)備狀態(tài)自檢是設(shè)備通過自身設(shè)計主動獲取對時工作狀態(tài)的手段，它發(fā)現(xiàn)故障較為快速和直接，但可發(fā)現(xiàn)的問題受到自檢設(shè)計的局限。系統(tǒng)/設(shè)備因具有以下基本狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)類型，以便實現(xiàn)統(tǒng)一的故障分析邏輯。

1）被授時系統(tǒng)/設(shè)備（見表2）

表2 被授時系統(tǒng)狀態(tài)表

2）被授時系統(tǒng)/設(shè)備（見表3）

表3 被授時信號狀態(tài)表

3 時鐘裝置的IED 模型

3.1 IEC61850 的數(shù)據(jù)模型

ΙEC61850 是智能電網(wǎng)下的變電站設(shè)備建模和數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，其按功能劃分節(jié)點，用邏輯設(shè)備抽象物理設(shè)備。ΙEC61850 采用分層的對象模型，一個服務(wù)器（server）內(nèi)可以包含多個邏輯設(shè)備，一個邏輯設(shè)備由多個邏輯節(jié)點組成，一個邏輯節(jié)點包含多個數(shù)據(jù)對象，一個數(shù)據(jù)對象具有多個數(shù)據(jù)屬性。一個服務(wù)器必須提供一個或多個服務(wù)訪問點（server access point）。在通信網(wǎng)絡(luò)中，一個服務(wù)器就是一個功能節(jié)點，它能夠提供數(shù)據(jù)，或允許其他功能節(jié)點訪問它的資源。

3.2 時鐘設(shè)備功能分解

采用ΙEC61850 標(biāo)準(zhǔn)建立ΙED 的對象模型首先是對ΙED 的功能進行定義，分解和分配。

針對變電站時鐘的功能要求和技術(shù)特點，可以將起分解為：對時測量功能，設(shè)備自檢狀態(tài)功能。

4 模型實現(xiàn)

4.1 LD（邏輯裝置）模型定義

時鐘裝置的各項功能可分為兩大類：一部分是裝置基本參數(shù)部分，主要涉及裝置自身的一些參數(shù)和設(shè)置，該功能模塊各廠家自行整理。另一部分為時鐘的測量功能，設(shè)備自檢等一些高級監(jiān)視功能，該部分功能各廠家監(jiān)控數(shù)據(jù)基本相同。

如上所述，可以將時鐘裝置的模型劃分為基本功能LD0（實列名稱采用“LD0”）和高級應(yīng)用LD（名稱可采用“APPL”)。

4.2 基本功能LD0 中的LN 模型定義

1）裝置基本參數(shù)監(jiān)控LLN0 建模

將時鐘裝置的公用參數(shù)監(jiān)控防在基本性能LD 的LLN0[4-5]節(jié)點中，使模型簡潔且便于操作（見表4）。

表4 基本性能LLN0 類結(jié)構(gòu)

2）運行告警LN 建模

為了便于管理也便于擴展數(shù)據(jù)對象，將所有表示裝置基本性能的告警信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一放入基本性能LD0 的通用類型節(jié)點GGΙO[6-8]中，數(shù)據(jù)對象名統(tǒng)一采用“Alm”擴展。LN 中的數(shù)據(jù)對象數(shù)量視時鐘裝置能 的告警信息數(shù)量而定。如果告警信息過多可分 入多個GGΙO 中（見表5）。

表5 時鐘裝置告警GGIO 類結(jié)構(gòu)

4.3 高級應(yīng)用LD 中的模型定義

在高級應(yīng)用LD中按照時鐘裝置主從關(guān)系分別擴展了TSSM 邏輯節(jié)點。點具體意義在2.2 節(jié)有說明。

被授時系統(tǒng)/設(shè)備LN 定義DLT/860 擴展邏輯節(jié)點名稱為TSSM 見表6。

表6 被授時系統(tǒng)/設(shè)備LN 結(jié)構(gòu)

所有ALM 狀態(tài)均為雙點狀態(tài)信息，0 表示正常，1 表示告警。

授時系統(tǒng)/設(shè)備LN 定義DLT/860 擴展邏輯節(jié)點名稱為TSSM 見表7。

表7 授時系統(tǒng)/設(shè)備LN 結(jié)構(gòu)

所有ALM 狀態(tài)均為雙點狀態(tài)信息，0 表示正常，1 表示告警。

5 時鐘裝置IED 通信服務(wù)映射

時鐘應(yīng)用功能對實時性能的要求較低，所以ΙED 的通信服務(wù)主要采用客戶/服務(wù)器工作模式。支持應(yīng)用關(guān)聯(lián)（association），報告（report）等服務(wù)。時鐘ΙED 的訪問通過將邏輯節(jié)點下的相關(guān)數(shù)據(jù)對象組成數(shù)據(jù)集由客戶端利用服務(wù)檢索應(yīng)用數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)值來實現(xiàn)。其抽象通信服務(wù)模型如圖4所示。

圖4 時鐘裝置MMS 通信抽象通信服務(wù)模型

上述時鐘ΙED 的抽象通信服務(wù)接口（ACSΙ）可映射到ΙEC61850-8-1 定義的制造報文規(guī)范（MMS）

對時ΙED 模型的SERVER 映射到MMS 的虛擬設(shè)備（VMD）；邏輯設(shè)備映射到 MMS 的域模型（domain）[9]；邏輯節(jié)點類。數(shù)據(jù)類。日志控制塊等都映射到MMS 的命名變量；數(shù)據(jù)集類映射到MMS的命名變量列表。

時鐘裝置有狀態(tài)變位或者告警信號時通過MMS 的報告方式來更新客戶端數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

在智能化變電站中，采用全站統(tǒng)一的ΙEC61850協(xié)議對時鐘主從裝置工作狀態(tài)進行監(jiān)控，必然將成為發(fā)展趨勢。而時鐘裝置建模工作是將時鐘裝置真正融合到智能變電站二次一體化監(jiān)控的基礎(chǔ)，對推動變電站二次一體化的建設(shè)有著重要的意義。

[1] 張清枝,坐群業(yè),何剛,等.智能變電站網(wǎng)絡(luò)對時測試研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010(21).

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[4] 余曉鵬,李瓊林,等.基于ΙEC61850 的電能質(zhì)量監(jiān)測終端數(shù)據(jù)分析及模型實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(4):56-60.

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