基于IEC61850的10kV分界開關控制器的標準建模

南京師范大學電氣與自動化工程學院 朱彥暉 高 翔 居 榮

基于IEC61850的10kV分界開關控制器的標準建模

南京師范大學電氣與自動化工程學院 朱彥暉 高 翔 居 榮

根據國家智能電網發展目標和發展趨勢，以10KV分界開關控制器為例，按照IEC 61850標準對其進行功能分解、分配，將其保護功能分解為最小功能節點（LN，Logic Node），并按照IEC 61850標準建立模型、數據定義。由于10KV分界開關在配用電領域應用廣泛，符合IEC 61850標準的發展趨勢，文本為其在配用電領域進行拓展提供了參考。

IEC 61850；分界開關控制器；對象模型；配用電

1 引言

為了實現各廠家產品間的互操作性,IEC制定了IEC 61850。該標準闡述了變電站分層結構,采用面向對象的建模方式和抽象通信服務接口,為不同智能電子設備間互操作提供了可能,現在已被廣泛應用于變電站自動化系統[1]。在與IEEE、CIGRE等組織進行了合作之后,IEC修訂了新一批標準,使得IEC61850的應用從變電站拓展到發電廠、分布式能源、輸變電設備檢測以及配電自動化系統等領域[2]。

根據國家智能電網發展目標和現階段研究現狀,IEC 61850標準的應用將不局限于變電站自動化領域,而在電網別的領域也會得到極大的發展。本文以10KV分界開關(斷路器)控制器為例,利用IEC 61850標準進行規范化的建模,是IEC61850標準在配用電自動化保護方面進行的擴展。

2 面向對象的建模

2.1 功能的定義

采用IEC 61850標準建立對象模型,首先要對對象設備的功能進行分析,將每個對象設備的功能具體分解到對應的屬性和服務,在IEC 61850標準規定中,最小的功能單元為邏輯節點(LN),每個邏輯節點表示一個最小的邏輯功能[3]。

本文利用IEC 61850標準為10kV分界開關智能控制器進行數據建模。

分界開關(斷路器)可以分合、承載正常回路電流,并且能關合、開斷回路異常情況電流(如短路電流、電纜充電電流等),10kV分界開關控制器可控制分界開關(斷路器)實現以下功能:

(1)交流數據采集功能:測量線路的兩相電流、零序電流、線路電壓等;

(2)保護功能:零序保護、速斷保護、過流保護、失電壓保護等;

(3)控制功能:斷路器控制;

(4)人機接口:供就地設定和手動操作。

10kV分界開關(斷路器)控制器主要是針對配網的用戶分界開關系統應用而開發的,一般具有涌流抑制、相間過流保護、速斷保護和零序接地保護等功能。10kV分界開關(斷路器)控制器可以實現自動切除用戶界內單相接地故障和自動隔離用戶界內相間短路故障、向上層主機通信發送設備狀態、故障情況以及接收上級控制指令等功能,確保主網及非故障用戶的用電安全。10kV分界開關(斷路器)結構圖如圖1所示。

圖1 10kV分界開關（斷路器）控制器結構圖

如圖1所示10kV分界開關通過電流互感器檢測三相電流,當有某項電流大于相間速斷電流整定值時,控制器即時輸出跳閘信號來實現電流速斷保護;同樣的通過電流互感器檢測電流,當有某相電流大于相間過流定值時,則經過整定的延時后輸出跳閘命令;分界開關控制器還通過電壓互感器檢測交流輸入電壓,當電壓大于額定電壓的80%并持續2秒鐘時,經過整定的延時后輸出跳閘命令。

用IEC61850-7-4中對應的邏輯節點對10kV分界開關控制器的功能進行描述,并按功能分配在不同層。

圖2 10kV分界開關控制器功能分解和定義

10kV分界開關控制器功能分解和定義圖2所示,圖中各邏輯節點的說明如下:IHMI表示就地設定和手動操作功能;PIOC、PTOC、PHIZ、PTUV分別表示速斷保護、相間過流保護、零序接地保護、失電壓保護;MMXU表述測量功能;CSWI表示開關控制器;TCTR、TVTR表示電流互感器和電壓互感器;XCBR為斷路器。

按照IEC 61850標準的分層結構,在分解時將IHMI歸于變電站層,將PIOC、PTOC、PHIZ、PTUV、MMXU、CSWI歸于間隔層,將TCTR、TVTR、XCBR歸于過程層。

2.2 設備的對象模型

為實現設備間的互操作,IEC61850標準中采用面向對象的建模技術,定義了信息模型、描述數據對象的方法。對于數字對象的定義,IEC61850標準按分層的思想,依次分為如下層次服務器(Server)、邏輯設備(Logical Device,LD)、邏輯節點(LN)、數據(Data)和數據類型(Data Attribute)[3]。

表1所示為10kV分界開關建模中所用到的邏輯節點在DL/T860.5和DL/T860.74中的關系。

表1 邏輯接點對應表

圖3為將10kV分界開關控制器分解以后建立的對象模型,如10kV分界開關控制器模型所示,將控制器分為了五個邏輯設備LD1～LD5,LD1包括了電壓互感器和電流互感器,為CT/PT功能;LD2定義為測量功能,硬件對應I/O模塊,對電壓電流值進行采樣;LD3為保護功能(電流速斷保護、定時過電流保護、欠電壓保護等);LD4包括斷路器的控制功能;LD5為人機界面。

圖3 10kV分界開關控制器模型

2.3 數據對象定義

基于IEC61850的數據建模不僅建模要符合標準,邏輯節點定義,包括數據和數據屬性的定義都要標準化,所以數據對象的定義對實現不同職能操作設備之間的互操作性尤為重要。

2.2中所建立的10kV分界開關控制器對象模型中有二十個邏輯節點,現在以TCTR節點為例,進行邏輯節點的數據定義。如下表所示,TCTR邏輯節點依照IEC 61850-7-4進行了定義。

表2 TCTR邏輯接點數據定義表

屬性類型ENC表示可控的枚舉狀態;ENS表示枚舉狀態;DPL表示設備銘牌;INS表示整數狀態;SAV表示采樣值;ASG表示模擬定值。M/O表示為強制/可選的屬性名,狀態C表示當數據在通過通信鏈路傳輸并且是可見的時候,此數據對象是強制的[4]。

TCTR數據對象定義圖如圖4所示:

圖4 TCTR數據對象定義

TCTR邏輯節點是儀用互感器中的電流互感器邏輯節點,每相一個實例,每相儀用互感器中不同物理裝置可能分配有3～4個這樣實例。TCTR邏輯節點以采樣模擬值形式提供電流值,其中Mod、Beh、EEhealth、EEName是關于TCTR本身的公共邏輯節點描述,表示了工作狀態、性能、外部設備狀態和外部設備銘牌等信息;AmpSv描述電流采樣值,用以描述電流模擬量瞬時值的采樣。每一類的數據對象在IEC 61850-7-4部分進行了詳細的闡述,對于數據對象AmpSv的數據屬性在IEC 61850-7-3 公共數據類中有詳細的說明,例如AmpSv包含數據名instMag、q等,分別表示模擬量值和質量。

最后由國際大電網第34.03工作組引入PICOM概念用來描述邏輯節點之間的關系。

PICOM各個部分如下:

·數據:表示信息的內容和功能所用標識。

·類型:描述數據的結構,判斷數據是否為模擬量、開關量等;

·性能:即數據允許的傳輸時間、數據的完整性和數據傳輸的原因和方法;

·邏輯連接:包括了邏輯源和邏輯接受終點。

下表為PICOM的屬性表,根據用途PICOM可以分為三類屬性:(1)任一報文都要用的PICOM屬性;(2)僅在配置時使用的PICOM屬性;(3)僅用于數據流計算的PICOM屬性[5]。

表3 PlCOM的屬性表

PICOM說明了交換信息和通信要求,通過PICOM描述的信息交換是基于邏輯節點提供的數據,對于數據源,這些數據常在數據模型中定義(參考IEC 61850-7-4)。對于結果,在數據模型中,每一個PICOM至少有一個數據(狀態和值)或一個數據變化(事件)。

下圖為10kV分界開關邏輯節點描述的功能。依照PICOM的概念描述了各個節點之間的關系,指出了邏輯源和邏輯接受點,表明了信息傳遞的方向。

圖5 邏輯節點功能描述

上圖中PSCH邏輯節點為保護配置邏輯節點,該邏輯節點用于線路保護功能配合邏輯配置建模。對于線路保護配置,允許交換不同保護功能“動作出口”和條件。PTRC邏輯節點是保護跳閘條件邏輯節點,該邏輯節點應用于連接一個或多個保護功能的跳閘輸出,形成一個傳遞給邏輯節點XCBR的公用“跳閘”信號。

3 結語

IEC 61850標準的制定和應用是為了實現各個廠家的IED之間的互操作性,而如今各廠家都在積極研發基于IEC 61850的產品,其中在變壓器保護IED和線路保護裝置方面已有不少產品,根據智能電網的目標來看, IEC 61850標準不僅在變電站領域有十分重要的地位,而且在發電、輸電、配用電領域也會有相應的拓展,本文以10kV分界開關(斷路器)控制器為例,基于IEC 61850標準搭建標準模型,具體闡述了控制器的功能分解、建模和數據定義,是IEC 61850標準在配用電領域的拓展應用,理論上可以被任何基于IEC 61850標準的對象瀏覽器訪問,簡化了各個廠家產品的通信。

［1］吳在軍,竇曉波,胡敏強.基于IEC61850標準的數字保護裝置建模［J］.電網技術,2005,29(21):81-84.

［2］任雁銘,操豐梅.IEC 61850新動向和新應用［J］.電力系統自動化,2013,37(2):1-6.

［3］溫陽東,侯繼光,宋陽.基于IEC61850標準的變壓器微機保護建模［J］.電測與儀表,2013,49(11):61-64.

［4］IEC 61850-7-4:Communication networks and systems in substations,Part 7-4:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes［S］.

［5］IEC 61850-5,Communication networks and systems in substations,part 5:communication requirements for functions and device models［S］.

朱彥暉（1991-），男，江蘇南京人，南京師范大學電氣系統及其自動化方向在讀碩士研究生，從事電力系統繼電保護方面的研究工作。

高翔（1985-），男，通信作者，江蘇句容人，碩士研究生，實驗師，從事嵌入式系統、數字化變電站技術等方面的研究工作。

居榮（1964-），男，江蘇高郵人，南京師范大學電氣與自動化工程學院教授，從事現代繼電保護技術等研究工作。