基于IEC 61850 的智能變電站高壓線路保護建模

李重慶，董如亞，卞秋野，高 藝，王 磊

（1.國網安徽宣城供電公司，安徽 宣城 242000；2.國網山東利津縣供電公司，山東 東營 257000；3.國網山東省電力公司物資公司，山東 濟南 250000；4.國家電網有限公司技術學院分公司，山東 濟南 250002）

0 引言

2009 年5 月，國家電網有限公司發布了智能電網建設規劃，建設和發展智能化、數字化變電站成為發展的新方向［1］。IEC 61850 標準作為國內變電站發展的指導性規范，近年來在智能變電站建設方面的應用研究被廣泛探討，文獻［1-2］以IEC 61850 技術為主線，以模塊化的結果解釋IEC 61850 標準在變電站工程應用中所涉及的相關知識，充實了變電站數字化系統的內涵，促進了變電站的自動化、數字化與互操作化；文獻［3］討論了智能變電站和主站模型、圖形、通信一體化共享建模的解決方案，提出了完全基于模型的維護模式，為變電站設備之間的互操作、一致性測試及一體化信息平臺構建提供了保證。隨著IEC 61850 應用的進一步深入研究，數字化變電站開發及建設方面取得了較為可觀的進展，近幾年逐步開始有一些基于IEC 61850 的數字化變電站投入到生產運行當中，并取得了較好的運行效果。

盡管基于IEC 61850 的應用研究較大程度地促進了智能變電站開發及建設工作，但落實到具體工程實踐中，仍存在以下問題。

1）模型完善與修改方面。由于智能變電站模式不斷發展，站內所涉及數字化模型應根據實際工程需求進行適度改進，以完善功能。

2）模型缺失方面。盡管IEC 61850 保護及保護相關功能邏輯節點與數據已較為全面、詳盡，但由于國內外采用的繼電保護原理以及所關注的對外通信接口存在差異，邏輯節點及其數據對象、屬性并沒有完全符合我國數字化變電站建模要求，應針對模型的缺失做進一步擴充。

3）保護裝置配置模型建立方面。國際電工委員會制定的IEC 61850 基本符合國外變電站自動化設備的工程自由配置做法，卻與國內由設計院統一設計的應用原則難以匹配，保護裝置的配合工作全部需要在施工、調試過程中完成，帶來了“數字化變電站是調試出來”的尷尬［4］。

因此，研究一種滿足智能變電站IEC 61850 應用設計要求的新方案是非常必要的。根據IEC 61850建模的體系結構，以某變電站220 kV 線路典型保護裝置為例，探討IEC 61850 在實際工程中線路保護層次化信息模型智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）的構建方法，給出了線路保護建模實例化的具體步驟；隨后按照過程層、間隔層與站控層的分層體系結構建立符合該線路信息維護的通信服務方式，并對工程建模中邏輯節點GOOSE 信息流進行了詳細闡述；最后以線路保護裝置ICD 配置文件樹形結構對線路保護裝置進行描述，方便不同廠商配置信息的交換。

1 高壓線路保護建模步驟

IEC 61850 實現了對外功能信息在標準化的模型中的組建，并建立這些信息的傳輸方式和過程。IEC 61850 標準對目標對象的建模包括數據建模和通信服務建模兩部分。目前變電站多采用國內外多廠家不同制造商的保護測控設備，為實現IEC 61850在變電站數字化系統中的實際應用，線路保護建模步驟敘述如下［5］。

1）模型對象成員的信息建模。包括：服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據對象、數據屬性。對于須建模對象，當現有的IEC 61850 標準中的邏輯節點類（LN）描述不能滿足變電站通信的實際需求時，可開展數據擴展，擴展應遵循IEC 61850 標準建模原則［6］。

2）采用適當的通信服務模型及通信服務映射方式，提供遵循IEC 61850 MMS、GOOSE、SV 的數字化對外接口。

3）構建變電站配置語言。按照服務器—邏輯設備—邏輯節點—數據對象—數據屬性的分層體系結構構建設備模型IED 和通信模型ICD，以便實現不同廠商的配置工具間的信息交換，實現互操作。

根據上述線路保護建模步驟與原則，對某變電站220 kV I 線進行線路保護工程建模應用研究。

2 高壓線路保護功能工程建模實例

2.1 信息模型

500 kV 與220 kV 線路保護均包括母差保護、失靈保護、重合閘，其中，重合閘為雙重化配置且完全獨立，互不聯系。建模實例220 kV I 線采用雙重化保護配置，第1 套線路保護裝置型號為CSC101A，第2 套線路保護裝置型號為RCS901A，失靈保護與重合閘裝置采用CSC122A。

將保護裝置IED 按其功能分解為多個邏輯節點（LN）實例，如斷路器（XCBR）和距離保護（PDIS）；再組建斷路器（XCBR）和距離保護（PDIS）等邏輯節點實例，形成一個或多個邏輯裝置（LD）；進一步地，邏輯裝置再映射到數據對象（DO）和若干個數據屬性（DA）。根據上述建模流程進行某220 kV I 線所配置保護信息建模。

1）邏輯節點建模。

邏輯節點及其數據可用于實際系統功能的描述，對DL／T 860.74—2013《電力自動化通信網絡和系統第7-4 部分：基本通信結構兼容邏輯節點類和數據類》所定義的邏輯節點進行實例化，其實例化對象可表示為某種具有特定意義的功能作用。所選220 kV I線保護裝置相應保護功能及相關邏輯節點組如表1所示，保護功能所涉及的邏輯節點均應實例化。表1中，由于邏輯節點索引根據邏輯節點名稱進行區分，因此，對具有同一原理的不同區段的保護應分別建立不同的邏輯節點實例，如三段式距離保護分別為PDIS1、PDIS2、PDIS3；對同一原理不同測量方式分別使用前綴區分，如接地距離保護為GndPDIS，相間距離保護為PhsPDIS；對具有相同動作定值、多個時限和獨立保護動作信號的保護功能，應細分成多個同一類型的邏輯節點，動作定值只在第1 個時限的實例中映射，如具有4 個不同延時段零序反時限過流保護，則需要定義4 個邏輯節點對象PTOC1、PTOC2、PTOC3、PTOC4。

邏輯節點下的數據對象分為公共邏輯節點信息、狀態信息、定值和測量量4 類。保護邏輯節點首先須繼承公用邏輯節點數據和部分可選數據。若現有的數據無法對目標對象的實際功能進行全部描述時，應進行數據擴展。

表1 某220 kV I 線線路保護裝置功能分解

2）邏輯設備（LD）建模。

因保護設備所提供的信息分散，根據不同裝置的功能設計分布可將邏輯設備劃分成若干個，分為公用邏輯設備（LD0）、保護邏輯設備（PROT）、錄波邏輯設備（RCD）、過程層GOOSE 邏輯設備（PIO）以及過程層SV 邏輯設備（SVLD）等。本文工程建模主要涉及保護邏輯設備（PROT）的建模。

3）IED 建模。

根據所配置的保護裝置將上述220 kV I 線分為3 個IED。

完成信息模型整體框架后，對照保護功能及相關功能邏輯節點組，建立如圖1 所示邏輯節點描述的線路保護模型。

圖1 中建立3 個IED 來組成該220 kV I 線的保護信息模型，根據工程邏輯節點實例化原則，成組的保護邏輯節點為同一原理不同段保護。不同保護測量方式通過邏輯節點名的前綴區分，如零序方向使用DirZeroPXXX；PSCH 為縱聯／高頻通道邏輯節點，盡管工程上分為閉鎖式與允許式縱聯保護兩種，但在對外接口上并無區別；對于保護功能邏輯節點，本線路采用了2 套重合閘（RREC），運行方式應為一投一備；保護跳閘調理邏輯節點（PTRC）、連接多個保護邏輯節點，當多于1 個保護裝置的信號輸出時，形成一個公共跳閘信號傳送于過程層（XCBR）。

須指出的是，為開展檢修或特殊情況處理，保護跳閘和啟動回路中往往串聯保護壓板。對實際工程建模時，應擴展保護邏輯節點的壓板類數據對象，以描述跳合閘信號輸出。表2 列舉出部分PTRC 和RREC 的數據擴充實例。

表2 PTRC 和RREC 數據對象擴充實例

2.2 通信服務模型

圖1 線路保護模型

為實現變電站控制、監視和保護3 大功能，IEC 61850 提出變電站功能分層概念，共分為3 個功能層，即變電站層、間隔層或單元層、過程層［7-8］，如圖2所示。其中站控層與間隔層之間采用以制造報文規范（MMS）為核心的客戶／服務器和面向對象的變電站事件（GOOSE）通信，間隔層與間隔層、間隔層與過程層之間采用采樣值傳輸（SV）報文或面向對象的變電站事件（GOOSE）通信，并分別配置各層的交換機。通過上述MMS、GOOSE 與SV 3 類信息服務方式實現各層中所定義的IED 數據的上傳［9-11］。

圖2 變電站自動化系統功能層和邏輯接口

1）制造報文規范（MMS）服務。

變電站間隔層內保護裝置遙測、遙信、遙調以及定值召喚擾動等事件信號往站控層發送時，以制造報文規范進行通信，如圖2 中的接口信息傳輸，相同的通信服務方式可以實現異構系統間的通信傳輸，實現來自不同廠商設備的互操作。本文實例中220 kV I 線間隔保護IED 與站控層通信的MMS 服務，是通過建立220 kV I 線保護模型邏輯節點到虛擬制造設備屬性MMS 服務模型的映射，具體包括邏輯節點數據映射、邏輯設備模型映射以及通信服務方式的映射。關于虛擬制造設備與保護模型映射方法，目前已有較多的研究成果，很多已具有良好的工程應用效果，具體映射方法可參見文獻［12-14］。

2）變電站事件和采樣值傳輸（GOOSE／SV）通信。

圖3 某220 kV I 線線路間隔保護GOOSE／SV 信息流

間隔層與間隔層、間隔層與過程層之間的報文通信，是利用面向對象的GOOSE 通信和SV 報文實現的，用于圖2 中的接口信息傳輸。變電站線路保護使用GOOSE／SV 進行智能裝置IED 交互信息、跳合閘出口等信息的通信，文獻［1］給出了一種適用于220 kV 典型變電站的GOOSE／SV 虛端子配置方法設計，并在實際變電站工程施工中開展應用，具有良好借鑒意義。為更直觀地描述智能裝置的輸入、輸出端口邏輯，以220 kV I 線路間隔保護動作跳開線路斷路器的A、B、C 三相過程進行GOOSE／SV 通信設計如圖3 所示。圖3 中，采用智能裝置GOOGE／SV 的“虛端子”實現信號的輸入輸出。將智能裝置和合并單元的信號輸出定義為IN01—IN03，信號輸出邏輯分別定義為虛端子OUT01—OUT03，智能裝置中的內部數據屬性，如IN01 表示斷路器A 相跳閘，其數據屬性可表示為 “GOINGG101stVal”，合并單元輸出保護電流A 相，其數據屬性可表示為“OEMU／MU01.TC.TR1.Amp1”。以此類推，可得到B 相和C 相的信號數據屬性。

2.3 IEC 61850 工程配置

對變電站自動化設備、開關、保護以及其他配置情況是由基于XML 技術的變電站配置語言SCL 來描述的。SCL 是IEC61850 技術體系的重要組成部分，其目的是為了給來自不同廠商的設備提供一種標準的描述方式，實現設備的互操作。采用這種標準的描述方式有利于簡化系統的集成過程，降低集成費用。

SCL 文檔應包含頭、變電站、通信、智能電子設備和數據模板5 個基本組成部分。

1）頭（Header）。

頭部分可對整個SCL 文檔進行整體描述，該部分涵蓋所配置變電站對象的SCL 文件的制造商、版本、名稱結構、文檔命名等信息，也用于指定名字與相關信號的映射選項。

2）變電站（Substation）。

變電站模塊的SCL 用于描述整個變電站的功能結構，標識站內開關、變壓器等一次設備及設備的拓撲關系。變電站部分描述應包含變電站結構中所包含的元素，從上到下涵蓋變電站、電壓等級、間隔、設備、子設備的有關功能和子功能選項。

3）通信（Communication）。

通信模塊描述IED 通過訪問點連到公共子網上的配置，以及IED 實現邏輯節點間進行連接通信的配置。通信部分是進行IED 裝置的實例化，因而在未進行配置前，該模塊均為空，只有實例化配置后才能有具體值。

4）IED。

智能電子設備敘述智能電子設備的預配置，包括訪問點、邏輯裝置、具體邏輯節點等。根據所提供的通信服務同LNType、具體數據對象DO、缺省配置的值等一起定義IED 的能力，在一個SCL 文件內，IED 的名稱應唯一。

5）數據類型模板（Date Type Templates）。

數據類型模板定義邏輯節點數據的一個具體樣本，每次引用的是智能電子設備內一個具體化的邏輯節點類型LNodeType。邏輯節點類型樣本由Data（DO）元素創建，該元素具有DO 屬性，從DL／T 860.73—2013 《電力自動化通信網絡和系統 第7-3部分：基本通信結構》定義的數據類（CDC）派生出來。DO 由屬性（DA）和已經定義的DO 類型組成。

本文案例220 kV I 線是該變電站的一個線路間隔，共有3 個保護裝置（CSC101A、CSC122、RSC901A），可應用IED 能力描述文件 （IED Capability Description，ICD）來描述IED 的基本數據模型及服務方式。單裝置ICD 裝置文件結構示意如圖4 所示。

圖4 單裝置ICD 配置文件結構

通過SCL 配置文件，即使不同廠商的智能設備信息描述存在異構性，通信雙方依然可以進行配置信息的交互。

3 結語

IEC 61850 標準是一個嚴密復雜的體系，其應用將會隨著變電站工程技術的需求不斷完善，滿足不斷演進的系統要求。以某變電站220 kV 線路典型保護工程為例，進行全面建模，首先遵循標準構建起統一的、面向對象的層次化信息模型，實現設備的標準化描述；然后依據標準建立了該線路信息交互的3類信息服務模型，有效解決了本線路IED 之間以及本線路與其他設備IED 的運行維護信息交互的問題；最后構建線路保護裝置ICD 配置文件，使變電站自動化系統的集成過程從人工處理向自動化處理轉變。目前，由于標準制定的慎重性和復雜的操作流程，模型的隨意擴充會使得應用難以統一，從而削弱了標準的本質意義［1］。因此，如何既能保證標準的規范性，又能滿足用戶多樣性需求，值得進一步深入探討。