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(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.廈門市電業(yè)局，福建 廈門361004）

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是目前電力系統(tǒng)中最完善的通信標(biāo)準(zhǔn)，它采用面向?qū)ο蟮姆椒枋鲎冸娬炯霸O(shè)備信息，旨在實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的智能電子設(shè)備IED(Intelligent Electronic Device)之間的互操作。該標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)的IED間通信采用IEC61850協(xié)議。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)IED間互操作問題十分關(guān)注，并從多方面進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)[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(jiān)測(cè)功能模塊[2]，對(duì)IED整體結(jié)構(gòu)研究得較少。

本文以某公司生產(chǎn)的智能斷路器為例，分析智能斷路器的結(jié)構(gòu)和功能，搭建完整的信息模型，并對(duì)模型進(jìn)行描述，為實(shí)現(xiàn)IED間互操作奠定基礎(chǔ)。

1 智能斷路器IED建模方法

1.1 智能斷路器建模技術(shù)

實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)依次為服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性，如圖1所示。

圖1 IED分層信息模型

智能斷路器（IED）相當(dāng)于一個(gè)服務(wù)器（Server），由若干個(gè)邏輯設(shè)備LD組成，邏輯設(shè)備反映設(shè)備本身的信息和功能單元共享的信息；將設(shè)備功能分解成若干邏輯節(jié)點(diǎn)LN，邏輯節(jié)點(diǎn)是協(xié)議中能實(shí)現(xiàn)具體功能的最小抽象單位，邏輯節(jié)點(diǎn)間通過邏輯連接LC來完成數(shù)據(jù)交接[3-4]。邏輯節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)對(duì)象DO和數(shù)據(jù)屬性DA，數(shù)據(jù)對(duì)象由數(shù)據(jù)屬性組成，是網(wǎng)絡(luò)交換信息的基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交互。

1.2 智能斷路器建模規(guī)則

對(duì)智能斷路器IED 進(jìn)行建模時(shí)，首先要確定IED具有的功能。依據(jù)面向?qū)ο笏枷敕治鲈O(shè)備的邏輯構(gòu)成，對(duì)斷路器系統(tǒng)包含的功能進(jìn)行解耦分析，抽象出設(shè)備所含有的邏輯節(jié)點(diǎn)以及每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)所含的參數(shù)和屬性，再利用統(tǒng)一建模語言工具作進(jìn)一步分析。

由于標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于保護(hù)與控制方面的功能，智能斷路器在建模時(shí)必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本信息模型進(jìn)行擴(kuò)展，以保證將斷路器所有功能包括在內(nèi)。具體擴(kuò)展規(guī)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(jù)某公司生產(chǎn)的智能斷路器產(chǎn)品，對(duì)智能斷路器系統(tǒng)主要功能進(jìn)行分解。智能斷路器系統(tǒng)主要功能歸為4類：

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

（2）測(cè)量功能：電壓、電流、功率、頻率及峰值系數(shù)、電能、諧波等電網(wǎng)參量的測(cè)量；

（3）報(bào)警控制功能：斷路器運(yùn)行模式、斷路器工作模式、試驗(yàn)?zāi)Ｊ?、?fù)載控制、故障定位、操作次數(shù)、產(chǎn)生報(bào)警、觸頭磨損情況及壽命計(jì)算等運(yùn)行維護(hù)參數(shù)的儲(chǔ)存和顯示；

（4）與主站通信功能：多種電網(wǎng)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能斷路器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視（如觸頭位置、閉鎖情況、通信狀態(tài)等）、各種保護(hù)限值參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)整和察看（如延時(shí)電流整定值、瞬時(shí)電流整定、開合閘時(shí)間調(diào)整等）、智能斷路器的遠(yuǎn)程分合閘操作等。

2.2 信息模型

根據(jù)上述分解的功能和建模規(guī)則，本文構(gòu)造了一個(gè)物理設(shè)備——智能斷路器ICB(Intelligent Circuit Breaker)，它包括4個(gè)邏輯設(shè)備：保護(hù)斷路器正常運(yùn)行的保護(hù)功能裝置LD1；測(cè)量斷路器電壓、電流等參數(shù)的測(cè)量功能裝置LD2；記錄儲(chǔ)存含超出限定值、通信失敗和操作在內(nèi)的報(bào)警控制功能裝置LD3；實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方通信和人機(jī)界面控制的遠(yuǎn)方通信功能裝置LD4。如圖3所示。

（1）邏輯設(shè)備 LD模型

邏輯設(shè)備LD是虛擬設(shè)備，由邏輯節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)邏輯設(shè)備至少包含3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)：邏輯節(jié)點(diǎn)零邏輯節(jié)點(diǎn)（LNN0）、物理設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)（LPHD）和功能邏輯節(jié)點(diǎn)。功能邏輯節(jié)點(diǎn)包含：①保護(hù)邏輯設(shè)備包含XCBR等邏輯節(jié)點(diǎn)；②測(cè)量邏輯設(shè)備包含MMXU等邏輯節(jié)點(diǎn)；③報(bào)警控制設(shè)備包含CSW等邏輯節(jié)點(diǎn)；④遠(yuǎn)方通信邏輯設(shè)備包含ITMI等邏輯節(jié)點(diǎn)。具體定義見標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-5、7邏輯節(jié)點(diǎn)定義。表1所示為保護(hù)邏輯設(shè)備LD1的詳細(xì)說明。

（2）邏輯節(jié)點(diǎn)模型

根據(jù)圖2的建模流程，針對(duì)低壓智能斷路器剩余電流保護(hù)的功能特點(diǎn)，本模型對(duì)相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，以構(gòu)造完整的數(shù)據(jù)模型。自定義剩余電流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PTRA，如表2所示。

（3）數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)屬性模型

邏輯節(jié)點(diǎn)包含若干數(shù)據(jù)(Mode、Beh等)，數(shù)據(jù)又包含數(shù)據(jù)屬性(ctlVal、operTim等)。以 XCBR中的數(shù)據(jù) DPL為例，智能斷路器的產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)信息SSD。其工程步驟如圖4所示。

表1 保護(hù)邏輯設(shè)備LD1列表

表2 剩余電流保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)（PTRA）

表3 設(shè)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(xì)配置信息；系統(tǒng)配置工具結(jié)合ICD文件和SSD文件生成SCD文件；CID文件用來對(duì)IED各參量進(jìn)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(nèi)的智能斷路器IED實(shí)例化系統(tǒng)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(gè)部分：頭(Header)、 變 電 站(Sbustation)、 智 能 電 子 設(shè) 備 (IED)、 通 信系統(tǒng)(Communication)和邏輯節(jié)點(diǎn)類型定義(DataTypeTemplates)[5]。斷路器配置文件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。變電站對(duì)ICD文件解析后，通過對(duì)配置文件的讀取、編輯和瀏覽，保存修改后的配置文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器配置信息的操作。

智能斷路器配置描述采用IED設(shè)備對(duì)象模型，由Server、LDevice、LNnode等對(duì)象描述邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能來構(gòu)建，在智能斷路器IED配置工具內(nèi)完成。另外配置工具還可以對(duì)生成的SCL文件進(jìn)行解析和有效性校驗(yàn)，使之成為結(jié)構(gòu)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(duì)智能斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保護(hù)控制進(jìn)行分解，構(gòu)造完整的信息模型，結(jié)合低壓斷路器通常作為開關(guān)設(shè)備頻繁操作的特點(diǎn)，自定義剩余電流保護(hù)等邏輯節(jié)點(diǎn)，最后利用IED配置工具實(shí)現(xiàn)智能斷路器的配置描述，實(shí)現(xiàn)通過變電站層瀏覽、修改斷路器的配置信息，對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)智能斷路器IED間互操作有一定的指導(dǎo)意義。

[1]辛耀中，王永福，任雁銘.中國 IEC 61850研發(fā)及互操作試驗(yàn)情況綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(tài)監(jiān)測(cè) 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.