南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 朱彥暉 高 翔 居 榮

基于IEC61850的10kV分界開關(guān)控制器的標(biāo)準(zhǔn)建模

南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 朱彥暉 高 翔 居 榮

根據(jù)國家智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)和發(fā)展趨勢，以10KV分界開關(guān)控制器為例，按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行功能分解、分配，將其保護(hù)功能分解為最小功能節(jié)點（LN，Logic Node），并按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立模型、數(shù)據(jù)定義。由于10KV分界開關(guān)在配用電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢，文本為其在配用電領(lǐng)域進(jìn)行拓展提供了參考。

IEC 61850；分界開關(guān)控制器；對象模型；配用電

1 引言

為了實現(xiàn)各廠家產(chǎn)品間的互操作性,IEC制定了IEC 61850。該標(biāo)準(zhǔn)闡述了變電站分層結(jié)構(gòu),采用面向?qū)ο蟮慕７绞胶统橄笸ㄐ欧?wù)接口,為不同智能電子設(shè)備間互操作提供了可能,現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)[1]。在與IEEE、CIGRE等組織進(jìn)行了合作之后,IEC修訂了新一批標(biāo)準(zhǔn),使得IEC61850的應(yīng)用從變電站拓展到發(fā)電廠、分布式能源、輸變電設(shè)備檢測以及配電自動化系統(tǒng)等領(lǐng)域[2]。

根據(jù)國家智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)和現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用將不局限于變電站自動化領(lǐng)域,而在電網(wǎng)別的領(lǐng)域也會得到極大的發(fā)展。本文以10KV分界開關(guān)(斷路器)控制器為例,利用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范化的建模,是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在配用電自動化保護(hù)方面進(jìn)行的擴(kuò)展。

2 面向?qū)ο蟮慕?/h2>

2.1 功能的定義

采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立對象模型,首先要對對象設(shè)備的功能進(jìn)行分析,將每個對象設(shè)備的功能具體分解到對應(yīng)的屬性和服務(wù),在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中,最小的功能單元為邏輯節(jié)點(LN),每個邏輯節(jié)點表示一個最小的邏輯功能[3]。

本文利用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為10kV分界開關(guān)智能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。

分界開關(guān)(斷路器)可以分合、承載正?；芈冯娏?并且能關(guān)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(guān)控制器可控制分界開關(guān)(斷路器)實現(xiàn)以下功能:

(1)交流數(shù)據(jù)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(hù)功能:零序保護(hù)、速斷保護(hù)、過流保護(hù)、失電壓保護(hù)等;

(3)控制功能:斷路器控制;

(4)人機(jī)接口:供就地設(shè)定和手動操作。

10kV分界開關(guān)(斷路器)控制器主要是針對配網(wǎng)的用戶分界開關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā)的,一般具有涌流抑制、相間過流保護(hù)、速斷保護(hù)和零序接地保護(hù)等功能。10kV分界開關(guān)(斷路器)控制器可以實現(xiàn)自動切除用戶界內(nèi)單相接地故障和自動隔離用戶界內(nèi)相間短路故障、向上層主機(jī)通信發(fā)送設(shè)備狀態(tài)、故障情況以及接收上級控制指令等功能,確保主網(wǎng)及非故障用戶的用電安全。10kV分界開關(guān)(斷路器)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 10kV分界開關(guān)（斷路器）控制器結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示10kV分界開關(guān)通過電流互感器檢測三相電流,當(dāng)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(xiàn)電流速斷保護(hù);同樣的通過電流互感器檢測電流,當(dāng)有某相電流大于相間過流定值時,則經(jīng)過整定的延時后輸出跳閘命令;分界開關(guān)控制器還通過電壓互感器檢測交流輸入電壓,當(dāng)電壓大于額定電壓的80%并持續(xù)2秒鐘時,經(jīng)過整定的延時后輸出跳閘命令。

用IEC61850-7-4中對應(yīng)的邏輯節(jié)點對10kV分界開關(guān)控制器的功能進(jìn)行描述,并按功能分配在不同層。

圖2 10kV分界開關(guān)控制器功能分解和定義

10kV分界開關(guān)控制器功能分解和定義圖2所示,圖中各邏輯節(jié)點的說明如下:IHMI表示就地設(shè)定和手動操作功能;PIOC、PTOC、PHIZ、PTUV分別表示速斷保護(hù)、相間過流保護(hù)、零序接地保護(hù)、失電壓保護(hù);MMXU表述測量功能;CSWI表示開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的分層結(jié)構(gòu),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(shè)備的對象模型

為實現(xiàn)設(shè)備間的互操作,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù),定義了信息模型、描述數(shù)據(jù)對象的方法。對于數(shù)字對象的定義,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)按分層的思想,依次分為如下層次服務(wù)器(Server)、邏輯設(shè)備(Logical Device,LD)、邏輯節(jié)點(LN)、數(shù)據(jù)(Data)和數(shù)據(jù)類型(Data Attribute)[3]。

表1所示為10kV分界開關(guān)建模中所用到的邏輯節(jié)點在DL/T860.5和DL/T860.74中的關(guān)系。

表1 邏輯接點對應(yīng)表

圖3為將10kV分界開關(guān)控制器分解以后建立的對象模型,如10kV分界開關(guān)控制器模型所示,將控制器分為了五個邏輯設(shè)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(yīng)I/O模塊,對電壓電流值進(jìn)行采樣;LD3為保護(hù)功能(電流速斷保護(hù)、定時過電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)等);LD4包括斷路器的控制功能;LD5為人機(jī)界面。

圖3 10kV分界開關(guān)控制器模型

2.3 數(shù)據(jù)對象定義

基于IEC61850的數(shù)據(jù)建模不僅建模要符合標(biāo)準(zhǔn),邏輯節(jié)點定義,包括數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性的定義都要標(biāo)準(zhǔn)化,所以數(shù)據(jù)對象的定義對實現(xiàn)不同職能操作設(shè)備之間的互操作性尤為重要。

2.2中所建立的10kV分界開關(guān)控制器對象模型中有二十個邏輯節(jié)點,現(xiàn)在以TCTR節(jié)點為例,進(jìn)行邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)定義。如下表所示,TCTR邏輯節(jié)點依照IEC 61850-7-4進(jìn)行了定義。

表2 TCTR邏輯接點數(shù)據(jù)定義表

屬性類型ENC表示可控的枚舉狀態(tài);ENS表示枚舉狀態(tài);DPL表示設(shè)備銘牌;INS表示整數(shù)狀態(tài);SAV表示采樣值;ASG表示模擬定值。M/O表示為強(qiáng)制/可選的屬性名,狀態(tài)C表示當(dāng)數(shù)據(jù)在通過通信鏈路傳輸并且是可見的時候,此數(shù)據(jù)對象是強(qiáng)制的[4]。

TCTR數(shù)據(jù)對象定義圖如圖4所示:

圖4 TCTR數(shù)據(jù)對象定義

TCTR邏輯節(jié)點是儀用互感器中的電流互感器邏輯節(jié)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(jié)點以采樣模擬值形式提供電流值,其中Mod、Beh、EEhealth、EEName是關(guān)于TCTR本身的公共邏輯節(jié)點描述,表示了工作狀態(tài)、性能、外部設(shè)備狀態(tài)和外部設(shè)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(shù)據(jù)對象在IEC 61850-7-4部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,對于數(shù)據(jù)對象AmpSv的數(shù)據(jù)屬性在IEC 61850-7-3 公共數(shù)據(jù)類中有詳細(xì)的說明,例如AmpSv包含數(shù)據(jù)名instMag、q等,分別表示模擬量值和質(zhì)量。

最后由國際大電網(wǎng)第34.03工作組引入PICOM概念用來描述邏輯節(jié)點之間的關(guān)系。

PICOM各個部分如下:

·數(shù)據(jù):表示信息的內(nèi)容和功能所用標(biāo)識。

·類型:描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu),判斷數(shù)據(jù)是否為模擬量、開關(guān)量等;

·性能:即數(shù)據(jù)允許的傳輸時間、數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑蚝头椒?

·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(jù)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(shù)據(jù)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(jié)點提供的數(shù)據(jù),對于數(shù)據(jù)源,這些數(shù)據(jù)常在數(shù)據(jù)模型中定義(參考IEC 61850-7-4)。對于結(jié)果,在數(shù)據(jù)模型中,每一個PICOM至少有一個數(shù)據(jù)(狀態(tài)和值)或一個數(shù)據(jù)變化(事件)。

下圖為10kV分界開關(guān)邏輯節(jié)點描述的功能。依照PICOM的概念描述了各個節(jié)點之間的關(guān)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(jié)點功能描述

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

3 結(jié)語

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的制定和應(yīng)用是為了實現(xiàn)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(fā)基于IEC 61850的產(chǎn)品,其中在變壓器保護(hù)IED和線路保護(hù)裝置方面已有不少產(chǎn)品,根據(jù)智能電網(wǎng)的目標(biāo)來看, IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)不僅在變電站領(lǐng)域有十分重要的地位,而且在發(fā)電、輸電、配用電領(lǐng)域也會有相應(yīng)的拓展,本文以10kV分界開關(guān)(斷路器)控制器為例,基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)搭建標(biāo)準(zhǔn)模型,具體闡述了控制器的功能分解、建模和數(shù)據(jù)定義,是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在配用電領(lǐng)域的拓展應(yīng)用,理論上可以被任何基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的對象瀏覽器訪問,簡化了各個廠家產(chǎn)品的通信。

［1］吳在軍,竇曉波,胡敏強(qiáng).基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字保護(hù)裝置建模［J］.電網(wǎng)技術(shù),2005,29(21):81-84.

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

［3］溫陽東,侯繼光,宋陽.基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變壓器微機(jī)保護(hù)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(xué)電氣系統(tǒng)及其自動化方向在讀碩士研究生，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)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(tǒng)、數(shù)字化變電站技術(shù)等方面的研究工作。

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