基于IEC61850的漏電保護(hù)研究

陸夢(mèng)龍+張力

摘 要：結(jié)合IEC61850的協(xié)議特征以及智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)漏電保護(hù)在智能變電站中的應(yīng)用，介紹了智能變電站漏電保護(hù)的基本構(gòu)造，建立了基于IEC61850的單間隔線路信息模型，重點(diǎn)建立了漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）模型，給出了包含漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器模型。在此基礎(chǔ)上，研究了服務(wù)器的通信問(wèn)題，包括采樣值的獲取、漏電跳閘命令的發(fā)送以及漏電保護(hù)選線結(jié)果到后臺(tái)管理系統(tǒng)的傳輸。

關(guān)鍵詞：IEC61850；智能變電站；漏電保護(hù)；邏輯節(jié)點(diǎn)；通信服務(wù)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）15-0131-03

隨著電子式互感器、智能開(kāi)關(guān)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，基于IEC61850的智能變電站技術(shù)趨于成熟，并將很快代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站自動(dòng)化技術(shù)，成為變電站領(lǐng)域的新技術(shù)[1]。漏電故障是供配電網(wǎng)中發(fā)生概率較高的故障類(lèi)型，漏電故障不僅影響供電系統(tǒng)的正常穩(wěn)定供電，威脅工作人員人身安全，煤礦井下供配電網(wǎng)發(fā)生漏電，還可能導(dǎo)致瓦斯、煤塵爆炸，甚至使電氣雷管提前引爆[2]。采取漏電保護(hù)措施和設(shè)置選擇性漏電保護(hù)可以極大提高供電的安全性和可靠性[3]。因此，漏電保護(hù)作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的一種重要保護(hù)功能，在智能變電站中必須有相應(yīng)的解決方案。

本文按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合智能變電站技術(shù)特點(diǎn)和漏電保護(hù)的要求，針對(duì)智能變電站中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)探討漏電故障處理方案，對(duì)漏電保護(hù)模塊進(jìn)行建模研究，建立了漏電保護(hù)的邏輯節(jié)點(diǎn)模型和通信服務(wù)模型，并在此基礎(chǔ)上研究了漏電保護(hù)模型的通信實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

1 智能變電站漏電保護(hù)構(gòu)造

智能變電站采用先進(jìn)的智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了各種信息的數(shù)字化采集和網(wǎng)絡(luò)化傳輸，具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化等特點(diǎn)[4]，智能變電站中各種保護(hù)裝置與傳統(tǒng)站最大的不同在于信息傳輸?shù)姆绞讲煌?，智能變電站采用光纖通信，網(wǎng)絡(luò)化傳輸，提高了保護(hù)裝置的快速性和可靠性。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司頒布的《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，保護(hù)裝置宜采用直采直跳方式，本文漏電保護(hù)裝置從合并單元處直接采集電壓電流量，跳閘命令則經(jīng)過(guò)GOOSE網(wǎng)發(fā)送到智能終端。其中GOOSE和SV采用二網(wǎng)合一的方式。智能變電站漏電保護(hù)架構(gòu)如圖1所示。

漏電保護(hù)的原理種類(lèi)較多，目前常用的主要有零序電流原理；零序電壓原理；零序功率方向原理等。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果看，漏電保護(hù)裝置動(dòng)作準(zhǔn)確性并不高，誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。零序電流有功分量法由于能夠克服上述原理存在的各種不足，簡(jiǎn)單易行，應(yīng)用較為廣泛。

文獻(xiàn)[5]給出了零序電流有功分量法故障選線判據(jù)，該判據(jù)簡(jiǎn)單易行可，大大提高了計(jì)算效率?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，使用該判據(jù)的漏電保護(hù)裝置具有較高的靈敏性和可靠性。

2 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的漏電保護(hù)建模

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕７椒?，?duì)變電站功能和智能電子設(shè)備建模[6]，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)、屬性，找出邏輯節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向，再利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言工具對(duì)其進(jìn)一步分析[7]。多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，共同完成變電站內(nèi)的控制、保護(hù)、測(cè)量及其他功能。

2.1 漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)

IEC61850定義了約90個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，漏電保護(hù)在其中尚未定義。按照IEC61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)擴(kuò)展新功能邏輯節(jié)點(diǎn)的要求，定義漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)為PLEA，其中P表示保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)組，LEA是Leakage的縮寫(xiě)。漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)是發(fā)生漏電保護(hù)時(shí)最重要的邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)PLEA包含發(fā)生漏電故障時(shí)各條線路的零序電壓電流值，以及漏電饋線編號(hào)，漏電保護(hù)算法模塊讀取PLEA中零序電壓電流數(shù)據(jù)值，通過(guò)零序電流有功分量法計(jì)算后可判斷漏電故障線路。

圖2是對(duì)某單間隔線路建模的信息模型，IED1是保護(hù)、測(cè)量和控制一體化的智能電子設(shè)備，對(duì)裝置功能進(jìn)行分解，建立邏輯節(jié)點(diǎn)模型，漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)PLEA是其中的一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。

PLEA從電流電壓互感器邏輯節(jié)點(diǎn)TCTR、TVTR處得到電流電壓值并判斷線路是否發(fā)生漏電，若發(fā)生漏電，漏電保護(hù)算法模塊將啟動(dòng)并判斷漏電支路，開(kāi)關(guān)控制邏輯節(jié)點(diǎn)CSWI收到跳閘命令后跳開(kāi)對(duì)應(yīng)的斷路器。

漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)（PLEA）包括公用邏輯節(jié)點(diǎn)信息、狀態(tài)信息、測(cè)量信息和定值信息，公用邏輯節(jié)點(diǎn)信息繼承公用邏輯節(jié)點(diǎn)類(lèi)必備數(shù)據(jù)，狀態(tài)信息包括啟動(dòng)值、動(dòng)作值、以及漏電饋線編號(hào)等；測(cè)量信息包括線路的母線零序電壓和線路零序電流，可包含多條線路信息；定值信息包括動(dòng)作整定值、啟動(dòng)時(shí)間、動(dòng)作時(shí)間、母線名稱(chēng)和饋線數(shù)目等。漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)模型如表1所示。表中“M”表示必選，“O”表示可選。

漏電保護(hù)模塊需要檢測(cè)多條線路，一般以一段母線為單位建立漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)。若母線饋線較多，考慮數(shù)據(jù)流量大，通信延遲等問(wèn)題，可以考慮每條線路建立一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，再以母線段為單位，匯總數(shù)據(jù)后再傳送到漏電保護(hù)算法模塊，這樣可以減輕通信壓力，避免信息冗余，還可使邏輯節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 通信服務(wù)模型

一個(gè)智能電子設(shè)備至少包含一個(gè)服務(wù)器，服務(wù)器由邏輯設(shè)備及其他公共基本部件組成，如應(yīng)用關(guān)聯(lián)（Association）、時(shí)間同步（Time Synchronisation）、文件傳輸（File Transfer）等[8]。關(guān)聯(lián)模型主要定義如何在不同裝置之間建立并保持通信鏈接的機(jī)制；時(shí)間同步服務(wù)用于傳輸對(duì)時(shí)信息，為報(bào)告服務(wù)（Report）和日志記錄（Log）提供毫秒級(jí)精度的時(shí)標(biāo)，為同步采樣提供微秒級(jí)精度的時(shí)標(biāo)。文件傳輸服務(wù)提供大型數(shù)據(jù)塊（文件）的傳輸方法，例如保護(hù)裝置利用文件服務(wù)將故障報(bào)告文件、錄播文件上送到保護(hù)信息子站或后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)[9]。圖3是服務(wù)器的基本模型，其中邏輯節(jié)點(diǎn)僅以漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)（PLEA）為例，其他邏輯節(jié)點(diǎn)在此省略。endprint

服務(wù)器描述了一個(gè)設(shè)備“外部可視”的行為，保護(hù)IED所有外部可視的信息都包含于服務(wù)器中，其通信服務(wù)主要采用客戶(hù)端/服務(wù)器的通信模式。根據(jù)應(yīng)用需要對(duì)數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)屬性的引用進(jìn)行分組形成數(shù)據(jù)集，通過(guò)報(bào)告服務(wù)向外發(fā)送，也可以存儲(chǔ)在日志中以備檢索。除此外，邏輯節(jié)點(diǎn)還有控制、取代、讀/寫(xiě)、目錄/定義等通信服務(wù)[10]，這些服務(wù)是對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行操作。

3 保護(hù)IED的通信

在智能變電站中，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化傳輸，所以，實(shí)現(xiàn)一個(gè)裝置的具體功能，通信是關(guān)鍵，本文涉及的具體通信主要包括采樣值的傳輸，跳閘命令的發(fā)送以及漏電選線結(jié)果的上傳。

3.1 采樣值獲取

智能變電站采樣值的獲取可有多種方式，本文采用電子式互感器配置合并單元的方法，實(shí)現(xiàn)多路電流、電壓的合并，合并后的零序電流、電壓以IEC61850-9-2采樣值報(bào)文的形式上傳。該方法可以節(jié)約大量的控制電纜，同時(shí)利用光纜傳送數(shù)據(jù)也大大減少傳輸損耗并提高抗干擾能力[11]。

根據(jù)IEC61850-9-2的要求，采樣值傳輸采用發(fā)布方/訂閱者通信模式。目前，國(guó)內(nèi)數(shù)字化變電站實(shí)施中引用了采樣值輸入虛端子，需要ICD文件中預(yù)定義邏輯節(jié)點(diǎn)，并在邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例中定義DOI信號(hào)。生成SCD文件時(shí)，在每個(gè)裝置的LLN0的Inputs部分定義該裝置的采樣值輸入連線信息，每一個(gè)內(nèi)部輸入虛端子與每個(gè)外部合并單元輸出信號(hào)一一對(duì)應(yīng)。采樣值經(jīng)過(guò)表示層編碼后直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，保證了采樣值報(bào)文傳輸?shù)目焖傩浴?/p>

根據(jù)IEC61850-9-2LE的要求，采樣頻率一般為80點(diǎn)或256點(diǎn)，本文采樣頻率選為80點(diǎn)。井下饋線較多，數(shù)據(jù)流量比較大，為了避免存在丟包情況，提高裝置的可靠性，必須采取處理速度快的硬件來(lái)抓取網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包。

3.2 跳閘命令傳送

漏電故障時(shí)，若不及時(shí)切除故障，有可能造成嚴(yán)重的事故，甚至造成人員傷亡。因此，系統(tǒng)檢測(cè)到有漏電發(fā)生時(shí)必須及時(shí)切除故障線路。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)推薦使用GOOSE通信實(shí)現(xiàn)跳閘命令。GOOSE是IEC61850中的一種快速報(bào)文傳輸機(jī)制，用于重要實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸。IEC61850采取快速重發(fā)機(jī)制、鏈路通斷自檢、以及檢測(cè)SqNum和StNum的變化規(guī)律等方法來(lái)保證GOOSE傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)裝置的端子和硬壓板，在GOOSE中采用虛端子和軟壓板來(lái)實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)跳閘命令的傳送。同采樣值一樣GOOSE虛端子需要在ICD文件中預(yù)定義，并在邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例中定義DOI信號(hào)。GOOSE的多種機(jī)制保證了跳閘報(bào)文的可靠、實(shí)時(shí)傳輸，斷路器能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)漏電線路。

3.3 漏電保護(hù)結(jié)果上傳

漏電保護(hù)不僅需要跳閘，還要上傳選線結(jié)果到后臺(tái)管理系統(tǒng)，站控層與間隔層之間需要通信。IEC61850-8-1制定了由ACSI到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）的特定通信服務(wù)映射規(guī)范（SCSM）[12]。MMS采用客戶(hù)端/服務(wù)器通信模式，客戶(hù)端通過(guò)MMS服務(wù)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度等。

IEC61850對(duì)象模型中，服務(wù)器和邏輯設(shè)備分別映射到MMS中的虛擬制造設(shè)備（VMD）和域，邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)則對(duì)應(yīng)MMS中的有名變量，數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)于MMS中的有名變量列表。對(duì)于漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)，其實(shí)例PLEA1被映射到MMS中有名變量PLEA1，其組織的數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)有名變量列表。

客戶(hù)端對(duì)服務(wù)器發(fā)出MMS讀請(qǐng)求服務(wù)，服務(wù)器收到請(qǐng)求后由對(duì)應(yīng)GetDataValues.Request服務(wù)的應(yīng)用程序訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的Data實(shí)例，將漏電保護(hù)選線結(jié)果以GetData Values.Response服務(wù)的形式，返回給通信映射程序，并將其映射為MMS的讀響應(yīng)服務(wù)，最后，按照客戶(hù)端組織報(bào)文的流程將響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給客戶(hù)端。客戶(hù)端與服務(wù)器的信息交換通過(guò)MMS服務(wù)提供者來(lái)實(shí)現(xiàn)，其核心是制造報(bào)文協(xié)議機(jī)（MMPM）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，介紹了智能變電站中漏電保護(hù)構(gòu)造方案，通過(guò)構(gòu)造單間隔線路信息模型，建立了漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)模型，具體分析了漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)所包含的內(nèi)部信息，建立了漏電保護(hù)通信服務(wù)模型。在此基礎(chǔ)上，研究了智能變電站漏電保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的通信問(wèn)題，采用電子式互感器配置合并單元的方式采集電壓電流值；應(yīng)用GOOSE跳閘報(bào)文發(fā)送跳閘命令；通過(guò)MMS通信服務(wù)將漏電選線結(jié)果上傳后臺(tái)管理統(tǒng)，為解決智能變電站中漏電保護(hù)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

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