基于IEC 61850 牽引所數字錄波裝置建模研究

楊小磊，曾曉璞，童 鐳

0 引言

數字化牽引變電所是未來變電站自動化技術發展的方向，錄波裝置也要適應數字化要求。牽引所的數字錄波裝置能夠準確地記錄系統在故障或非正常運行狀態下變電所高壓側和低壓側各相電壓、電流等電氣量信息以及開關設備和繼電保護的動作信息，完整地反映系統故障的發展過程。近年來，隨著高速鐵路的發展，各種短路故障的發生較以前變得日益嚴重和復雜，也使得對牽引所數字錄波裝置的研究具有重要的價值[1]。

IEC 61850 標準采用統一的數據對象對系統進行建模，達到了網絡傳輸無縫通信的要求，避免了繁瑣的各類協議轉換，實現了IED 設備間的互操作[2]。對整個錄波裝置統一建模，保證了符合標準的不同廠家的IED 工作于同一語義空間下，可以增強裝置的互操作性，達到信息交換的目的；另一方面通過整個錄波裝置統一建模，闡述IED 裝置之間和IED 裝置內部LN 之間的邏輯和時序關系，為下一步裝置硬件設計奠定良好基礎。因此，本文以牽引所數字錄波裝置為例，對如何在具體實現時建立該模型進行了研究，具有重大的研究意義。

1 數據模型分析

信息模型的屬性從上至下包括邏輯設備、邏輯節點、數據對象、數據屬性等4 個層次，采用客戶/服務器數據結構模型，如圖1 所示。

圖1 客戶/服務器數據結構模型框圖

邏輯設備主要由邏輯節點和附加服務組成一個虛擬設備，它主要用于一組特定功能的產生及相關使用信息。邏輯節點主要由數據對象、數據屬性及屬性列表組成，它是交換數據的最小單元，一個邏輯節點表示服務器一個基本功能或一組設備信息。數據對象從公用數據類繼承，是一個公用數據類的命名實例，它包含邏輯節點所具有的全部信息。數據屬性描述數據對象的內容，是信息模型中的最終承載者。數據和數據屬性的信息可以通過抽象服務進行交換。邏輯節點和一些邏輯節點之外的信息就構成了邏輯設備，一個或者多個邏輯設備構成了標準服務器，而一個或者多個服務器就是構成整個設備的模型。

2 數字錄波裝置的功能分析

錄波裝置模型按功能設有告警LD0、實時量Meas 和錄波Red 邏輯裝置，分別實現裝置自檢告警、各通道實時測量、錄波啟動與定值3 項功能。

3 錄波裝置建模方法

3.1 服務器和邏輯設備建模

完成錄波裝置功能分析后，就可以進行具體的數據建模了。首先將整個IED 建模成一個服務器，它至少包含一個邏輯設備。除了邏輯設備外，服務器還包括由通信系統提供的其他一些公共的基本組成部件，如應用關聯，時間同步，文件傳輸等。另外，服務器還具有服務器訪問點屬性，它是地址的抽象，用于在底層的特殊通信服務（SCSM）標識服務器。在IEC 61850 建模中，故障錄波裝置建模成3 個邏輯設備，一個通道對應一個邏輯節點，如圖2 所示。

圖2 設備模型結構圖

其中一個邏輯設備至少包括3 個邏輯節點：邏輯節點0（LLN0）、邏輯節點物理設備（LPHD）和功能邏輯節點。LLN0 和LPHD 都是唯一的，功能邏輯節點至少要有一個。邏輯節點內的數據和數據屬性可采用IEC 61850 標準定義的邏輯節點的數據屬性，只是根據實際需要，確定邏輯節點中可選數據屬性的取舍。如果標準定義的數據不能滿足需要，就需依照IEC 61850 標準對兼容數據類擴展的規定創建新的數據。

3.2 邏輯節點的確定

邏輯節點是一個具有交換數據功能的最小單位。根據國標規定，故障錄波裝置對電力參數進行記錄，主要包括以下指標：電壓、電流、組實時量及開關量的測量；電壓、電流、變壓器、組的錄波；裝置告警記錄。這些故障信息就構成了模型的邏輯節點。IEC 61850-7-4 中共定義了88 個邏輯節點，描述錄波裝置故障信息主要有以下節點：

（1）MMXN 表示測量邏輯節點，該節點用于描述基本的監測線路信息，如電壓、電流、頻率。

（2）GGIO 表示通用邏輯節點，用于描述開關量的實時測量記錄。

（3）RADR 表示模擬量錄波節點，用于描述模擬量擾動的記錄。

（4）RBDR 表示開關量錄波節點，用于描述開關量擾動的記錄。

（5）RDRE 表示通用錄波節點，用于描述通用擾動的記錄邏輯節點。

在確定邏輯節點后，裝置的測量、錄波信息、參數定值就可以一一對應到相應邏輯節點下的數據對象中。每個邏輯節點由具有特定數據屬性的數據構成，數據具有結構和已定義的相關語義，它包含在具有特定數據屬性的數據表中。

3.3 確定數據屬性

確定數據屬性需要數據表，下面給出牽引變壓器低壓電流值Amp 數據表，數據Amp 的類型是MV(Measured Value)，Amp 定義如表1 所示。

表1 數據Amp 包含的數據表

DataName 是數據名，DataRef 是數據路徑。 Presence 屬性為BOOLEAN，它有2 個參數：TURE和FALSE，當公共數據類型或邏輯節點內數據是必選（M）時，Presence 為TURE，否則為FALSE。Amp.mag ,Amp.q，Amp.t，Amp.units，Amp.d 都有不同的屬性用以描述數據，如表2 所示。

至此，從IED 的服務器到數據屬性的建模過程都已經完成。

表2 MV 對應的數據屬性表

3.4 模型的驗證

模型建立以后，需要使用XML-Schema 對其進行描述。XML-Schema 遵循XML 的基本語法規則，包括數據對象的嵌套關系、數據屬性的約束條件、取值范圍等，并且能夠檢驗自描述文檔的正確性和有效性。因此，對于文中所設計的牽引所數字錄波裝置模型，可以根據XML-Schema 進行定義。建模的最后，需要對建立起來的描述語言進行語法驗證，對整個裝置模型進行應用功能的驗證，看它是否符合IEC 61850 標準。

4 結束語

基于IEC 61850 的錄波裝置數據建模的研究和實現具有重要意義，是IEC 61850 標準用于應用的核心內容。本文通過對數字錄波裝置實際建模，闡明了錄波裝置建模的步驟和方法，該方法具有一般性，對建模具有很好的指導意義。

[1] 黨曉勇，曹毅峰.非常規互感器在數字化牽引變電所的應用[J].電氣化鐵道，2010.

[2] 許振明，等.基于IEC 61850 標準的電力系統的兩種建模方式[J].繼電器，2008，36（6）：55-58.

[3] 李俊剛，等.故障錄波裝置中IEC 61850 標準的研究與應用[J].電力系統保護與控制，2010.

[4] 廖澤友，孫莉，等.IED 遵循IEC 61850 標準的數據建模[J].繼電器，2006，34（20）：40-43.

[5] 陳麗華.基于IEC61850 的變壓器保護IED 的研究[D].西南交通大學碩士論文，2006.