基于IEC61850標準的牽引 變壓器保護裝置的建模研究

童 鐳 楊小磊 許武松 王 俊

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

1 引言

IEC61850標準是國際電工委員會制定的變電站自動化通信結構體系的一個國際標準。它是為了方便變電站中各種IED的管理以及設備間的互聯而提出。IEC61850的特點是：①面向對象建模；②抽象通信服務接口；③面向實時的服務；④配置語言；⑤整個電力系統的統一建模。該標準極大地提高了變電站自動化水平，提高了系統安全穩定運行水平，節約了開發和維護的成本，實現了完全的互操作性。

而為了達到變電站內各種裝置信息交換的目的，IEC61850標準通信協議采用了對IED（智能電子設備）統一建模的方法。因此，變電站內的IED設備在實現IEC61850標準時，要做的工作之一是把本設備中的信息數據按照標準的要求，完成數據建模。本文所做的工作是以牽引變壓器保護裝置為列，依照IEC61850標準，對智能電子設備的建模過程和步驟進行了討論。

2 IED數據模型分析

邏輯節點（Logical Node,LN)是IED模型內用于信息交換的最小功能單元。IEC61850把裝置所有的功能分解成邏輯節點，這些節點可以分布在一個或者多個物理裝置上。邏輯節點間以邏輯連接，用來進行邏輯節點間的數據交換。而每個邏輯節點都包含有一組數據對象（Data Object，DO），數據對象是最小的信息單元。每個數據對象又包含一組特殊的數據屬性（Data Attribute，DA）。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（Logic Device,LD),一個或者多個的邏輯設備就構成了IEC61850規定的服務器（server），而一個或者多個server就構成一個IED。用戶通過抽象通訊服務接口（AbstractCommunication Service Interface,ASCI)訪問IED上的server，與IED進行信息交換。即采用的是客戶/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

3 牽引變壓器保護裝置的功能分析

以傳統牽引變壓器保護裝置為列，分析一個IED的功能。可以將牽引變壓器保護裝置按功能分為變壓器主保護裝置、變壓器后備保護裝置、變壓器測控裝置等。以變壓器后備保護裝置為例，對其功能配備相應的邏輯節點。變壓器后備保護具有：保護功能（高側A相過電流保護對應邏輯節點PTOC1，高壓側B相過電流保護對應邏輯節點PTOC2……）；測量功能（測量邏輯節點，計算高壓側三相電流、三相電壓對應邏輯節點MMXU……)；開關功能（高壓側斷路器對應邏輯節點XCBR1……）；傳感器功能（高壓側A相電流互感器對應邏輯節點TCTR1）；遙信功能（開入對應邏輯節點GGIO1）；自檢功能（開出對應GGIO25）；其他功能（變壓器類型對應GGIO52）。

4 牽引變壓器保護裝置數據建模的實現

4.1 服務器和邏輯設備建模

對牽引變壓器保護裝置功能分析完畢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server，它至少包含一個LD。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。根據牽引變壓器功能的不同可以將其分為三個LD，它們分別為：變壓器主保護裝置（LD1）、變壓器后備保護裝置（LD2）、變壓器測控裝置（LD3），如圖2所示。

圖2 服務器和邏輯設備建模圖

根據第3章所分析的IED的功能，對變壓器后備保護裝置進行具體的邏輯節點數據建模如表1所示。

表1 變壓器后備保護裝置邏輯節點建模數據表

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）；功能邏輯節點。LLN0和LPHD都是惟一的，功能邏輯節點至少要有一個。邏輯節點內的數據（Data）和數據屬性（Data-Attribute）可采用IEC61850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。如果標準的定義的數據不能滿足需要，就需依照IEC61850標準對兼容數據類擴展的規定，創建新的數據。表1中每類邏輯節點只列舉了一個用以舉列說明，實際工程中每類邏輯節點還有很多，根據表1，具體邏輯節點建模舉列如圖3所示。

圖3 變壓器后備保護裝置邏輯節點建模圖

4.2 邏輯節點的建模

邏輯節點是一個具有交換數據功能的最小單位。結合本IED的需要，對變壓器后備保護裝置（LD2）下的保護邏輯節點PTOV（進線失壓）進行數據建模舉列如表2所示。

表2 邏輯節點PTOV建模數據表

在邏輯節點PTOV中包含8個數據，表2中M表示這個數據屬性是必選的，O表示可選。LNName表示的是邏輯節點名，LNRef為邏輯節點的唯一路徑。Mod說明了邏輯節點PTOV的工作模式，Beh表述邏輯節點POTV的性能，Health描述邏輯節點PTOCV相關的軟硬件狀態，NamePlt描述了邏輯節點PTOV的銘牌。Str和Op是邏輯節點的狀態信息。STrval和PoDITmms是邏輯節點的整定值信息。具體建模實列如圖4和圖5所示。

圖4 邏輯節點PTOV建模圖

圖5 邏輯節點PTOV建模圖

4.3 確定數據

對4.2節的8個數據要分別進行定義，如數據Op的類型是ACT（Protection Activation Information），Op定義如下表3所示。

DataName是數據名，DataRef是數據路徑。Presence屬性為BOOLEAN它有兩個參數：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。Op.General，Op.Q，Op.T，Op.D，都有不同的屬性用以描述數據。至此，從IED的服務器到數據屬性的建模過程都已經完成。

4.4 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是一種特殊的XML文檔，它遵循XML的基本語法規則。IEC61850中的XML-Schema描述了變電站配置語言文檔的結構，定義了文檔中標記的語法規則，嚴格規定了以它為標準的所有自描述文檔樹狀層次結構的全部細節，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變壓器保護裝置模型，可以根據XML-Schema進行定義。由于篇幅的原因具體的描述語言在此就不累述，僅對建立起的描述文件進行驗證，其中語法驗證如圖 6 所示。最后，還要對建立起的整個模型所具有的應用功能進行驗證，看它是否符合IEC61850標準，功能驗證如圖 7所示。

圖6 對建立起的描述文件語法驗證圖

圖7 對建立起的模型應用功能驗證圖

5 結論

基于IEC61850的IED數據建模的研究和實現具有重要的意義，是IEC61850標準用于應用的核心內容。本文通過對牽引變壓器保護實際建模，闡明了IED建模的步驟和方法，該方法具有一般性，對實際工程的建模具有很好的指導意義。我國的變電站自動化系統和IED具有一些特殊性，在實際的建模過程中不可避免的會遇到一些問題，對此還要繼續進行研究，提出切實可行的方案。

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