行波故障測距裝置的IEC61850標準通信建模

向珉江，趙嫄

（1.濟南供電公司，山東濟南250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東濟南250021）

·試驗研究·

行波故障測距裝置的IEC61850標準通信建模

向珉江1，趙嫄2

（1.濟南供電公司，山東濟南250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東濟南250021）

IEC61850是世界統(tǒng)一的智能變電站通信協(xié)議，實現(xiàn)其通信首先要建立起符合IEC61850標準的通信模型。IEC61850規(guī)定了智能電子設(shè)備“服務器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點—數(shù)據(jù)對象—數(shù)據(jù)屬性”的五層信息模型體系，根據(jù)輸電線路行波故障測距的技術(shù)特點，擴展定義了行波故障測距裝置邏輯節(jié)點RTWL及其包含的數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性，建立完整的五層信息模型。在此基礎(chǔ)上定義行波故障測距裝置的信息服務內(nèi)容，對其含義、通信模式、通信方式等進行討論。

行波故障測距；IEC61850建模；信息模型；信息服務；邏輯節(jié)點

0 引言

輸電線路故障行波是線路發(fā)生故障后產(chǎn)生的一種電磁波，它沿著線路以光速前進，在遇到不連續(xù)點發(fā)生反射。雖然行波是一種短時的突變信號，卻包含了幅值、極性、方向等豐富的故障信息。行波還具有不受過渡電阻、系統(tǒng)運行方式等影響的優(yōu)點，目前在傳統(tǒng)變電站中已經(jīng)實現(xiàn)了行波故障測距的應用，實踐證明其定位精度優(yōu)于傳統(tǒng)工頻量的測距方法［1］。

智能變電站作為新一代變電站具有顯著的優(yōu)勢，其關(guān)鍵技術(shù)之一是采用了IEC61850通信標準，目的是實現(xiàn)裝置間的互操作。具體來講，IEC61850采用了面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，依照“服務器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點—數(shù)據(jù)對象—數(shù)據(jù)屬性”的層級關(guān)系來建立通信模型，實現(xiàn)對裝置功能的描述，由此不同裝置間就可以實現(xiàn)相互的理解［2］。裝置的通信模型與具體的通信協(xié)議是無關(guān)的，將通信模型轉(zhuǎn)化為具體通信協(xié)議的過程稱為映射，IEC61850建模實現(xiàn)了裝置功能與具體通信協(xié)議的解耦［3］。

建立符合IEC61850標準的通信模型是實現(xiàn)通信首要且關(guān)鍵的一步。目前對IEC61850建模的研究多集中于繼電保護、合并單元、電子式互感器等裝置上，還鮮有針對行波故障測距裝置的報道。本文在分析IEC61850面向?qū)ο蠼Ｋ枷氲幕A(chǔ)上，實現(xiàn)對行波故障測距裝置的建模，明確了其信息模型、信息服務等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 實現(xiàn)IEC61850標準通信的步驟

圖1展示了從裝置到通信模型，再到具體通信協(xié)議以實現(xiàn)IEC61850通信的全過程，前一個過程稱為建模，后一個過程稱為映射。面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷刖褪菍⒚總€對象封裝成屬性和服務兩個部分，其中屬性描述了對象的外部可視性，服務則提供了訪問對象屬性的方法，因此裝置的通信模型是由信息模型和信息服務兩部分組成（也有論文將兩者統(tǒng)稱為信息模型的）。信息模型按“服務器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點—數(shù)據(jù)對象—數(shù)據(jù)屬性”的結(jié)構(gòu)對裝置功能進行描述，是對象的屬性。在此基礎(chǔ)上定義了信息服務功能——抽象通信服務接口ACSI（AbstractCommunication Service Interface），ACSI是對通信方式的描述。信息模型是基礎(chǔ)，信息服務是目標。

圖1 IEC61850建模過程示意圖

通信模型從邏輯上能完整的描述各裝置的功能及通信，形成了一張完善的“邏輯圖”，這種從“裝置—邏輯圖—通信協(xié)議”的過程使邏輯圖完全獨立于通信協(xié)議，不會因通信協(xié)議的變化而改變。具體來講，要實現(xiàn)對裝置的IEC61850標準通信，需要遵循以下幾個步驟［4］。

步驟1：建立目標對象的信息模型，即“服務器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點—數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)屬性”的五層信息結(jié)構(gòu)，它描述了對象的成員和架構(gòu)。

步驟2：定義目標對象的信息服務，即根據(jù)標準已定義的14類ACSI確定目標對象的信息服務功能，它描述了外部的操作、訪問、控制等信息交換方法。

步驟3：最后將信息服務映射到具體通信協(xié)議上，實現(xiàn)具體的通信功能。

本文僅對行波故障測距裝置的建模理論進行探討，不涉及通信的最終實現(xiàn)，因而本文僅對前兩個步驟進行討論。

2 信息模型

信息模型的定義必須保證唯一性，才能使計算機能自動識別，這構(gòu)成了IED設(shè)備互操作的基礎(chǔ)。IEC61850定義的信息模型的特點是結(jié)構(gòu)化、層次化，如圖2所示，從高到低的5個信息等級是服務器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性。1臺服務器可以包含多個邏輯設(shè)備，而1臺邏輯設(shè)備又可以包含多個邏輯節(jié)點，以此類推。

圖2 IEC61850信息模型的五層結(jié)構(gòu)

2.1 服務器和邏輯設(shè)備

服務器是信息模型的最高級，通常1臺實際的裝置就可以看成1臺服務器。邏輯設(shè)備通常可按設(shè)備的功能和通信目標來進行劃分，例如保護測控一體化裝置就可以建立為1臺服務器下包括保護、測量和控制3個邏輯設(shè)備。可以看出，服務器和邏輯設(shè)備并不代表特定的功能含義，而更多的表現(xiàn)為實現(xiàn)對邏輯節(jié)點的分類，根據(jù)IEC61850標準它們的名稱可由用戶自行定義。

2.2 邏輯節(jié)點

邏輯節(jié)點是邏輯信息的關(guān)鍵載體，是IEC61850中規(guī)定的交換數(shù)據(jù)功能的最小單位，每個邏輯節(jié)點代表特定的信息。根據(jù)應用需求，IEC61850-7-4部分定義了5類13組，共約90個邏輯節(jié)點，如：距離保護邏輯節(jié)點名為PDIS，保護配置邏輯節(jié)點名為PSCH。雖然標準對變電站各類裝置邏輯節(jié)點的定義已經(jīng)比較全面了，但遺憾的是卻并不包括行波故障測距的邏輯節(jié)點，好在標準規(guī)定了邏輯節(jié)點名的擴展定義辦法［5］。

1）其第1個字符應表征組別，應盡量選擇現(xiàn)有組別，當現(xiàn)有邏輯節(jié)點組不能滿足要求時才可新建；

2）其它3個字符應與新邏輯節(jié)點英文名稱相關(guān)，并便于記憶；

3）保證唯一性，不與已有的重復；

4）新邏輯節(jié)點應按照標準定義概念和屬性，在使用時加以說明。

根據(jù)上述原則，本文定義行波故障測距邏輯節(jié)點名為RTWL，每個字符及其含義見表1所示。考慮行波故障測距的功能，且滿足要求1）的規(guī)定，不新設(shè)新的組別，采用已有的組別（“保護相關(guān)邏輯節(jié)點”邏輯節(jié)點組），其第1個字符為R。

表1 邏輯節(jié)點RTWL的字符含義

2.3 數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性

新建邏輯節(jié)點名后，還需要進一步定義其數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性，仿照IEC61850-7-4部分對數(shù)據(jù)對象定義的表格形式，設(shè)計邏輯節(jié)點RTWL的數(shù)據(jù)對象如表2所示［6］。

表2 行波測距邏輯節(jié)點RTWL的數(shù)據(jù)對象信息

表中第1列為定義的數(shù)據(jù)對象名，其中測量值類的Tm1st、Tm2nd、TmSel、TmFar1、TmFar2為新定義的數(shù)據(jù)對象名，其余的為標準里其它邏輯節(jié)點中已定義的數(shù)據(jù)對象名。

第2列表示數(shù)據(jù)對象所屬的公共數(shù)據(jù)類，公共數(shù)據(jù)類表征了數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)屬性。由于IEC61850定義了數(shù)百個數(shù)據(jù)對象，如果再詳細定義每個數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)屬性，無疑將會是一件浩大的工程，同時也過于繁瑣而不便使用。事實上很多數(shù)據(jù)對象僅名稱不同，屬性是相通的，因此IEC61850定義了公用數(shù)據(jù)類，相同類型的數(shù)據(jù)對象將共同引用同一個類［6］。例如表中初始行波時刻Tm1st和反射波時刻Tm2nd都表征時間，按標準其它關(guān)于時間的數(shù)據(jù)對象的歸類方法，都屬INS（整數(shù)狀態(tài)）類。因此其余3個新定義的數(shù)據(jù)對象的屬性也都屬INS類。表中其它數(shù)據(jù)屬性分別為：測量值類MV、保護激活信息類ACT、模擬定值類ASG，查看標準7-3部分即可確定每類數(shù)據(jù)屬性的詳細含義。

第3列為含義的說明，考慮到對RTWL通用性的要求，對RTWL同時定義了A、B兩型行波測距法，以滿足兩類行波測距法的要求。考慮到B型行波測距法在T型接線方式下的特殊要求，設(shè)計了兩個對端行波到達時刻。此外，考慮到實際線路波阻抗與理論值往往有一定差別，從而會影響測量精度，故在定值類保留了線路正序、零序阻抗值的定義，并采用了定義法1（電阻+電抗）和定義法2（幅值+相角）兩種表述線路阻抗參數(shù)的方法，以方便選擇。

第4列表示是否需要跳閘（Trip），需要時標注T。由于行波測距僅反映故障位置，不直接作用于跳閘，故此列無需標注。

第5列表示該數(shù)據(jù)對象是否為邏輯節(jié)點RTWL所必須包含的，M表示必須，O表示可選。除故障距離FltDiskm是必選以外，其余各數(shù)據(jù)對象均為可選項。

3 信息服務

在建立好行波裝置的信息模型后，便可在此基礎(chǔ)上進行信息服務的建模。前文已經(jīng)介紹過信息服務建模并不是實現(xiàn)某種具體通信的過程，而是解決怎樣通信以及通信時交換哪些內(nèi)容的問題。信息服務建模的過程可以理解為實現(xiàn)邏輯上通信的過程，這種邏輯上的通信被稱為ACSI。根據(jù)不同應用的需求IEC61850定義了14類ACSI，行波故障測距裝置的信息服務從中進行選擇。

智能變電站中，與行波故障測距裝置存在通信聯(lián)系的有合并單元（MU，Merging Unit）和后臺系統(tǒng)。MU向行波故障測距裝置發(fā)送采樣值，行波測距裝置可向MU讀／寫數(shù)據(jù)。行波測距裝置向后臺系統(tǒng)發(fā)送報告，后臺系統(tǒng)也可向其讀測距結(jié)果數(shù)據(jù)。

目前對MU建模研究的文章很多［3，7］，本文建立了行波用MU信息模型，如圖3所示。在MU服務器模型中，建立了名為MU01的邏輯設(shè)備。由于目前行波測距裝置多基于電流行波信號，因此分相建立了3個關(guān)于電流信號的邏輯節(jié)點twaTCTR、twbTCTR、twcTCTR，每個邏輯節(jié)點下包含多個數(shù)據(jù)對象，如Amp（電流采樣值）、ARtg（額定電流）。在發(fā)送采樣值過程中，各邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)共同組成一個數(shù)據(jù)集，此外還需要設(shè)定采樣值控制塊（MSVCB，Multicast Sample Value Control Block）以對發(fā)送地址、發(fā)送頻率等信息進行控制。

圖3 行波故障測距裝置的信息服務模型

行波故障測距服務器TWL下建立了TWL01、TWL02兩個邏輯設(shè)備，分別代表A、B兩型行波測距方法，實際應用中可進行取舍。邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象等信息已經(jīng)在前文進行了描述，不再累述。

圖3共設(shè)計了①~⑥共6種ACSI，其中①為基于發(fā)布者／訂閱者模式，針對快速且可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務；其余ACSI基于客戶機／服務器模式，針對控制、讀寫數(shù)據(jù)值等功能服務。

①表示發(fā)送采樣值的ACSI，在發(fā)布者／訂閱者模式下，發(fā)布者向訂閱者發(fā)送信息，訂閱者不需要向發(fā)送者回饋信息，這樣的模式保證了很好的通信實時性。

②④表示客戶機向服務器讀數(shù)據(jù)的ACSI，②表示TWP向MU讀數(shù)據(jù)（如某時刻的采樣值），④表示BGS向TWP讀數(shù)據(jù)（如某次測距結(jié)果）。在這類ACSI中，客戶機率先發(fā)出請求（.req），服務器隨即做出響應（.rsp），這樣一來一回通信才得以完成，響應（.rsp）有正確響應或響應失敗之分。

③表示行波測距裝置向MU寫入控制塊數(shù)據(jù)的ACSI，它也通過“請求+響應”來完成服務。不同的是它會更改MU中的數(shù)據(jù)，例如對MU采樣值發(fā)送間隔等關(guān)鍵信息進行重新設(shè)置。

⑤表示報告ACSI，雖然它也是基于客戶機／服務器模式，但卻是單向的信息。報告可實現(xiàn)經(jīng)故障信息觸發(fā)后，立即向后臺系統(tǒng)報告的機制。它僅在需要時進行主動發(fā)送，減少了對網(wǎng)絡(luò)帶寬影響。

⑥表示后臺系統(tǒng)與行波測距裝置間其他數(shù)據(jù)交換的ACSI，包括寫數(shù)據(jù)、讀／寫數(shù)據(jù)集等。后臺系統(tǒng)與行波測距裝置之間的信息交換與繼電保護裝置類似，該部分技術(shù)已在智能變電站中實現(xiàn)了，因此不再累述。

圖3定義了行波測距裝置涉及的ACSI名稱，IEC61850-7-2部分為每個ACSI都詳細定義了通信時需要交換哪些數(shù)據(jù)，對照ACSI名即可查找到上述每個ACSI交換信息的具體內(nèi)容。至此基于IEC61850標準的完善通信模型建立起來了。

4 結(jié)語

在分析理解IEC61850面向?qū)ο蠼Ｋ枷牒吞攸c的基礎(chǔ)上，對行波故障測距裝置進行建模研究。根據(jù)技術(shù)要求擴展定義行波故障測距邏輯節(jié)點RTWL，完善它的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性，實現(xiàn)按“服務器—邏輯設(shè)備—邏輯節(jié)點—數(shù)據(jù)對象—數(shù)據(jù)屬性”模式的信息建模。在此基礎(chǔ)上進一步建立了各服務器間相互通信的抽象通信服務接口，完成了基于IEC61850標準的行波應用系統(tǒng)通信建模。下一步還需要研究模型的映射實現(xiàn)技術(shù)，尤其是要解決高速行波采樣數(shù)據(jù)的傳輸?shù)葐栴}。

［1］徐丙垠．利用暫態(tài)行波的輸電線路故障測距技術(shù)［D］．西安：西安交通大學，1991.

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［3］竇曉波，吳再軍，胡敏強，等．IEC61850標準下合并單元的信息模型與映射實現(xiàn)［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（2）：80-86.

［4］王麗華，江濤，盛曉紅，等．基于IEC61850標準的保護功能建模分析［J］．電力系統(tǒng)自動化，2007，31（2）：55-59.

［5］IEC61850，Communication networks and systems in substations［S］.

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［7］Cagil R.Ozansoy，Aladin Zayegh，Akhtar Kalam．Object modeling of data and dataSets in the International Standard IEC61850［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（3）：1140-1147.

［8］黃燦英．基于IEC61850標準的合并單元研究［D］．西安：西安科技大學，2008.

Communication Modeling of Travelling Wave Fault Location Device Based on IEC61850

IEC61850 is a unified communication standard for smart substations all over the world.Communication model of device based on IEC61850 should be built firstly.IEC61850 stipulates five layers model for intelligent electronic devices，such as servers，logical devices，logical nodes，data objects and data attributes.According to technical characteristics of transmission line travelling wave fault location，we defines logical node RTWL and its data object and data attributes for travelling wave fault location device.A complete five-layers information model has been established.On the basis of definitions，information services of travelling wave fault location device have been defined，and their meanings，communication modes，communication ways are discussed.

travelling wave fault location；IEC61850 modeling；information model；information service；logical node

TM771

：B

：1007－9904（2014）04－0001－04

2014-04-01

向珉江（1986—），男，博士，工程師，從事智能變電站、智能配電網(wǎng)的工作。