基于IEC61850的繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)研究

唐毅，王安寧，朱倩茹，黃德斌，李磊，李乃永

（山東電力調(diào)度控制中心，山東濟南250001）

·專題論述·

基于IEC61850的繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)研究

唐毅，王安寧，朱倩茹，黃德斌，李磊，李乃永

（山東電力調(diào)度控制中心，山東濟南250001）

針對繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)存在的與子站通信的智能裝置通信規(guī)約雜亂、子站與主站及主站與主站之間的通信規(guī)約缺乏、建設(shè)中存在大量的協(xié)調(diào)與調(diào)試工作使得該系統(tǒng)不能產(chǎn)生應(yīng)有的價值和效益等問題，提出將IEC61850標準擴展用于變電站外通信，并建成了兼容IEC61850標準的通信體系，規(guī)定無法兼容IEC61850的智能裝置接入系統(tǒng)的規(guī)范化方法，提出統(tǒng)一的系統(tǒng)配置維護方法，實現(xiàn)了主站系統(tǒng)的免維護。實踐證明，繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)技術(shù)體系和技術(shù)規(guī)范同時適用于傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站，突破了困擾該系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

IEC61850；繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)；技術(shù)體系

0 引言

繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)提出已近10年［1-8］，但大規(guī)模建設(shè)及運行維護仍存在很多問題。受制于設(shè)備現(xiàn)狀，子站需要具備與站內(nèi)所有智能裝置通信的能力，通信規(guī)約上有IEC61850、各種版本的IEC60870-5-103通信規(guī)約、各種廠家的私有規(guī)約，通信類型有以太網(wǎng)、485串口、CAN等。需要確定子站與主站之間、主站與主站之間的通信規(guī)約。目前可供使用的有IEC61850和IEC60870-5-103，但這些規(guī)約都僅適用于站內(nèi)通信，且無論采用哪種規(guī)約，都需要實施對其他規(guī)約信息的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)建設(shè)及運行維護中存在大量的協(xié)調(diào)、調(diào)試工作（如遠動信息點表核對工作），效率低質(zhì)量差，致使系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)難以展開，不能產(chǎn)生應(yīng)有的價值和效益。不同廠家、不同型號裝置的信息表或信息模型語義不統(tǒng)一，困擾高級應(yīng)用功能（如故障錄波數(shù)據(jù)調(diào)閱、定值自動校核）的開發(fā)及應(yīng)用。

針對上述問題，從通信技術(shù)體系、配置維護體系、二次信息語義體系3個方面對系統(tǒng)的技術(shù)體系進行完整的研究，根據(jù)IEC61850標準及其擴展標準IEC61400-25-4，制定了繼電保護信息的技術(shù)體系及成套通信技術(shù)規(guī)范，并建成以省級、地級主站、各級子站的分級系統(tǒng)為主框架的、覆蓋傳統(tǒng)變電站和智能變電站的山東電網(wǎng)繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)，實踐了通信技術(shù)體系、配置維護體系、二次信息語義體系的技術(shù)特征，驗證了繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)技術(shù)體系和技術(shù)規(guī)范的可行性、完整性。主要內(nèi)容：基于IEC61400-25-4規(guī)定了映射到Web Sevice的用于站外通信的特定通信服務(wù)映射（SCSM），建成了與IEC61850標準兼容的通信體系，用于子站與主站以及主站之間的通信；將IEC61850抽象通信服務(wù)接口（ACSI）中提供的過程層服務(wù)映射為非IEC61850規(guī)約的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元來交換信息，并對智能裝置信息建模方法和二次信息語義進行了統(tǒng)一規(guī)定，擴展了IEC61850在二次系統(tǒng)應(yīng)用的語義約定和建模約束，規(guī)定了非IEC61850兼容智能裝置接入系統(tǒng)的規(guī)范化方法；提出了統(tǒng)一的系統(tǒng)配置維護方法，包括采用IEC61850的SCL語言作為配置描述語言、采用配置文件的解析作為主站數(shù)據(jù)庫生成的方法、采用變化通知的方式保證主站、子站一致性等，實現(xiàn)了主站系統(tǒng)的免維護。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)節(jié)1指智能裝置與子站系統(tǒng)的通信，屬于站內(nèi)通信系統(tǒng)的范疇，應(yīng)遵循相應(yīng)的變電站通信標準，即子站按照裝置自身的通信規(guī)約與裝置進行通信，本系統(tǒng)對環(huán)節(jié)1的通信不作統(tǒng)一規(guī)定。

子站負責(zé)與所有接入的各種智能裝置通信，并經(jīng)綜合處理后向主站上傳所需的信息。子站具有智能裝置信息封裝功能，按照統(tǒng)一規(guī)定的信息“封裝”方法將智能裝置信息轉(zhuǎn)換為符合IEC61850標準的信息模型及服務(wù)，屏蔽了各種智能裝置通信協(xié)議和通信語義的差異性。

環(huán)節(jié)2指站內(nèi)子站系統(tǒng)與主站系統(tǒng)的通信。主站與所有接入的子站通信并向主站用戶提供錄波數(shù)據(jù)調(diào)閱、定值自動校核等高級應(yīng)用功能。主站具有信息代理功能，負責(zé)將直連子站的智能裝置信息根據(jù)需要向其他主站轉(zhuǎn)發(fā)。

環(huán)節(jié)3指主站系統(tǒng)之間的通信。

對于環(huán)節(jié)2、環(huán)節(jié)3，需要解決的關(guān)鍵問題是選擇能夠承載變電站所有數(shù)據(jù)的，具備應(yīng)用解析支持能力的變電站與調(diào)度中心、調(diào)度中心與調(diào)度中心的通信協(xié)議。

顯然，基于IEC60870-5-101／103的協(xié)議不能滿足上述要求，但IEC61850標準不僅能夠統(tǒng)一裝置與裝置之間、裝置與站層之間的通信，并具備了互操作性、免維護等特征，符合技術(shù)發(fā)展方向，能夠解決系統(tǒng)大規(guī)模建設(shè)及運行維護存在的問題，與系統(tǒng)建設(shè)目標一致。由于IEC61850是站內(nèi)智能裝置（IED）之間的通信標準，還需要研究基于IEC61850技術(shù)體系的變電站與調(diào)度系統(tǒng)之間的通信標準。通過借鑒和擴展IEC61850標準，制定了關(guān)于繼電保護及故障信息系統(tǒng)的成套技術(shù)規(guī)范，允許不同廠家生產(chǎn)的子站、主站能夠互聯(lián)互通。

2 通信技術(shù)體系

通信技術(shù)體系主要包括通信規(guī)約和通信機制兩部分內(nèi)容。

2.1 通信規(guī)約

系統(tǒng)采用的通信分層體系結(jié)構(gòu)與IEC61850具有一致性，如圖2所示。

圖2 通信技術(shù)體系分層結(jié)構(gòu)

通信技術(shù)體系的技術(shù)主體基于IEC61850，由信息模型、抽象通信服務(wù)和協(xié)議棧3個層次構(gòu)成。其中，信息模型與IEC61850一致。

2.1.1 抽象通信服務(wù)

抽象通信服務(wù)方法定義了服務(wù)方法的語義以及調(diào)用這些服務(wù)方法的操作（包括請求和應(yīng)答中的參數(shù)）。本文所采用的抽象通信服務(wù)方法是IEC61850-7-2規(guī)定的抽象通信服務(wù)（ACSI）的一個子集，即不包括通用變電站事件、采樣值傳輸?shù)葘Ｓ糜谡緝?nèi)裝置之間的高速響應(yīng)服務(wù)方法。系統(tǒng)規(guī)定強制支持的抽象通信服務(wù)模型類及方法如表1所示。

表1 強制抽象通信服務(wù)對象模型與服務(wù)方法

2.1.2 協(xié)議棧及特定通信服務(wù)映射

IEC61850標準規(guī)定了MMS協(xié)議棧及特定通信服務(wù)映射。MMS協(xié)議棧需要通信雙方對信息結(jié)構(gòu)的定義嚴格保持一致［9］。然而，圖1中環(huán)節(jié)2、環(huán)節(jié)3是一種變電站之外的通信，需要管理大量的IED數(shù)據(jù)類型。若采用MMS映射，需要維護大量的數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)［10］（對于同一種數(shù)據(jù)對象或數(shù)據(jù)屬性的結(jié)構(gòu)定義也可能不同），增大了系統(tǒng)維護的難度和運行開銷，增加了系統(tǒng)出錯的可能性。若采用XML映射，接收方可以不需要檢查數(shù)據(jù)的類型定義，就能對數(shù)據(jù)進行完整解析。

為滿足信息遠程傳輸?shù)男枰x擇了基于XML的通信，并且根據(jù)IEC61400-25標準采用了SOAP協(xié)議棧，給出了統(tǒng)一的WSDL形式的接口描述。兩種特定通信服務(wù)映射（SCSM）的主要差異如表2所示。

表2 兩種特定通信服務(wù)映射（SCSM）的主要差異

2.2 通信機制

通信機制規(guī)定了分級主站之間的代理傳輸機制、變電站裝置的信息封裝方法、通信過程約定等內(nèi)容。

2.2.1 分級代理機制

分級代理機制是以圖2中通信服務(wù)為基礎(chǔ)的代理機制，旨在實現(xiàn)圖3所示的信息代理傳輸和信息共享。

圖3 數(shù)據(jù)共享特征示意圖

將子站、各級主站均視為站內(nèi)智能裝置的代理，通過信息的匯總逐級向上提供信息服務(wù)，以及支持主站之間橫向的數(shù)據(jù)共享。為了建立這種機制，系統(tǒng)規(guī)定子站、各級主站信息模型中必須包括支持事務(wù)通信的功能，同時也規(guī)定子站、各級主站通過匯總下級系統(tǒng)通信配置自動形成智能裝置通信服務(wù)代理等。

2.2.2 信息傳輸機制

系統(tǒng)的通信過程包括智能裝置接入、子站信息傳送、主站之間信息的轉(zhuǎn)發(fā)等，如圖4所示。為實現(xiàn)上述通信過程，建立了如下的信息傳輸機制。

1）對系統(tǒng)內(nèi)所有涉及到的對象建立全局標識，以保證對象在系統(tǒng)范圍內(nèi)的唯一性。

2）對廠站內(nèi)接入的各種智能裝置的信息進行封裝，以封裝后的信息模型為基礎(chǔ)，按照2.1.2的信息交換方法向上提供服務(wù)。封裝后的信息模型及配置的信息交換服務(wù)均采用IEC61850-6規(guī)定的SCL進行描述。針對兼容IED信息、非兼容IED裝置信息以及過程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別規(guī)定了相應(yīng)的封裝方法。

3）對封裝后的智能裝置的信息和服務(wù)進行代理，提供應(yīng)用網(wǎng)關(guān)級的數(shù)據(jù)訪問，以實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)訪問、提高信息的安全性、減少對智能裝置的頻繁訪問、優(yōu)化信息流量。

4）對系統(tǒng)的通信配置和通信保持信號，建立一種統(tǒng)一的傳遞機制，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動更新和通信狀態(tài)監(jiān)視。

5）由于IEC61850采用名稱作為對象標識，只能保證站內(nèi)唯一性，因此必須具備區(qū)分所有對象的機制。系統(tǒng)規(guī)定采用URI作為全局唯一標識，以適應(yīng)系統(tǒng)的分布式維護。

圖4 智能裝置信息傳輸過程示意圖

3 配置維護體系

配置維護體系面向系統(tǒng)的工程實施環(huán)節(jié)，體現(xiàn)為變電站的建模和主站、子站負責(zé)通信的智能裝置的建模。本文描述繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)配置維護模式如圖5所示，主要包括采用IEC61850 SCL語言作為配置描述語言、采用配置文件的解析作為主站數(shù)據(jù)庫生成的方法、采用變化通知的方式保證主站、子站一致性等。

配置維護體系能夠使維護工作簡化為變電站端的智能裝置信息模型維護，子站和主站僅僅需要召喚配置模型輸入即可正常通信，無需人工維護，大大簡化了系統(tǒng)的調(diào)試過程。

圖5 系統(tǒng)配置維護模式

4 二次信息語義體系

為了屏蔽不同廠家、不同型號的智能裝置信息語義的差異性，支持對常用的約定俗成的信息的正確、完整的語義表達；保證信息語義的一致性；具備一致的語義擴展機制，基于IEC61850模型結(jié)構(gòu)，繼承IEC61850的語義體系，增加LD（邏輯設(shè)備）實例、LN（邏輯節(jié)點）實例層面的詞匯約定，擴展IEC61850所缺少的LNCLASS，補充DO（數(shù)據(jù)對象）層面的詞匯約定，并基于IEC61850層次上下文，表達信息語義的多角度特征。

采用IEC61850的層次結(jié)構(gòu)，總體上約定的語義字典條目大大減少，信息語義表現(xiàn)為LN／DO／DA的上下文關(guān)系。

4.1 LN層次

LNCLASS承載的是功能元件類型的語義，僅對IEC61850所沒有約定的元件功能擴展了一定數(shù)量的LNCLASS。

IEC61850沒有對LN實例進行語義約定，例如：PDIS的實例并不具有“I段”、“II段”、“相間”、“接地”等語義，為了承載這些語義，并體現(xiàn)信息語義角度的多樣性特征，方案采用在LN實例名稱上增加多前綴的方法進行描述。為了減少LN實例的前綴數(shù)量，方案允許在LD實例名稱上增加前綴。這就意味著，建立在特定LD下的LN及以下層次均具有LD名稱所表達的語義的上下文，例如以PTRC表現(xiàn)的“出口”就具有“縱聯(lián)出口”、“距離出口”、“零序出口”、“失靈出口”的語義。

4.2 DO層次

DO名稱承載專業(yè)語義，例如：動作、啟動，為了表達目前使用中的信息語義，IEC61850對LN擴展DO的體現(xiàn)僅僅是LN結(jié)構(gòu)的變化，不具有約定的語義。規(guī)定對IEC61850所缺少的DO名稱進行了擴展。

4.3 CDC、DA及枚舉值

CDC（通用數(shù)據(jù)類型）、DA（數(shù)據(jù)屬性）承載的是基于數(shù)據(jù)類型的語義（相當(dāng)于SCADA系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)語義），例如：雙點狀態(tài)、單點狀態(tài)，模擬量定值、狀態(tài)量定值，時標、品質(zhì)等，IEC61850對其定義比較完善，不需要擴展。

4.4 枚舉值

枚舉值承載數(shù)據(jù)值的語義，如：開、合，投入、退出等專業(yè)語義，IEC61850對其定義比較完善，不需要擴展。

上述二次信息語義體系適用于中國國內(nèi)大量采用IEC60870-5-103／104、廠家私有規(guī)約等非IEC61850通信的變電站智能裝置的信息建模，能夠通過IEC61850的層次上下文關(guān)系，完整的表達目前變電站所有的信息語義，解決了傳統(tǒng)裝置信息語義的差異性問題。

5 應(yīng)用情況

依據(jù)上述技術(shù)體系的研究成果及所編制的成套技術(shù)規(guī)范，基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)建設(shè)了以省級、地級主站、各級子站的分級系統(tǒng)為主框架的山東電網(wǎng)繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)（主子站互聯(lián)原則為：地級主站直接接入220 kV及以下的子站，并向省級主站轉(zhuǎn)發(fā)信息，省級主站直接接入500 kV子站），如圖6所示。實踐了通信技術(shù)體系、二次信息語義體系、配置維護體系的技術(shù)特征，實現(xiàn)了自動故障分析及可視化展示、自動定值校核等高級應(yīng)用功能，驗證了繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)技術(shù)體系和技術(shù)規(guī)范的可行性、完整性。

圖6 山東電網(wǎng)繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.1 自動故障分析及可視化展示

利用系統(tǒng)收到的保護、錄波裝置的動作事件報告和錄波數(shù)據(jù)，分析出故障的時間、位置、類型、相別以及保護動作情況、重合過程等信息，主動向調(diào)度員推送分析結(jié)果，同時提供以電網(wǎng)接線圖為背景的顯示畫面將故障發(fā)展過程中各種電氣量、開關(guān)量的變化過程進行直觀展示。本功能的實現(xiàn)主要基于二次信息語義體系。

5.2 自動定值校核

利用系統(tǒng)在調(diào)度主站召喚保護裝置當(dāng)前的定值清單及每項的數(shù)據(jù)值，與主站整定數(shù)據(jù)庫中同一個裝置的定值數(shù)據(jù)進行逐項比較，發(fā)現(xiàn)不一致時給出告警。該功能可分別以定期校核、按需要校核兩種模式進行工作。本功能的實現(xiàn)基于通信技術(shù)體系及配置維護體系。

部署在山東電網(wǎng)的繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)運行良好，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了有效作用。

6 結(jié)語

從通信技術(shù)體系、配置維護體系、二次信息語義體系三個方面對系統(tǒng)的技術(shù)體系進行完整的研究，通過借鑒和擴展IEC61850標準，制定了繼電保護信息的技術(shù)體系及成套通信技術(shù)規(guī)范。實踐證明，本文提出的繼電保護與故障信息管理系統(tǒng)技術(shù)體系和技術(shù)規(guī)范具有可行性、完整性，同時適用于傳統(tǒng)變電站和智能變電站，突破了困擾該系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。繼電保護及故障信息系統(tǒng)技術(shù)體系研究和系統(tǒng)實踐項目榮獲山東省科學(xué)技術(shù)進步一等獎。

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［2］袁宇波，丁俊健，陸于平.基于Internet／Intranet的電網(wǎng)繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25（17）：39-42.

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Management Information System for Protective Relaying and Fault Recorder Based on IEC61850

There are many problems impeding management information system for protective relaying and fault recorder largescale application，such as，variety of communication protocols between the slave system and IEDs inside of substation，shortage of communication protocols between slave system and master system and that between master systems outside of substation，huge amount of work on checking the point table of remote information during the process of its construction，etc.To solve the above issues，IEC61850 for substation communication is proposed，the communication system compatible with IEC61850 is built，the standardization of methods not compatible with IEC61850 intelligent device are set，and the unified system configuration and maintenance method is proposed to achieve master system maintenance-free.The practice shows that the management information system for protective relaying and fault recorder is feasible for both digital substation and traditional substation，and breaks through the technical bottleneck of the large-scale application.

IEC61850；management information system for protective relaying and fault recorder；technical architecture

TM774

：B

：1007－9904（2014）04－0013－05

2014-03-24

唐毅（1970—），男，高級工程師，從事繼電保護整定計算和管理工作；

王安寧（1980—），女，高級工程師，從事繼電保護整定計算和管理工作；

朱倩茹（1969—），女，高級工程師，從事繼電保護整定計算和管理工作；

黃德斌（1962—），男，高級工程師，從事繼電保護整定計算和管理工作。