基于IEC61850智能斷路器IED建模及通信接口設(shè)計分析＊

徐謙

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基于IEC61850智能斷路器IED建模及通信接口設(shè)計分析＊

徐謙

（湖南工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104）

智能斷路器的智能化水平、通信作業(yè)效果決定了其工作質(zhì)量，要求以國際標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩給予分析和優(yōu)化。基于此，以IEC61850智能斷路器作為對象，分別就其IED建模及通信接口設(shè)計展開分析，給出模型構(gòu)成、降維訓(xùn)練法、多邏輯節(jié)點、混合式通信接口設(shè)計等內(nèi)容，通過模擬實驗對模型工作流程進(jìn)行模擬，論證上述理論，并為后續(xù)具體工作的開展提供支持。

智能斷路器；降維訓(xùn)練法；邏輯節(jié)點；通信接口

智能斷路器是一種智能數(shù)字化工作設(shè)備，一般位于斷路器正面，該設(shè)備采用五連桿的自由脫扣器機(jī)構(gòu)，并設(shè)計成儲能形式，一般處于預(yù)儲能位置，接到合閘命令，斷路器就能立即瞬時閉合，保證電力系統(tǒng)工作的安全性。隨著我國各地電力系統(tǒng)全面向智能化邁進(jìn)，以IEC61850為基準(zhǔn)，進(jìn)行智能斷路器的IED建模和通信接口設(shè)計分析，能夠使各項理論得到明晰，具有較為突出的現(xiàn)實意義。

1 基于IEC61850智能斷路器的IED建模

1.1 模型構(gòu)成

基于IEC61850的智能斷路器IED建模，要求保證斷路器滿足“智能”的基本要求，還要求設(shè)備能夠滿足通信、傳感、報警和應(yīng)急處理等基本工作需要。以此為視角，模型應(yīng)由4大部分構(gòu)成，即單片機(jī)、傳感器、通信系統(tǒng)和附屬設(shè)備。單片機(jī)是智能斷路器的核心，主要負(fù)責(zé)記憶各類工作指令和默認(rèn)程序。傳感器屬于執(zhí)行構(gòu)件，在智能設(shè)備中負(fù)責(zé)信息的實時收集[1]。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)將傳感器收獲信息傳輸給單片機(jī)，并將單片機(jī)的指令傳輸給其他執(zhí)行結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行問題處理和警報。附屬設(shè)備包括報警器、存儲系統(tǒng)等。

1.2 核心技術(shù)

基于IEC61850智能斷路器IED建模，核心技術(shù)包括機(jī)器訓(xùn)練法、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)、嵌入技術(shù)等。上述傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)均可納入計算機(jī)技術(shù)的范疇之內(nèi)。機(jī)器訓(xùn)練法是保證智能設(shè)備具備“智能”特點的關(guān)鍵，以下將具體論述。數(shù)據(jù)處理技術(shù)也稱數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在智能系統(tǒng)的工作中，數(shù)據(jù)始終處于核心位置，比如建模過程中涉及到的基本參數(shù)、邊界參數(shù)、模糊控制數(shù)據(jù)、積累數(shù)據(jù)等，這些原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過加工才能生成具有明確邊界和規(guī)范工作能力的模型。集成技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)通過1塊芯片、1個工作系統(tǒng)或一鍵操作等方式實現(xiàn)多功能的高效集中，提升智能斷路器的工作效率。嵌入技術(shù)是指將一些附加功能以獨立設(shè)備的形式嵌入到智能斷路器中，比如數(shù)據(jù)積累技術(shù)，可將1塊能夠拆卸的外接式存儲卡嵌入智能斷路器中，實現(xiàn)大量原始數(shù)據(jù)的積累和自由調(diào)取[2]。

1.3 降維訓(xùn)練法

基于IEC61850智能斷路器IED建模，可通過降維訓(xùn)練的方式提升其甄別有效性。擬選取K近鄰算法作為機(jī)器訓(xùn)練法，通過大數(shù)據(jù)獲取2 000份以上工作樣本，每個樣本包括斷路器工作的所有關(guān)鍵維度，比如溫度、電流、電壓等[3]。以1個維度作為1個定義域，選取多個標(biāo)準(zhǔn)K點進(jìn)行計算，以各維度的極限值作為邊界K點，無論樣本中含有多少種不同變化，各維度都必然圍繞一個標(biāo)準(zhǔn)K點進(jìn)行作業(yè)，比如電流，以A表示電力系統(tǒng)額定電流，其實際工作中的電流變化將呈現(xiàn)為一個數(shù)列形式，表達(dá)方式為：=[－，…，－3，－2，－1，，，，，…，]，其中，作為電流定義域降維訓(xùn)練中的“K點”，－，則作為邊界值，完成電流維度的訓(xùn)練后，可進(jìn)行電壓、溫度等維度訓(xùn)練，方式相同。當(dāng)電力系統(tǒng)可以正常工作時，各維度均滿足邊界值范圍要求，智能斷路器不作業(yè)；反之則進(jìn)行警報和必要處理。選取的維度越多、樣本數(shù)據(jù)越精準(zhǔn)，智能斷路器的工作敏感性越強(qiáng)、性能越理想。

2 通信接口設(shè)計

2.1 多邏輯節(jié)點

基于IEC61850智能斷路器IED通信接口設(shè)計，其基本原則和要點是實現(xiàn)多個邏輯節(jié)點的同步工作。以一般性工作資料為基礎(chǔ)，獲取模型通信接口的4個關(guān)鍵節(jié)點及其對應(yīng)功能如表1所示。

2.2 單一通信接口設(shè)計

單一通信接口強(qiáng)調(diào)每一個接口獨立進(jìn)行信息傳輸，各線路之間互不影響。比如模型設(shè)備過流報警模塊和應(yīng)急處理模塊，過流報警模塊應(yīng)對小幅過流問題，通過報警方式，將實際電流值與標(biāo)準(zhǔn)值、差值、問題發(fā)生位置等傳輸給管理處，由人員進(jìn)行處理和檢修。

應(yīng)急處理模塊應(yīng)對大幅過電流問題，由于強(qiáng)電流可能造成較大的破壞，斷路器偵知該問題后，可直接予以應(yīng)急斷電處理。該模式下，不同節(jié)點各自對應(yīng)1個接口，不同問題的處理方式更加細(xì)化，但是運維工作的成本會增加。如果采取有線通信方式，還會占據(jù)過多的空間，采取無線通信的方式，則無法避免信號間干擾，對技術(shù)的要求高。

表1 模型通信接口的4個關(guān)鍵節(jié)點及其對應(yīng)功能

節(jié)點自動重合閘過流保護(hù)電壓保護(hù)頻率保護(hù) 功能自動合閘以及閉鎖處于電流瞬間過大問題處理異常電壓（過大/過小）處理異常頻率（超設(shè)定值）

2.3 混合式通信接口設(shè)計

混合式通信接口設(shè)計是目前較為常見的接口設(shè)計方式，強(qiáng)調(diào)將所有功能節(jié)點納入到統(tǒng)一的接口內(nèi)，集中進(jìn)行問題處理。目前該設(shè)計方案具有良好的可實現(xiàn)空間，在自動化作業(yè)的情況下，斷路器對問題的感知敏感性良好，無論模型監(jiān)測的對象存在何種故障，都可能埋下安全隱患，也需要給予處理，混合式通信接口可以針對任意故障進(jìn)行無差別的警報和處理，有利于第一時間將問題消除，避免人員處理效率不足、安全隱患累積的問題發(fā)生。混合式通信接口工作方式如圖1所示。

圖1 混合式通信接口工作方式

來自控制系統(tǒng)、傳感器以及單片機(jī)的各項指令均在系統(tǒng)中自由傳遞，可以更好地應(yīng)對干擾破壞問題。

3 模擬實驗

通過計算機(jī)建立模型環(huán)境，選取混合式通信接口設(shè)計，以參數(shù)模擬法進(jìn)行模型能力的測試，觀察指標(biāo)為問題識別率、問題處理時間、報警時間3個方面，可變參數(shù)包括溫度、電壓、電流3個方面。實驗共進(jìn)行70次，包括常規(guī)溫度、電壓、電流實驗10次，低溫度、電壓、電流實驗30次和高溫度、電壓、電流實驗30次，求取平均值進(jìn)行對比，實驗結(jié)果如表2所示。

從結(jié)果上看，除了高參數(shù)組出現(xiàn)2次問題無法識別的情況外，常規(guī)組和低參數(shù)組均能有效甄別問題。高參數(shù)組由于降維訓(xùn)練參數(shù)值不夠完善，導(dǎo)致問題未能得到判別，這也為后續(xù)降維訓(xùn)練工作提出了一定的思路，即加大數(shù)據(jù)收集力度和完善性。此外，低參數(shù)組和高參數(shù)組的問題處理時間、報警時間均較為理想。

表2 實驗結(jié)果

組別次數(shù)問題識別率/（%）問題處理時間/s報警時間/s 低參數(shù)30100.01.81.3 常規(guī)10——— 高參數(shù)3093.32.11.6

4 總結(jié)

綜上所述，以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)，智能斷路器將成為未來電力系統(tǒng)斷路器的主要模式，對其IED建模以及通信接口進(jìn)行分析十分必要。

建模工作需要以拓?fù)鋵W(xué)原理明確模型的構(gòu)成，以通信技術(shù)、智能技術(shù)、傳感技術(shù)作為核心，通過降維訓(xùn)練法保證其工作能力，接口設(shè)計上，需要保證多邏輯節(jié)點的同步作業(yè)，保證其通信質(zhì)量，模擬實驗對上述理論進(jìn)行了綜合證明，可作為后續(xù)具體工作的參考。

［1］田惠川.變電站智能斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測技術(shù)的研究［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2018，33（08）：93-95.

［2］蘇校冰，鄭圓.配網(wǎng)線路使用智能斷路器對小電阻接地系統(tǒng)的影響分析［J］.電子測試，2018（13）：126-127.

［3］張晨曦，李澤滔，趙忠斌.基于IGBT的低壓智能斷路器動作執(zhí)行模塊的研究［J］.新型工業(yè)化，2018，8（04）：64-70.

湖南省教育廳資助科研項目（項目編號：17C0395）

2095－6835（2018）21－0134－02

TM561

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.134

〔編輯：張思楠〕