基于IEC61850標準的分布式配電終端自描述信息模型研究

王風華，康童，朱吉然，齊飛，陳小強，譚飛

(1·同濟大學電氣工程系，上海201804；2·國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙410007；3·江蘇圣通電力新能源科技有限公司，江蘇 鎮江212400；4·東方電子股份有限公司，山東 煙臺264001)

0 引言

配電網作為電力供應系統最重要的環節，隨著我國經濟社會的快速發展，其落后性逐漸開始顯現，丞需推進我國配電網基礎設施建設的進程。配電自動化終端是配電網建設的基礎，其中配電自動化終端包括饋線終端(Feeder Terminal Unit，FTU)、配電站所終端(Distribution Terminal Unit，DTU)和配 變 終端(Transformer Terminal Unit，TTU)。配電自動化終端各單元與主站間主要采用IEC60870－5－101、IEC60870－5－104等通信協議進行信息交互[1－3]，但是，這些通信協議僅僅解決了配電終端各項監控數據的傳輸問題，對配電終端設備信息與監控數據的描述并未涉及[4]。因此，在配電終端設備投入使用之前，需要人工完成控制中心與終端數據點表之間的匹配，配電終端設備的初始配置和維護的難度增大，難以實現配電終端設備的即插即用[5－7]。

IEC61850標準由國際電工委員會頒布，是應用于變電站通信網絡和系統的國際標準，自頒發以來參考了許多其他相關標準的先進技術，受到電力系統自動化領域的認可，該標準已廣泛應用于配電自動化系統中。IEC61850標準具備以下三個特點:利用面向對象建模技術對變電站通信系統的功能進行建模；總結變電站內信息傳輸所需的通信服務，提出抽象通信服務接口的概念；提出基于可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML)的變電站配置描述語言(Substation Configuration Description Language，SCL)，可對整個電力系統進行統一建模，能夠實現設備自描述和即插即用技術，使不同廠家設備之間數據交互、互操作成為可能[8－11]?；贗EC61850標準對配電終端設備進行標準化建模，使其具備自描述功能，可以實現設備即插即用，從而極大地減輕運維工作量。目前，借鑒IEC61850面向對象的建模思想主要應用于饋線終端自描述方面[12]，對于配電環網柜分布式DTU仍缺乏具備實用性的自描述信息模型。

本文將IEC61850的面向對象建模方法引入到配電環網柜分布式DTU的自描述模型研究中，通過對配電環網柜分布式DTU功能進行梳理、分類，基于IEC61850標準建立分布式DTU信息模型，實現配電終端對配電系統的信息自描述，為配電環網柜分布式DTU設備的即插即用奠定基礎。

1 IEC 61850自描述建模方法簡介

IEC61850標準規范了電力系統內各智能電子設備(Intelligent Electronic Device，IED)之間的通信協議和相關要求。IEC61850是個龐大的標準體系，而不僅僅是一個通信協議，其具有以下三大核心內容，分別為變電站的信息分層結構、面向對象的數據建模方法、數據自描述[13－14]。建立配電終端設備的自描述信息模型是實現設備即插即用的基礎。

1.1 信息分層結構

IEC61850標準提出了變電站信息分層結構的概念，將變電站分層結構定義為變電站控層、間隔層以及過程層，且定義了不同層之間的接口[15]，分層模型如圖1所示。

圖1 IEC61850變電站三層模型

圖1中，過程層主要包含過程接口、傳感器和執行元件。過程接口負責過程層與間隔層之間的通信，常見的過程層裝置為遠方過程接口，比如過程總線連接的輸入輸出等。配電網一次設備屬于過程層，其功能為采集信息。間隔層由各控制、保護單元構成，間隔層的功能為使用某一間隔控制、保護單元的數據并作用于這個間隔的一次設備。配電網二次設備屬于間隔層，其功能為采集信息并將這些信息傳輸至站控層，并進一步接收其指令。站控層功能分為兩種，即過程有關的站控層功能和接口有關站控層功能，過程有關的站控層功能可以使用采集的數據，并作用于一次設備；接口有關站控層功能用來表示各種通信接口，如遠方控制中心接口等。

根據IEC61850標準提出的信息分層結構，對配電自動化系統進行抽象和信息分層，將其分為配電主站層、子站層和終端設備層。配電主站層可以實現配電網數據采集與監視(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)功能，負責采集信號并發送指令。子站層即配電自動化系統中的變電站，具備收集終端傳輸的信息并上傳至配電主站和接收配電主站下達的命令并轉發給饋線終端的功能。終端設備層包含各種現場設備，主要為饋線終端、配電站所終端等。

1.2 自描述和面向對象的建模方法

IEC61850標準的另一核心內容為面向對象的建模方法。該方法將變電站系統抽象為若干類，并描述了類的特征。根據這些類可以得到IED的分層信息模型，該模型分為四層，分別是服務器Server、邏輯設備(Logical Device，LD)、邏輯節點(Logical Node，LN)以及數據對象，其中數據對象包括數據和數據屬性[16]。根據面向對象的建模方法，構建IED的分層信息模型，對不同層的標準化命名進行了明確約定，使得終端設備具備自描述能力，這種方式大大減少了終端設備配置和維修的工作量。

IED的分層信息模型如圖2所示。其中，1 1··*表示上一級類模型由若干個下一級類模型聚合而成，數據類由若干個數據屬性組成。

圖2 IED數據模型

2 分布式DTU自描述功能梳理

分布式DTU由兩部分組成，包括公共單元和間隔單元。分布式DTU的公共單元和間隔單元之間的結構如圖3所示。公共單元負責匯集各間隔單元的二遙數據(遙信數據和遙測數據)、錄波數據、保護事件、電能數據等相關信息，并經過安全加密認證后通過通信設備傳輸至主站。公共單元獲取主站下發的遙控命令，實現對每個間隔單元進行遙控操作的功能。

圖3 公共單元和間隔單元拓撲圖

根據配電自動化系統以及分布式DTU具體應用的特點，其具有以下功能。

1)SCADA功能

SCADA功能即為遙測功能、遙信功能和遙控功能。

遙測功能包括采集A、B、C三相電流及零序電流；采集三相交流電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數；采集饋線故障電流；采集零序電流；采集蓄電池電壓等直流量。

遙信功能包括采集開關的合、分狀態量信息并向遠方發送雙位遙信；采集裝置電源狀態信息并向遠方發送；采集設備故障、異常信息并向遠方發送；遙測越限、過流、接地等故障信息并上報；采集柜門開閉狀態信息并向遠方發送。

遙控功能包括接收并執行遙控命令或當地控制命令，以及返送校核，與各種類型重合器、斷路器和負荷開關配合執行操作；區分和保存主站和當地遙控記錄。

2)保護功能

包括過電流保護、欠電壓保護、故障定位功能、自動重合閘功能。

3)錄波功能

發生故障時能夠記錄故障前后的電氣參數。

4)電池管理功能

分別為電源失電保護功能和遙控電源的啟動和退出的功能。

3 分布式DTU自描述信息模型構建

根據分布式DTU設備的功能分解與抽象結果，按照IEC61850標準中定義的模型，將不同類型的功能進行物理設備劃分并對應至相應邏輯節點，以建立分布式DTU自描述信息模型。

為清晰化模型結構，進一步將DTU功能分為SCADA功能、保護功能、錄波功能、電池管理功能。SCADA功能負責采集線路的電流、電壓、功率等電氣量，采集和監測開關的分合狀態信息、電源狀態信息、設備故障、異常信息等并向遠方發送，接受并執行指令進行遙控。根據IEC61850提出的IED分層結構，將物理設備分布式DTU劃分為以下五個邏輯設備，分別為測量LD、控制LD、保護LD、錄波LD和電池管理LD。根據信息建模的方法，建立得到DTU的分層結構模型如圖4所示。

圖4 DTU信息模型

邏輯設備中包含的邏輯節點內容見表1。

表1 邏輯設備詳細內容

另外，5個邏輯設備LD均包括邏輯節點LLN0和邏輯節點LPHD，未在表1中列出。其中，邏輯節點裝置LLN0包含物理裝置中智能電子設備的相關數據(裝置標識、裝置自檢查報文等)，根據標準的定義，LLN0不限制對任何邏輯節點的訪問。LPHD即物理設備的邏輯節點，包含擁有邏輯節點的物理設備的數據。

測量LD中，邏輯節點MMXU利用電流電壓互感器采集電壓、電流，計算其有效值，通過電壓電流采樣值計算功率；邏輯節點MSQI通過互感器采集數據，計算電路中的零序電流、電壓值和三相不平衡電流、電壓值；邏輯節點MHAI負責利用采集的數據計算電網中諧波等數值，用于確定電能質量；邏輯節點SIMG測量六氟化硫斷路器的壓力信號；邏輯節點XSWI包含負荷開關、隔離開關等，測量開關閉合和儲能狀態、保護動作信號和開關動作次數。

控制LD中，邏輯節點CILO具備連鎖功能；邏輯節點CSWI控制開關的開合閘，具備檢查控制命令權限；邏輯節點XCBR為斷路器，分為無定點分合能力的斷路器和具有定點分合能力的斷路器；邏輯節點GGIO用于表示通用主裝置或輔助裝置的輸入輸出。

保護LD中，邏輯節點PTOC對應交流定時限過流保護；邏輯節點PTUV對應欠電壓保護；邏輯節點RREC和RFLO分別對應自動重合閘和故障定位；邏輯節點PSDE對應接地故障。

錄波LD中，邏輯節點RDRE負責記錄電壓、電流波形，通過狀態輸入獲取位置信息。

電池管理LD中，邏輯節點ZBAT用于采集電池狀態數據，控制電池充放電；邏輯節點ZBTC負責遙控電池的啟動激活和退出。

基于上述分布式DTU自描述信息模型，配電環網柜能夠自動快速地接入配電系統，以自描述信息模型為基礎，實現配電終端設備注冊、主站建模、配置下發等一系列功能，進而能夠實現分布式DTU的即插即用。配電線路的環網柜終端可實時采集并監測環網柜的信息，有效地提升配電系統的自動化程度，推進了泛在電力物聯網的建設和應用。

4 結論

本文對配電環網柜分布式DTU功能及各功能所需數據進行梳理、分類，基于IEC61850標準中相應數據模型進行建模。依據IED的數據模型標準，按照服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據的分層結構，建立分布式DTU完整的自描述信息模型，為其在配電系統中實現即插即用奠定堅實的基礎。隨著配電網規模的日益增大，配電終端設備功能逐步完善，自描述信息模型需按照功能的梳理分析進一步深化，以滿足未來配電自動化系統的發展。