IEC61850在数字化变电站馈线保护装置中的研究与应用_图文

研究与开发

IEC61850 在数字化变电站 馈线保护装置中的研究与应用
尤 志 尹晓光 刘 锐 李 强 苏军伟
(西南交通大学电气工程学院,成都

610031)

摘要 在变电站新型通信网络和系统协议 IEC 61850的基础上,本文对牵引变电所馈线保护装 置进行了功能分析,对面向过程的结构化流程进行解耦分析,从逻辑设备、逻辑节点和数据对象 三个方面进行了具体的构建,对于 IEC61850信息模型到 MMS的映射关系进行了分析,对相关数据 结构进行优化设计,建立了基于 IEC 61850标准的信息模型。 关键词: IEC61850;馈线保护装置;信息模型; MMS

Research And Application of The Feeder Protection Device in Digital Substation Based on IEC 61850 Protocols
You Zhi Yin Xiaoguang Liu Rui Li Qiang Su Junwei (School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031) Abstract Based on the new substation communication networks and systems protocols—IEC 61850 protocols, the paper analyzes the function of feeder protection device and the process of the structure witch is process-oriented, gives the specific constructions of logical device, logical nodes and data objects, and also the map relationship between IEC 61850 information model and MMS and the optimization design of the data are given, at last, the information model based on IEC 61850 protocols is established. Key words: IEC61850; feeder protection; information model; MMS

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引言

针对目前变电站自动化系统封闭式的结构,为 了使其成为 开放和标准 的系统,国 际电工委员 会 ( IEC) 制定了基于通用网络平台的变电站自动化系 统的惟一国际标准,即 IEC61850标准。该标准涵盖 了变电站所有数据对象和功能,并提供了扩展新逻 辑节点( LN)的方法,其目的是为了实现不同厂商 智能电子设备( IED )间信息的交换和互操作,实 现设备的互换性和互操作性, 建立开放的系统结构, 满足不断发展的通信技术与变电站自动化系统的需 求。目前,国内全数字化变电站的实施尚处于试运 行阶段,对数字化变电站各 IED 的研究具有着重要 的意义。

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保护测控装置功能分析
在建立基于 IEC61850信息模型之前,必须对保

护装置( IED )所要实现的功能进行分析。在变电 站综合自动化系统中,馈线保护装置所要实现的功 能主要有: ( 1)主要保护及相关功能:三段式相间距离保 护、三段式接地电流保护、三段式零序方向电流保 护、三相一次重合闸、电压互感器( TV)断线检测 故障录波等。 ( 2)主要控制功能:馈线断路器、电动隔离开 关、重合闸投入 /退出等。 ( 3)测量功能:装置采集外部电流和电压等物 理量,监视外部设备运行状态。 ( 4 )事件与故障记录功能:主要完成故障报 告与事件报告 (如保护装置运行状态、 整定值修改、 断路器或隔离开关的控制、 馈线或进线发生故障过 程中,保护元件的动作情况、电流电压的变化情况 等) 。 ( 5)通信功能:通过以太网与试验工具软件通
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信,查看装置以及外部设备的运行状态,查看、修 改装置的设置参数;通过以太网与当地监控系统进 行信息交换。

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3.1

馈线保护装置模型构建

信息模型的分析与设计 在对馈线保护装置( IED )所要实现的功能进 行详细的分析之后,即可根据 IEC61850标准,建立 基于 IEC61850标准的信息模型。下面以距离保护为 例对馈线保护装置信息模型的建立进行详细地研究 与分析。 变电站大多数功能至少由三个逻辑节点组成: 核心功能、处理接口、供操作人员访问的人机接口 ( IHMI ) 。馈线保护由变电站层的监控主机(包括 人机接口 IHMI 、警报和事件处理 CALH 、远方控制 接口 ITCI等) 、间隔层的馈线保护 IED、过程层的电 子式电流互感器( ECT) 、电子式电压互感器( EVT) 配合完成。保护 lED由逻辑零节点 LLN0、物理设备 节 点 LPHD 、 通 用 数 据 变 量 节 点 GGIO 、 测 量 节 点 MMXU 、电流互感器节点 TCTR 、电压互感器节点 TVTR、馈线距离保护节点 PDIS、断路器节点 XCBR 等构成。 通过以上对以上变电站主要功能逻辑节点 ( LN) 配置分析, 以馈线保护主保护距离保护为例, 建立信息交互模型如图 1所示。

点; RREC为自动重合闸逻辑节点; RPSB为振荡闭 锁逻辑节点; CSWI为开关控制逻辑节点; RFLO为 故障定位逻辑节点; TVTR, TCTR为电压和电流互 感器逻辑节点; XCBR为断路器逻辑节点; IMHI 为 人机接口逻辑节点; CALH为报警处理逻辑节点。 3.2 逻辑设备建模 逻辑设备由逻辑节点组成,它用作一组逻辑节 点的容器或完成网关、代理者设备功能。每个逻辑 设备有且仅有一个逻辑节点零( LLN0 ) ,有且仅有 一个逻辑节点物理设备( LPHD) ,至少还有 1个其他 的逻辑节点 。通过以上 对信息模型 的分析可以 将 LPHD、LLN0、PDIS、PDIR、RREC、RPSB、RFLO 等逻辑节点组合构成,距离保护逻辑设备 LD1 的定 义如表 1所示。
表1
属性名 LDName LDRef LogicalNode

逻辑设备模型
说明 逻辑设备实例的实例名 逻辑设备实例的路径名

LPHD、LLN0、PDIS、PDIR、 RREC、RPSB、RFLO

逻辑节点及数据对象建模 根据 IEC 61850标准,馈线保护装置 IED是存在 于间隔层,馈线保护装置 IED 的距离保护逻辑设备 LD1 接收 TCTR、 TVTR节点上传的电流、电压采样 值,通过运算及逻辑判断,如果此数值超过保护的 设定值时, PDIS将该事件上报到人机接口,与此同 时,向断路器逻辑节点( XCBR )发出跳闸信号。 下面以距离保护逻辑节点 PDIS 、逻辑节点零 LLN0 为例,根据对应的 IEC61850标准进行模型构建,距 离保护的动作特性如图 2所示。

3.3

图1

与距离保护相关的逻辑节点及信息交互

根据 IEC61850标准可知,其建模思想就是将传 统保护装置所要实现的功能通过代表功能的最小单 位逻辑节点( LN)来实现,将与功能相关的数据和 操作封装在逻辑节点中,逻辑节点中的操作封装了 与此功能相 关的保护和 控制算法及 相关的通信 服 务,在主程序中通过对此操作的调用完成逻辑节点 所要实现的功能。 图 1 所示各逻辑节点的具体含义是: PDIS 为距 离保护核心逻辑节点; PDIR 为方向继电器逻辑节

图2

距离保护动作特性

为了实现设备互操作性以及系统无缝通信, IEC61850 标准对逻辑节点的语义定义进行了标准

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化,逻辑节点的语义由数据和数据属性描述,以馈 线保护装置距离保护一段为例,图 3 所示的多边形 特 性 采 用 IEC61850 中 的 两 个 逻 辑 节 点 PDIS 和 PDIR 来描述,其中 Xset 和 Rset 由 PDIS 描述,φ1、 φ2 和 φL 由 PDIR 描述。Xset 为电抗整定值(对应于 IEC61850 中的数据 X1) set 为电阻整定值(对应 ,R 于 IEC61850 中的数据 RisGndRch) 1 为躲涌流偏 ,φ 移角(对应于 IEC61850 中的数据 MaxFwdAng) 2 ,φ 为 容 性 阻 抗 偏 移 角 ( 对 应 于 IEC61850 中 的 数 据 MinFwdAng) L 为线路阻抗角(对应于 IEC61850 ,φ 中的数据 ChrAng) 。逻辑节点 PDIS 可以建立如表 3 所示的数据模型。
表2
属性名 LNName LNRef Mod Beh Health NamPlt Str Op X1 RisGndRch DirMod OpDITmms ReportDATASET ReportCB

IEC61850 标准中定义的 LLN0 代表逻辑设备的 公共数据,它包括 6个可选择控制块, SGCB(定值 组控制块) LOG(日志) GoCB(面向通用对象的 、 、 变电站事件控制块) GsCB(面向变电站状态事件 、 控制块)等,根据需要距离保护逻辑设备 LD1 选择 SGCB、 LOG两个控制块。

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信息模型属性映射及数据结构优化设计

距离保护逻辑节点数据模型
属性类型 ObjectName ObjectReference INC INS INS LPL ACD ACT ASG ASG ING ING DATA-SET BRCB 描 述 M/O 值为:“PDIS” 值为:“KX/ PDIS” 模式 性能 健康 铭牌 启动 动作 电抗整定值 电阻整定值 方向模式 时限 数据集 控制 SOE 事件 报告的生成 M M M M M M O O O O

在逻辑节点 PDIS中,包括 10个数据( DATA) 、 1个数据集 DATA-SET) 1个报告控制块 BRCB) ( 和 ( 。 其中 Mod、 、 Beh Health、 NamPlt是有关逻辑节点 PDIS 本身的描述,指明工作模式、性能、铭牌等信息, Str 和 Op 描述状态信息, Setting 列表表述整定值信 息,每一类数据对象的属性和服务分别在 IEC61850 -7-3的公共数据类( CDC)和 IEC61850-7-2的抽象通 信服务 ACSI中进行详细定义。对这些数据的标准化 也是实现互操作性的重要基础。
表3
属性名 LNName LNRef Mode Beh Health NamPlt SGCB KX

IEC 61850定义了抽象通信服务接口(ACSI) ,不 仅实现了变电站综合自动化系统中各智能电子设备的 互操作性,而且由于ACSI和下层的通信系统相独立, 使得此标准可兼容高速发展的通信技术而无需更改上 层ACSI的模型定义。 对于变电站内信息传输涉及到的 通信服务,ACSI 共总结了14类模型,通过信息模型 中的数据对象及其属性对这些模型及其服务分别引 用,构成了信息模型的功能通信服务。由于MMS的广 泛应用,所以目前多采用的是 ACSI+MMS+TCP/IP+ 以太网的方式。 MMS 将实际设备外部可视行为抽象成虚拟制 造设备( VMD)及其包含的对象子集,并通过定义 与之对应的一系列操作(即 MMS 服务)实现对实 际设备的控制。 由于 MMS 和 IEC61850 都采用抽象 建模的方法,因此,只要将 IEC61850 的信息模型正 确的映射到 MMS 的 VMD 及其 MMS 服务, 并进行 必要的数据类型转换,就可以实现 ACSI 向 MMS 的映射。IEC61850 信息模型属性与 MMS 对象的映 射关系如表 4 所示。
表4 IEC61850 信息模型属性到 MMS 对象的映射
MMS 模型型 上下文(Content) 虚拟制造设备(VMD) 虚拟制造设备(VMD) 有名变量(Named Variable) 有名变量(Named Variable) 有名变量(Named Variable) 有名变量(Named Variable) 有名变量(Named Variable) 有名变量(Named Variable) 有名变量列表(Named Variable List) 日志(Joural) 文件(File) IEC61850 模型/控制块块 关联(Assoeiation) 服务器(Server) 逻逻辑设备类(Logical Device Class) 逻逻辑结点类(Logical Node Class) 数据类(DATA Class) 报告控制块(RCB) 日志控制块(LCB) 设置组控制块(SGCB) 控制(CONTROL) 数据集(Data Set) 记录(Log) 文件(File)

逻辑节点零 LLN0 数据模型
属性类型 ObjectName Object Reference INC INS INS LPL SGCB Log 说 明 LLN0 KX/LLN0 运行模式 运行行为 运行状况 铭牌 定制组控制块 日志

由表 4可以看出,将 IEC61850 5层的模型结构映 射到 MMS 后仅剩 3 层。由于映射并非一一对应,所 以多种 IC61850 信息模型属性都映射到了 MMS 命名 变量对象( Named 、 Variable ) 。这会导致在服务映 射中出现多个 IC61850 服务映射到相同的 MMS 服务
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并且请求参数完全相同的情况。对这种情况目前研 究较多的有以下 4种数据结构,即 ACSI-数据结构、 MMS-数据结构、冗余数据结构、综合数据结构,其 中综合数据结构数据结构既能分别体现 IEC 61850 抽象模型和 MMS协议体系的特点,又能将两种体系 的数据结构融为一体,这种设计方式的特点在于它 突出了 FC在对象访问中的作用。但在信息模型的描 述上,若综合数据结构采用链表形式描述,则不能 很好的体现标准的面向对象的类的特性,采用 C++ 类代替链表可以达到对这一数据结构改进的目的, 如图 3所示。

性,验证结果如图 6、图 7所示。

图5

保护逻辑设备(PROT)模型

图6

模型语法验证

图7

模型 IEC61850 协议验证

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图3 改进的综合数据结构

结论

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模型建立与验证

根据以上对馈线保护 IED 建模原理与建模过程 分析与研究,结合 ICD编辑器,建立馈线保护 IED服 务器 S1模型,如图 4所示。

IEC61850 是基于通用网络平台的变电站自动化 系统的唯一国际标准, 制定该标准的目的就是为了实 现设备的互操作性, 实现变电站综合自动化系统的无 缝通信, 而实现这一目标的重要基础就是按照标准建 立各IED模型,本文通过具体实例分别从功能分析、 信息模型建立、信息模型的数据建模、信息模型实体 构建等方面详细阐述了如何利用 IEC61850 标准提供 的信息模型对 IED 设备进行建模和对数据对象进行 定义,详细介绍了 IED 信息模型设计开发的具体过 程与方法, 对于实际工程应用具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] IEC61850-7-3 Communication networks and systerms in substations-part-7-3 Basic communication structure for substation and feeder equipment-Common data classes,2004. [2] IEC61850-7-4 Communication networks and systerms in substations-part-7-4 Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible
(下转第 46 页)

图4

馈线保护 IED 服务器模型

该服务器模型包含公用逻辑设备(LD0) 、保护逻 辑设备(PROT) 、测量控制逻辑设备(MEASCTRL) 和录波逻辑设备(RCD)4个逻辑设备,其中保护逻 辑设备(PROT)如图5所示。 馈线保护 IED 模型建立之后对模型进行语法验 证及基于 IEC61850标准协议验证以检验模型的正确

logical node classes and data classes,2004.

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技术与应用

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结论

图7

母线区外转区内故障电流方向图

可以将图7所示的转换性故障分解成如图8与图9。 母线区外故障可通过图 8所示来判别, 区内故障 用图 9所示来判别。如果异名相故障转换,则通过图 8所示可以闭锁发生区外故障相,通过图 9所示方向 正确判出区内故障相。如果是同名相故障转换,则 支路 3被短路,支路 3的故障电流方向可能不明显, 采用“非反即正”原则,可判出区内故障。

通讯技术的发展推动了电力系统二次系统数字 化步伐, 新的模拟量采样模式必然推动保护技术的发 展。 本文提出在模拟量采样失步的情况下新的母线保 护原理: 由同步状态下的经典采样值差动切换到采用 比相原理作为保护, 用突变量方向作为启动和保护原 理, 可以判出绝大部分母线故障; 故障分量电流方向 元件作为辅助原理来判断复杂母线故障。 数字化母线保护不考虑光 CT的饱和,采用本文 提出的方向原理能快速可靠判出母线典型故障, 也能 可靠保证母线区外故障不误动, 完全可以作为电站模 拟量采集系统失步情况下的后备保护, 并告警提示用 户干预,确保母线不会在未知状态下丢失保护。 参考文献
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图8

区外故障序网图

作者简介 宁国丽(1966-) ,女,天津市电力公司城南供电分公司,从事电力 系统保护运行管理。 余 锐(1977-) ,男,北京,硕士,从事电力系统保护产品研究开发。

图9
(上接第 12 页)

区内故障序网图

宋小舟(1969-) ,男,高级工程师,从事电力系统保护产品研究开发。

[3] [4] [5] [6] [7]

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作者简介 尤 志(1984-) ,男,安徽宿州人,硕士研究生,主要研究方向为 电力系统继电保护与变电站综合自动化。 尹晓光(1984-) ,男,河北邢台人,硕士研究生,主要研究方向为 电力系统继电保护与变电站综合自动化。 刘 李 锐(1986-)男,湖北宜昌人,硕士研究生,研究方向高电压绝 强(1986-)男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统继电保 缘与检测技术。 护与变电站综合自动化。 苏军伟(1985-) ,男,河南商丘人,硕士研究生,研究方向为检测 与自动化装置。

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