基于IEC 61850 牽引所數(shù)字錄波裝置建模研究

楊小磊，曾曉璞，童 鐳

0 引言

數(shù)字化牽引變電所是未來變電站自動化技術發(fā)展的方向，錄波裝置也要適應數(shù)字化要求。牽引所的數(shù)字錄波裝置能夠準確地記錄系統(tǒng)在故障或非正常運行狀態(tài)下變電所高壓側和低壓側各相電壓、電流等電氣量信息以及開關設備和繼電保護的動作信息，完整地反映系統(tǒng)故障的發(fā)展過程。近年來，隨著高速鐵路的發(fā)展，各種短路故障的發(fā)生較以前變得日益嚴重和復雜，也使得對牽引所數(shù)字錄波裝置的研究具有重要的價值[1]。

IEC 61850 標準采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對象對系統(tǒng)進行建模，達到了網(wǎng)絡傳輸無縫通信的要求，避免了繁瑣的各類協(xié)議轉換，實現(xiàn)了IED 設備間的互操作[2]。對整個錄波裝置統(tǒng)一建模，保證了符合標準的不同廠家的IED 工作于同一語義空間下，可以增強裝置的互操作性，達到信息交換的目的；另一方面通過整個錄波裝置統(tǒng)一建模，闡述IED 裝置之間和IED 裝置內部LN 之間的邏輯和時序關系，為下一步裝置硬件設計奠定良好基礎。因此，本文以牽引所數(shù)字錄波裝置為例，對如何在具體實現(xiàn)時建立該模型進行了研究，具有重大的研究意義。

1 數(shù)據(jù)模型分析

信息模型的屬性從上至下包括邏輯設備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性等4 個層次，采用客戶/服務器數(shù)據(jù)結構模型，如圖1 所示。

圖1 客戶/服務器數(shù)據(jù)結構模型框圖

邏輯設備主要由邏輯節(jié)點和附加服務組成一個虛擬設備，它主要用于一組特定功能的產生及相關使用信息。邏輯節(jié)點主要由數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性及屬性列表組成，它是交換數(shù)據(jù)的最小單元，一個邏輯節(jié)點表示服務器一個基本功能或一組設備信息。數(shù)據(jù)對象從公用數(shù)據(jù)類繼承，是一個公用數(shù)據(jù)類的命名實例，它包含邏輯節(jié)點所具有的全部信息。數(shù)據(jù)屬性描述數(shù)據(jù)對象的內容，是信息模型中的最終承載者。數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性的信息可以通過抽象服務進行交換。邏輯節(jié)點和一些邏輯節(jié)點之外的信息就構成了邏輯設備，一個或者多個邏輯設備構成了標準服務器，而一個或者多個服務器就是構成整個設備的模型。

2 數(shù)字錄波裝置的功能分析

錄波裝置模型按功能設有告警LD0、實時量Meas 和錄波Red 邏輯裝置，分別實現(xiàn)裝置自檢告警、各通道實時測量、錄波啟動與定值3 項功能。

3 錄波裝置建模方法

3.1 服務器和邏輯設備建模

完成錄波裝置功能分析后，就可以進行具體的數(shù)據(jù)建模了。首先將整個IED 建模成一個服務器，它至少包含一個邏輯設備。除了邏輯設備外，服務器還包括由通信系統(tǒng)提供的其他一些公共的基本組成部件，如應用關聯(lián)，時間同步，文件傳輸?shù)?。另外，服務器還具有服務器訪問點屬性，它是地址的抽象，用于在底層的特殊通信服務（SCSM）標識服務器。在IEC 61850 建模中，故障錄波裝置建模成3 個邏輯設備，一個通道對應一個邏輯節(jié)點，如圖2 所示。

圖2 設備模型結構圖

其中一個邏輯設備至少包括3 個邏輯節(jié)點：邏輯節(jié)點0（LLN0）、邏輯節(jié)點物理設備（LPHD）和功能邏輯節(jié)點。LLN0 和LPHD 都是唯一的，功能邏輯節(jié)點至少要有一個。邏輯節(jié)點內的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性可采用IEC 61850 標準定義的邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)屬性，只是根據(jù)實際需要，確定邏輯節(jié)點中可選數(shù)據(jù)屬性的取舍。如果標準定義的數(shù)據(jù)不能滿足需要，就需依照IEC 61850 標準對兼容數(shù)據(jù)類擴展的規(guī)定創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)。

3.2 邏輯節(jié)點的確定

邏輯節(jié)點是一個具有交換數(shù)據(jù)功能的最小單位。根據(jù)國標規(guī)定，故障錄波裝置對電力參數(shù)進行記錄，主要包括以下指標：電壓、電流、組實時量及開關量的測量；電壓、電流、變壓器、組的錄波；裝置告警記錄。這些故障信息就構成了模型的邏輯節(jié)點。IEC 61850-7-4 中共定義了88 個邏輯節(jié)點，描述錄波裝置故障信息主要有以下節(jié)點：

（1）MMXN 表示測量邏輯節(jié)點，該節(jié)點用于描述基本的監(jiān)測線路信息，如電壓、電流、頻率。

（2）GGIO 表示通用邏輯節(jié)點，用于描述開關量的實時測量記錄。

（3）RADR 表示模擬量錄波節(jié)點，用于描述模擬量擾動的記錄。

（4）RBDR 表示開關量錄波節(jié)點，用于描述開關量擾動的記錄。

（5）RDRE 表示通用錄波節(jié)點，用于描述通用擾動的記錄邏輯節(jié)點。

在確定邏輯節(jié)點后，裝置的測量、錄波信息、參數(shù)定值就可以一一對應到相應邏輯節(jié)點下的數(shù)據(jù)對象中。每個邏輯節(jié)點由具有特定數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)構成，數(shù)據(jù)具有結構和已定義的相關語義，它包含在具有特定數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)表中。

3.3 確定數(shù)據(jù)屬性

確定數(shù)據(jù)屬性需要數(shù)據(jù)表，下面給出牽引變壓器低壓電流值Amp 數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)Amp 的類型是MV(Measured Value)，Amp 定義如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)Amp 包含的數(shù)據(jù)表

DataName 是數(shù)據(jù)名，DataRef 是數(shù)據(jù)路徑。 Presence 屬性為BOOLEAN，它有2 個參數(shù)：TURE和FALSE，當公共數(shù)據(jù)類型或邏輯節(jié)點內數(shù)據(jù)是必選（M）時，Presence 為TURE，否則為FALSE。Amp.mag ,Amp.q，Amp.t，Amp.units，Amp.d 都有不同的屬性用以描述數(shù)據(jù)，如表2 所示。

至此，從IED 的服務器到數(shù)據(jù)屬性的建模過程都已經完成。

表2 MV 對應的數(shù)據(jù)屬性表

3.4 模型的驗證

模型建立以后，需要使用XML-Schema 對其進行描述。XML-Schema 遵循XML 的基本語法規(guī)則，包括數(shù)據(jù)對象的嵌套關系、數(shù)據(jù)屬性的約束條件、取值范圍等，并且能夠檢驗自描述文檔的正確性和有效性。因此，對于文中所設計的牽引所數(shù)字錄波裝置模型，可以根據(jù)XML-Schema 進行定義。建模的最后，需要對建立起來的描述語言進行語法驗證，對整個裝置模型進行應用功能的驗證，看它是否符合IEC 61850 標準。

4 結束語

基于IEC 61850 的錄波裝置數(shù)據(jù)建模的研究和實現(xiàn)具有重要意義，是IEC 61850 標準用于應用的核心內容。本文通過對數(shù)字錄波裝置實際建模，闡明了錄波裝置建模的步驟和方法，該方法具有一般性，對建模具有很好的指導意義。

[1] 黨曉勇，曹毅峰.非常規(guī)互感器在數(shù)字化牽引變電所的應用[J].電氣化鐵道，2010.

[2] 許振明，等.基于IEC 61850 標準的電力系統(tǒng)的兩種建模方式[J].繼電器，2008，36（6）：55-58.

[3] 李俊剛，等.故障錄波裝置中IEC 61850 標準的研究與應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010.

[4] 廖澤友，孫莉，等.IED 遵循IEC 61850 標準的數(shù)據(jù)建模[J].繼電器，2006，34（20）：40-43.

[5] 陳麗華.基于IEC61850 的變壓器保護IED 的研究[D].西南交通大學碩士論文，2006.