基于IEC61850標準的裝置建模與工程應用

王力，朱冉

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

在已有的變電站通信標準中，IEC61850規(guī)約體系較為完善。相對于基于報文結構的傳統(tǒng)規(guī)約，IEC61850有明顯的優(yōu)勢，如應用面向對象技術、采用數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模、提出系統(tǒng)的分層結構、將映射的方法和具體網(wǎng)絡獨立、提供基于SCL的系統(tǒng)配置管理等。它是一個開放式的變電站自動化體系，避免了繁瑣的協(xié)議轉換，實現(xiàn)了來自不同廠家的IED之間的良好互操作性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免了重復投資，降低了系統(tǒng)維護成本。

1 IEC61850的涵義及特點

IEC61850標準共分10個部分，由14個標準組成。主要包括設備的模型、變電站的配置語言(SCL)、抽象通信接口(ASCI)、特定通信服務映射(SCSM)、一致性測試與目標要求等內容。IEC61850標準與傳統(tǒng)的通信協(xié)議體系相比，在技術上且有如下的突出特點：

(1)分布、分層體系。IEC61850將整個變電站自動化系統(tǒng)分為變電站層、間隔層和過程層。將變電站自動化功能進行分解，邏輯節(jié)點作為最小的功能單元，可自由分布于不同的裝置中。

(2)面向對象建立模型。IEC61850采用面向對象建模思想，對變電站自動化通信系統(tǒng)及相關設備、功能和數(shù)據(jù)進行建模，并用統(tǒng)一建模語言UML進行了描述。所建立的模型主要有變電站模型、IED產(chǎn)品模型、通信系統(tǒng)模型及相關的建模冗余。

(3)信息模型與通信協(xié)議棧的分離。IEC61850總結了電力生產(chǎn)過程的特點和要求，歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡服務，設計出抽象通信服務接口ACSI，它使信息模型獨立于具體的通信協(xié)議棧(例如目前采用的制造報文規(guī)范（MMS）)，與采用的網(wǎng)絡類型(例如現(xiàn)在流行的IEEE802.3系列局域網(wǎng))無關。

(4)面向對象、面向應用的自描述機制。IEC61850對于信息均采用面向對象自我描述的方法，配置模型均帶有自我描述信息，在有新的IED接入系統(tǒng)，或者原有IED的配置發(fā)生變化時，應用系統(tǒng)能夠通過IED的配置文件自動獲取配置信息，以建立或更新數(shù)據(jù)庫。

IEC61850上述的技術體系特征正是IEC61850優(yōu)于傳統(tǒng)通信協(xié)議的原因，IEC61850技術體系也因此龐大而復雜[1]。

2 建模過程

對裝置建模，IEC61850首先通過邏輯抽象將變電站內的實際IED按功能劃分為邏輯節(jié)點，如描述基本測量量的測量（MMXU）節(jié)點。每個邏輯節(jié)點由具有特定數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)具有結構和定義好的語義，包含在具有專門數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)對象由邏輯設備名、邏輯節(jié)點名、數(shù)據(jù)名、數(shù)據(jù)屬性名進行描述。這些數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性所代表的信息通過IEC61850定義的通信服務進行傳遞。由于IEC61850具有可繼承性，對于同一類型的不同裝置，可以理解為同一個類的不同實現(xiàn)[2]。

2.1 邏輯節(jié)點的選取與組合

IEC61850定義了13類共88個邏輯節(jié)點。在對裝置的功能進行分析之后，需找到與之對應的邏輯節(jié)點[3]。以一套典型的間隔單元為例，根據(jù)相應的保護功能分析對主要節(jié)點進行選取，如圖1所示。

首先對保護邏輯節(jié)點進行選取，該裝置過電流保護功能對應的邏輯節(jié)點為“保護功能邏輯節(jié)點(P)”類型中的“帶時限過電流(PTOC)”邏輯節(jié)點。但標準中對PTOC的功能定義非常豐富，包含了“動作曲線類型”、“時間標度倍率”等定值。

這就需要基于這個類來定義一個與裝置功能完全吻合的邏輯節(jié)點“PTOC_1”，這個節(jié)點可以僅包括“過流定值”、“控制字”、“時間定值”等功能，以符合裝置配置。

對于裝置的測量邏輯節(jié)點，則選取“計量和測量邏輯節(jié)點(M)”類型中的“MMXU”邏輯節(jié)點，其中包含了普通遙測必須的三相電壓、三相電流、功率等常用測量類型。

對于遙控刀閘邏輯節(jié)點，則選取“控制邏輯節(jié)點(C)”類型中的“開關控制器(CSWI)”，這個節(jié)點下面包含了選擇、執(zhí)行、撤銷等基本功能。

在完成了裝置功能的邏輯節(jié)點選取之后，需在模型文件中進行實例化，并配置報告，這樣才能真正實現(xiàn)裝置與后臺之間的數(shù)據(jù)交換[4]。

2.2 變電站配置語言

SCL語言是基于可擴展標記語言（XML）的，它根據(jù)XML語法規(guī)則，并結合變電站自動化系統(tǒng)(即IEC61850標準)的需要，定義特定用途的標記語言。換句話說，SCL語言是XML語言在IEC61850中的特定應用。SCL將變電站的自動化系統(tǒng)分為5個主要元素：Header，Substation，IED，Communication和DataTypeTemplates。一個標準的模型文件的結構如下：

其中Header由特定IED模型文件的版本和訂正號以及名稱映射信息組成。Substation是變電站部分，包含了變電站的功能結構、主元器件及其電氣連接情況。IED是對邏輯設備的描述，主要包含邏輯設備的組成（邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象）情況，以及邏輯設備與配置文件中其他元素的關系。

DataTypeTemp1ates部分定義了在IED中定義的數(shù)據(jù)模型所需的邏輯節(jié)點實例和所包含的數(shù)據(jù)對象。Communication定義了邏輯節(jié)點、邏輯總線和IED接入點之間的聯(lián)系方式。XML除了可以描述這5部分及其子元素和屬性之外，還可以描述它們之間的邏輯關系，最終形成對整個變電站綜合自動化系統(tǒng)的模型描述[5]。

3 IEC61850的工程應用

完成一個裝置建模后，僅僅是得到了這個裝置的能力描述文件。要在變電站系統(tǒng)中應用，一般過程如圖2所示。

(1)裝置廠商提供裝置配置工具，生成符合實施規(guī)范模型要求的裝置ICD文件，同一廠商應保證各類型裝置ICD文件的模板DataTypeTemplates的一致性；

(2)系統(tǒng)集成商提供系統(tǒng)配置工具，導入裝置ICD文件，統(tǒng)一進行所有裝置的實例配置，生成全站SCD配置文件，其中須保留ICD文件的私有項；

(3)裝置廠商使用裝置配置工具導入SCD文件，增加自己的內部功能配置數(shù)據(jù)，生成最終下載到裝置的數(shù)據(jù)文件完成裝置配置。

3.1 保護軟壓板定義問題

在IEC103等傳統(tǒng)的變電站規(guī)約應用中，保護軟壓板的機制與普通開關的遙控機制是一樣的，而原版IEC61850標準中并沒有對遙控軟壓板進行特殊說明與規(guī)定，新的國內標準對保護軟壓板模型的定義補充規(guī)定如下：

(1)保護功能軟壓板在LLN0中統(tǒng)一擴充。保護功能軟壓板與硬壓板一一對應并相互獨立，全部采用邏輯與的關系，必須都控合后才能開放相應的保護功能。

(2)保護出口軟壓板與傳統(tǒng)的保護出口硬壓板保持一致，按跳閘、合閘、啟動重合、閉鎖重合、溝通三跳、啟動失靈、遠跳等重要信號在PTRC和RREC中統(tǒng)一擴充出口軟壓板，用于隔離這些信號的輸出。對于同一信號，如果需要獨立的出口軟壓板給不同的保護對象時，以加阿拉伯數(shù)字后綴的方式擴充。

3.2 描述的顯示問題

裝置ICD文件包含模型自描述信息，如LD和LN實例應包含明確中文“desc”屬性，通用模型GAPC和GGIO實例中的DOI應包含明確中文“desc”屬性，數(shù)據(jù)類型模板LNType中DO應包含明確中文“desc”屬性。IEC61850標準同時提供有數(shù)據(jù)名稱離線描述(ICD文件的desc)和在線描述(數(shù)據(jù)屬性dU)2種功能，但由于標準的不完善性，工程應用中后臺顯示出來的描述應以哪個為準并沒有明確規(guī)定，所以目前國內廠家在這個方面并不統(tǒng)一。因此，在當前情況下，建立模型的時候最好使每個數(shù)據(jù)都具備2種描述方式并保持一致，這樣能夠增加廠家互通的兼容性。

3.3 品質位的判據(jù)與限制

在IEC61850中，上送數(shù)據(jù)的品質位起著非常關鍵的作用，它作為后臺及遠動判斷數(shù)據(jù)有效性的依據(jù)。在工程實踐中，至少以下2種常見情況要置品質位。

(1)當裝置檢修壓板投入時，所有上送節(jié)點中信號的品質q的Test位應置位；

(2)當遙測值大于最大值或最小值時，遙測應置品質位，提示后臺為非正常值。

3.4 模板的統(tǒng)一性問題

各個廠家都存在裝置型號眾多，但同一廠家中不同型號裝置的很多保護功能是完全重復的。這就要求廠家必須保證各類型裝置ICD文件的模板DataTypeTemplates的一致性。這樣既規(guī)范了本廠家的模型文件，而且也減少了配合其他廠家調試時的問題。

3.5 故障錄波在模型中的配置

故障報告通過上送錄波頭文件實現(xiàn)，保護整組動作并完成錄波后，通過報告上送故障序號和錄波完成信號RcdMade，錄波頭文件放置于裝置目錄下，文件名按錄波文件名要求實現(xiàn)，客戶端通過文件讀取服務獲得故障具體信息。

4 結束語

在國家電網(wǎng)公司3個階段推進智能電網(wǎng)的大形勢下，IEC61850作為智能變電站的標準配置，其重要性毋庸置疑。本文結合大量文獻資料與工程實踐，對IEC61850規(guī)約以及基于IEC61850的裝置建模過程的主要內容進行了介紹。

現(xiàn)在IEC61850在我國已經(jīng)得到初步應用，并且已被推廣到電力遠動的其他領域，最終IEC61850會在電力系統(tǒng)自動化的各個領域得到應用，從而達到節(jié)約生產(chǎn)力、提高生產(chǎn)效率的目的。

[1] IEC61850-5，變電站通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)第5部分：功能的通信要求和裝置模型[S].2003.

[2] IEC61850-7-1，變電站通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)第7-1部分：變電站和饋線設備的基本通信結構——原理和模型[S].2003.

[3] IEC61850-7-4，變電站通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)第7-4部分：變電站和饋線設備的基本通信結構——兼容邏輯節(jié)點類和數(shù)據(jù)類[S].2003.

[4] 辛耀中,王永福,任雁銘.中國IEC61850研發(fā)及互操作試驗情況綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(12)：1-6.

[5] 張結.IEC61850的結構化模型分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28(18)：90-93.