基于IEC 61850標準的站用一體化電源IED信息建模方法研究

常 青，丁 亮

(潞安集團五陽煤礦，山西長治046205)

基于IEC 61850標準的站用一體化電源IED信息建模方法研究

常 青*，丁 亮

(潞安集團五陽煤礦，山西長治046205)

IEC 61850標準已經(jīng)成為公認的變電站通信標準，而站用一體化電源在近年也在國內(nèi)興起。研究提出了基于IEC 61850標準下的一體化電源智能電子設(shè)備IED的建模方法，闡述了提出的智能電子設(shè)備IED的建模方法和過程，介紹了此方法在江西宜春某變電站的一體化電源工程的應(yīng)用實例，總結(jié)了一體化電源IED建模過程中需要注意的問題。

IEC61850;一體化電源;智能電子設(shè)備;IED信息建模

IEC 61850是變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的最新國際標準，代表著變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向。它強調(diào)通信網(wǎng)絡(luò)的開放性和設(shè)備的互操作性，其根本目標是實現(xiàn)變電站系統(tǒng)內(nèi)所有智能電子設(shè)備的互操作和無縫集成，使智能電子設(shè)備可以即插即用，最終實現(xiàn)“一個世界、一個標準、一種技術(shù)”。IEC 61850標準指出，信息模型和信息建模是該標準的核心，設(shè)備互操作性的實現(xiàn)是建立在結(jié)構(gòu)良好的信息模型的基礎(chǔ)之上［1-4］。

目前，IEC 61850已經(jīng)在國內(nèi)被廣泛認可，國內(nèi)自動化生產(chǎn)廠家也已經(jīng)從理論研究階段進入實際的工程應(yīng)用階段，這就要求變電站內(nèi)部的智能電子設(shè)備要滿足IEC 61850的通信功能要求［5-7］。

同時，我國變電站自動化技術(shù)和智能化技術(shù)得到了長足的發(fā)展，數(shù)字化變電站的應(yīng)用技術(shù)也成為了研究熱點，但是對于變電站用電源技術(shù)的研究卻相對滯后。站用智能一體化電源也是近幾年來興起的新型結(jié)構(gòu)的變電站站用電源系統(tǒng)，它將以往的多套變電站用電源設(shè)備整合集成為一套一體化電源設(shè)備，統(tǒng)一設(shè)計配置，統(tǒng)一監(jiān)控管理，統(tǒng)一檢修維護，降低了設(shè)備成本，提高了設(shè)備可靠性，且縮小了安裝面積，提高了變電站內(nèi)的工作效率［8］。

本文在分析闡述了IEC 61850信息建模的方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合江西宜春某變電站站用一體化電源工程實例，對站用一體化電源進行了基于IEC 61850的實例信息建模。

1 基于IEC 61850的信息建模方法

信息模型及其建模方法是IEC 61850系列標準的核心。信息模型是實現(xiàn)變電站功能或特定功能的IED相關(guān)信息，IEC 61850的信息交換機制主要依賴定義準確的信息模型來實現(xiàn)IED設(shè)備間的互操作［7］。

1.1 IED信息模型的結(jié)構(gòu)

IEC 61850.7中定義了關(guān)于變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)，對信息模型、ACSI、CDC以及兼容邏輯節(jié)點類等進行了著重描述。通過分析研究我們可以得出IED信息模型的結(jié)構(gòu)可以分為3層:

(1)抽象通信服務(wù)接口ACSI。IEC 61850.72中對ACSI進行了描述，以抽象的角度給出了IED信息模型中包含的數(shù)據(jù)模型和對應(yīng)的訪問服務(wù)，既包括基本的讀寫服務(wù)，也包括取代、報告和日志控制塊、采樣值傳輸以及控制和時間同步等服務(wù)。需要指出的是，ACSI并未規(guī)定具體的通信服務(wù)實現(xiàn)的方法以及何種對象中應(yīng)當(dāng)包含什么數(shù)據(jù)，也就是說ACSI與具體的通信網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)變化時，變更相應(yīng)的SCSM (在IEC 61850.8和IEC 61850.9中定義)即可。

(2)公共數(shù)據(jù)類CDC。IEC 61850.73中共定義了29大類與變電站各種功能相關(guān)的CDC，CDC也是結(jié)構(gòu)化的信息模型，包含若干屬性。CDC是IED信息模型中數(shù)據(jù)信息的載體，在實際工程建模中可以根據(jù)實際設(shè)備的功能需要使用這些數(shù)據(jù)及其屬性構(gòu)成邏輯節(jié)點。

(3)兼容邏輯節(jié)點類與數(shù)據(jù)類。IEC 61850.74中給出了基本涵蓋變電站所有功能的兼容邏輯節(jié)點類，共約90多種。對兼容邏輯節(jié)點類包含的數(shù)據(jù)屬性及其語義均也做了描述，這些兼容的邏輯節(jié)點類是可以根據(jù)實際功能需要進行實例化，構(gòu)成IED信息模型的最小功能載體邏輯節(jié)點。

1.2 分解和組合的信息建模思想

(1)智能電子設(shè)備的功能分析與分解。智能電子設(shè)備功能的分析和分解就是要根據(jù)具體設(shè)備的功能需要，同時結(jié)合IEC 61850定義的代表一系列功能的邏輯節(jié)點類，將智能設(shè)備的功能進行抽象、分解成為IEC 61850中最小的功能單位—邏輯節(jié)點。邏輯節(jié)點中具有相應(yīng)的特定數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)對象，其表示的信息可以通過IEC 61850的通信服務(wù)完成交換，而這些邏輯節(jié)點可以根據(jù)需要存在于一個或多個物理設(shè)備中［48-55］。

將智能電子設(shè)備的內(nèi)部功能分解為代表這些功能的邏輯節(jié)點，可以實現(xiàn)功能的自由分布與分配，將傳統(tǒng)的設(shè)備之間的通信變成邏輯節(jié)點之間的通信，更好地滿足了通信的需求，這對于實現(xiàn)IEC 61850的目標是十分重要的。

(2)逐級組合構(gòu)成IED信息模型。由數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成數(shù)據(jù)對象，數(shù)據(jù)對象組成邏輯節(jié)點，根據(jù)物理和功能聯(lián)系將邏輯節(jié)點和相應(yīng)的通信服務(wù)組成邏輯設(shè)備，邏輯設(shè)備組合構(gòu)成IED信息模型。

對智能電子設(shè)備內(nèi)部功能的分析與分解的過程就是確定、產(chǎn)生邏輯節(jié)點以及滿足相應(yīng)功能需要的數(shù)據(jù)對象的過程，而逐級組合數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)對象、邏輯節(jié)點、邏輯設(shè)備以及通信服務(wù)的過程就是構(gòu)建產(chǎn)生IED信息模型的過程。圖1以站用一體化電源為例，給出了建模中分解和組合的信息建模思想。

圖1 分解和組合過程示意圖

2 江西宜春某變電站站用一體化電源IED信息建模工程實例

本節(jié)根據(jù)上述IED信息建模方法，結(jié)合站用一體化電源的具體功能需要，對一體化電源進行IED信息建模。

本文所述的站用一體化電源處于IEC 61850標準功能分層結(jié)構(gòu)中的間隔層，摒棄傳統(tǒng)各自獨立的站用電源設(shè)備，將交流電源、直流操作電源、UPS電源、通信電源整合為一整套電源設(shè)備，由總監(jiān)控裝置統(tǒng)一進行監(jiān)控管理，共享直流電源的蓄電池組。其通信網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。

圖2 一體化電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.1 站用一體化電源系統(tǒng)功能分析分解

下面我們對江西宜春某變電站的站用一體化電源進行功能的分析分解，由于一體化電源所包含的各類監(jiān)控較多，我們僅以其交流電源部分為例。

交流電源部分的主要作用是將電能進行合理分配，包含兩路進線，通過自動切換裝置ATSE來實現(xiàn)交流進線的切換，接入交流母線，通過交流饋出線路分配電能。

交流電源部分功能可分解為:①交流進線狀態(tài)檢測 該功能主要是根據(jù)交流輸入電壓和進線開關(guān)狀態(tài)判定交流進線的可用性，該功能主要與交流輸入電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、報警信號(如防雷器故障)等信號有關(guān);②交流自動切換 該功能主要是根據(jù)交流進線狀態(tài)檢測來控制切換交流輸入，并且可以發(fā)出交流進線切換裝置(ATSE)的位置信號;③交流母線狀態(tài)檢測 交流母線是交流自動切換裝置的輸出側(cè)，該部分功能主要與交流母線的三相電壓、三相電流以及報警信號(如過壓、欠壓)等信號有關(guān);④交流饋線開關(guān)狀態(tài)檢測 該功能主要是檢測各個饋線開關(guān)的狀態(tài)，可以控制饋線開關(guān)的分合，檢測開關(guān)位置以及故障報警等。

圖3 江西宜春某站交流電源部分功能分解圖

2.2 定義數(shù)據(jù)類型模板

數(shù)據(jù)類型模板 DataTypeTemplates中包括DOType、DAType和EnumType。邏輯節(jié)點類型LNode-Type是一個可實例化的邏輯節(jié)點模板，構(gòu)建智能電子設(shè)備信息模型的過程中可以根據(jù)功能需要進行實例化，它是由數(shù)據(jù)對象DO元素組成。數(shù)據(jù)對象從IEC 61850標準中定義的公共數(shù)據(jù)類CDC中派生，它可以由已定義好DOType即SDO元素，或數(shù)據(jù)屬性DA組成。數(shù)據(jù)屬性DA則包含一個EnumType或功能約束，由BDA元素組成。

定義數(shù)據(jù)類型模板的基本過程是從上到下，根據(jù)功能需要來一步步細化和確定，即是首先根據(jù)智能電子設(shè)備的功能需要，定義出需要的邏輯節(jié)點類型，根據(jù)邏輯節(jié)點中對于數(shù)據(jù)對象的需要，在下一層的DOType中定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象類型，根據(jù)數(shù)據(jù)對象中對于數(shù)據(jù)屬性的需要，在下一層中定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性類型，而枚舉類型則是根據(jù)DO和DA的需要來建立，在其值為bType或Enum時被DA和BDA元素的type屬性使用。需要注意的是，雖然構(gòu)建數(shù)據(jù)類型模板的過程是從上到下，但是從實質(zhì)上來說，數(shù)據(jù)類型模板卻是按照從下到上、由底層向上層逐級建立的，即是由數(shù)據(jù)屬性合成數(shù)據(jù)對象，由數(shù)據(jù)對象合成邏輯節(jié)點。

我們以江西宜春某站的一體化電源中交流進線測量功能為例，給出數(shù)據(jù)類型模板的建模過程，其他相關(guān)功能的數(shù)據(jù)類型模板建模過程與此相似。

IEC 61850中定義了與測量功能相關(guān)的邏輯節(jié)點類MMXU，因此一體化電源的交流進線測量邏輯節(jié)點類型應(yīng)當(dāng)繼承MMXU類的屬性，MMXU類包含4個必選數(shù)據(jù)模式Mod、性能Beh、健康狀況Health和名牌NamPlt，除此之外MMXU類還包含若干與測量相關(guān)的可選數(shù)據(jù)，根據(jù)一體化電源系統(tǒng)中交流進線測量功能的需要，選擇了頻率Hz、相電壓PhV、相電流A、總有功功率TotW和總功率因數(shù)TotPF，建模結(jié)果如圖4所示。

圖4 交流進線測量邏輯節(jié)點類型建模結(jié)果

數(shù)據(jù)對象類型DOType標識DO的內(nèi)容，每一個實例化的屬性都應(yīng)該在DOType定義中定義，它可以是數(shù)據(jù)屬性DA或為引用另外一個DOType，即SDO元素。從圖5中我們可以看到數(shù)據(jù)對象電壓PhV和A所屬的Type類型為SZZ_WYE，下面給出對SZZ_WYE數(shù)據(jù)對象類型的建模過程。

在IEC 61850.73中定義了有關(guān)三相測量的共用數(shù)據(jù)類，即WYE，WYE的屬性中包含三相各自的測量值3個數(shù)據(jù)對象，即PhA、PhB、PhC 3個SDO元素，其建模結(jié)果如圖5所示。

圖5 WYE數(shù)據(jù)對象類型建模結(jié)果

2.3 構(gòu)建邏輯設(shè)備

IEC 61850并沒有規(guī)范的邏輯設(shè)備的模型，因而對于邏輯設(shè)備的建模有著較多的靈活性，可以簡單的理解邏輯設(shè)備LD就是邏輯節(jié)點LN和相關(guān)服務(wù)的合集，是為通信而引入的抽象概念。每個邏輯設(shè)備由若干邏輯節(jié)點LN組成，在工程實踐中，一般將具有某些公共特性的邏輯節(jié)點放在同一個邏輯設(shè)備中。此外，在邏輯設(shè)備中存在著與實際功能無關(guān)的特殊的邏輯節(jié)點LLN0和LPHD。LLN0中包含著該邏輯節(jié)點所在的邏輯設(shè)備的共數(shù)據(jù)，如:銘牌信息和設(shè)備運行狀態(tài)等;每個邏輯節(jié)點LD都具有自己Dataset，用于匯總數(shù)據(jù)，也存在于LLN0中，它具有一些特定服務(wù)功能，方便用戶對成組的數(shù)據(jù)(DO、DA)同時進行整體訪問和操作，同時LLN0也提供訪問邏輯設(shè)備公共信息的通信服務(wù)。邏輯節(jié)點LPHD則主要是來描述設(shè)備所在的智能電子設(shè)備。

對于江西宜春某站的一體化電源，我們對代表相關(guān)功能的邏輯節(jié)點進行實例化，并根據(jù)其具有的相關(guān)公共特性將這些實例化的邏輯節(jié)點和相關(guān)通信服務(wù)組合成為邏輯設(shè)備。工程中共構(gòu)建了6個邏輯設(shè)備，即交流電源邏輯設(shè)備ACPS、直流電源邏輯設(shè)備DCPS、通信電源邏輯設(shè)備DDPS、蓄電池組巡檢儀邏輯設(shè)備BTSE以及交流電能計量邏輯設(shè)備ENEM，其建模結(jié)果如圖6所示。

圖6 邏輯設(shè)備和服務(wù)器建模結(jié)果

2.4 構(gòu)建服務(wù)器

服務(wù)器中含有在通信網(wǎng)絡(luò)中的所有可見以及可訪問的資源，在智能電子設(shè)備的信息模型中，每個IED中允許含有一個或若干Server，而每個Server中則應(yīng)當(dāng)含有至少一個LD及相關(guān)的通信服務(wù)功能。IEC 61850標準中定義了兩種通信模式，一種為適用于后臺監(jiān)控的和對IED訪問的客戶/服務(wù)器模式(Clent-Server)，另一為方便GOOSE通信和傳輸采樣值服務(wù)的發(fā)布者/閱讀者模式(Peer-Peer)。IEC 61850.7中定義了抽象通信服務(wù)接口ACSI，ACSI采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄇ遗c具體的通信網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，它定義了若干與通信相關(guān)的服務(wù)，包括讀寫數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)集、生成報告和記錄、數(shù)據(jù)值的測量以及狀態(tài)值召喚和應(yīng)用關(guān)聯(lián)模型等等。

對于江西宜春某站的一體化電源，其主要的通信功能是為了后臺監(jiān)控和站控層對其的訪問及數(shù)據(jù)上傳等，因此我們采用客戶端/服務(wù)器通信模式，并且根據(jù)相關(guān)通信功能的需要，提供了相關(guān)通信服務(wù)功能，包括獲取數(shù)據(jù)對象列表、動態(tài)建立數(shù)據(jù)集、獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集、以及對遙控量的讀寫等通信服務(wù)功能，其建模結(jié)果如圖6所示。

在基于IEC61850標準的一體化電源的IED建模過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一些需要注意的問題:

(1)邏輯設(shè)備建模中邏輯設(shè)備不宜過多，保護功能最好可以用一個LD來表示;數(shù)據(jù)集包含的數(shù)據(jù)對象不應(yīng)跨邏輯設(shè)備LD;當(dāng)同一類型的邏輯設(shè)備LD超過一個時，可以添加數(shù)字后綴來區(qū)別，如:UPSS1、UPSS2。

(2)需要通信的每個功能建模為一個邏輯節(jié)點LN;當(dāng)同一類型的LN超過一個時，可以添加前綴和后綴來區(qū)別，邏輯節(jié)點可以按照功能縮寫+邏輯節(jié)點類名來命名。

(3)數(shù)據(jù)對象DO的建模過程中如果相同的數(shù)據(jù)需要在邏輯節(jié)點中多次定義，那么可以對數(shù)據(jù)進行編號來實現(xiàn);如果必備數(shù)據(jù)類型不能滿足需求時，使用可選數(shù)據(jù)來滿足功能的需求;一般不適用邏輯節(jié)點模型中未定義過的數(shù)據(jù)名稱，同時，公用的數(shù)據(jù)屬性DA也不可以進行擴充。

3 小結(jié)

本文以IEC 61850為基礎(chǔ)，以一體化電源作為應(yīng)用對象，結(jié)合江西宜春某站一體化電源具體工程實例，開展了對一體化電源進行信息建模的研究工作。

本文將一體化電源系統(tǒng)作為IEC 61850標準變電站分層結(jié)構(gòu)中間隔層的一個智能電子設(shè)備IED，構(gòu)建了滿足IEC 61850標準的一體化電源信息模型。本文構(gòu)建的基于IEC 61850標準的一體化電源系統(tǒng)的信息模型，將一體化電源系統(tǒng)作為變電站間隔層中的智能電子設(shè)備，滿足了IEC 61850的通信功能要求，可以適應(yīng)國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求及變化，具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價值。

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The IED Information M odeling of Integrative Power Supp ly System Based on the IEC61850 Standards

CHANGQing*，DING Liang
(Lu’an Group Wuyang Coal Mine，Changzhi Shanxi046205，China)

The IEC 61850 standard has become an official substation communication standard，and the Integrative substation power supply system has been rising in China recently.A modeling approach for integrative power intelligent electronic device(IED)is proposed based on the IEC 61850 standard，and the details of themodelingmethod and procedure of IED are given.The application of the proposed method for a general power project in Yichun，Jiangxi is introduced，and some attentive problems in themodeling procedure of general power IED are summarized.

IEC 61850;integrative substation power supply system;intelligent electronic device;the IED modeling

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.033

TM 76 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0138-05

2013-05-07修改日期:2013-07-05

EEACC:7210;8110

常 青(1972-)，男，山西長治人，工程師，中國礦業(yè)大學(xué)礦山機械專業(yè)，現(xiàn)任潞安集團五陽煤礦機電礦長，負責(zé)全 礦 機 電 工 作，Changqing72@ 163.com;

丁 亮(1981-)，男，江蘇泰州人，工程師，中國礦業(yè)大學(xué)信息工程專業(yè)，現(xiàn)任五陽煤礦電力科主任工程師，分管電力技術(shù)工作，355892126@qq.com。