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(wǎng)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(zhèn)江212400；4·東方電子股份有限公司，山東 煙臺264001)

0 引言

配電網(wǎng)作為電力供應系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，其落后性逐漸開始顯現(xiàn)，丞需推進我國配電網(wǎng)基礎設施建設的進程。配電自動化終端是配電網(wǎng)建設的基礎，其中配電自動化終端包括饋線終端(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)、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(xié)議進行信息交互[1－3]，但是，這些通信協(xié)議僅僅解決了配電終端各項監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸問題，對配電終端設備信息與監(jiān)控數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(wǎng)絡和系統(tǒng)的國際標準，自頒發(fā)以來參考了許多其他相關(guān)標準的先進技術(shù)，受到電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的認可，該標準已廣泛應用于配電自動化系統(tǒng)中。IEC61850標準具備以下三個特點:利用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)對變電站通信系統(tǒng)的功能進行建模；總結(jié)變電站內(nèi)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(tǒng)進行統(tǒng)一建模，能夠?qū)崿F(xiàn)設備自描述和即插即用技術(shù)，使不同廠家設備之間數(shù)據(jù)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(xiàn)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?qū)ο蟮慕Ｋ枷胫饕獞糜陴伨€終端自描述方面[12]，對于配電環(huán)網(wǎng)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?qū)ο蠼７椒ㄒ氲脚潆姯h(huán)網(wǎng)柜分布式DTU的自描述模型研究中，通過對配電環(huán)網(wǎng)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(xiàn)配電終端對配電系統(tǒng)的信息自描述，為配電環(huán)網(wǎng)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(guī)范了電力系統(tǒng)內(nèi)各智能電子設備(Intelligent Electronic Device，IED)之間的通信協(xié)議和相關(guān)要求。IEC61850是個龐大的標準體系，而不僅僅是一個通信協(xié)議，其具有以下三大核心內(nèi)容，分別為變電站的信息分層結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模方法、數(shù)據(jù)自描述[13－14]。建立配電終端設備的自描述信息模型是實現(xiàn)設備即插即用的基礎。

1.1 信息分層結(jié)構(gòu)

IEC61850標準提出了變電站信息分層結(jié)構(gòu)的概念，將變電站分層結(jié)構(gòu)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(zhí)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(wǎng)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(gòu)成，間隔層的功能為使用某一間隔控制、保護單元的數(shù)據(jù)并作用于這個間隔的一次設備。配電網(wǎng)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(guān)的站控層功能和接口有關(guān)站控層功能，過程有關(guān)的站控層功能可以使用采集的數(shù)據(jù)，并作用于一次設備；接口有關(guān)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(jù)IEC61850標準提出的信息分層結(jié)構(gòu)，對配電自動化系統(tǒng)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(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)功能，負責采集信號并發(fā)送指令。子站層即配電自動化系統(tǒng)中的變電站，具備收集終端傳輸?shù)男畔⒉⑸蟼髦僚潆娭髡竞徒邮张潆娭髡鞠逻_的命令并轉(zhuǎn)發(fā)給饋線終端的功能。終端設備層包含各種現(xiàn)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?qū)ο蟮慕７椒?/h3>

IEC61850標準的另一核心內(nèi)容為面向?qū)ο蟮慕７椒?。該方法將變電站系統(tǒng)抽象為若干類，并描述了類的特征。根據(jù)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(jié)點(Logical Node，LN)以及數(shù)據(jù)對象，其中數(shù)據(jù)對象包括數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性[16]。根據(jù)面向?qū)ο蟮慕７椒?，?gòu)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(shù)據(jù)類由若干個數(shù)據(jù)屬性組成。

圖2 IED數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖3所示。公共單元負責匯集各間隔單元的二遙數(shù)據(jù)(遙信數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù))、錄波數(shù)據(jù)、保護事件、電能數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，并經(jīng)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(fā)的遙控命令，實現(xiàn)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(jù)配電自動化系統(tǒng)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(shù)；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(guān)的合、分狀態(tài)量信息并向遠方發(fā)送雙位遙信；采集裝置電源狀態(tài)信息并向遠方發(fā)送；采集設備故障、異常信息并向遠方發(fā)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(tài)信息并向遠方發(fā)送。

遙控功能包括接收并執(zhí)行遙控命令或當?shù)乜刂泼?，以及返送校核，與各種類型重合器、斷路器和負荷開關(guān)配合執(zhí)行操作；區(qū)分和保存主站和當?shù)剡b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(fā)生故障時能夠記錄故障前后的電氣參數(shù)。

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(gòu)建

根據(jù)分布式DTU設備的功能分解與抽象結(jié)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(jié)點，以建立分布式DTU自描述信息模型。

為清晰化模型結(jié)構(gòu)，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(jiān)測開關(guān)的分合狀態(tài)信息、電源狀態(tài)信息、設備故障、異常信息等并向遠方發(fā)送，接受并執(zhí)行指令進行遙控。根據(jù)IEC61850提出的IED分層結(jié)構(gòu)，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(jù)信息建模的方法，建立得到DTU的分層結(jié)構(gòu)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(jié)點內(nèi)容見表1。

表1 邏輯設備詳細內(nèi)容

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

測量LD中，邏輯節(jié)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(jié)點MSQI通過互感器采集數(shù)據(jù)，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(jié)點MHAI負責利用采集的數(shù)據(jù)計算電網(wǎng)中諧波等數(shù)值，用于確定電能質(zhì)量；邏輯節(jié)點SIMG測量六氟化硫斷路器的壓力信號；邏輯節(jié)點XSWI包含負荷開關(guān)、隔離開關(guān)等，測量開關(guān)閉合和儲能狀態(tài)、保護動作信號和開關(guān)動作次數(shù)。

控制LD中，邏輯節(jié)點CILO具備連鎖功能；邏輯節(jié)點CSWI控制開關(guān)的開合閘，具備檢查控制命令權(quán)限；邏輯節(jié)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(jié)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(jié)點PTOC對應交流定時限過流保護；邏輯節(jié)點PTUV對應欠電壓保護；邏輯節(jié)點RREC和RFLO分別對應自動重合閘和故障定位；邏輯節(jié)點PSDE對應接地故障。

錄波LD中，邏輯節(jié)點RDRE負責記錄電壓、電流波形，通過狀態(tài)輸入獲取位置信息。

電池管理LD中，邏輯節(jié)點ZBAT用于采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，控制電池充放電；邏輯節(jié)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(huán)網(wǎng)柜能夠自動快速地接入配電系統(tǒng)，以自描述信息模型為基礎，實現(xiàn)配電終端設備注冊、主站建模、配置下發(fā)等一系列功能，進而能夠?qū)崿F(xiàn)分布式DTU的即插即用。配電線路的環(huán)網(wǎng)柜終端可實時采集并監(jiān)測環(huán)網(wǎng)柜的信息，有效地提升配電系統(tǒng)的自動化程度，推進了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設和應用。

4 結(jié)論

本文對配電環(huán)網(wǎng)柜分布式DTU功能及各功能所需數(shù)據(jù)進行梳理、分類，基于IEC61850標準中相應數(shù)據(jù)模型進行建模。依據(jù)IED的數(shù)據(jù)模型標準，按照服務器、邏輯設備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)的分層結(jié)構(gòu)，建立分布式DTU完整的自描述信息模型，為其在配電系統(tǒng)中實現(xiàn)即插即用奠定堅實的基礎。隨著配電網(wǎng)規(guī)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(tǒng)的發(fā)展。