基于IEC61850的10kV分界开关控制器的标准建模

南京师范大学电气与自动化工程学院 朱彦晖 高 翔 居 荣

基于IEC61850的10kV分界开关控制器的标准建模

南京师范大学电气与自动化工程学院 朱彦晖 高 翔 居 荣

根据国家智能电网发展目标和发展趋势，以10KV分界开关控制器为例，按照IEC 61850标准对其进行功能分解、分配，将其保护功能分解为最小功能节点（LN，Logic Node），并按照IEC 61850标准建立模型、数据定义。由于10KV分界开关在配用电领域应用广泛，符合IEC 61850标准的发展趋势，文本为其在配用电领域进行拓展提供了参考。

IEC 61850；分界开关控制器；对象模型；配用电

1 引言

为了实现各厂家产品间的互操作性,IEC制定了IEC 61850。该标准阐述了变电站分层结构,采用面向对象的建模方式和抽象通信服务接口,为不同智能电子设备间互操作提供了可能,现在已被广泛应用于变电站自动化系统[1]。在与IEEE、CIGRE等组织进行了合作之后,IEC修订了新一批标准,使得IEC61850的应用从变电站拓展到发电厂、分布式能源、输变电设备检测以及配电自动化系统等领域[2]。

根据国家智能电网发展目标和现阶段研究现状,IEC 61850标准的应用将不局限于变电站自动化领域,而在电网别的领域也会得到极大的发展。本文以10KV分界开关(断路器)控制器为例,利用IEC 61850标准进行规范化的建模,是IEC61850标准在配用电自动化保护方面进行的扩展。

2 面向对象的建模

2.1 功能的定义

采用IEC 61850标准建立对象模型,首先要对对象设备的功能进行分析,将每个对象设备的功能具体分解到对应的属性和服务,在IEC 61850标准规定中,最小的功能单元为逻辑节点(LN),每个逻辑节点表示一个最小的逻辑功能[3]。

本文利用IEC 61850标准为10kV分界开关智能控制器进行数据建模。

分界开关(断路器)可以分合、承载正常回路电流,并且能关合、开断回路异常情况电流(如短路电流、电缆充电电流等),10kV分界开关控制器可控制分界开关(断路器)实现以下功能:

(1)交流数据采集功能:测量线路的两相电流、零序电流、线路电压等;

(2)保护功能:零序保护、速断保护、过流保护、失电压保护等;

(3)控制功能:断路器控制;

(4)人机接口:供就地设定和手动操作。

10kV分界开关(断路器)控制器主要是针对配网的用户分界开关系统应用而开发的,一般具有涌流抑制、相间过流保护、速断保护和零序接地保护等功能。10kV分界开关(断路器)控制器可以实现自动切除用户界内单相接地故障和自动隔离用户界内相间短路故障、向上层主机通信发送设备状态、故障情况以及接收上级控制指令等功能,确保主网及非故障用户的用电安全。10kV分界开关(断路器)结构图如图1所示。

图1 10kV分界开关（断路器）控制器结构图

如图1所示10kV分界开关通过电流互感器检测三相电流,当有某项电流大于相间速断电流整定值时,控制器即时输出跳闸信号来实现电流速断保护;同样的通过电流互感器检测电流,当有某相电流大于相间过流定值时,则经过整定的延时后输出跳闸命令;分界开关控制器还通过电压互感器检测交流输入电压,当电压大于额定电压的80%并持续2秒钟时,经过整定的延时后输出跳闸命令。

用IEC61850-7-4中对应的逻辑节点对10kV分界开关控制器的功能进行描述,并按功能分配在不同层。

图2 10kV分界开关控制器功能分解和定义

10kV分界开关控制器功能分解和定义图2所示,图中各逻辑节点的说明如下:IHMI表示就地设定和手动操作功能;PIOC、PTOC、PHIZ、PTUV分别表示速断保护、相间过流保护、零序接地保护、失电压保护;MMXU表述测量功能;CSWI表示开关控制器;TCTR、TVTR表示电流互感器和电压互感器;XCBR为断路器。

按照IEC 61850标准的分层结构,在分解时将IHMI归于变电站层,将PIOC、PTOC、PHIZ、PTUV、MMXU、CSWI归于间隔层,将TCTR、TVTR、XCBR归于过程层。

2.2 设备的对象模型

为实现设备间的互操作,IEC61850标准中采用面向对象的建模技术,定义了信息模型、描述数据对象的方法。对于数字对象的定义,IEC61850标准按分层的思想,依次分为如下层次服务器(Server)、逻辑设备(Logical Device,LD)、逻辑节点(LN)、数据(Data)和数据类型(Data Attribute)[3]。

表1所示为10kV分界开关建模中所用到的逻辑节点在DL/T860.5和DL/T860.74中的关系。

表1 逻辑接点对应表

图3为将10kV分界开关控制器分解以后建立的对象模型,如10kV分界开关控制器模型所示,将控制器分为了五个逻辑设备LD1～LD5,LD1包括了电压互感器和电流互感器,为CT/PT功能;LD2定义为测量功能,硬件对应I/O模块,对电压电流值进行采样;LD3为保护功能(电流速断保护、定时过电流保护、欠电压保护等);LD4包括断路器的控制功能;LD5为人机界面。

图3 10kV分界开关控制器模型

2.3 数据对象定义

基于IEC61850的数据建模不仅建模要符合标准,逻辑节点定义,包括数据和数据属性的定义都要标准化,所以数据对象的定义对实现不同职能操作设备之间的互操作性尤为重要。

2.2中所建立的10kV分界开关控制器对象模型中有二十个逻辑节点,现在以TCTR节点为例,进行逻辑节点的数据定义。如下表所示,TCTR逻辑节点依照IEC 61850-7-4进行了定义。

表2 TCTR逻辑接点数据定义表

属性类型ENC表示可控的枚举状态;ENS表示枚举状态;DPL表示设备铭牌;INS表示整数状态;SAV表示采样值;ASG表示模拟定值。M/O表示为强制/可选的属性名,状态C表示当数据在通过通信链路传输并且是可见的时候,此数据对象是强制的[4]。

TCTR数据对象定义图如图4所示:

图4 TCTR数据对象定义

TCTR逻辑节点是仪用互感器中的电流互感器逻辑节点,每相一个实例,每相仪用互感器中不同物理装置可能分配有3～4个这样实例。TCTR逻辑节点以采样模拟值形式提供电流值,其中Mod、Beh、EEhealth、EEName是关于TCTR本身的公共逻辑节点描述,表示了工作状态、性能、外部设备状态和外部设备铭牌等信息;AmpSv描述电流采样值,用以描述电流模拟量瞬时值的采样。每一类的数据对象在IEC 61850-7-4部分进行了详细的阐述,对于数据对象AmpSv的数据属性在IEC 61850-7-3 公共数据类中有详细的说明,例如AmpSv包含数据名instMag、q等,分别表示模拟量值和质量。

最后由国际大电网第34.03工作组引入PICOM概念用来描述逻辑节点之间的关系。

PICOM各个部分如下:

·数据:表示信息的内容和功能所用标识。

·类型:描述数据的结构,判断数据是否为模拟量、开关量等;

·性能:即数据允许的传输时间、数据的完整性和数据传输的原因和方法;

·逻辑连接:包括了逻辑源和逻辑接受终点。

下表为PICOM的属性表,根据用途PICOM可以分为三类属性:(1)任一报文都要用的PICOM属性;(2)仅在配置时使用的PICOM属性;(3)仅用于数据流计算的PICOM属性[5]。

表3 PlCOM的属性表

PICOM说明了交换信息和通信要求,通过PICOM描述的信息交换是基于逻辑节点提供的数据,对于数据源,这些数据常在数据模型中定义(参考IEC 61850-7-4)。对于结果,在数据模型中,每一个PICOM至少有一个数据(状态和值)或一个数据变化(事件)。

下图为10kV分界开关逻辑节点描述的功能。依照PICOM的概念描述了各个节点之间的关系,指出了逻辑源和逻辑接受点,表明了信息传递的方向。

图5 逻辑节点功能描述

上图中PSCH逻辑节点为保护配置逻辑节点,该逻辑节点用于线路保护功能配合逻辑配置建模。对于线路保护配置,允许交换不同保护功能“动作出口”和条件。PTRC逻辑节点是保护跳闸条件逻辑节点,该逻辑节点应用于连接一个或多个保护功能的跳闸输出,形成一个传递给逻辑节点XCBR的公用“跳闸”信号。

3 结语

IEC 61850标准的制定和应用是为了实现各个厂家的IED之间的互操作性,而如今各厂家都在积极研发基于IEC 61850的产品,其中在变压器保护IED和线路保护装置方面已有不少产品,根据智能电网的目标来看, IEC 61850标准不仅在变电站领域有十分重要的地位,而且在发电、输电、配用电领域也会有相应的拓展,本文以10kV分界开关(断路器)控制器为例,基于IEC 61850标准搭建标准模型,具体阐述了控制器的功能分解、建模和数据定义,是IEC 61850标准在配用电领域的拓展应用,理论上可以被任何基于IEC 61850标准的对象浏览器访问,简化了各个厂家产品的通信。

［1］吴在军,窦晓波,胡敏强.基于IEC61850标准的数字保护装置建模［J］.电网技术,2005,29(21):81-84.

［2］任雁铭,操丰梅.IEC 61850新动向和新应用［J］.电力系统自动化,2013,37(2):1-6.

［3］温阳东,侯继光,宋阳.基于IEC61850标准的变压器微机保护建模［J］.电测与仪表,2013,49(11):61-64.

［4］IEC 61850-7-4:Communication networks and systems in substations,Part 7-4:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes［S］.

［5］IEC 61850-5,Communication networks and systems in substations,part 5:communication requirements for functions and device models［S］.

朱彦晖（1991-），男，江苏南京人，南京师范大学电气系统及其自动化方向在读硕士研究生，从事电力系统继电保护方面的研究工作。

高翔（1985-），男，通信作者，江苏句容人，硕士研究生，实验师，从事嵌入式系统、数字化变电站技术等方面的研究工作。

居荣（1964-），男，江苏高邮人，南京师范大学电气与自动化工程学院教授，从事现代继电保护技术等研究工作。