張 揚(yáng)，郭慶來(lái)，吳文傳，孫宏斌，王 晶

（清華大學(xué)電機(jī)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠高效運(yùn)行有了更高的要求.在傳統(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，調(diào)度中心作為控制中心，承擔(dān)著信息處理的工作，而廠站作為控制終端，完成量測(cè)采集及操作執(zhí)行的功能.也就是說(shuō)，在當(dāng)前調(diào)度體系下，電網(wǎng)的調(diào)度決策功能完全集中在調(diào)度中心，面對(duì)種類繁多且變化速率差異很大的海量信息，信息處理的負(fù)擔(dān)很大.而另一方面，數(shù)字化變電站乃至智能變電站的建設(shè)使得變電站與調(diào)度中心進(jìn)行協(xié)同互動(dòng)成為可能.因此，引入信息分層機(jī)制，將傳統(tǒng)能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）的部分高級(jí)應(yīng)用納入變電站側(cè)，實(shí)現(xiàn)變電站面向站內(nèi)、調(diào)度中心總攬全局的分層分布式架構(gòu)，將是智能電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展方向［1－3］.

作為這種分布式架構(gòu)的重要組成部分，數(shù)字化變電站中的高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)即站級(jí)管理系統(tǒng)（station－level management system，SMS）面向站內(nèi)設(shè)備完成數(shù)據(jù)處理和分析計(jì)算功能，并將經(jīng)提煉的數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度中心.模型是SMS進(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)，為適應(yīng)變電站側(cè)高級(jí)應(yīng)用的需求，筆者將著重討論基于IEC 61850的數(shù)字化變電站中保護(hù)設(shè)備的建模方法.

對(duì)于保護(hù)設(shè)備建模的研究，存在問(wèn)題：一方面由于傳統(tǒng)EMS中缺乏保護(hù)相關(guān)高級(jí)應(yīng)用，只在調(diào)度員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（dispatcher training system，DTS）中對(duì)此有所涉及.文獻(xiàn)［4－5］介紹了DTS中保護(hù)設(shè)備的仿真建模方法，這種建模方法較好地描述了保護(hù)設(shè)備的功能和邏輯，但未按照IEC 61850的模型結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，而且對(duì)同一類設(shè)備保護(hù)采用相同的建模方式，未考慮實(shí)際設(shè)備的多樣性.另一方面，隨著IEC 61850［6］的提出，大量文獻(xiàn)對(duì)基于IEC 61850的建模與應(yīng)用［7－11］作了討論.IEC 61850是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了數(shù)字化變電站內(nèi)的通信和建模規(guī)范.文獻(xiàn)［7］針對(duì)IEC 61850模型文件的配置，研究了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的建表方案；文獻(xiàn)［8－9］闡述了如何按照IEC 61850的建模要求建立變電站信息模型；文獻(xiàn)［10］提出了協(xié)調(diào)IEC 61850和IEC 61970的保護(hù)設(shè)備模型結(jié)構(gòu).但這些建模方法更多地是考慮按照IEC 61850模型將數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，并未針對(duì)高級(jí)應(yīng)用的需求，沒(méi)有考慮到模型的交互和語(yǔ)義的統(tǒng)一，難以滿足工程實(shí)踐需要.

筆者將首先對(duì)IEC 61850中定義的模型進(jìn)行討論和分析，指出其應(yīng)用于工程實(shí)踐的不足之處.針對(duì)這些不足之處，提出實(shí)用的保護(hù)設(shè)備建模方法，并基于該建模規(guī)范開(kāi)發(fā)可視化保護(hù)設(shè)備建模工具，最后介紹如何將其應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng).

1 IEC 61850中的保護(hù)模型

數(shù)字化變電站指建立在IEC 61850規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電子設(shè)備（intelligent electronic device，IED）間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站.因此，數(shù)字化變電站中保護(hù)設(shè)備應(yīng)按照IEC 61850進(jìn)行建模.

1.1 IEC 61850保護(hù)模型概述

盡管制定IEC 61850的初衷在于實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備間的互操作性，然而，IEC 61850不僅僅是一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是一個(gè)模型標(biāo)準(zhǔn).

IEC 61850中采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎx了樹型、層次化的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)，由上到下依次可分為智能電子設(shè)備（IED）、邏輯設(shè)備（logical device，LD）、邏輯節(jié)點(diǎn)（logical node，LN）、數(shù)據(jù)對(duì)象（data object，DO）、數(shù)據(jù)屬性（data attribute，DA），其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 IEC 61850模型示意Figure 1 Diagram of model defined in IEC 61850

一個(gè)IED為一個(gè)實(shí)際二次物理設(shè)備，可拆分為多個(gè)邏輯設(shè)備；一個(gè)邏輯設(shè)備又可包含多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)；一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)表示變電站中的最小功能單位，對(duì)應(yīng)于一個(gè)實(shí)際的保護(hù).IEC 61850中將保護(hù)按照保護(hù)原理的不同分為不同邏輯節(jié)點(diǎn)類，如PDIF（差動(dòng)保護(hù)）、PDIS（距離保護(hù)）、PTOC（過(guò)流保護(hù)）、PTRC（跳閘邏輯）等.一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)又由多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象組成，如圖1中名為PDIS1的LN實(shí)例包括 Mod，Beh，Health，Op這4個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象.每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象都從一個(gè)數(shù)據(jù)類繼承而來(lái)，數(shù)據(jù)類包括SPS（單點(diǎn)狀態(tài)）、SPC（可控單點(diǎn)）、DPS（雙點(diǎn)狀態(tài)）、DPC（可控雙點(diǎn)）、ACT（保護(hù)激活信息）等.Op繼承自ACT類，包含若干數(shù)據(jù)屬性，如general（總體狀態(tài)）、q（品質(zhì)）、t（時(shí)間）等.數(shù)據(jù)屬性具有數(shù)據(jù)類型，分為簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型（如BOOLEAN，INT32等）和由簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型組合而成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型（如TimeStamp，Quality等）.

IEC 61850使用基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（extensible markup language，XML）的變電站配置描述語(yǔ)言（substation configuration language，SCL）來(lái)描述變電站模型并形成模型文件.完整描述變電站所有一、二次設(shè)備及通信系統(tǒng)的模型文件被稱為變電站配置描述文件 （substation configuration description，SCD）.SCD文件中對(duì)二次設(shè)備按照?qǐng)D1所示的層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，為保證檢索的唯一性，對(duì)每個(gè)對(duì)象（包括Server，LD，LN，DO，DA）生成一個(gè)全局唯一的索引，索引的生成方法為

其中，F(xiàn)C稱為功能約束，用于數(shù)據(jù)的定義，表征不同數(shù)據(jù)的功能，例如某些數(shù)據(jù)用于控制，另一些數(shù)據(jù)用于報(bào)告、日志或是測(cè)量等等.常用的FC有ST（狀態(tài)信息）、MX（測(cè)量值）、CO（控制）、SV（取代）、SG（定值）等.以圖1為例，對(duì)于數(shù)據(jù)屬性q而言，其索引為CSC101PROT/PDIS1＄ST＄Op＄q，其中CSC101為Server名，PROT為L(zhǎng)D名，PDIS1為L(zhǎng)N名，ST為FC名，Op為DO名，q為DA名.索引可用于對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行唯一識(shí)別，在模型交換和通信過(guò)程中起著重要作用.

1.2 IEC 61850模型的不足之處

1）盡管IEC 61850中對(duì)每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)類應(yīng)包含哪些數(shù)據(jù)對(duì)象、每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象應(yīng)繼承自哪個(gè)數(shù)據(jù)類以及每個(gè)數(shù)據(jù)類應(yīng)包含哪些數(shù)據(jù)屬性都有明確規(guī)定，但I(xiàn)EC 61850未規(guī)定如何建立邏輯設(shè)備，對(duì)保護(hù)設(shè)備應(yīng)包含哪些具體的邏輯節(jié)點(diǎn)和每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)應(yīng)屬于何種邏輯節(jié)點(diǎn)類也未作定義.這在實(shí)際建模時(shí)容易產(chǎn)生理解上的分歧，導(dǎo)致各設(shè)備廠商對(duì)同一保護(hù)采用不同的建模方式，使得實(shí)際應(yīng)用時(shí)難以直接利用已建好的模型.

2）IEC 61850僅根據(jù)保護(hù)原理將各保護(hù)分類為差動(dòng)、過(guò)流、距離等，在這種建模方式下，必然會(huì)有不同的保護(hù)共用同一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)類，如相間距離保護(hù)和接地距離保護(hù)，兩者之間所有的屬性完全一致，只能通過(guò)名稱來(lái)區(qū)分.而保護(hù)名稱又缺乏一個(gè)規(guī)范化的命名方式，必然引起應(yīng)用上的困難.

3）SCD模型過(guò)于龐大，含大量站內(nèi)通信相關(guān)邏輯節(jié)點(diǎn)，高級(jí)應(yīng)用并不關(guān)注此類邏輯節(jié)點(diǎn)，若直接利用該模型，將造成模型的冗余和復(fù)雜化，不利于高級(jí)應(yīng)用的使用.

總而言之，IEC 61850模型最主要的缺陷在于其邏輯節(jié)點(diǎn)層面自描述性的不足.自描述性指的是在數(shù)據(jù)源就對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有自我說(shuō)明，不需要再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程物理量對(duì)應(yīng)的工作.盡管IEC 61850模型在數(shù)據(jù)對(duì)象及數(shù)據(jù)屬性層面有著較好的自描述性，但是邏輯節(jié)點(diǎn)作為IEC 61850模型的核心要素，難以僅依靠如“PDIS1”之類的描述來(lái)傳遞完整的信息，其自描述性的缺陷嚴(yán)重制約模型的實(shí)用化，需要一個(gè)統(tǒng)一的描述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加以規(guī)范.

2 保護(hù)設(shè)備建模方法

2.1 保護(hù)設(shè)備建?？傮w思路

針對(duì)IEC 61850模型的不完備之處，首先必須明確保護(hù)設(shè)備建模的總體要求.由以上所述可知，在目前IEC 61850工程應(yīng)用規(guī)范尚不完善的情況下，利用變電站集成商建好的模型進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)入有著實(shí)際的困難，因此，總體建模目標(biāo)定位于參照變電站集成商提供的SCD文件進(jìn)行建模，所關(guān)注的重點(diǎn)是保護(hù)設(shè)備中保護(hù)的配置、描述以及定值信息.

保護(hù)設(shè)備建模的關(guān)鍵在于如何將種類繁多的保護(hù)信號(hào)進(jìn)行分類、歸納和解釋，而不是僅僅將保護(hù)信號(hào)列成點(diǎn)表.因此，不僅應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一保護(hù)的名稱，同時(shí)應(yīng)添加適當(dāng)?shù)膶傩詠?lái)對(duì)保護(hù)進(jìn)行描述.

IEC 61850采用面向?qū)ο蠼７椒?，為層次模?而實(shí)際系統(tǒng)中通常采用關(guān)系型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換映射，將數(shù)據(jù)對(duì)象轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)點(diǎn)入庫(kù).轉(zhuǎn)換過(guò)程中，模型中的數(shù)據(jù)對(duì)象必須保證與所通信的IED具有相同的索引.

綜合上述要求，筆者提出建模思路：

1）分析常用的保護(hù)設(shè)備，歸納出所有保護(hù)實(shí)例并添加用于描述保護(hù)類型的屬性，建立邏輯節(jié)點(diǎn)模板；

2）用邏輯節(jié)點(diǎn)模板搭建設(shè)備模型，且為簡(jiǎn)化建模工作，對(duì)相同型號(hào)設(shè)備建立設(shè)備模板并進(jìn)行復(fù)用；

3）將數(shù)據(jù)對(duì)象與SCD模型中的索引進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以滿足通信的需要.

2.2 保護(hù)設(shè)備建模規(guī)范

基于保護(hù)建模思路，制定建模規(guī)范.首先對(duì)IEC 61850模型進(jìn)行補(bǔ)充和修改，提出總體模型；然后根據(jù)該改進(jìn)模型將建模問(wèn)題分解為IED實(shí)例的建模和LN實(shí)例的建模，分別對(duì)此提出建模規(guī)范.

2.2.1 總體模型結(jié)構(gòu)

由于IEC 61850模型過(guò)多的層次將使關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的建立工作大大復(fù)雜化，因此，有必要對(duì)模型進(jìn)行合理改造，以符合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的需要.

首先由于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LD個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，為避免模型的混亂，可將LD個(gè)數(shù)限制為一個(gè)，這樣就可以使LN直接從屬于IED.而對(duì)于數(shù)據(jù)屬性，可將其作為數(shù)據(jù)對(duì)象表中的字段.如此，則該模型可建立為若干張關(guān)系型數(shù)據(jù)表，大大簡(jiǎn)化建模工作.

簡(jiǎn)化后的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，增加了IED與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)，并對(duì)LN增加了保護(hù)類型屬性的描述.從圖2可知，整個(gè)建模過(guò)程可以分為3層：DO實(shí)例的建模、LN實(shí)例的建模及IED實(shí)例的建模，其中，DO主要包括狀態(tài)信息和定值信息，在IEC 61850中已有詳細(xì)定義，因此不再贅述，主要討論LN實(shí)例的建模和IED實(shí)例的建模.

圖2 實(shí)際采用的模型示意Figure 2 Diagram of practical model

2.2.2 LN實(shí)例化建模規(guī)范

對(duì)一個(gè)LN實(shí)例而言，最重要的屬性是確定其屬于哪個(gè)LN類.同屬一個(gè)LN類的LN實(shí)例具有相同類型的狀態(tài)信息及定值信息，它們之間通過(guò)保護(hù)類型屬性進(jìn)行區(qū)分.總結(jié)常見(jiàn)的保護(hù)，并歸納各類保護(hù)的類型屬性，如表1所示.

表1 保護(hù)類型信息Table 1 Information list of protection type

基于以上類型屬性，可對(duì)保護(hù)進(jìn)行較為詳細(xì)的描述.如變壓器高壓側(cè)相間距離Ⅰ段保護(hù)所屬邏輯節(jié)點(diǎn)類為PDIS，保護(hù)分類為B（后備保護(hù)），子設(shè)備類型為H（高壓側(cè)），故障類型為P（相間），延時(shí)類型為C（定時(shí)限），段數(shù)為1；線路零序反時(shí)限過(guò)流保護(hù)所屬邏輯節(jié)點(diǎn)為PTOC，保護(hù)分類為B（后備保護(hù)），動(dòng)作量來(lái)源為Z（零序），延時(shí)類型為I（反時(shí)限）.

在擴(kuò)充狀態(tài)信息和定值信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加保護(hù)類型屬性信息，可以得出完整的LN建模規(guī)范.以PTOC為例，介紹LN實(shí)例化建模規(guī)范，如表2所示.

表2 LN實(shí)例化建模規(guī)范（PTOC）Table 2 Modeling specification of LN instance（PTOC）

2.2.3 IED實(shí)例化建模規(guī)范

對(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行分類，分為10類：線路保護(hù)IED、線路就地判別IED、變壓器保護(hù)IED、變壓器非電量保護(hù)IED、母線保護(hù)IED、高抗保護(hù)IED、低抗保護(hù)IED、電容保護(hù)IED、斷路器保護(hù)IED、短引線保護(hù)IED.針對(duì)每類IED，總結(jié)歸納出每類IED應(yīng)包含的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例全集，按照邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例建模規(guī)范建立邏輯節(jié)點(diǎn)模板.當(dāng)建立某IED實(shí)例時(shí)，從該類包含的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例全集中選擇合適的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例，即可完成IED的建模.

以線路保護(hù)為例，線路保護(hù)IED實(shí)例化建模規(guī)范如表3所示.

表3 IED實(shí)例化建模規(guī)范（線路保護(hù)）Table 3 Modeling specification of IED instance（line protection device）

3 保護(hù)建模工具的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)所提出的保護(hù)建?？傮w思路，設(shè)計(jì)可視化保護(hù)建模工具，整個(gè)建模過(guò)程界面同后臺(tái)商用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互.具體建模（圖3～5）流程如下.

1）初始化.在建模之前，按照LN實(shí)例化建模規(guī)范的要求，對(duì)所有在IED實(shí)例化建模規(guī)范中出現(xiàn)的LN實(shí)例建立邏輯節(jié)點(diǎn)模板.在軟件初始化時(shí)，將邏輯節(jié)點(diǎn)模板集讀入.

2）建立IED模板.解析變電站集成商提供的SCD文件，并以樹狀結(jié)構(gòu)顯示.參照SCD模型，從邏輯節(jié)點(diǎn)模板集中選擇合適的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例進(jìn)行建模，以建立IED模板，如圖3所示，右側(cè)為SCD文件解析區(qū)，左側(cè)為建模區(qū).

圖3 建立IED模板Figure 3 IED template modeling

圖4 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)索引Figure 4 Adding reference to DO

圖5 對(duì)具體IED建模Figure 5 IED modeling

成功添加所有邏輯節(jié)點(diǎn)之后，為IED模板中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)索引，如圖4所示.將所有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)完成后，IED模板建立完畢.

3）對(duì)具體設(shè)備進(jìn)行建模.按該IED的型號(hào)從已建立的模板中選擇模板，可直接生成邏輯節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)數(shù)據(jù)索引，如圖5所示.重復(fù)以上步驟，直至完成所有保護(hù)設(shè)備的建模.

4）生成實(shí)時(shí)庫(kù)模型.完成所有設(shè)備建模后，可將建好的模型由數(shù)據(jù)庫(kù)保存至實(shí)時(shí)庫(kù)中.

4 保護(hù)模型的應(yīng)用

一個(gè)實(shí)際的變電站接線圖如圖6所示，對(duì)該變電站進(jìn)行保護(hù)建模.

某次故障后，不同設(shè)備產(chǎn)生的保護(hù)動(dòng)作時(shí)序信息如表4所示.

圖6 實(shí)際變電站接線示意Figure 6 Wiring diagram of a practical substation

當(dāng)接收到信號(hào)，通過(guò)信號(hào)索引，可以找到實(shí)時(shí)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的保護(hù)對(duì)象，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解釋，獲得其保護(hù)類型信息.智能告警應(yīng)用程序根據(jù)所獲得的保護(hù)類型信息及保護(hù)所關(guān)聯(lián)的一次設(shè)備，將不同設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行綜合，繼而進(jìn)行故障診斷與分析，得出最終結(jié)果.此案例故障較為簡(jiǎn)單，可以推斷出5442線發(fā)生C相接地故障，并重合閘成功.

表4 保護(hù)動(dòng)作時(shí)序信息Table 4 Sequence information of protection

5 結(jié)語(yǔ)

筆者討論了數(shù)字化變電站高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)中保護(hù)設(shè)備的建模方法.首先，對(duì)IEC 61850中定義的模型進(jìn)行討論和分析，指出其應(yīng)用于工程實(shí)踐的不足之處；然后針對(duì)這些不足之處，提出了基于IEC 61850的實(shí)用保護(hù)設(shè)備建模方法，制定了詳細(xì)的建模規(guī)范，并基于此開(kāi)發(fā)了可視化保護(hù)設(shè)備建模工具；最后以實(shí)際系統(tǒng)為例，介紹了該建模方法的實(shí)際應(yīng)用.

該保護(hù)設(shè)備建模方法將用于實(shí)際的變電站SMS平臺(tái)之上.使用可視化保護(hù)建模工具，可方便建立全站保護(hù)模型，有效為智能告警等分布式高級(jí)應(yīng)用提供模型支持和數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

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