李金，孫斌，張靜，張兆云

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東廣州 510623；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力電子整流設(shè)備、電氣化鐵路、電弧爐以及其他非線性負(fù)載大量使用。這些非線性負(fù)載引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)的諧波“污染”；電弧爐、電力機(jī)車等波動(dòng)性負(fù)荷的運(yùn)行不僅產(chǎn)生大量的間諧波和高次諧波，還引起電壓波動(dòng)和三相不平衡等一系列的電能質(zhì)量問(wèn)題[1-2]。電能質(zhì)量問(wèn)題不僅導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性和使用壽命的降低，而且嚴(yán)重干擾了電網(wǎng)自身的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，無(wú)論從電網(wǎng)運(yùn)行的需要考慮，還是從供電用戶的需要考慮，加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)都是非常必要的。只有對(duì)電能質(zhì)量做出實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)測(cè)與分析，才能制定有效的措施來(lái)改善電能質(zhì)量問(wèn)題[2]。

日益突出的電能質(zhì)量問(wèn)題引起了電力部門(mén)和用戶的高度重視。越來(lái)越多的變電站開(kāi)始對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備種類繁多，制造商使用各自的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件不盡相同，不同設(shè)備之間互不兼容。因此，使用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件交換格式，建立開(kāi)放式的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要[3]。

IEC61850作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的第一個(gè)完整的通信標(biāo)準(zhǔn)體系，明確提出了信息分層、面向?qū)ο蠛蛿?shù)據(jù)對(duì)象統(tǒng)一建模，符合采用網(wǎng)絡(luò)傳輸建立無(wú)縫通信系統(tǒng)的要求，避免了繁瑣的協(xié)議轉(zhuǎn)換，完美實(shí)現(xiàn)了智能電子設(shè)備（IED）間的互操作[4-5]。

本文將在分析電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行建模，并分析工程實(shí)施過(guò)程中容易產(chǎn)生差異的功能實(shí)現(xiàn)。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)需求

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端主要用于監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量，主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、電能質(zhì)量事件告警和電能質(zhì)量異常文件記錄四類主要功能。

1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要包括：基本電氣參量、電壓偏差、諧波電壓、諧波電流、間諧波、頻率偏差、三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變等。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能

考慮到通訊壓力以及數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性，通常由電能質(zhì)量終端基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按一定間隔統(tǒng)計(jì)出該時(shí)間段內(nèi)的電能質(zhì)量參數(shù)的最大值、最小值、平均值、95%概率值等，上送到電能質(zhì)量主站完成穩(wěn)態(tài)趨勢(shì)分析以及常規(guī)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表等應(yīng)用功能。

《QGDW-10-J393-2009電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔通常為3 min；報(bào)表數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔通常為24 h。

1.3 電能質(zhì)量事件告警功能

電能質(zhì)量終端提供一組定值用于管理越限定值，當(dāng)控制字中越限告警功能投入，電能質(zhì)量越限值大于設(shè)定值時(shí)產(chǎn)生告警信息。

常見(jiàn)告警信息包括瞬態(tài)電壓電路變化告警、電壓電流不平衡度告警、電壓暫降告警等。

1.4 電能質(zhì)量異常文件記錄功能

電能質(zhì)量終端記錄文件包括錄波文件和電能質(zhì)量數(shù)據(jù)文件交換格式（PQDIF）文件。

2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端信息建模

IEC61850第一版定義的邏輯節(jié)點(diǎn)類和數(shù)據(jù)類并沒(méi)有涵蓋電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的所有信息，近年來(lái)，TC57 WorkGroup10一直致力于研究IEC61850在電能質(zhì)量方面的擴(kuò)展工作，并于2005年形成了IEC61850電能質(zhì)量附錄的委員會(huì)草案版本，對(duì)電能質(zhì)量信息交換的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)類進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，這為建立較完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)IED的對(duì)象模型奠定了基礎(chǔ)。

下面將嚴(yán)格遵循IEC61850第二版標(biāo)準(zhǔn)，從邏輯節(jié)點(diǎn)、邏輯設(shè)備、數(shù)據(jù)對(duì)象及屬性各層次對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行建模。

2.1 邏輯節(jié)點(diǎn)建模

邏輯節(jié)點(diǎn)建模需要首先對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行功能分解，然后依據(jù)功能特性匹配標(biāo)準(zhǔn)邏輯節(jié)點(diǎn)。在IEC61850第二版7-4兼容的邏輯節(jié)點(diǎn)類部分，邏輯節(jié)點(diǎn)類由第一版的91個(gè)擴(kuò)充到目前的143個(gè)，其中，擴(kuò)充了測(cè)量類邏輯節(jié)點(diǎn)（M-）、新增加了電能質(zhì)量分析類邏輯節(jié)點(diǎn)（Q-）[6-8]。經(jīng)功能分解、匹配后，構(gòu)成電能監(jiān)測(cè)終端的邏輯節(jié)點(diǎn)分類如下：

1）系統(tǒng)服務(wù)功能。物理邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD、系統(tǒng)服務(wù)邏輯節(jié)點(diǎn)零LLN0。

2）測(cè)量功能?；緶y(cè)量節(jié)點(diǎn)MMXU、不平衡和序分量計(jì)算節(jié)點(diǎn)MSQI、諧波計(jì)算節(jié)點(diǎn)MHAI、閃變數(shù)據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)MFLK、單相測(cè)量MMXN、單相諧波MHAN、計(jì)量統(tǒng)計(jì)MSTA、直流測(cè)量MMDC、單相計(jì)量MMTN、三相計(jì)量MMTR。

3）越限告警功能。電壓波動(dòng)QVVR、頻率波動(dòng)QFVR、瞬態(tài)電壓變化QVTR、瞬態(tài)電流變化QITR、不平衡變化QVUB和QIUB。

4）異常記錄分析功能。擾動(dòng)記錄節(jié)點(diǎn)RDRE、模擬量通道節(jié)點(diǎn)RADR、狀態(tài)量通道節(jié)點(diǎn)RBDR。

2.2 邏輯設(shè)備建模

邏輯設(shè)備是功能的集合，將同類邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)聚合到一起，便于同類數(shù)據(jù)整體處理。

從數(shù)據(jù)需求可以看出，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端邏輯設(shè)備建模不適宜沿用目前通行的按測(cè)量、控制、保護(hù)等功能類型劃分的建模方式。從工程實(shí)踐效果看，按監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行邏輯設(shè)備的建模，即一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（包括三相電壓和三相電流）劃分為一個(gè)邏輯設(shè)備，每個(gè)邏輯設(shè)備下都包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、電能質(zhì)量事件告警和錄波等邏輯節(jié)點(diǎn)，不僅方便后續(xù)數(shù)據(jù)集、報(bào)告、日志等的建模，也有利于被監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量全景數(shù)據(jù)的獲取與整體處理[9]。

表1展示了邏輯設(shè)備的建模實(shí)例，包含了2.1節(jié)所述的主體邏輯節(jié)點(diǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)象建模

在完成邏輯節(jié)點(diǎn)建模后，就可以將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量、事件、參數(shù)等數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)象中，標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-4中定義了每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性，并在附錄進(jìn)行了詳細(xì)的語(yǔ)義說(shuō)明。

針對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端，大多數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)象的建模方式和常規(guī)變電站保護(hù)測(cè)控裝置類似，唯一差異在于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端所用的公共數(shù)據(jù)類CDC中存在數(shù)組array，以諧波值（HMV）為例，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端采集各電壓、電流2~50次的諧波、5~95 Hz的間諧波，如果按常規(guī)方式建模，勢(shì)必要對(duì)array中的每個(gè)諧波、間諧波分別定義一個(gè)DA，這樣將使得模型異常龐大，給模型閱讀和存檔帶來(lái)極大的不便。

筆者分析SCL Schema，在 SCL_DataType Templates.xsd中發(fā)現(xiàn)了針對(duì)數(shù)組應(yīng)用的count屬性，只需在模型文件DOType下對(duì)數(shù)組類型SDO和DA的count屬性賦值對(duì)象數(shù)量，即可實(shí)現(xiàn)SDO和DA的數(shù)組建模。

圖1是帶有數(shù)組成員的DOType定義示例。

圖1 帶有數(shù)組成員的DOType定義示例Fig.1 Sample of DOType definition with array members

3 容易產(chǎn)生差異的功能實(shí)現(xiàn)

目前各廠家的裝置大多是基于IEC61850第一版進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，而第一版標(biāo)準(zhǔn)涉及電能質(zhì)量的部分非常有限；由于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的部分應(yīng)用需求與常規(guī)保護(hù)測(cè)控裝置有差異，本節(jié)針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重闡述筆者的理解與實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 報(bào)告控制塊的定義

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端要完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、電能質(zhì)量事件告警和電能質(zhì)量異常文件記錄四個(gè)功能，就需要定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)告、報(bào)表數(shù)據(jù)報(bào)告、穩(wěn)態(tài)參數(shù)越限告警報(bào)告和錄波狀態(tài)報(bào)告等5個(gè)報(bào)告。

其中后兩個(gè)報(bào)告的建模方式與常規(guī)保護(hù)測(cè)控裝置類似：報(bào)告定義為緩存型報(bào)告BR（Buffered Report），觸發(fā)選項(xiàng)設(shè)定為數(shù)據(jù)變化和總召喚。

前面三類報(bào)告其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集具有特殊性：①數(shù)據(jù)集成員多，針對(duì)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端通常需要采集電壓、電流各2～50次諧波的幅值、相位、畸變率、分相有功功率，及各次諧波代數(shù)和、絕對(duì)值和，如采用變化上送，會(huì)極大的降低通訊效率；②統(tǒng)計(jì)、報(bào)表數(shù)據(jù)為設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)值，電能質(zhì)量終端需要具備一定量歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，供客戶端回溯?；谝陨显颍诠こ虒?shí)施中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告定義為非緩存型報(bào)告UR（Unbuffered Report），統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)告和報(bào)表數(shù)據(jù)報(bào)告定義為BR；這三類報(bào)告的觸發(fā)選項(xiàng)設(shè)置均設(shè)置為完整性周期和總召[9-10]。

3.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)日志功能的實(shí)現(xiàn)

在IEC61850體系中，緩存報(bào)告（Buffered Report）工作機(jī)制已經(jīng)非常完美，是標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)亮點(diǎn)，但掉電不保存使得報(bào)告服務(wù)并不能完全替代日志服務(wù)[10-12]。電能質(zhì)量檢測(cè)終端實(shí)現(xiàn)日志功能需要解決以下問(wèn)題：

1）理論上IED生成的歷史數(shù)據(jù)均可以作為日志，但工程實(shí)施中究竟需要哪些數(shù)據(jù)，需要明確。

2）日志模型包括日志控制塊和日志數(shù)據(jù)集兩部分，各部分如何建模需要規(guī)范。

3）日志的觸發(fā)方式如何設(shè)置，需要明確。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者在多地電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端工程實(shí)踐得出下面結(jié)論：

1）為兼顧日志存儲(chǔ)空間和日志信息的充分性，只要是定義為BR且上送過(guò)的報(bào)告，都應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)一條日志條目，這樣可以保證在電能質(zhì)量異常情況發(fā)生時(shí)，如出現(xiàn)電能質(zhì)量終端與主站通訊異常，造成主站沒(méi)有及時(shí)收到報(bào)告的情況下，仍可以通過(guò)日志功能獲取當(dāng)時(shí)的異常數(shù)據(jù)[10-11]。

2）日志是按照先入先出的原則寫(xiě)入的。從服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)的角度看，日志可以看成一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，由新條目不斷覆蓋舊條目；對(duì)客戶端而言，日志是隱藏的，客戶端看日志僅是個(gè)線性緩沖區(qū)。日志總是使能的，EntryID（條目標(biāo)識(shí)）和TimeOfEntry（日志時(shí)間）是日志條目的唯一標(biāo)識(shí)。其中，EntryID是一個(gè)計(jì)數(shù)值，達(dá)到最大值后歸零。計(jì)數(shù)值的最大值要大于在LOG中能夠存儲(chǔ)的最大條目數(shù)，這樣在LOG中的任意2個(gè)條目就不會(huì)有相同的EntryID值[12-13]。

日志控制塊（LCB－LOG Control Block）控制數(shù)據(jù)屬性值存入LOG中的過(guò)程。每一個(gè)使能的LCB與DataSet相關(guān)但相互獨(dú)立。DataSet成員值的改變將作為L(zhǎng)OG條目存儲(chǔ)[9]。

IEC61850-7-2中規(guī)定LLN0（邏輯節(jié)點(diǎn)零）下可以定義多個(gè)日志控制塊，但最多一份日志。因此本文推薦參照?qǐng)?bào)告控制塊逐條定義對(duì)應(yīng)的日志控制塊，日志數(shù)據(jù)集則共用對(duì)應(yīng)的報(bào)告數(shù)據(jù)集。多個(gè)LCB的DataSet存入單一LOG中，供客戶端統(tǒng)一檢索。

3）結(jié)合第一條的分析，針對(duì)每個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)日志、報(bào)表數(shù)據(jù)日志、穩(wěn)態(tài)參數(shù)越限告警日志和錄波日志。日志觸發(fā)選項(xiàng)TrgOp，主要包括數(shù)據(jù)變化dChg、品質(zhì)變化qChg和完整性周期period。考慮到服務(wù)器端日志存儲(chǔ)空間有限，筆者認(rèn)為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)日志和報(bào)表數(shù)據(jù)日志的TrgOp應(yīng)設(shè)定為完整性周期period，穩(wěn)態(tài)參數(shù)越限告警日志和錄波日志的TrgOp應(yīng)設(shè)定為數(shù)據(jù)變化dchg。

綜上所述，建立的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端日志模型如圖2所示。

圖2 電能質(zhì)量檢測(cè)終端日志模型示例Fig.2 Sample of power quality supervision terminal log model

4 工程案例

以某風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)工程為例，現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端配置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)上通過(guò)IEC61850規(guī)約接入電科院電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)主站，現(xiàn)場(chǎng)采用如下的方法進(jìn)行測(cè)試：

1）設(shè)置好終端的電能質(zhì)量越限定值，終端加量，遠(yuǎn)程修改終端CT/PT變比參數(shù)，造成電能質(zhì)量越限告警事件。

2）通過(guò)查看主站端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)表數(shù)據(jù)的刷新速度，檢驗(yàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)上送時(shí)間能否滿足技術(shù)規(guī)范。

3）終端斷電，再重新上電，主站通過(guò)日志服務(wù)檢索終端的日志條目，以此檢驗(yàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的日志功能。

現(xiàn)場(chǎng)互操作試驗(yàn)通過(guò)，驗(yàn)證了IEC61850在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可用性，也證實(shí)了本文闡述的對(duì)電能質(zhì)量終端建模的理解和工程實(shí)施方案是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合IEC61850第二版標(biāo)準(zhǔn)和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)需求，提出了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的IEC61850信息建模方法。本文提出的方案可以作為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的技術(shù)規(guī)范借鑒，有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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