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        基于IEC61850的智能斷路器IED建模及SCL描述*

        2013-11-24 02:17:58連兵兵方瑞明
        關(guān)鍵詞:斷路器邏輯建模

        連兵兵 ,方瑞明 ,洪 欣

        (1.華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建 廈門361021;2.廈門市電業(yè)局,福建 廈門361004)

        IEC61850標準是目前電力系統(tǒng)中最完善的通信標準,它采用面向?qū)ο蟮姆椒枋鲎冸娬炯霸O(shè)備信息,旨在實現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的智能電子設(shè)備IED(Intelligent Electronic Device)之間的互操作。該標準將變電站通信體系分為3層:變電站層、間隔層和過程層,智能斷路器屬于過程層,層內(nèi)的IED間通信采用IEC61850協(xié)議。

        國內(nèi)外學(xué)者對IED間互操作問題十分關(guān)注,并從多方面進行了相關(guān)試驗[1]。IED間互操作的核心是建立其IED信息模型,目前研究主要集中在IED的在線監(jiān)測功能模塊[2],對IED整體結(jié)構(gòu)研究得較少。

        本文以某公司生產(chǎn)的智能斷路器為例,分析智能斷路器的結(jié)構(gòu)和功能,搭建完整的信息模型,并對模型進行描述,為實現(xiàn)IED間互操作奠定基礎(chǔ)。

        1 智能斷路器IED建模方法

        1.1 智能斷路器建模技術(shù)

        實現(xiàn)智能斷路器IED間互操作的核心是其IED信息模型,IEC61850定義信息模型層次結(jié)構(gòu)依次為服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性,如圖1所示。

        圖1 IED分層信息模型

        智能斷路器(IED)相當于一個服務(wù)器(Server),由若干個邏輯設(shè)備LD組成,邏輯設(shè)備反映設(shè)備本身的信息和功能單元共享的信息;將設(shè)備功能分解成若干邏輯節(jié)點LN,邏輯節(jié)點是協(xié)議中能實現(xiàn)具體功能的最小抽象單位,邏輯節(jié)點間通過邏輯連接LC來完成數(shù)據(jù)交接[3-4]。邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象DO和數(shù)據(jù)屬性DA,數(shù)據(jù)對象由數(shù)據(jù)屬性組成,是網(wǎng)絡(luò)交換信息的基礎(chǔ),通過對數(shù)據(jù)的操作實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交互。

        1.2 智能斷路器建模規(guī)則

        對智能斷路器IED 進行建模時,首先要確定IED具有的功能。依據(jù)面向?qū)ο笏枷敕治鲈O(shè)備的邏輯構(gòu)成,對斷路器系統(tǒng)包含的功能進行解耦分析,抽象出設(shè)備所含有的邏輯節(jié)點以及每個邏輯節(jié)點所含的參數(shù)和屬性,再利用統(tǒng)一建模語言工具作進一步分析。

        由于標準側(cè)重于保護與控制方面的功能,智能斷路器在建模時必須對標準規(guī)定的基本信息模型進行擴展,以保證將斷路器所有功能包括在內(nèi)。具體擴展規(guī)則如圖2所示。

        2 智能斷路器IED模型

        2.1 功能分析

        本文根據(jù)某公司生產(chǎn)的智能斷路器產(chǎn)品,對智能斷路器系統(tǒng)主要功能進行分解。智能斷路器系統(tǒng)主要功能歸為4類:

        (1)保護功能:過載保護、選擇性短路保護、自動重合閘保護、瞬時短路保護、接地故障保護、過/欠壓保護、斷路器失靈保護、剩余電壓保護、過/欠頻保護、逆功率保護、負載保護、相平衡電壓/電流保護、過熱保護等;

        (2)測量功能:電壓、電流、功率、頻率及峰值系數(shù)、電能、諧波等電網(wǎng)參量的測量;

        (3)報警控制功能:斷路器運行模式、斷路器工作模式、試驗?zāi)J?、負載控制、故障定位、操作次數(shù)、產(chǎn)生報警、觸頭磨損情況及壽命計算等運行維護參數(shù)的儲存和顯示;

        (4)與主站通信功能:多種電網(wǎng)參數(shù)和運行參數(shù)的遠程監(jiān)測、智能斷路器當前運行狀態(tài)的遠程監(jiān)視(如觸頭位置、閉鎖情況、通信狀態(tài)等)、各種保護限值參數(shù)的遠程調(diào)整和察看(如延時電流整定值、瞬時電流整定、開合閘時間調(diào)整等)、智能斷路器的遠程分合閘操作等。

        2.2 信息模型

        根據(jù)上述分解的功能和建模規(guī)則,本文構(gòu)造了一個物理設(shè)備——智能斷路器ICB(Intelligent Circuit Breaker),它包括4個邏輯設(shè)備:保護斷路器正常運行的保護功能裝置LD1;測量斷路器電壓、電流等參數(shù)的測量功能裝置LD2;記錄儲存含超出限定值、通信失敗和操作在內(nèi)的報警控制功能裝置LD3;實現(xiàn)與遠方通信和人機界面控制的遠方通信功能裝置LD4。如圖3所示。

        (1)邏輯設(shè)備 LD模型

        邏輯設(shè)備LD是虛擬設(shè)備,由邏輯節(jié)點組成,每個邏輯設(shè)備至少包含3個邏輯節(jié)點:邏輯節(jié)點零邏輯節(jié)點(LNN0)、物理設(shè)備邏輯節(jié)點(LPHD)和功能邏輯節(jié)點。功能邏輯節(jié)點包含:①保護邏輯設(shè)備包含XCBR等邏輯節(jié)點;②測量邏輯設(shè)備包含MMXU等邏輯節(jié)點;③報警控制設(shè)備包含CSW等邏輯節(jié)點;④遠方通信邏輯設(shè)備包含ITMI等邏輯節(jié)點。具體定義見標準IEC61850-5、7邏輯節(jié)點定義。表1所示為保護邏輯設(shè)備LD1的詳細說明。

        (2)邏輯節(jié)點模型

        根據(jù)圖2的建模流程,針對低壓智能斷路器剩余電流保護的功能特點,本模型對相應(yīng)的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)進行擴展,以構(gòu)造完整的數(shù)據(jù)模型。自定義剩余電流保護邏輯節(jié)點PTRA,如表2所示。

        (3)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)屬性模型

        邏輯節(jié)點包含若干數(shù)據(jù)(Mode、Beh等),數(shù)據(jù)又包含數(shù)據(jù)屬性(ctlVal、operTim等)。以 XCBR中的數(shù)據(jù) DPL為例,智能斷路器的產(chǎn)品名稱model屬性和安裝位置location屬性,如表3所示。

        3 智能斷路器配置描述

        3.1 IED配置描述工程步驟

        IEC61850-6定義了一種通過不同配置描述文件的配置與傳遞,實現(xiàn)IED間互操作的變電站配置描述語言(SCL)。SCL包含4類文件:變電站配置描述文件SCD、IED出廠配置信息ICD、配置IED功能描述文件CID和變電站結(jié)構(gòu)信息SSD。其工程步驟如圖4所示。

        表1 保護邏輯設(shè)備LD1列表

        表2 剩余電流保護邏輯節(jié)點(PTRA)

        表3 設(shè)備銘牌DPL模型

        圖4 智能斷路器的SCL配置流程

        圖4中,ICD文件描述智能斷路器IED的能力,由IED配置工具生成,向主站傳遞IED的詳細配置信息;系統(tǒng)配置工具結(jié)合ICD文件和SSD文件生成SCD文件;CID文件用來對IED各參量進行功能配置,由IED配置工具下載到智能斷路器IED中,從而得到包括IP地址在內(nèi)的智能斷路器IED實例化系統(tǒng)信息。

        3.2 智能斷路器配置描述

        IEC61850-6定義的SCL文件包含5個部分:頭(Header)、 變 電 站(Sbustation)、 智 能 電 子 設(shè) 備 (IED)、 通 信系統(tǒng)(Communication)和邏輯節(jié)點類型定義(DataTypeTemplates)[5]。斷路器配置文件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。變電站對ICD文件解析后,通過對配置文件的讀取、編輯和瀏覽,保存修改后的配置文件,實現(xiàn)對斷路器配置信息的操作。

        智能斷路器配置描述采用IED設(shè)備對象模型,由Server、LDevice、LNnode等對象描述邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能來構(gòu)建,在智能斷路器IED配置工具內(nèi)完成。另外配置工具還可以對生成的SCL文件進行解析和有效性校驗,使之成為結(jié)構(gòu)良好并且有效的配置描述文件。

        IED間互操作的核心是IEC61850信息模型。本文對智能斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保護控制進行分解,構(gòu)造完整的信息模型,結(jié)合低壓斷路器通常作為開關(guān)設(shè)備頻繁操作的特點,自定義剩余電流保護等邏輯節(jié)點,最后利用IED配置工具實現(xiàn)智能斷路器的配置描述,實現(xiàn)通過變電站層瀏覽、修改斷路器的配置信息,對后續(xù)實現(xiàn)智能斷路器IED間互操作有一定的指導(dǎo)意義。

        [1]辛耀中,王永福,任雁銘.中國 IEC 61850研發(fā)及互操作試驗情況綜述[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(12):1-6,72.

        [2]鄔航杰,盛戈皞,崔榮花,等.基于 IEC61850的變壓器狀態(tài)監(jiān)測 IED的信息建模及SCL描述[J].華東電力,2011,39(12):2012-2016.

        [3]IEC.IEC61850-5 communication networks and systems in substations Part5:communication equipments for functions and device models[S].2003.

        [4]IEC.IEC61850-7-1 communication networks and systems in substations Part7-1:basic communication structure for substations and feeder equipment Principles and models[S].2003.

        [5]IEC.IEC61850-6 communication networks and systems in substations Part5:configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].2003.

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