陸夢龍+張力

摘 要：結合IEC61850的協(xié)議特征以及智能變電站的技術特點，針對漏電保護在智能變電站中的應用，介紹了智能變電站漏電保護的基本構造，建立了基于IEC61850的單間隔線路信息模型，重點建立了漏電保護邏輯節(jié)點（LN）模型，給出了包含漏電保護邏輯節(jié)點的服務器模型。在此基礎上，研究了服務器的通信問題，包括采樣值的獲取、漏電跳閘命令的發(fā)送以及漏電保護選線結果到后臺管理系統(tǒng)的傳輸。

關鍵詞：IEC61850；智能變電站；漏電保護；邏輯節(jié)點；通信服務模型

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0131-03

隨著電子式互感器、智能開關技術和網絡通信技術的發(fā)展，基于IEC61850的智能變電站技術趨于成熟，并將很快代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站自動化技術，成為變電站領域的新技術[1]。漏電故障是供配電網中發(fā)生概率較高的故障類型，漏電故障不僅影響供電系統(tǒng)的正常穩(wěn)定供電，威脅工作人員人身安全，煤礦井下供配電網發(fā)生漏電，還可能導致瓦斯、煤塵爆炸，甚至使電氣雷管提前引爆[2]。采取漏電保護措施和設置選擇性漏電保護可以極大提高供電的安全性和可靠性[3]。因此，漏電保護作為變電站自動化系統(tǒng)的一種重要保護功能，在智能變電站中必須有相應的解決方案。

本文按照IEC61850標準要求，結合智能變電站技術特點和漏電保護的要求，針對智能變電站中性點非有效接地系統(tǒng)探討漏電故障處理方案，對漏電保護模塊進行建模研究，建立了漏電保護的邏輯節(jié)點模型和通信服務模型，并在此基礎上研究了漏電保護模型的通信實現(xiàn)問題。

1 智能變電站漏電保護構造

智能變電站采用先進的智能化設備，實現(xiàn)了各種信息的數字化采集和網絡化傳輸，具有信息化、自動化、互動化等特點[4]，智能變電站中各種保護裝置與傳統(tǒng)站最大的不同在于信息傳輸的方式不同，智能變電站采用光纖通信，網絡化傳輸，提高了保護裝置的快速性和可靠性。

根據國網公司頒布的《智能變電站繼電保護技術規(guī)范》，保護裝置宜采用直采直跳方式，本文漏電保護裝置從合并單元處直接采集電壓電流量，跳閘命令則經過GOOSE網發(fā)送到智能終端。其中GOOSE和SV采用二網合一的方式。智能變電站漏電保護架構如圖1所示。

漏電保護的原理種類較多，目前常用的主要有零序電流原理；零序電壓原理；零序功率方向原理等。從現(xiàn)場實際應用效果看，漏電保護裝置動作準確性并不高，誤動、拒動現(xiàn)象時有發(fā)生。零序電流有功分量法由于能夠克服上述原理存在的各種不足，簡單易行，應用較為廣泛。

文獻[5]給出了零序電流有功分量法故障選線判據，該判據簡單易行可，大大提高了計算效率?，F(xiàn)場應用結果表明，使用該判據的漏電保護裝置具有較高的靈敏性和可靠性。

2 基于IEC61850標準的漏電保護建模

IEC61850標準采用面向對象的建模方法，對變電站功能和智能電子設備建模[6]，抽象出設備所含有的邏輯節(jié)點以及每個邏輯節(jié)點所含的參數、屬性，找出邏輯節(jié)點之間的數據流向，再利用統(tǒng)一建模語言工具對其進一步分析[7]。多個邏輯節(jié)點協(xié)同工作，共同完成變電站內的控制、保護、測量及其他功能。

2.1 漏電保護邏輯節(jié)點

IEC61850定義了約90個邏輯節(jié)點，漏電保護在其中尚未定義。按照IEC61850-7-4標準對擴展新功能邏輯節(jié)點的要求，定義漏電保護邏輯節(jié)點為PLEA，其中P表示保護邏輯節(jié)點組，LEA是Leakage的縮寫。漏電保護邏輯節(jié)點是發(fā)生漏電保護時最重要的邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點PLEA包含發(fā)生漏電故障時各條線路的零序電壓電流值，以及漏電饋線編號，漏電保護算法模塊讀取PLEA中零序電壓電流數據值，通過零序電流有功分量法計算后可判斷漏電故障線路。

圖2是對某單間隔線路建模的信息模型，IED1是保護、測量和控制一體化的智能電子設備，對裝置功能進行分解，建立邏輯節(jié)點模型，漏電保護邏輯節(jié)點PLEA是其中的一個邏輯節(jié)點。

PLEA從電流電壓互感器邏輯節(jié)點TCTR、TVTR處得到電流電壓值并判斷線路是否發(fā)生漏電，若發(fā)生漏電，漏電保護算法模塊將啟動并判斷漏電支路，開關控制邏輯節(jié)點CSWI收到跳閘命令后跳開對應的斷路器。

漏電保護邏輯節(jié)點（PLEA）包括公用邏輯節(jié)點信息、狀態(tài)信息、測量信息和定值信息，公用邏輯節(jié)點信息繼承公用邏輯節(jié)點類必備數據，狀態(tài)信息包括啟動值、動作值、以及漏電饋線編號等；測量信息包括線路的母線零序電壓和線路零序電流，可包含多條線路信息；定值信息包括動作整定值、啟動時間、動作時間、母線名稱和饋線數目等。漏電保護邏輯節(jié)點模型如表1所示。表中“M”表示必選，“O”表示可選。

漏電保護模塊需要檢測多條線路，一般以一段母線為單位建立漏電保護邏輯節(jié)點。若母線饋線較多，考慮數據流量大，通信延遲等問題，可以考慮每條線路建立一個邏輯節(jié)點，再以母線段為單位，匯總數據后再傳送到漏電保護算法模塊，這樣可以減輕通信壓力，避免信息冗余，還可使邏輯節(jié)點與數據一一對應，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 通信服務模型

一個智能電子設備至少包含一個服務器，服務器由邏輯設備及其他公共基本部件組成，如應用關聯(lián)（Association）、時間同步（Time Synchronisation）、文件傳輸（File Transfer）等[8]。關聯(lián)模型主要定義如何在不同裝置之間建立并保持通信鏈接的機制；時間同步服務用于傳輸對時信息，為報告服務（Report）和日志記錄（Log）提供毫秒級精度的時標，為同步采樣提供微秒級精度的時標。文件傳輸服務提供大型數據塊（文件）的傳輸方法，例如保護裝置利用文件服務將故障報告文件、錄播文件上送到保護信息子站或后臺監(jiān)控主機[9]。圖3是服務器的基本模型，其中邏輯節(jié)點僅以漏電保護邏輯節(jié)點（PLEA）為例，其他邏輯節(jié)點在此省略。endprint

服務器描述了一個設備“外部可視”的行為，保護IED所有外部可視的信息都包含于服務器中，其通信服務主要采用客戶端/服務器的通信模式。根據應用需要對數據/數據屬性的引用進行分組形成數據集，通過報告服務向外發(fā)送，也可以存儲在日志中以備檢索。除此外，邏輯節(jié)點還有控制、取代、讀/寫、目錄/定義等通信服務[10]，這些服務是對邏輯節(jié)點中的數據/數據屬性進行操作。

3 保護IED的通信

在智能變電站中，數據實現(xiàn)了網絡化傳輸，所以，實現(xiàn)一個裝置的具體功能，通信是關鍵，本文涉及的具體通信主要包括采樣值的傳輸，跳閘命令的發(fā)送以及漏電選線結果的上傳。

3.1 采樣值獲取

智能變電站采樣值的獲取可有多種方式，本文采用電子式互感器配置合并單元的方法，實現(xiàn)多路電流、電壓的合并，合并后的零序電流、電壓以IEC61850-9-2采樣值報文的形式上傳。該方法可以節(jié)約大量的控制電纜，同時利用光纜傳送數據也大大減少傳輸損耗并提高抗干擾能力[11]。

根據IEC61850-9-2的要求，采樣值傳輸采用發(fā)布方/訂閱者通信模式。目前，國內數字化變電站實施中引用了采樣值輸入虛端子，需要ICD文件中預定義邏輯節(jié)點，并在邏輯節(jié)點實例中定義DOI信號。生成SCD文件時，在每個裝置的LLN0的Inputs部分定義該裝置的采樣值輸入連線信息，每一個內部輸入虛端子與每個外部合并單元輸出信號一一對應。采樣值經過表示層編碼后直接映射到數據鏈路層和物理層，保證了采樣值報文傳輸的快速性。

根據IEC61850-9-2LE的要求，采樣頻率一般為80點或256點，本文采樣頻率選為80點。井下饋線較多，數據流量比較大，為了避免存在丟包情況，提高裝置的可靠性，必須采取處理速度快的硬件來抓取網絡上的數據包。

3.2 跳閘命令傳送

漏電故障時，若不及時切除故障，有可能造成嚴重的事故，甚至造成人員傷亡。因此，系統(tǒng)檢測到有漏電發(fā)生時必須及時切除故障線路。IEC61850標準推薦使用GOOSE通信實現(xiàn)跳閘命令。GOOSE是IEC61850中的一種快速報文傳輸機制，用于重要實時信號傳輸。IEC61850采取快速重發(fā)機制、鏈路通斷自檢、以及檢測SqNum和StNum的變化規(guī)律等方法來保證GOOSE傳輸的可靠性。

對應于傳統(tǒng)裝置的端子和硬壓板，在GOOSE中采用虛端子和軟壓板來實現(xiàn)漏電保護跳閘命令的傳送。同采樣值一樣GOOSE虛端子需要在ICD文件中預定義，并在邏輯節(jié)點實例中定義DOI信號。GOOSE的多種機制保證了跳閘報文的可靠、實時傳輸，斷路器能夠在規(guī)定的時間內斷開漏電線路。

3.3 漏電保護結果上傳

漏電保護不僅需要跳閘，還要上傳選線結果到后臺管理系統(tǒng)，站控層與間隔層之間需要通信。IEC61850-8-1制定了由ACSI到制造報文規(guī)范（MMS）的特定通信服務映射規(guī)范（SCSM）[12]。MMS采用客戶端/服務器通信模式，客戶端通過MMS服務對服務器進行監(jiān)控、調度等。

IEC61850對象模型中，服務器和邏輯設備分別映射到MMS中的虛擬制造設備（VMD）和域，邏輯節(jié)點和數據則對應MMS中的有名變量，數據集對應于MMS中的有名變量列表。對于漏電保護邏輯節(jié)點，其實例PLEA1被映射到MMS中有名變量PLEA1，其組織的數據集對應有名變量列表。

客戶端對服務器發(fā)出MMS讀請求服務，服務器收到請求后由對應GetDataValues.Request服務的應用程序訪問內存數據庫中的Data實例，將漏電保護選線結果以GetData Values.Response服務的形式，返回給通信映射程序，并將其映射為MMS的讀響應服務，最后，按照客戶端組織報文的流程將響應報文發(fā)送給客戶端?？蛻舳伺c服務器的信息交換通過MMS服務提供者來實現(xiàn)，其核心是制造報文協(xié)議機（MMPM）。

4 結語

本文按照IEC61850標準，介紹了智能變電站中漏電保護構造方案，通過構造單間隔線路信息模型，建立了漏電保護邏輯節(jié)點模型，具體分析了漏電保護邏輯節(jié)點所包含的內部信息，建立了漏電保護通信服務模型。在此基礎上，研究了智能變電站漏電保護邏輯節(jié)點的通信問題，采用電子式互感器配置合并單元的方式采集電壓電流值；應用GOOSE跳閘報文發(fā)送跳閘命令；通過MMS通信服務將漏電選線結果上傳后臺管理統(tǒng)，為解決智能變電站中漏電保護問題奠定了基礎。

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