王風(fēng)華，康童，朱吉然，齊飛，陳小強(qiáng)，譚飛

(1·同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海201804；2·國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007；3·江蘇圣通電力新能源科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212400；4·東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái)264001)

0 引言

配電網(wǎng)作為電力供應(yīng)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，其落后性逐漸開(kāi)始顯現(xiàn)，丞需推進(jìn)我國(guó)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)程。配電自動(dòng)化終端是配電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)，其中配電自動(dòng)化終端包括饋線終端(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)、配電站所終端(Distribution Terminal Unit，DTU)和配 變 終端(Transformer Terminal Unit，TTU)。配電自動(dòng)化終端各單元與主站間主要采用IEC60870－5－101、IEC60870－5－104等通信協(xié)議進(jìn)行信息交互[1－3]，但是，這些通信協(xié)議僅僅解決了配電終端各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，對(duì)配電終端設(shè)備信息與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的描述并未涉及[4]。因此，在配電終端設(shè)備投入使用之前，需要人工完成控制中心與終端數(shù)據(jù)點(diǎn)表之間的匹配，配電終端設(shè)備的初始配置和維護(hù)的難度增大，難以實(shí)現(xiàn)配電終端設(shè)備的即插即用[5－7]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際電工委員會(huì)頒布，是應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自頒發(fā)以來(lái)參考了許多其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)技術(shù)，受到電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域的認(rèn)可，該標(biāo)準(zhǔn)已廣泛應(yīng)用于配電自動(dòng)化系統(tǒng)中。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)具備以下三個(gè)特點(diǎn):利用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)對(duì)變電站通信系統(tǒng)的功能進(jìn)行建模；總結(jié)變電站內(nèi)信息傳輸所需的通信服務(wù)，提出抽象通信服務(wù)接口的概念；提出基于可擴(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 Description Language，SCL)，可對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一建模，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自描述和即插即用技術(shù)，使不同廠家設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互、互操作成為可能[8－11]?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)配電終端設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，使其具備自描述功能，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備即插即用，從而極大地減輕運(yùn)維工作量。目前，借鑒IEC61850面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷胫饕獞?yīng)用于饋線終端自描述方面[12]，對(duì)于配電環(huán)網(wǎng)柜分布式DTU仍缺乏具備實(shí)用性的自描述信息模型。

本文將IEC61850的面向?qū)ο蠼７椒ㄒ氲脚潆姯h(huán)網(wǎng)柜分布式DTU的自描述模型研究中，通過(guò)對(duì)配電環(huán)網(wǎng)柜分布式DTU功能進(jìn)行梳理、分類(lèi)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立分布式DTU信息模型，實(shí)現(xiàn)配電終端對(duì)配電系統(tǒng)的信息自描述，為配電環(huán)網(wǎng)柜分布式DTU設(shè)備的即插即用奠定基礎(chǔ)。

1 IEC 61850自描述建模方法簡(jiǎn)介

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了電力系統(tǒng)內(nèi)各智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED)之間的通信協(xié)議和相關(guān)要求。IEC61850是個(gè)龐大的標(biāo)準(zhǔn)體系，而不僅僅是一個(gè)通信協(xié)議，其具有以下三大核心內(nèi)容，分別為變電站的信息分層結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模方法、數(shù)據(jù)自描述[13－14]。建立配電終端設(shè)備的自描述信息模型是實(shí)現(xiàn)設(shè)備即插即用的基礎(chǔ)。

1.1 信息分層結(jié)構(gòu)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出了變電站信息分層結(jié)構(gòu)的概念，將變電站分層結(jié)構(gòu)定義為變電站控層、間隔層以及過(guò)程層，且定義了不同層之間的接口[15]，分層模型如圖1所示。

圖1 IEC61850變電站三層模型

圖1中，過(guò)程層主要包含過(guò)程接口、傳感器和執(zhí)行元件。過(guò)程接口負(fù)責(zé)過(guò)程層與間隔層之間的通信，常見(jiàn)的過(guò)程層裝置為遠(yuǎn)方過(guò)程接口，比如過(guò)程總線連接的輸入輸出等。配電網(wǎng)一次設(shè)備屬于過(guò)程層，其功能為采集信息。間隔層由各控制、保護(hù)單元構(gòu)成，間隔層的功能為使用某一間隔控制、保護(hù)單元的數(shù)據(jù)并作用于這個(gè)間隔的一次設(shè)備。配電網(wǎng)二次設(shè)備屬于間隔層，其功能為采集信息并將這些信息傳輸至站控層，并進(jìn)一步接收其指令。站控層功能分為兩種，即過(guò)程有關(guān)的站控層功能和接口有關(guān)站控層功能，過(guò)程有關(guān)的站控層功能可以使用采集的數(shù)據(jù)，并作用于一次設(shè)備；接口有關(guān)站控層功能用來(lái)表示各種通信接口，如遠(yuǎn)方控制中心接口等。

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出的信息分層結(jié)構(gòu)，對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行抽象和信息分層，將其分為配電主站層、子站層和終端設(shè)備層。配電主站層可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)功能，負(fù)責(zé)采集信號(hào)并發(fā)送指令。子站層即配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的變電站，具備收集終端傳輸?shù)男畔⒉⑸蟼髦僚潆娭髡竞徒邮张潆娭髡鞠逻_(dá)的命令并轉(zhuǎn)發(fā)給饋線終端的功能。終端設(shè)備層包含各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主要為饋線終端、配電站所終端等。

1.2 自描述和面向?qū)ο蟮慕７椒?/h3>

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的另一核心內(nèi)容為面向?qū)ο蟮慕７椒?。該方法將變電站系統(tǒng)抽象為若干類(lèi)，并描述了類(lèi)的特征。根據(jù)這些類(lèi)可以得到IED的分層信息模型，該模型分為四層，分別是服務(wù)器Server、邏輯設(shè)備(Logical Device，LD)、邏輯節(jié)點(diǎn)(Logical Node，LN)以及數(shù)據(jù)對(duì)象，其中數(shù)據(jù)對(duì)象包括數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性[16]。根據(jù)面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ瑯?gòu)建IED的分層信息模型，對(duì)不同層的標(biāo)準(zhǔn)化命名進(jìn)行了明確約定，使得終端設(shè)備具備自描述能力，這種方式大大減少了終端設(shè)備配置和維修的工作量。

IED的分層信息模型如圖2所示。其中，1 1··*表示上一級(jí)類(lèi)模型由若干個(gè)下一級(jí)類(lèi)模型聚合而成，數(shù)據(jù)類(lèi)由若干個(gè)數(shù)據(jù)屬性組成。

圖2 IED數(shù)據(jù)模型

2 分布式DTU自描述功能梳理

分布式DTU由兩部分組成，包括公共單元和間隔單元。分布式DTU的公共單元和間隔單元之間的結(jié)構(gòu)如圖3所示。公共單元負(fù)責(zé)匯集各間隔單元的二遙數(shù)據(jù)(遙信數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù))、錄波數(shù)據(jù)、保護(hù)事件、電能數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，并經(jīng)過(guò)安全加密認(rèn)證后通過(guò)通信設(shè)備傳輸至主站。公共單元獲取主站下發(fā)的遙控命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)間隔單元進(jìn)行遙控操作的功能。

圖3 公共單元和間隔單元拓?fù)鋱D

根據(jù)配電自動(dòng)化系統(tǒng)以及分布式DTU具體應(yīng)用的特點(diǎn)，其具有以下功能。

1)SCADA功能

SCADA功能即為遙測(cè)功能、遙信功能和遙控功能。

遙測(cè)功能包括采集A、B、C三相電流及零序電流；采集三相交流電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)；采集饋線故障電流；采集零序電流；采集蓄電池電壓等直流量。

遙信功能包括采集開(kāi)關(guān)的合、分狀態(tài)量信息并向遠(yuǎn)方發(fā)送雙位遙信；采集裝置電源狀態(tài)信息并向遠(yuǎn)方發(fā)送；采集設(shè)備故障、異常信息并向遠(yuǎn)方發(fā)送；遙測(cè)越限、過(guò)流、接地等故障信息并上報(bào)；采集柜門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)信息并向遠(yuǎn)方發(fā)送。

遙控功能包括接收并執(zhí)行遙控命令或當(dāng)?shù)乜刂泼睿约胺邓托：?，與各種類(lèi)型重合器、斷路器和負(fù)荷開(kāi)關(guān)配合執(zhí)行操作；區(qū)分和保存主站和當(dāng)?shù)剡b控記錄。

2)保護(hù)功能

包括過(guò)電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、故障定位功能、自動(dòng)重合閘功能。

3)錄波功能

發(fā)生故障時(shí)能夠記錄故障前后的電氣參數(shù)。

4)電池管理功能

分別為電源失電保護(hù)功能和遙控電源的啟動(dòng)和退出的功能。

3 分布式DTU自描述信息模型構(gòu)建

根據(jù)分布式DTU設(shè)備的功能分解與抽象結(jié)果，按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的模型，將不同類(lèi)型的功能進(jìn)行物理設(shè)備劃分并對(duì)應(yīng)至相應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)，以建立分布式DTU自描述信息模型。

為清晰化模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步將DTU功能分為SCADA功能、保護(hù)功能、錄波功能、電池管理功能。SCADA功能負(fù)責(zé)采集線路的電流、電壓、功率等電氣量，采集和監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)信息、電源狀態(tài)信息、設(shè)備故障、異常信息等并向遠(yuǎn)方發(fā)送，接受并執(zhí)行指令進(jìn)行遙控。根據(jù)IEC61850提出的IED分層結(jié)構(gòu)，將物理設(shè)備分布式DTU劃分為以下五個(gè)邏輯設(shè)備，分別為測(cè)量LD、控制LD、保護(hù)LD、錄波LD和電池管理LD。根據(jù)信息建模的方法，建立得到DTU的分層結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 DTU信息模型

邏輯設(shè)備中包含的邏輯節(jié)點(diǎn)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 邏輯設(shè)備詳細(xì)內(nèi)容

另外，5個(gè)邏輯設(shè)備LD均包括邏輯節(jié)點(diǎn)LLN0和邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD，未在表1中列出。其中，邏輯節(jié)點(diǎn)裝置LLN0包含物理裝置中智能電子設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)(裝置標(biāo)識(shí)、裝置自檢查報(bào)文等)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，LLN0不限制對(duì)任何邏輯節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)。LPHD即物理設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)，包含擁有邏輯節(jié)點(diǎn)的物理設(shè)備的數(shù)據(jù)。

測(cè)量LD中，邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU利用電流電壓互感器采集電壓、電流，計(jì)算其有效值，通過(guò)電壓電流采樣值計(jì)算功率；邏輯節(jié)點(diǎn)MSQI通過(guò)互感器采集數(shù)據(jù)，計(jì)算電路中的零序電流、電壓值和三相不平衡電流、電壓值；邏輯節(jié)點(diǎn)MHAI負(fù)責(zé)利用采集的數(shù)據(jù)計(jì)算電網(wǎng)中諧波等數(shù)值，用于確定電能質(zhì)量；邏輯節(jié)點(diǎn)SIMG測(cè)量六氟化硫斷路器的壓力信號(hào)；邏輯節(jié)點(diǎn)XSWI包含負(fù)荷開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)等，測(cè)量開(kāi)關(guān)閉合和儲(chǔ)能狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)和開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)。

控制LD中，邏輯節(jié)點(diǎn)CILO具備連鎖功能；邏輯節(jié)點(diǎn)CSWI控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合閘，具備檢查控制命令權(quán)限；邏輯節(jié)點(diǎn)XCBR為斷路器，分為無(wú)定點(diǎn)分合能力的斷路器和具有定點(diǎn)分合能力的斷路器；邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO用于表示通用主裝置或輔助裝置的輸入輸出。

保護(hù)LD中，邏輯節(jié)點(diǎn)PTOC對(duì)應(yīng)交流定時(shí)限過(guò)流保護(hù)；邏輯節(jié)點(diǎn)PTUV對(duì)應(yīng)欠電壓保護(hù)；邏輯節(jié)點(diǎn)RREC和RFLO分別對(duì)應(yīng)自動(dòng)重合閘和故障定位；邏輯節(jié)點(diǎn)PSDE對(duì)應(yīng)接地故障。

錄波LD中，邏輯節(jié)點(diǎn)RDRE負(fù)責(zé)記錄電壓、電流波形，通過(guò)狀態(tài)輸入獲取位置信息。

電池管理LD中，邏輯節(jié)點(diǎn)ZBAT用于采集電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，控制電池充放電；邏輯節(jié)點(diǎn)ZBTC負(fù)責(zé)遙控電池的啟動(dòng)激活和退出。

基于上述分布式DTU自描述信息模型，配電環(huán)網(wǎng)柜能夠自動(dòng)快速地接入配電系統(tǒng)，以自描述信息模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)配電終端設(shè)備注冊(cè)、主站建模、配置下發(fā)等一系列功能，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)分布式DTU的即插即用。配電線路的環(huán)網(wǎng)柜終端可實(shí)時(shí)采集并監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)柜的信息，有效地提升配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，推進(jìn)了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文對(duì)配電環(huán)網(wǎng)柜分布式DTU功能及各功能所需數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、分類(lèi)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行建模。依據(jù)IED的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，按照服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)的分層結(jié)構(gòu)，建立分布式DTU完整的自描述信息模型，為其在配電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)即插即用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著配電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，配電終端設(shè)備功能逐步完善，自描述信息模型需按照功能的梳理分析進(jìn)一步深化，以滿(mǎn)足未來(lái)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展。