朱吉然，康 童，王風華，徐 波，王高海，陳小強，張偉偉

基于智能電子裝置建模方法的配電終端自描述技術研究

朱吉然1，康 童1，王風華2，徐 波3，王高海4，陳小強5，張偉偉6

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；2.同濟大學電氣工程系，上海 201804；3.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410004；4.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264001；5.江蘇圣通電力新能源科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212400；6.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210000)

為了實現(xiàn)配電終端設備點表自動生成功能，降低配電終端設備配置和維護的成本，提出一種基于智能電子裝置的配電終端建模方法。利用面向對象建模方法分析并歸納了分布式配電終端的功能，然后根據(jù)智能電子裝置的分層結構分別建立分布式配電終端的邏輯設備、邏輯節(jié)點以及數(shù)據(jù)對象的模型。提出一種基于XML語言實例化配電終端模型的方法，搭建了配電主站-終端設備信息管理平臺，驗證了配電終端模型的準確性和適用性。驗證結果表明，基于智能電子裝置建模方法建立配電終端的模型是可行的，建模后的配電終端設備能夠自動生成點表，完成與主站之間的配置工作，從而提高配電終端接入主站的效率。

分布式配電終端；IEC 61850；自描述模型；智能電子裝置(IED)；SCL語言

0 引言

配電網(wǎng)作為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎和紐帶，對廣大群眾生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大影響[1-8]。然而我國配電網(wǎng)建設處于初級階段，相對于輸電網(wǎng)和變電站的建設投入較少。配電網(wǎng)自動化建設面臨較多問題，配網(wǎng)停電、線路事故、操作人員人身安全事故頻發(fā)。配電網(wǎng)一旦出現(xiàn)故障，查找并排除故障的時間較長，對企業(yè)生產(chǎn)和居民生活產(chǎn)生巨大影響[9-11]。

配電設備中的配電環(huán)網(wǎng)柜在整個電力系統(tǒng)中起著為用戶配電和供電的重要作用，也是配電網(wǎng)建設中的一個極為重要的組成部分[12-13]。而配電終端(Distribution Terminal Unit, DTU)是配電環(huán)網(wǎng)柜中最為重要的單元之一。隨著配電綜合自動化系統(tǒng)的形成，配電終端乃至配電環(huán)網(wǎng)柜的功能逐漸在拓展和完善，要解決傳統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜中存在的很多缺陷，需要簡化其內部各模塊之間的結構，因此對配電終端進行深入研究顯得尤為重要[14-16]。

配電終端在配電網(wǎng)絡中數(shù)量多、分布廣，對配電網(wǎng)絡的運行和控制起著基礎性的關鍵作用，由于環(huán)網(wǎng)柜對其依賴性強，配電終端的功能、技術以及可靠性直接影響配電和供電的穩(wěn)定性[17-19]。同時，傳統(tǒng)的配電終端需要通過人工配置點表，這大大增加了配電網(wǎng)運行和維護的成本和難度。配電終端內部功能部件過于冗雜，部分功能與環(huán)網(wǎng)柜中其他單元的功能重復，且各功能模塊之間的配合沒有達到優(yōu)化組合[20-22]。因此，為了降低配電終端配置和維護的成本，進一步使環(huán)網(wǎng)柜更加智能化、高可靠化，本文將對配電終端的自描述功能展開研究。

近年來，有相關研究提出了一種全息感知智能融合環(huán)網(wǎng)柜，其具備全息感知和邊緣計算能力，能夠滿足不同終端的即插即用、拓撲自動分析上傳等功能[23-26]。該環(huán)網(wǎng)柜采用分布式DTU，不同于傳統(tǒng)的集中式DTU，分布式DTU由公共單元和若干間隔單元共同組成，公共單元負責接收并處理配電主站發(fā)送的信息和命令，并對間隔單元進行遙控操作，間隔單元負責采集監(jiān)測各饋線。要滿足智能融合環(huán)網(wǎng)柜的上述功能，實現(xiàn)分布式DTU的信息自描述和即插即用功能十分重要[27]。文獻[28]提出基于IEC61850標準的配電網(wǎng)分布式電源的信息交互機制，提升了分布式電源并網(wǎng)運行的有效性。文獻[29]提出了采用擴展的IEC 60870-5-104協(xié)議實現(xiàn)配電主站與配電終端之間信息傳遞的方法，但沒有給出建立完善的配電終端模型的方法。相關研究對于分布式DTU自描述和即插即用技術的研究少之又少。

為實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜中DTU自動配置和維護，本文著重研究分布式DTU的自描述模型和即插即用技術。首先分析IEC61850的建模方法，總結歸納分布式DTU的功能；然后基于變電站配置描述語言(Substation Configuration Description Language, SCL)提出相應智能電子裝置(Intelligent Electronic Device, IED)的配置方法，實現(xiàn)了DTU的自描述；最后根據(jù)自描述模型實現(xiàn)分布式DTU在環(huán)網(wǎng)柜中的點表自生成和即插即用功能，優(yōu)化了配網(wǎng)結構，設備運行信息上送實現(xiàn)了配電可靠率和穩(wěn)定性的提升。

1 配電終端自描述模型建模

要實現(xiàn)配電終端自描述和即插即用，需要根據(jù)IEC61850對配電終端設備進行建模，也需要配電主站具備識別終端并配置訂閱信息的能力。本節(jié)首先對分布式DTU的各單元進行功能梳理和分析，并搭建配電終端的自描述模型。

1.1 分布式DTU的功能梳理

傳統(tǒng)DTU可實現(xiàn)實時檢測線路電壓、線路電流、零序電流、設備狀態(tài)等運行及故障信息，并完成三遙功能。與傳統(tǒng)DTU不同，分布式DTU由兩部分組成，分別是公共單元和間隔單元。公共單元主要具備對下通信、對上通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉發(fā)、維護、日志、通信以及拓撲結構等功能。間隔單元具備故障復位、自行診斷功能，可實現(xiàn)三相電壓及零序電壓、各回路三相電流及零序電流采集功能，具備三遙綜合處理、故障處理、保護、對時定位、通信和線損計算等功能。

一個完整的功能應包含IEC61850標準的各項要求，并由若干邏輯節(jié)點(Logical Node, LN)組成。每個智能電子裝置都包含一個或多個服務器，每個服務器包含若干邏輯設備(Logical Device, LD)，每個邏輯設備包含若干邏輯節(jié)點，每個邏輯節(jié)點包含若干數(shù)據(jù)對象。邏輯節(jié)點表示物理裝置中能夠代表某一分解的功能或者執(zhí)行某一操作的對象。邏輯節(jié)點是通過抽象功能的特征點而形成的對象。智能電子裝置的實際運行流程可通過邏輯分析抽象為若干邏輯節(jié)點的組合，即為邏輯設備。數(shù)據(jù)對象包含某一功能或者執(zhí)行某一操作的具體數(shù)據(jù)，可通過服務器訪問相關數(shù)據(jù)。

1.2 分布式DTU的邏輯節(jié)點

根據(jù)功能劃分對分布式DTU的邏輯節(jié)點進行匹配和選取。對不滿足的邏輯節(jié)點，可適當擴充或者創(chuàng)建新的邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點的命名方式遵循標準中的定義。

每個邏輯設備都需要包括公用邏輯節(jié)點LPHD和LLN0，LPHD為物理裝置信息，負責記錄物理裝置的銘牌信息、健康狀態(tài)等信息，LLN0負責記錄物理裝置中IED的相關數(shù)據(jù)，包括裝置標識、裝置自檢查報文等。

除了上述公用邏輯節(jié)點，公共單元和間隔單元的邏輯設備分別具備不同的邏輯節(jié)點。具體說明見表1和表2。

表1 公共單元的邏輯節(jié)點說明

圖1為各邏輯節(jié)點之間的信息交互圖。邏輯節(jié)點IHMI和ITMI屬于站控層，沒有具體數(shù)據(jù)對象。間隔層負責實現(xiàn)測量、保護和控制等功能，具體功能抽象為邏輯節(jié)點MMXU、MSQI、PTOC等。DTU通過TVTR和TCTR采集環(huán)網(wǎng)柜中各設備的電壓和電流值，再通過MMXU、MSQI等邏輯節(jié)點計算相應電氣量，并上報至站控層實現(xiàn)其對配電端的監(jiān)測。

由表1、表2可知，公共單元和間隔單元中存在部分相同的邏輯節(jié)點，但該邏輯節(jié)點中包括的數(shù)據(jù)對象有所不同。例如，公共單元中邏輯節(jié)點THUM負責監(jiān)測環(huán)網(wǎng)柜中除濕器的狀態(tài)，而間隔單元中該邏輯節(jié)點則負責采集環(huán)網(wǎng)柜中的濕度值。

根據(jù)對DTU功能的分析，選取上述若干邏輯節(jié)點，按照IEC61850規(guī)定的IED分層信息模型，可將物理裝置的DTU分成兩大部分分別搭建模型，即按照公共單元和間隔單元進行分類建模。分布式DTU的信息模型如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)對象建模

數(shù)據(jù)對象是不同IED之間進行通信和信息交互的實質內容。若要完善IED模型，需要進一步對邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象進行建模。選取公共單元和間隔單元共同的邏輯節(jié)點GGIO為例，對其數(shù)據(jù)對象進行建模。

邏輯節(jié)點GGIO在標準中充當通用裝置或者輔助裝置的功能。在實際應用中，缺乏描述模擬輸出、輔助繼電器輸出的邏輯節(jié)點，同時需要增加一些輸入輸出代表未定義的裝置，如報警器等，然而IEC 61850中現(xiàn)有的邏輯節(jié)點并未覆蓋上述功能，為解決上述問題，本文對邏輯節(jié)點GGIO的屬性內容進行拓展并分類建模。

公共單元GGIO的屬性對象Mod、Beh、Health、NamPlt分別存儲運行模式、性能、健康狀況以及銘牌信息；通過PlsTmms控制間隔單元的開入遙信確認時間；由傳感器TVTR和TCTR獲取狀態(tài)信息并由TURmt和Alm負責裝置報警、對時異常等功能。公共單元GGIO的數(shù)據(jù)對象的詳細建模如表3所示。

表3 公共單元中GGIO的詳細建模

間隔單元對應的數(shù)據(jù)對象與公共單元的數(shù)據(jù)對象之間存在一定區(qū)別。其中，SPCSO可實現(xiàn)單點可控狀態(tài)的輸出，SwhPrtAct控制開關的保護動作；狀態(tài)信息分類包括RmtCtlLck、PrtTolRst、SwhRmt。間隔單元GGIO的數(shù)據(jù)對象的詳細建模如表4所示。

表4 間隔單元中GGIO的詳細建模

注：INC為可控的整數(shù)狀態(tài)(controllable integer status)；INS為整數(shù)狀態(tài)(integer status)；LPL為邏輯節(jié)點銘牌(logical node name plate)；SPS為單點狀態(tài)信息(single point status)；SPC為可控單點型(controllable single point)；BSC為二進制可控模擬過程值(binary controllable analogue process value)；M為必選項；O為可選項。

在建模過程中，公共單元和間隔單元均選用了邏輯節(jié)點GGIO，但邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象卻不同。數(shù)據(jù)對象由邏輯節(jié)點對應的功能決定，即使為同一邏輯節(jié)點，在表示不同功能時所包含的數(shù)據(jù)對象也存在一定區(qū)別。

對分布式DTU的不同單元分別進行建模，避免了集中式DTU建模時邏輯節(jié)點功能覆蓋的缺點，簡化了各邏輯節(jié)點之間的連接方式和交互信息。

2 IED自描述的實現(xiàn)

2.1 SCL語言

IEC61850標準規(guī)定了變電站IED的配置描述語言，即為變電站配置描述語言SCL。基于可擴展標記語言(Extensible Markup Language, XML)的SCL語言規(guī)定并描述了IED配置和參數(shù)、通信系統(tǒng)配置以及彼此之間關系的文件格式。利用SCL語言形成的文件能夠在不同廠家的IED工程平臺和通信系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)互操作，具備不同信息結構的終端都能夠與主站進行信息交互，使終端具備即插即用功能。

SCL語言可以對以下三部分進行描述，分別是通信系統(tǒng)、應用層通信原理和IED相關信息。SCL語言可描述說明各IED與子網(wǎng)絡通信的訪問節(jié)點；能夠規(guī)范數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)集、IED觸發(fā)服務類型以及IED信息交互的原理和機制；能夠詳細描述IED配置的邏輯設備、邏輯節(jié)點、相關的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性以及彼此之間的關系。SCL語言的主要內容如圖3所示。

圖3 SCL語言的主要內容

針對不同對象，SCL規(guī)定了不同的配置文件來完成相應的配置工作，可實現(xiàn)不同設備交換配置數(shù)據(jù)功能。具體包括系統(tǒng)規(guī)范描述文件(System Specification Description, SSD)，變電站配置描述文件(Substation Configuration Description, SCD)，IED能力描述文件(IED Capability Description, ICD)，IED配置描述文件(Configured IED Description, CID)、實例化智能電子設備描述文件(Instantiated IED Description, IID)、系統(tǒng)交換描述文件(System Exchange Description, SED)。

2.2 配電終端自動配置機制

傳統(tǒng)配電終端的配置需要人工寫入點表信息，配電主站在獲取配電終端信息之后，才能夠建立與配電終端之間的通信。建立配電終端自描述模型能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工寫入點表這一步驟，為實現(xiàn)配電終端自動配置奠定基礎。

圖4為各配置文件之間的關聯(lián)關系。文件均為.xml格式，區(qū)別是文件所描述的內容。SSD文件能夠描述變電站一次設備的拓撲圖。ICD文件由設備直接提供，若設備無法提供，則可由IED配置工具生成。若將ICD文件實例化，并且加入通信相關內容，則其變?yōu)镃ID文件。系統(tǒng)配置工具負責收集其他文件，生成SCD文件，同時也可以發(fā)出CID文件到所連接的設備。對系統(tǒng)配置工具配置過的文件實現(xiàn)實例化即可得到IID文件，IID文件可對SCD文件中相應部分進行更新。

圖4 配置文件之間的關聯(lián)關系

配電終端根據(jù)統(tǒng)一的自描述模型，利用IED配置工具生成具備統(tǒng)一標準的ICD文件，并將其發(fā)送至配電主站，ICD文件中包含配電終端的點表信息。系統(tǒng)配置工具收集ICD文件，生成SCD文件，在獲取配電終端點表信息后，生成CID文件發(fā)回至配電終端，實現(xiàn)了配電終端與配電主站之間的自動配置功能。

2.3 ICD文件的配置

ICD文件可描述IED的配置和模型結構，如服務器、邏輯設備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象等。完整的ICD文件包括頭、通信、IED以及數(shù)據(jù)類型模板，其中IED含有若干服務，并通過服務接入點獲取服務器信息。

ICD文件結構如圖5所示。每一個ICD文件包括一個頭文件，負責記錄SCL的版本信息、修訂內容、開發(fā)工具、模板類型等信息。通信部分包含子網(wǎng)、訪問節(jié)點和地址。智能電子設備部分介紹了其模型信息和信息交換模型。本文第一部分就根據(jù)模型信息搭建了相關的自描述信息模型，其中LN為不同IED信息交互的實體，IED通過訪問節(jié)點與外界通信。數(shù)據(jù)類型模板定義數(shù)據(jù)對象中的數(shù)組類型、數(shù)據(jù)屬性類型、數(shù)據(jù)對象類型等信息。

圖5 ICD文件結構

要實現(xiàn)分布式DTU接入的自描述功能，需要基于對分布式DTU的邏輯設備LD和邏輯節(jié)點LN的建模內容進行SCL語言的配置并生成相應文件。通過SCL語言實例化分布式DTU的各個邏輯設備和邏輯節(jié)點，在此基礎上確定各邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性。

本文以分布式DTU中選取的邏輯節(jié)點GGIO為例，利用SCL語言實例化邏輯節(jié)點下的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性。圖6為以邏輯節(jié)點GGIO為重點的自描述信息模型結構圖，圖中只表示部分數(shù)據(jù)對象以及數(shù)據(jù)屬性，此外本文搭建的信息模型中其他邏輯節(jié)點并未表示出。邏輯節(jié)點GGIO中，裝置報警由數(shù)據(jù)對象Alm負責，通過Alm.stVal上傳報警信息。開入1的遙信確認時間由數(shù)據(jù)對象BO1PlsTmms確認，通過屬性BO1PlsTmms.setVal上傳狀態(tài)信息，遙信確認時間的最小值和最大值分別對應minVal和maxVal；步長值通過stepSize獲取。其他開入的遙信確認時間的數(shù)據(jù)對象類似于BO1PlsTmms。

圖6 數(shù)據(jù)對象的模型

利用SCL語言對上述模型中的內容進行描述。邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性在數(shù)據(jù)類型模板中有部分定義，未被定義部分可按照IEC61850標準進行擴展。相關的XML格式如下：

2.4 自描述功能的實現(xiàn)

配電終端的ICD文件可通過IED配置工具生成，也可由設備廠家直接提供。配電終端發(fā)起注冊請求時，配電終端的通信模塊將ICD文件上傳。配電主站的通信模塊接收到注冊請求后，通過解析該文件獲取配電終端的設備信息，包括點表以及配電網(wǎng)絡拓撲圖等，進一步自動生成電網(wǎng)拓撲。配電主站與配電終端設備之間互相識別并建立連接的步驟如圖7所示。

圖7 主站與設備連接的步驟

任何需要接入主站的配電終端設備都需要生成統(tǒng)一格式的文件。在統(tǒng)一的文件格式下，終端才能夠實現(xiàn)自動注冊，且配電主站才能夠對所有的終端進行識別并響應注冊請求。滿足上述條件的配電終端具備自描述和即插即用的功能。

3 終端接入配電主站實例

基于上述研究內容，搭建了一個配電主站-終端設備信息管理平臺，并在長沙市高可靠性示范區(qū)應用。通過該信息管理平臺能夠查看當前主站下的終端以及相關點表信息。

配電主站-終端設備信息管理平臺的界面圖如圖8所示。新的配電終端設備發(fā)送注冊請求的流程如圖9所示。

圖8 配電主站-終端設備信息管理平臺

圖9 配電終端設備發(fā)送注冊請求

該平臺可對主站下的終端設備信息進行管理，能夠接受終端設備的注冊請求。與主站建立連接的終端設備的點表信息可通過該應用查看。當新的終端設備請求與主站建立連接時，系統(tǒng)管理員可通過終端注冊界面對終端設備的注冊請求進行響應。完成與主站的連接后，即可在主站管理界面根據(jù)關鍵詞信息查找相關終端設備。與主站建立連接后可通過平臺查詢相關設備，如圖10所示。

圖10 查詢終端設備的界面

由上述結果可知，基于IED建模方法建立的分布式配電終端自描述模型是有效的，該模型能夠使配電終端自動生成點表，具備自描述能力，這大大降低了配置和維護配電終端的成本，提升了配電網(wǎng)系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)柜的智能性和可靠性。

4 結論

為提高配電環(huán)網(wǎng)柜中配電終端設備的可靠性，本文提出了一種基于IED的配電終端建模方法，建立了分布式配電終端的自描述模型，實現(xiàn)了配電終端的自動配置功能。基于XML語言對配電終端自描述模型進行描述，實現(xiàn)了配電終端設備的自描述功能。搭建了配電主站-終端設備信息管理平臺，對主站中的終端設備信息進行可視化操作，驗證了該建模方法在點表自動生成功能中的有效性和可行性，為配電主站遠程配置和維護奠定基礎。

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Self-description technology of a distribution terminal unit based on IED modeling method

ZHU Jiran1, KANG Tong1, WANG Fenghua2, XU Bo3, WANG Gaohai4,CHEN Xiaoqiang5, ZHANG Weiwei6

(1. State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute, Changsha 410007, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 3. Hunan Xiangdian Test & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410004, China; 4. Dongfang Electronics Co., Ltd.,Yantai 264001, China; 5. Jiangsu Shengtong Power and New Energy Co., Ltd., Zhenjiang 212400, China; 6. NARI Group Corporation, Nanjing 210000, China)

To realize the automatic generation function of a distribution terminal equipment point table and reduce the cost of distribution terminal equipment configuration and maintenance, a distribution terminal modeling method based on an intelligent electronic device (IED) is proposed. This paper analyzes and summarizes the functions of a distributed distribution terminal using an object-oriented modeling method, and then establishes the models of logical devices, logical nodes and data objects of distributed distribution terminal according to the hierarchical structure of intelligent electronic devices. A method of instantiating a distribution terminal model based on the XML language is proposed and a distribution master terminal equipment information management platform is built to verify the accuracy and applicability of the distribution terminal model. The verification results show that it is feasible to establish the distribution terminal model based on the IED modeling method, and the distribution terminal equipment after modeling can automatically generate the point table to complete the configuration with the master station, thereby improving the efficiency of distribution terminal access to the master station.

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 5216A019000R).

distributed DTU; IEC 61850; self-description model; IED; SCL

10.19783/j.cnki.pspc.210690

國家電網(wǎng)公司總部科技項目資助(5216A019000R)；國網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項目資助(5216A5200008)

2021-06-10；

2021-09-15

朱吉然(1985—)，男，博士研究生，高級工程師，研究方向為智能配電網(wǎng)相關研究。E-mail: zhujiran040356@ 163.com

(編輯 葛艷娜)