基于IEC61850标准的牵引 变压器保护装置的建模研究

童 镭 杨小磊 许武松 王 俊

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

1 引言

IEC61850标准是国际电工委员会制定的变电站自动化通信结构体系的一个国际标准。它是为了方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联而提出。IEC61850的特点是：①面向对象建模；②抽象通信服务接口；③面向实时的服务；④配置语言；⑤整个电力系统的统一建模。该标准极大地提高了变电站自动化水平，提高了系统安全稳定运行水平，节约了开发和维护的成本，实现了完全的互操作性。

而为了达到变电站内各种装置信息交换的目的，IEC61850标准通信协议采用了对IED（智能电子设备）统一建模的方法。因此，变电站内的IED设备在实现IEC61850标准时，要做的工作之一是把本设备中的信息数据按照标准的要求，完成数据建模。本文所做的工作是以牵引变压器保护装置为列，依照IEC61850标准，对智能电子设备的建模过程和步骤进行了讨论。

2 IED数据模型分析

逻辑节点（Logical Node,LN)是IED模型内用于信息交换的最小功能单元。IEC61850把装置所有的功能分解成逻辑节点，这些节点可以分布在一个或者多个物理装置上。逻辑节点间以逻辑连接，用来进行逻辑节点间的数据交换。而每个逻辑节点都包含有一组数据对象（Data Object，DO），数据对象是最小的信息单元。每个数据对象又包含一组特殊的数据属性（Data Attribute，DA）。数据和数据属性的信息可以通过抽象服务进行交换。逻辑节点和一些逻辑节点之外的信息就构成了逻辑设备（Logic Device,LD),一个或者多个的逻辑设备就构成了IEC61850规定的服务器（server），而一个或者多个server就构成一个IED。用户通过抽象通讯服务接口（AbstractCommunication Service Interface,ASCI)访问IED上的server，与IED进行信息交换。即采用的是客户/服务器数据结构模型如图1所示。

图1 客户/服务器数据结构模型

3 牵引变压器保护装置的功能分析

以传统牵引变压器保护装置为列，分析一个IED的功能。可以将牵引变压器保护装置按功能分为变压器主保护装置、变压器后备保护装置、变压器测控装置等。以变压器后备保护装置为例，对其功能配备相应的逻辑节点。变压器后备保护具有：保护功能（高侧A相过电流保护对应逻辑节点PTOC1，高压侧B相过电流保护对应逻辑节点PTOC2……）；测量功能（测量逻辑节点，计算高压侧三相电流、三相电压对应逻辑节点MMXU……)；开关功能（高压侧断路器对应逻辑节点XCBR1……）；传感器功能（高压侧A相电流互感器对应逻辑节点TCTR1）；遥信功能（开入对应逻辑节点GGIO1）；自检功能（开出对应GGIO25）；其他功能（变压器类型对应GGIO52）。

4 牵引变压器保护装置数据建模的实现

4.1 服务器和逻辑设备建模

对牵引变压器保护装置功能分析完毕后就可以进行具体的数据建模了。首先将整个IED建模成一个server，它至少包含一个LD。除了逻辑设备外，服务器还包括由通信系统提供的其他一些公共的基本组成部件，如应用关联，时间同步，文件传输等。另外，服务器还具有服务器访问点属性——它是地址的抽象，用于在底层的特殊通信服务（SCSM）标识服务器。根据牵引变压器功能的不同可以将其分为三个LD，它们分别为：变压器主保护装置（LD1）、变压器后备保护装置（LD2）、变压器测控装置（LD3），如图2所示。

图2 服务器和逻辑设备建模图

根据第3章所分析的IED的功能，对变压器后备保护装置进行具体的逻辑节点数据建模如表1所示。

表1 变压器后备保护装置逻辑节点建模数据表

其中一个逻辑设备至少包括3个逻辑节点：逻辑节点0（LLN0）；逻辑节点物理设备（LPHD）；功能逻辑节点。LLN0和LPHD都是惟一的，功能逻辑节点至少要有一个。逻辑节点内的数据（Data）和数据属性（Data-Attribute）可采用IEC61850标准定义的逻辑节点的数据属性，只是根据实际需要，确定逻辑节点中可选数据属性的取舍。如果标准的定义的数据不能满足需要，就需依照IEC61850标准对兼容数据类扩展的规定，创建新的数据。表1中每类逻辑节点只列举了一个用以举列说明，实际工程中每类逻辑节点还有很多，根据表1，具体逻辑节点建模举列如图3所示。

图3 变压器后备保护装置逻辑节点建模图

4.2 逻辑节点的建模

逻辑节点是一个具有交换数据功能的最小单位。结合本IED的需要，对变压器后备保护装置（LD2）下的保护逻辑节点PTOV（进线失压）进行数据建模举列如表2所示。

表2 逻辑节点PTOV建模数据表

在逻辑节点PTOV中包含8个数据，表2中M表示这个数据属性是必选的，O表示可选。LNName表示的是逻辑节点名，LNRef为逻辑节点的唯一路径。Mod说明了逻辑节点PTOV的工作模式，Beh表述逻辑节点POTV的性能，Health描述逻辑节点PTOCV相关的软硬件状态，NamePlt描述了逻辑节点PTOV的铭牌。Str和Op是逻辑节点的状态信息。STrval和PoDITmms是逻辑节点的整定值信息。具体建模实列如图4和图5所示。

图4 逻辑节点PTOV建模图

图5 逻辑节点PTOV建模图

4.3 确定数据

对4.2节的8个数据要分别进行定义，如数据Op的类型是ACT（Protection Activation Information），Op定义如下表3所示。

DataName是数据名，DataRef是数据路径。Presence属性为BOOLEAN它有两个参数：TURE和FALSE，当公共数据类型或逻辑节点内数据是必选（M)时，Presence为TURE，否则为FALSE。Op.General，Op.Q，Op.T，Op.D，都有不同的属性用以描述数据。至此，从IED的服务器到数据属性的建模过程都已经完成。

4.4 模型的验证

模型建立以后，需要使用XML-Schema对其进行描述。XML-Schema是一种特殊的XML文档，它遵循XML的基本语法规则。IEC61850中的XML-Schema描述了变电站配置语言文档的结构，定义了文档中标记的语法规则，严格规定了以它为标准的所有自描述文档树状层次结构的全部细节，包括数据对象的嵌套关系、数据属性的约束条件、取值范围等，并且能够检验自描述文档的正确性和有效性。因此，对于文中所设计的牵引变压器保护装置模型，可以根据XML-Schema进行定义。由于篇幅的原因具体的描述语言在此就不累述，仅对建立起的描述文件进行验证，其中语法验证如图 6 所示。最后，还要对建立起的整个模型所具有的应用功能进行验证，看它是否符合IEC61850标准，功能验证如图 7所示。

图6 对建立起的描述文件语法验证图

图7 对建立起的模型应用功能验证图

5 结论

基于IEC61850的IED数据建模的研究和实现具有重要的意义，是IEC61850标准用于应用的核心内容。本文通过对牵引变压器保护实际建模，阐明了IED建模的步骤和方法，该方法具有一般性，对实际工程的建模具有很好的指导意义。我国的变电站自动化系统和IED具有一些特殊性，在实际的建模过程中不可避免的会遇到一些问题，对此还要继续进行研究，提出切实可行的方案。

[1] IEC.IEC61850：Communication Networks and Systems in Substations[S].

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