IEC61850标准在馈线自动化中的应用

姚崇固，滕欢，袁龙，夏榆杭，胡妍

（1．四川大学电气信息学院，成都 610065；2．东南大学仪器科学与工程学院，南京 210096）

IEC61850标准在馈线自动化中的应用

姚崇固1，滕欢1，袁龙1，夏榆杭1，胡妍2

（1．四川大学电气信息学院，成都 610065；2．东南大学仪器科学与工程学院，南京 210096）

为解决大量配电终端之间、配电终端与主站之间的信息交换问题，利用了IEC61850通信体系的技术，采用了分层IP网络通信原理，将整个网络分为主干网络和分支网络。把FA看作是SA的概念的延伸，构造出了3层FA体系结构，即主站层、子站层和终端层。终端层使用了IEC61850提供的数据模型和逻辑节点，完成了对TTU的信息建模。进一步分析了ACSI与SCSM在FA中的作用和映射关系，以及用于描述IED配置与参数的SCL。最后，将这种3层通信体系结构应用到DAS中，达到了加快馈线故障处理，提高系统供电可靠性的效果。

IEC61850；馈线自动化；通用变电站事件模型；配电自动化；馈线终端

馈线自动化FA（feeder automation）是配电网最基本也是最重要的组成部分，是提高配电网可靠性的关键技术之一[1～3]。如何使来自同一厂家或不同厂家生产的智能电子设备IED（intelligent electronic device）之间交换信息以及正确使用信息协同操作的能力，避免出现“自动化孤岛”现象，是实现FA智能化的关键。IEC61850标准是关于变电站自动化系统的完整的通信标准体系，采用自顶向下对系统进行分层、功能定义和对象模型，彻底实现面向对象、面向应用的自描述，设备之间采用通用变电站事件GSE（generic substation event）模型实现系统范围内快速输入、输出数据值，达到互操作性的要求[2～4]。

基于IEC61850标准的数字化馈线自动化模式是一种最优的控制模式，本文在研究了IEC61850标准部分技术和方法后，应用到FA中，实现保护功能完全下放，力求在分布馈线终端FTU（feeder terminal unit）、配变终端TTU（trans－former terminal unit）、开闭所终端DTU（data terminal unit）装置上实现馈线保护功能，并将基于IEC61850标准的FA应用到配电自动化系统DAS（distribtion automation system）中，极大地提高配电网故障处理的响应速度及系统供电的可靠性。

1 通用变电站事件模型

IEC61850标准定义了两种抽象模型：采样值传输SAV（sampled analogue value）模型和GSE模型。前者应用于采样值传输及相关服务；后者提供在全系统范围内快速可靠地输入、输出数据值的功能。GSE模型分为面向通用对象变电站事件GOOSE（generic object oriented substation event）模型和通用变电站状态事件GSSE（generic substation state event）模型，前者支持数据集组织的公共数据交换；后者用于传输状态变位信息[5，6]。SAV报文和GSSE报文的传输均采用发布者/订阅者通信结构，本节以GOOSE模型为例分析此种通信结构在信息传输中的灵活应用。

发布者/订阅者通信结构支持多个通信节点之间的点对点直接通信，是1个或多个数据源（即发布者）向多个接受者（即订阅者）发送数据的最佳解决方案，尤其适合于数据流量大且实时性要求高的数据通信[4]，这也是我们选择采用该通信结构的主要原因。本文所研究的FA包含了大量的馈线终端测量的实时数据通信，而且馈线终端与馈线终端之间、馈线终端与主站层之间都存在点对点直接通信，这部分内容在第2节介绍。考虑到GOOSE报文传输的特殊要求（即时序性控制、可靠性控制和询问—响应功能），需要对传统的发布者/订阅者通信结构进行改进，文献[7]中基于IEC61850标准对传统的发布者/订阅者通信结构进行了改进，引入了报文存活时间、事件序列计数器和状态改变计数器3个重要的控制参数。本文在此基础上增加一个参数状态改变时刻（T），它表示由于某种事件状态变化导致GOOSE/GSSE报文发送的时刻，订阅者利用此参数可对其内部计数器进行设置。

经过上述的改进，得到如图1所示的GOOSE模型。改进后的GOOSE模型报文传输通信过程由发布者的控制模块进行控制，数据源将值写入发送侧的本地缓冲区，接收者从接受侧的本地缓冲区读数据，通信系统负责刷新订阅者的本地缓冲区。缓冲型工作方式是发布者/订阅者之间报文传输通信关系的重要特征，也就是说，只有最近发布的数据保留在网络缓冲区内，新的数据会完全覆盖先前的数据。

图1 GOOSE模型Fig.1Model of GOOSE

2 FA

2.1 FA概述

在目前的配电自动化系统中，FA是最基本也是最重要的组成部分。其功能[2，3]主要包括：在正常情况下实时监视馈线分段开关的状态和馈线电流、电压情况，并实现开关的远方分、合闸操作；在故障时进行故障记录，遥控馈线柱上开关的合闸、分闸，在配电自动化系统分析故障信息后遥控执行故障诊断、隔离、恢复功能，根据负荷均衡情况实现配电网的优化与重构。

IEC61850标准作为变电站内的通信标准，并不包括站外通信、与控制中心通信和变电站之间的通信。但是由于FA与变电站自动化SA（substation automation）结构类似，可以把FA看作是SA的概念的延伸，IEC标准指定的保护、控制、监测等逻辑节点都可以用在FA中，这样就能够使FA中的开关实现点对多点的通信，依据互交信息能够快速诊断、定位故障、减少停电时间、停电区域，从而提高配电网馈线自动化水平[1～4]。

2.2 体系结构

FA是多层体系结构，如图2所示。按信息分层的方法，从逻辑上分为主站层、子站层和终端层。

2.2.1 终端层

图2 FA体系结构Fig.2Structure of FA

FA的终端层的结构与智能变电站的结构类似。终端层是位于具体的配电网线路上的自动化现场设备，包括FTU、DTU、TTU，配电终端需要完成SCADA（supervisory control and data acquisition）测量与控制功能、谐波测量、短路故障检测等功能。对于终端层设备可以作为IED以智能电子装置描述文件ICD（IED capability description）建模[2]。文献[7]和文献[8]使用IEC61850标准提供的数据模型和逻辑节点，完成了对FTU的信息建模。本文在他们基础上对TTU进行建模，增加了TTU特有无功补偿功能的逻辑节点ARCO（reactive control）和可选计量统计分析功能的逻辑节点MMTR（measuring for commercial purpose），并对配电终端之间的通信进行分析。图3为改进的TTU的信息模型。

图3 TTU的信息模型Fig.3Information model of TTU

图3是对包含1路电压、1路电流的TTU进行建模，其余多路可以进行相应的扩展。逻辑设备LD（logical device）主要完成SCADA功能。逻辑零节点LLN0（logical node zero）包含IED的公共数据，可以用来描述LD部分与主站层进行通信时将IEC61850-7-2提供的抽象服务映射到IEC61850-8-1中定义的制造报文规范MMS（manufacturing message specification）以及其他的TCP/IP与以太网的特殊通信服务映射SCSM（specific communication service mapping）。逻辑节点物理设备LPHD（logical node physical device）代表拥有逻辑节点的TTU的公共数据。测量单元MMXU（measuring for operative purpose）负责从电压互感器TVTR（voltage transformer）、电流互感器TCTR（current transformer）采集电压和电流，计算电压、电流有效值，并通过电压、电流采样值计算功率。无功控制ARCO通过测量的电压电流，结合功率因数，计算无功功率的盈缺量，利用电容器和（或）电抗器自动控制无功功率流在一定范围内。序值和不平衡MSQI（sequences and imbalances）通过采样数值计算三相电路的序值和不平衡。谐波和间谐波MHAI（harmonics and interharmonics）通过采集数据计算谐波、简谐波和相关数值，用于确定电能质量。计量单元MMTR通过电压电流计算电能量，适用于计费。通用输入输出GGIO（generic I/O）可以将一些不方便建模的模拟量或者状态量接入。

2.2.2 子站层

子站层位于变电站或配网分支控制中心，与SA一样，子站层能够独立实现对馈线的信息采集与控制。文献[10]提出的建设分层的IP通信网络的方案，将整个网络分为主干网络和分支网络。本文将在此基础上建立FA的通信网络。子站层主要功能是将分散在配电线路上的FTU、TTU、DTU等装置信息汇集到一起上传给主站，并将主站下发的信息转发给相应的配电终端，一方面保证通信的无缝连接，另一方面隔离了主干网络和分支网络，避免分支网络信息集中进入主干网络造成主干网络性能下降[9]。这种控制方式实现了主站中紧急控制部分功能的下放，增强了子站的控制功能，减弱了馈线故障处理对主站的依赖。主干网络采用高速光纤，用于主站与子站之间的通信，宽带在100 Mbit/s以上。图2中的分支网络用于子站与终端之间的通信，并使用GOOSE模型实现信息交换，它采用的组网技术有工业以太网和以太网无源光纤网络EPON（ethernet passive optical network），宽带均在10 Mbit/s以上。子站层可以作为变电站以变电站配置描述文件SCD（substation configuration description）建模[2]。

2.2.3 主站层

主站层位于控制中心，基于IEC61850标准，从整体上实现电网的监控、故障定位、隔离与恢复供电，是整个FA的核心。主站层连接多个子站，各子站又包含大量IED，为了避免频繁操作IED和较少网络的数据流量，需要合理规划IED数据刷新的速度。

3 通信服务

由图1可知抽象通信服务接口ACSI（abstract communication service interface）与SCSM之间的基本关系。ACSI是一个虚拟接口，定义了与具体协议无关的通信服务、通信对象以及参数。它并没有定义具体的数据通信报文，而是从通信中分离出应用过程，采用SCSM将其映射为具体的实时通信协议。SCSM负责刷新订阅方缓冲区的内容，将订阅者缓冲区接收的新值通知应用。它使用重传方案来获得适合级别的可靠性，当GOOSE服务器产生一个发送GOOSE报文请求时，当前的数据集值被编码进入GOOSE报文并作为传播数据在组播关联上发送[11，12]。

3.1 服务映射

ACSI的具体报文及编码需要通过SCSM映射到具体的实现方式上，目前比较可行的方式有映射到MMS、公共对象请求代理体系结构CORBA（common object request broker architecture）和IEC60870-5-101/104[13]。文献[14]讨论了映射到MMS和CORBA的实现问题，文献[8]分析了映射到MMS和IEC60870-5-101/104的可行性。在此基础上，本文重点考虑了各种方式在FA中具体应用时的优点和缺点：MMS在高级配网自动化中采用以太网，以MMS+TCP/IP来实现网络通信是一种比较可行的实现方式；CORBA采用面向对象技术，但实现方式比较困难；IEC61850-80-1是IEC61850与IEC60870-5-101/104之间信息交换的导则，IEC61850-80-1对于信息模型能够很好地进行映射。结合目前FA的发展及IEC61850的应用情况[8，9]，本文认为映射到IEC60870-5-101/104的方式比较适合在FA中应用。

3.2 配置语言

IEC61850-6中定义了变电站配置描述语言[4]SCL（substation configuration language），用来描述通信相关的IED的配置和参数、通信系统的配置、变电站的系统结构以及它们之间的关系。将IEC61850标准应用到DAS中，需要增加描述馈线上不同终端之间的拓扑关系，为实现分布智能做好基础。

4 在配电网自动化系统中的应用

应用馈线系统保护的典型配电自动化系统如图4所示，在正常情况下，监视馈线分段开关与联络开关的状态，并控制开关的分合闸；在故障时，利用通信网络快速判断故障的所在，隔离故障区，并恢复非故障区分段供电。文献[15]采用网络动态拓扑方法实现了配网馈线故障区段定位，本节着重讨论故障时怎样运用本文所改进的技术和方法对故障区进行快速定位、隔离及恢复的保护过程。

图4中当线路故障F1发生在BC区段时，开关S1、S2处流过故障电流，S3处无故障电流，但是将出现低电压。此时系统将按以下步骤执行。

步骤1终端保护S1、S2、S3启动，并将故障信息通过通信网络由子站层传到主站层（即配电SCADA）；

步骤2主站层计算故障区段信息（即故障功率或电流方向是否与供电方向一致）；

步骤3相邻馈线终端之间采用GOOSE通行结构进行点对点相互通信；

步骤4S2、S3动作切出故障；

步骤5S2重合，如果重合成功，向S3发送报文遥控S3重合；

步骤6如S2重合不成功，则S2再次跳开；

步骤7S3在△T时间内未测到电压恢复，则通知S4合闸，或由S2在第二次跳开后遥控S4合闸；

步骤8S4收到步骤7的合闸命令后，根据故障前C、G两处的负荷情况，判断是否要合闸，恢复CD段供电；

步骤9故障隔离，恢复供电结束。

图4 应用FA保护的典型配电自动化系统Fig.4protection of FA for typical DAS

以上馈线自动化保护是利用良好的遵循IEC61850标准规约的网络通信和分散安装的配电终端实现特殊原理的全线速动式馈线保护。由于配电网的通信条件十分理想。在此基础之上实现的馈线保护功能的性能大大提高。馈线系统保护利用通信实现了保护的选择性，将故障识别、故障隔离、重合闸、恢复故障一次性完成，具有以下优点：

（1）一次性快速处理故障，不影响非故障区段，提高供电可靠性；

（2）快速切除故障，故障切除时间很短，对大多数电动机类负荷的电能质量没有影响；

（3）同时处理故障隔离和负荷转移。

5 结语

随着智能变电站的发展，站内整合了SA、地理信息系统GIS（geographic information system）、SCADA等技术，信息在站内可以通过光纤实现共享。FA作为SA的延伸，利用信息的交互性，以开放式IP网络为基础，使用IEC61850标准技术和方法，本文试图将智能变电站技术扩展到配电网系统，但存在的问题还不少，如怎样用SCL语言准确配置各个智能电子装置、FA中一些额外的功能如何利用现有的逻辑节点进行扩展等还需要进一步深入研究。

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Application of IEC61850 Standard in the Feeder Automation

YAO Chong-gu1，TENG Huan1，YUAN Long1，XIA Yu-hang1，HU Yan2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；
2.School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Solving the message exchange between distribution terminals and the main station and the message exchange of distribution terminals so as to provide a seamless link among different devices，this paper utilized the technology and method of IEC61850 standard communication system，and adopted the principle of layered IP network communication，that was dividing the entire network into the backbone network and the branch network.It regarded FA as the extension of SA，constructed FA architecture with three layers.The three layers respectively were main station layer，slave station layer and terminal layer.Data model and logic node supplied by IEC61850 were used to accomplish the modeling of TTU information in terminal layer.And then，it analyzed the function of ASCI and SCSM in FA，the mapping relationship between them，and the SCL used in describing IED configurations and parameters.At last，the communication system architecture with three layers was applied in the DAS to accelerate the feeder recovery processing and improve the power distribution reliability.

IEC61850；feeder automation（FA）；generic substation event（GSE）model；distribution automation；feeder terminal

TM73

A

1003-8930（2013）03-0147-05

姚崇固（1987—），男，硕士研究生，研究方向为调度自动化及计算机信息处理。Email：ycg278086129@163.com

2011-11-11；

2012-03-07

滕欢（1965—），女，高级工程师，硕士生导师，研究方向为电力系统及其自动化科研、教学及工程实践。Email：434988455@qq.com

袁龙（1987—），男，硕士研究生，研究方向为调度自动化及计算机信息处理。Email：514488026@qq.com