IEC61850标准控制模型在保护装置控制中的应用

徐 彬，文 洪，华煌圣

（广州供电局有限公司，广东广州 510620）

IEC61850标准控制模型在保护装置控制中的应用

徐 彬，文 洪，华煌圣

（广州供电局有限公司，广东广州 510620）

对IEC61850标准中的SGCB、Control模型的服务、控制机制进行了详细的分析，将SGCB应用至继电保护装置的定值读写、定值区切换服务，将Control模型的增强安全的操作前选择控制、常规安全的直接控制模式分别应用至继电保护装置的软压板投退控制、信号复归服务，将IEC61850标准的控制模型映射至常用的继电保护装置控制功能。在此基础上，设计了继电保护装置控制功能的应用模式，并在广州电网成功应用。

SGCB模型；Control模型；定值控制；软压板控制；信号复归控制

0 引言

IEC61850标准（变电站网络与通信协议）针对继电保护、自动控制的应用需求，定义了一系列符合其应用特点的数据模型及控制模型。数据模型用于表达设备的运行状态，控制模型用于控制数据对象以及与数据对象相关联的实际设备。在监视与控制应用层面（不包括过程层应用），IEC61850标准常用的控制模型有RCB（Report Control Block，报告控制块）、LCB（Log Control Block，日志控制块）、Control（控制）、SGCB（Setting Group Control Block，定值控制块）等。RCB、LCB模型已经在变电站监控系统中成熟应用，主要用于一次设备的状态监视以及二次设备的动作事件报告，Control模型在一次设备遥控中已有成熟应用。相对而言，Control、SGCB模型在继电保护装置等二次设备控制上则缺乏成熟的应用经验。

断路器等一次设备的遥控技术已经普遍应用并取得了较好的应用效益，但常因继电保护装置无法实现远方控制而必须到保护屏上进行继电保护的协同操作，该“短板效应”明显地限制了电网操作效率。长期以来，由于定值读写与切换控制、软压板投退控制、信号复归控制等常见的继电保护控制所需的信息交互方式比一次设备遥控的信息交互更为复杂，导致继电保护装置控制技术未能在电网生产中得以有效应用。目前，国内继电保护仍普遍采用就地操作的模式。近年来，有部分文献对基于IEC61850控制模型的继电保护装置控制技术进行了不同程度地研究[1-6]，但鲜有深入、完整地模型分析及应用实践，难于从中寻求完善的技术解决方案。因此，本文结合继电保护装置常用控制的应用需求，加强了SGCB、Con⁃trol模型的约束条件，并将其应用于继电保护定值读写与切换控制、软压板投退控制、信号复归控制等功能，提出了基于IEC61850标准的继电保护装置控制应用方案。

1 SGCB定值控制模型及其功能映射

IEC61850标准中与保护相关的逻辑节点（LogicalNode，LN）的数据或数据属性中通常包含了部分定值数据（功能约束类型为定值类，FC=SG）。定值数据允许有多个实例值，某一时刻只使用其中的一个激活值。在一台保护装置中，通常包含多个与保护相关的逻辑节点，如线路保护装置包含PDIF（差动保护）、PVOC（过流保护）等（详细定义详见IEC61850-7-4），这些逻辑节点包含的定值数据汇集成一个定值数据集（DataSet），通过SGCB来管理与控制。一逻辑设备通常只包含一个SGCB实例，作为逻辑设备的公用控制类，定义在逻辑节点LLN0下。定值数据与SGCB的关系如图1所示。

图1 定值数据和SGCB的关系

在IEC61850-7-2中，定义SGCB类的原理模型如图2所示。

图2 SGCB的基本模型示意图

SGCB实例包含的属性如表1所示，可以通过GetSGCBValues服务获得该SGCB实例的所有属性值。

表1 SGCB类的属性

以IEC61850-7-2定义SGCB类的原理模型为例，说明SGCB的支持的服务与控制机制。图2示的SGCB拥有3个实例值，除此以外还包含了运行定值区与编辑定值区的逻辑概念。运行定值区表示当前被激活的定值区，ActSG属性值表示当前被激活的定值区号，即运行定值区号。编辑定值区表示当前被读写的定值区，EditSG属性值表示当前被读写的定值区号，即编辑定值区号。SGCB提供了定值区切换控制（选择激活定值）、定值读写控制（选择编辑定值区、读写编辑区定值、确认编辑区定值）等基本控制服务，如表2所示。

表2 SGCB类支持的服务

通过SelectActiveSG服务写ActSG属性值，选择激活定值区，即切换定值区，被激活的定值被拷贝至激活缓冲区，供保护逻辑计算使用。同时，也可能对3个实例值中的任何一个值进行读写。通过SelectEditSG服务写EditSG属性值，选择编辑定值区，被选择的定值被拷贝到编辑缓冲区，处于编辑缓冲区的定值可通过GetSGValues服务读取，可通过SetSGValues服务编辑，可通过ConfirmEditSGValues服务将其回写至目标定值区的固化存储区（掉电数据不丢失）。上述定值组的状态机如图3所示。

通过上述SGCB模型表述可知，通过SelectE⁃ditSG、GetSGValues服务的组合可以实现任意区定值的读操作，通过SelectEditSG、SetSGValues、ConfirmEditSGValues的服务组合可以实现任意区定值的写操作，将上述服务映射至定值读写控制的过程如图4所示。

图3 SG状态机

通过GetSGCBValues服务可以获得当前运行定值区号值，通过SelectActiveSG服务可以实现定值区切换操作，将上述服务映射至定值切换控制的过程如图5所示。

2 Control控制模型及其功能映射

在IEC61850标准中，客户端可以控制和外部设备或与内部功能有关的数据（功能约束类型为控制类，FC=CO或SP），通过Control模型来管理与控制。在IEC61850-7-2中定义Control类的原理模型如图6所示。

图4 定值读写的控制过程（成功）

图5 切换定值区的控制过程（成功）

图6 Control模型

被控数据接收到控制报文后，设置该数据的ctlVal数据属性值并记录操作信息（来源、时间等），触发相应的内部设置或外部输出，内部设置或外部输出完成后该数据的stVal数据属性值设置为控制后的实际状态值，stVal数据属性值的变化产生相应的报告。控制类支持的服务如表3所示。根据不同安全性要求，IEC61850-7-2中定义了四种控制模式：常规安全的直接控制、常规安全的操作前选择控制、增强安全的直接控制、增强安全的操作前选择控制。

表3 Control类支持的服务

继电保护装置的软压板数据是继电保护装置的内部数据，不涉及外部设备的控制输出，可以近似认为是内部数据的存储与投入使用（在保护逻辑中生效），通常采用可控双点数据类型（DPC），是决定相应功能投入、推出的关键数据，其安全性要求高，因此采用安全性最高的增强安全的操作前选择控制（SelectBeforeOper⁃ate-Control，SBO）模式。增强型的操作前选择控制通过SelectWithValue、Cancel、Operate、Time⁃ActiveOperate、CommandTermination服务实现，控制状态机如图7所示。

在实际应用中，软压板作为一种即时控制的内部数据，通过SelectWithValue、Operate服务实现控制，上述服务映射至软压板控制的交互过程如图8所示。被控对象到实际设备之间的交互过程不属于控制定义的范畴，对于控制过程不可见，由设备内部进行处理。在实际应用中，软压板是内部数据，被控数据到实际设备之间的交互过程为虚拟或者几乎是即时生效的。

图7 增强安全的操作前选择控制状态机

图8 增强安全的操作前选择控制过程（成功）

继电保护装置的信号通常为各类起提醒作用的具有自保持性能的信号状态，如保护跳闸提示LED灯等，在继电保护装置中属于辅助提醒功能，不涉及保护逻辑等关键功能，其复归控制的可靠性要求相对较低，可采用常规安全的直接控制（DirectOperate-Control）模式。特别的，若为了提高操作效率而采用广播复归的方式，采用常规安全的直接控制模式可以大大简化控制的交互过程。常规安全的直接控制通过Operate、Time⁃ActiveOperate服务实现，控制状态机如图9所示。

在实际应用中，装置信号复归是一种即时控制，直接采用Operate服务进行控制操作，上述服务映射至信号复归控制的交互过程如图10所示。与被复归的信号相关的事件记录不应受影响，实际信号的复归控制结果控制客户端并不特别关心。

3 控制模型在继电保护装置控制中的应用

随着电网规模的快速发展，电网结构频繁变化，继电保护运行方式需同步调整，继电保护操作工作量迅猛增长。断路器等一次设备的遥控技术已经普遍应用并取得了较好的应用效益，但常因继电保护装置无法实现远方控制而必须到保护屏上进行继电保护的协同操作。由此可知，继电保护操作压力日益凸显，现有的继电保护就地操作模式因操作界面不友好、操作效率低、部分操作无法在线进行等缺点，已经难于满足现代化电网的运行管理需求。采用统一操作管理界面、信息可靠传输、支持在线操作的继电保护装置控制技术是理想的解决途径。

由上述分析可知，IEC61850标准SGCB、Con⁃ trol控制模型为继电保护装置的定值读写与切换控制、软压板投退控制、信号复归控制等常用的控制功能提供了完善的实现机制，并具有良好的互操作性。对于支持IEC61850标准的设备，客户端和继电保护装置之间的控制过程交互可以直接通过SGCB、Control模型的服务实现；对于客户端不支持IEC61850标准的，可以通过中间环节的服务映射方式，进行规约之间的转换，最终与保护装置实现控制过程交互。图11是典型的变电站监控系统、EMS系统、继电保护信息系统结构。继电保护装置通过站控层网络以IEC61850规约接入变电站监控计算机、保信子站、远动机；保信子站通过调度数据网以《南方电网继电保护故障信息系统通信与接口规范》（以下简称南网103规约）接入保信主站，远动机通过调度数据网以101/104规约接入EMS系统。变电站监控计算机可直接通过SGCB、Control模型的服务实现对继电保护装置的定值读写与切换控制、软压板投退控制、信号复归控制。保信子站将SGCB模型的服务映射至南网103规约的通用分类读、写服务，可在保信主站上实现对继电保护装置的定值读写与切换控制[7-8]。远动机将Control模型的服务映射至101/104的遥控服务，可在EMS系统上实现对继电保护装置的软压板投退控制、信号复归控制。

图9 常规安全的直接控制状态机

图10 常规安全的直接控制过程（成功）

按照上述解决方案，继电保护装置控制技术可以在典型的变电站监控系统、EMS系统、继电保护信息系统上有效应用。典型的应用主要包括以下两种。

（1）基于变电站监控系统的一、二次设备程序化控制。变电站监控系统同时接入测控装置与继电保护装置，同时具备对一、二次设备控制的条件。在变电站监控计算机集成程序化控制功能模块，按照变电运行操作的要求，将必要的继电保护装置操作作为程序化控制操作票的组成部分，实现一、二次设备的协同自动控制操作，提高变电运行操作效率。

图11 继电保护远方控制系统示意图

（2）基于继电保护信息系统、EMS系统的继电保护远程操作。通过规约映射，保信主站可实现保护装置的定值读写与切换控制，EMS主站可实现保护装置的软压板投退控制、信号复归控制，实现继电保护装置的远程控制操作，可远程在线完成定值整定（定值修改）、保护运行方式调整（压板投退、定值区切换）等工作，节省操作时间。

上述继电保护装置控制技术在广州供电局110 kV长洲站、尖峰站得到了完整应用。相关继电保护装置、保信子站、远动机、保信主站、EMS主站能够完整地支持本文所述的控制模型，实现了变电站内的一、二次设备程序化操作以及远程查看、修改定值、切换定值区、投退软压板、复归信号等控制功能。很好地提高了操作效率。

4 结论

本文结合继电保护装置控制的应用需求，将IEC61850标准的SGCB、Control模型应用到了继电保护装置的定值读写与切换控制、软压板投退控制、信号复归控制功能上，实现了继电保护装置的程序化控制与远程操作，并结合应用实践经验，指出了相关设备在控制模型实现上存在的常见问题。本文提供的继电保护装置控制模型已经在广州供电局的部分变电站成功试点应用，其可靠性与可行性获得了有效验证。

［1］王德文，朱永利，邸剑，等.基于IEC61850的电力设备远程控制方法［J］.电力系统自动化，2009，33（5）：50-54.

［2］陈志军，张平，黄国栋.500kV变电站保护设备远方遥控应用 ［J］.华东电力，2009，37（10）：1759-1760.

［3］林传伟，卓枕警，周健，等.福建电网远方不停电修改及核查定值系统的设计［J］.电力系统保护与控制，2010，38（5）：107-110，126.

［4］黄坚名，黄春红.微机保护不停电整定配置的功能及其应用［J］.电力系统自动化，2008，32（10）：104-107.

［5］王丽华，江涛，盛晓红，等.基于IEC61850标准的保护功能建模分析［J］.电力系统自动化，2007，31（2）：55-59.

［6］李新超，杨宇，樊陈，等.IEC61850保护测控装置控制模型的应用研究［J］.电力系统保护与控制，2010，38（10）：96-100.

［7］华煌圣，刘育权，王莉，等.远方修改继电保护定值的控制模型及其应用［J］.电力系统自动化，2012，36（21）：81-86.

［8］Y.Q.Liu，H.S.Hua，L.Wang.Improved Control Model for Relay Protective Setting Remote Control and its Appli⁃cation［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，Vols.313-314：347-354.

Application of IEC61850 Standard Control Model on Relay Protective Device

XU Bin，WEN Hong，HUA Huang-sheng
（Guangzhou Power Supply Bureau，Guangzhou 510620，China）

The services and work mechanism of SGCB and Control model in IEC61850 standard are analyzed.The SGCB model is applied on the relay protective devices to realize setting group's reading，writing and activation.The control model's SelectBeforeOperate-Control model and DirectOperate-Control model are applied on the relay protective devices to realize logic links control and signal position control. The standard control models in IEC61850 are successfully mapped to the relay protective devices common control function.The application mode of control models to power system relaying and the experinences in Guangzhou Power Grid are introduced in this paper.

SGCB model；Control model；setting group control；logic link control；signal reposition control

TM77

B

1009－9492(2014)02－0019－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.006

徐 彬，男，1973年生，广东丰顺人，大学本科，工程师。研究领域：电力系统设备质量控制。

(编辑：阮 毅)

2013－08－01