基于IEC61850智能断路器IED建模及通信接口设计分析＊

2018-11-21徐谦

科技与创新 2018年21期

徐谦

徐谦

（湖南工程学院，湖南湘潭 411104）

智能断路器的智能化水平、通信作业效果决定了其工作质量，要求以国际标准为准绳给予分析和优化。基于此，以IEC61850智能断路器作为对象，分别就其IED建模及通信接口设计展开分析，给出模型构成、降维训练法、多逻辑节点、混合式通信接口设计等内容，通过模拟实验对模型工作流程进行模拟，论证上述理论，并为后续具体工作的开展提供支持。

智能断路器；降维训练法；逻辑节点；通信接口

智能断路器是一种智能数字化工作设备，一般位于断路器正面，该设备采用五连杆的自由脱扣器机构，并设计成储能形式，一般处于预储能位置，接到合闸命令，断路器就能立即瞬时闭合，保证电力系统工作的安全性。随着我国各地电力系统全面向智能化迈进，以IEC61850为基准，进行智能断路器的IED建模和通信接口设计分析，能够使各项理论得到明晰，具有较为突出的现实意义。

1 基于IEC61850智能断路器的IED建模

1.1 模型构成

基于IEC61850的智能断路器IED建模，要求保证断路器满足“智能”的基本要求，还要求设备能够满足通信、传感、报警和应急处理等基本工作需要。以此为视角，模型应由4大部分构成，即单片机、传感器、通信系统和附属设备。单片机是智能断路器的核心，主要负责记忆各类工作指令和默认程序。传感器属于执行构件，在智能设备中负责信息的实时收集[1]。通信系统负责将传感器收获信息传输给单片机，并将单片机的指令传输给其他执行结构和控制系统，以便进行问题处理和警报。附属设备包括报警器、存储系统等。

1.2 核心技术

基于IEC61850智能断路器IED建模，核心技术包括机器训练法、数据处理技术、计算机技术、集成技术、嵌入技术等。上述传感器技术、单片机技术均可纳入计算机技术的范畴之内。机器训练法是保证智能设备具备“智能”特点的关键，以下将具体论述。数据处理技术也称数据挖掘技术，在智能系统的工作中，数据始终处于核心位置，比如建模过程中涉及到的基本参数、边界参数、模糊控制数据、积累数据等，这些原始数据必须经过加工才能生成具有明确边界和规范工作能力的模型。集成技术主要强调通过1块芯片、1个工作系统或一键操作等方式实现多功能的高效集中，提升智能断路器的工作效率。嵌入技术是指将一些附加功能以独立设备的形式嵌入到智能断路器中，比如数据积累技术，可将1块能够拆卸的外接式存储卡嵌入智能断路器中，实现大量原始数据的积累和自由调取[2]。

1.3 降维训练法

基于IEC61850智能断路器IED建模，可通过降维训练的方式提升其甄别有效性。拟选取K近邻算法作为机器训练法，通过大数据获取2 000份以上工作样本，每个样本包括断路器工作的所有关键维度，比如温度、电流、电压等[3]。以1个维度作为1个定义域，选取多个标准K点进行计算，以各维度的极限值作为边界K点，无论样本中含有多少种不同变化，各维度都必然围绕一个标准K点进行作业，比如电流，以A表示电力系统额定电流，其实际工作中的电流变化将呈现为一个数列形式，表达方式为：=[－，…，－3，－2，－1，，，，，…，]，其中，作为电流定义域降维训练中的“K点”，－，则作为边界值，完成电流维度的训练后，可进行电压、温度等维度训练，方式相同。当电力系统可以正常工作时，各维度均满足边界值范围要求，智能断路器不作业；反之则进行警报和必要处理。选取的维度越多、样本数据越精准，智能断路器的工作敏感性越强、性能越理想。

2 通信接口设计

2.1 多逻辑节点

基于IEC61850智能断路器IED通信接口设计，其基本原则和要点是实现多个逻辑节点的同步工作。以一般性工作资料为基础，获取模型通信接口的4个关键节点及其对应功能如表1所示。

2.2 单一通信接口设计

单一通信接口强调每一个接口独立进行信息传输，各线路之间互不影响。比如模型设备过流报警模块和应急处理模块，过流报警模块应对小幅过流问题，通过报警方式，将实际电流值与标准值、差值、问题发生位置等传输给管理处，由人员进行处理和检修。

应急处理模块应对大幅过电流问题，由于强电流可能造成较大的破坏，断路器侦知该问题后，可直接予以应急断电处理。该模式下，不同节点各自对应1个接口，不同问题的处理方式更加细化，但是运维工作的成本会增加。如果采取有线通信方式，还会占据过多的空间，采取无线通信的方式，则无法避免信号间干扰，对技术的要求高。

表1 模型通信接口的4个关键节点及其对应功能

节点自动重合闸过流保护电压保护频率保护功能自动合闸以及闭锁处于电流瞬间过大问题处理异常电压（过大/过小）处理异常频率（超设定值）

2.3 混合式通信接口设计

混合式通信接口设计是目前较为常见的接口设计方式，强调将所有功能节点纳入到统一的接口内，集中进行问题处理。目前该设计方案具有良好的可实现空间，在自动化作业的情况下，断路器对问题的感知敏感性良好，无论模型监测的对象存在何种故障，都可能埋下安全隐患，也需要给予处理，混合式通信接口可以针对任意故障进行无差别的警报和处理，有利于第一时间将问题消除，避免人员处理效率不足、安全隐患累积的问题发生。混合式通信接口工作方式如图1所示。

图1 混合式通信接口工作方式

来自控制系统、传感器以及单片机的各项指令均在系统中自由传递，可以更好地应对干扰破坏问题。

3 模拟实验

通过计算机建立模型环境，选取混合式通信接口设计，以参数模拟法进行模型能力的测试，观察指标为问题识别率、问题处理时间、报警时间3个方面，可变参数包括温度、电压、电流3个方面。实验共进行70次，包括常规温度、电压、电流实验10次，低温度、电压、电流实验30次和高温度、电压、电流实验30次，求取平均值进行对比，实验结果如表2所示。

从结果上看，除了高参数组出现2次问题无法识别的情况外，常规组和低参数组均能有效甄别问题。高参数组由于降维训练参数值不够完善，导致问题未能得到判别，这也为后续降维训练工作提出了一定的思路，即加大数据收集力度和完善性。此外，低参数组和高参数组的问题处理时间、报警时间均较为理想。

表2 实验结果

组别次数问题识别率/（%）问题处理时间/s报警时间/s 低参数30100.01.81.3 常规10——— 高参数3093.32.11.6