基于IEC 61850 的智能变电站高压线路保护建模

李重庆，董如亚，卞秋野，高 艺，王 磊

（1.国网安徽宣城供电公司，安徽 宣城 242000；2.国网山东利津县供电公司，山东 东营 257000；3.国网山东省电力公司物资公司，山东 济南 250000；4.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

0 引言

2009 年5 月，国家电网有限公司发布了智能电网建设规划，建设和发展智能化、数字化变电站成为发展的新方向［1］。IEC 61850 标准作为国内变电站发展的指导性规范，近年来在智能变电站建设方面的应用研究被广泛探讨，文献［1-2］以IEC 61850 技术为主线，以模块化的结果解释IEC 61850 标准在变电站工程应用中所涉及的相关知识，充实了变电站数字化系统的内涵，促进了变电站的自动化、数字化与互操作化；文献［3］讨论了智能变电站和主站模型、图形、通信一体化共享建模的解决方案，提出了完全基于模型的维护模式，为变电站设备之间的互操作、一致性测试及一体化信息平台构建提供了保证。随着IEC 61850 应用的进一步深入研究，数字化变电站开发及建设方面取得了较为可观的进展，近几年逐步开始有一些基于IEC 61850 的数字化变电站投入到生产运行当中，并取得了较好的运行效果。

尽管基于IEC 61850 的应用研究较大程度地促进了智能变电站开发及建设工作，但落实到具体工程实践中，仍存在以下问题。

1）模型完善与修改方面。由于智能变电站模式不断发展，站内所涉及数字化模型应根据实际工程需求进行适度改进，以完善功能。

2）模型缺失方面。尽管IEC 61850 保护及保护相关功能逻辑节点与数据已较为全面、详尽，但由于国内外采用的继电保护原理以及所关注的对外通信接口存在差异，逻辑节点及其数据对象、属性并没有完全符合我国数字化变电站建模要求，应针对模型的缺失做进一步扩充。

3）保护装置配置模型建立方面。国际电工委员会制定的IEC 61850 基本符合国外变电站自动化设备的工程自由配置做法，却与国内由设计院统一设计的应用原则难以匹配，保护装置的配合工作全部需要在施工、调试过程中完成，带来了“数字化变电站是调试出来”的尴尬［4］。

因此，研究一种满足智能变电站IEC 61850 应用设计要求的新方案是非常必要的。根据IEC 61850建模的体系结构，以某变电站220 kV 线路典型保护装置为例，探讨IEC 61850 在实际工程中线路保护层次化信息模型智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）的构建方法，给出了线路保护建模实例化的具体步骤；随后按照过程层、间隔层与站控层的分层体系结构建立符合该线路信息维护的通信服务方式，并对工程建模中逻辑节点GOOSE 信息流进行了详细阐述；最后以线路保护装置ICD 配置文件树形结构对线路保护装置进行描述，方便不同厂商配置信息的交换。

1 高压线路保护建模步骤

IEC 61850 实现了对外功能信息在标准化的模型中的组建，并建立这些信息的传输方式和过程。IEC 61850 标准对目标对象的建模包括数据建模和通信服务建模两部分。目前变电站多采用国内外多厂家不同制造商的保护测控设备，为实现IEC 61850在变电站数字化系统中的实际应用，线路保护建模步骤叙述如下［5］。

1）模型对象成员的信息建模。包括：服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性。对于须建模对象，当现有的IEC 61850 标准中的逻辑节点类（LN）描述不能满足变电站通信的实际需求时，可开展数据扩展，扩展应遵循IEC 61850 标准建模原则［6］。

2）采用适当的通信服务模型及通信服务映射方式，提供遵循IEC 61850 MMS、GOOSE、SV 的数字化对外接口。

3）构建变电站配置语言。按照服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据对象—数据属性的分层体系结构构建设备模型IED 和通信模型ICD，以便实现不同厂商的配置工具间的信息交换，实现互操作。

根据上述线路保护建模步骤与原则，对某变电站220 kV I 线进行线路保护工程建模应用研究。

2 高压线路保护功能工程建模实例

2.1 信息模型

500 kV 与220 kV 线路保护均包括母差保护、失灵保护、重合闸，其中，重合闸为双重化配置且完全独立，互不联系。建模实例220 kV I 线采用双重化保护配置，第1 套线路保护装置型号为CSC101A，第2 套线路保护装置型号为RCS901A，失灵保护与重合闸装置采用CSC122A。

将保护装置IED 按其功能分解为多个逻辑节点（LN）实例，如断路器（XCBR）和距离保护（PDIS）；再组建断路器（XCBR）和距离保护（PDIS）等逻辑节点实例，形成一个或多个逻辑装置（LD）；进一步地，逻辑装置再映射到数据对象（DO）和若干个数据属性（DA）。根据上述建模流程进行某220 kV I 线所配置保护信息建模。

1）逻辑节点建模。

逻辑节点及其数据可用于实际系统功能的描述，对DL／T 860.74—2013《电力自动化通信网络和系统第7-4 部分：基本通信结构兼容逻辑节点类和数据类》所定义的逻辑节点进行实例化，其实例化对象可表示为某种具有特定意义的功能作用。所选220 kV I线保护装置相应保护功能及相关逻辑节点组如表1所示，保护功能所涉及的逻辑节点均应实例化。表1中，由于逻辑节点索引根据逻辑节点名称进行区分，因此，对具有同一原理的不同区段的保护应分别建立不同的逻辑节点实例，如三段式距离保护分别为PDIS1、PDIS2、PDIS3；对同一原理不同测量方式分别使用前缀区分，如接地距离保护为GndPDIS，相间距离保护为PhsPDIS；对具有相同动作定值、多个时限和独立保护动作信号的保护功能，应细分成多个同一类型的逻辑节点，动作定值只在第1 个时限的实例中映射，如具有4 个不同延时段零序反时限过流保护，则需要定义4 个逻辑节点对象PTOC1、PTOC2、PTOC3、PTOC4。

逻辑节点下的数据对象分为公共逻辑节点信息、状态信息、定值和测量量4 类。保护逻辑节点首先须继承公用逻辑节点数据和部分可选数据。若现有的数据无法对目标对象的实际功能进行全部描述时，应进行数据扩展。

表1 某220 kV I 线线路保护装置功能分解

2）逻辑设备（LD）建模。

因保护设备所提供的信息分散，根据不同装置的功能设计分布可将逻辑设备划分成若干个，分为公用逻辑设备（LD0）、保护逻辑设备（PROT）、录波逻辑设备（RCD）、过程层GOOSE 逻辑设备（PIO）以及过程层SV 逻辑设备（SVLD）等。本文工程建模主要涉及保护逻辑设备（PROT）的建模。

3）IED 建模。

根据所配置的保护装置将上述220 kV I 线分为3 个IED。

完成信息模型整体框架后，对照保护功能及相关功能逻辑节点组，建立如图1 所示逻辑节点描述的线路保护模型。

图1 中建立3 个IED 来组成该220 kV I 线的保护信息模型，根据工程逻辑节点实例化原则，成组的保护逻辑节点为同一原理不同段保护。不同保护测量方式通过逻辑节点名的前缀区分，如零序方向使用DirZeroPXXX；PSCH 为纵联／高频通道逻辑节点，尽管工程上分为闭锁式与允许式纵联保护两种，但在对外接口上并无区别；对于保护功能逻辑节点，本线路采用了2 套重合闸（RREC），运行方式应为一投一备；保护跳闸调理逻辑节点（PTRC）、连接多个保护逻辑节点，当多于1 个保护装置的信号输出时，形成一个公共跳闸信号传送于过程层（XCBR）。

须指出的是，为开展检修或特殊情况处理，保护跳闸和启动回路中往往串联保护压板。对实际工程建模时，应扩展保护逻辑节点的压板类数据对象，以描述跳合闸信号输出。表2 列举出部分PTRC 和RREC 的数据扩充实例。

表2 PTRC 和RREC 数据对象扩充实例

2.2 通信服务模型

图1 线路保护模型

为实现变电站控制、监视和保护3 大功能，IEC 61850 提出变电站功能分层概念，共分为3 个功能层，即变电站层、间隔层或单元层、过程层［7-8］，如图2所示。其中站控层与间隔层之间采用以制造报文规范（MMS）为核心的客户／服务器和面向对象的变电站事件（GOOSE）通信，间隔层与间隔层、间隔层与过程层之间采用采样值传输（SV）报文或面向对象的变电站事件（GOOSE）通信，并分别配置各层的交换机。通过上述MMS、GOOSE 与SV 3 类信息服务方式实现各层中所定义的IED 数据的上传［9-11］。

图2 变电站自动化系统功能层和逻辑接口

1）制造报文规范（MMS）服务。

变电站间隔层内保护装置遥测、遥信、遥调以及定值召唤扰动等事件信号往站控层发送时，以制造报文规范进行通信，如图2 中的接口信息传输，相同的通信服务方式可以实现异构系统间的通信传输，实现来自不同厂商设备的互操作。本文实例中220 kV I 线间隔保护IED 与站控层通信的MMS 服务，是通过建立220 kV I 线保护模型逻辑节点到虚拟制造设备属性MMS 服务模型的映射，具体包括逻辑节点数据映射、逻辑设备模型映射以及通信服务方式的映射。关于虚拟制造设备与保护模型映射方法，目前已有较多的研究成果，很多已具有良好的工程应用效果，具体映射方法可参见文献［12-14］。

2）变电站事件和采样值传输（GOOSE／SV）通信。

图3 某220 kV I 线线路间隔保护GOOSE／SV 信息流

间隔层与间隔层、间隔层与过程层之间的报文通信，是利用面向对象的GOOSE 通信和SV 报文实现的，用于图2 中的接口信息传输。变电站线路保护使用GOOSE／SV 进行智能装置IED 交互信息、跳合闸出口等信息的通信，文献［1］给出了一种适用于220 kV 典型变电站的GOOSE／SV 虚端子配置方法设计，并在实际变电站工程施工中开展应用，具有良好借鉴意义。为更直观地描述智能装置的输入、输出端口逻辑，以220 kV I 线路间隔保护动作跳开线路断路器的A、B、C 三相过程进行GOOSE／SV 通信设计如图3 所示。图3 中，采用智能装置GOOGE／SV 的“虚端子”实现信号的输入输出。将智能装置和合并单元的信号输出定义为IN01—IN03，信号输出逻辑分别定义为虚端子OUT01—OUT03，智能装置中的内部数据属性，如IN01 表示断路器A 相跳闸，其数据属性可表示为 “GOINGG101stVal”，合并单元输出保护电流A 相，其数据属性可表示为“OEMU／MU01.TC.TR1.Amp1”。以此类推，可得到B 相和C 相的信号数据属性。

2.3 IEC 61850 工程配置

对变电站自动化设备、开关、保护以及其他配置情况是由基于XML 技术的变电站配置语言SCL 来描述的。SCL 是IEC61850 技术体系的重要组成部分，其目的是为了给来自不同厂商的设备提供一种标准的描述方式，实现设备的互操作。采用这种标准的描述方式有利于简化系统的集成过程，降低集成费用。

SCL 文档应包含头、变电站、通信、智能电子设备和数据模板5 个基本组成部分。

1）头（Header）。

头部分可对整个SCL 文档进行整体描述，该部分涵盖所配置变电站对象的SCL 文件的制造商、版本、名称结构、文档命名等信息，也用于指定名字与相关信号的映射选项。

2）变电站（Substation）。

变电站模块的SCL 用于描述整个变电站的功能结构，标识站内开关、变压器等一次设备及设备的拓扑关系。变电站部分描述应包含变电站结构中所包含的元素，从上到下涵盖变电站、电压等级、间隔、设备、子设备的有关功能和子功能选项。

3）通信（Communication）。

通信模块描述IED 通过访问点连到公共子网上的配置，以及IED 实现逻辑节点间进行连接通信的配置。通信部分是进行IED 装置的实例化，因而在未进行配置前，该模块均为空，只有实例化配置后才能有具体值。

4）IED。

智能电子设备叙述智能电子设备的预配置，包括访问点、逻辑装置、具体逻辑节点等。根据所提供的通信服务同LNType、具体数据对象DO、缺省配置的值等一起定义IED 的能力，在一个SCL 文件内，IED 的名称应唯一。

5）数据类型模板（Date Type Templates）。

数据类型模板定义逻辑节点数据的一个具体样本，每次引用的是智能电子设备内一个具体化的逻辑节点类型LNodeType。逻辑节点类型样本由Data（DO）元素创建，该元素具有DO 属性，从DL／T 860.73—2013 《电力自动化通信网络和系统 第7-3部分：基本通信结构》定义的数据类（CDC）派生出来。DO 由属性（DA）和已经定义的DO 类型组成。

本文案例220 kV I 线是该变电站的一个线路间隔，共有3 个保护装置（CSC101A、CSC122、RSC901A），可应用IED 能力描述文件 （IED Capability Description，ICD）来描述IED 的基本数据模型及服务方式。单装置ICD 装置文件结构示意如图4 所示。

图4 单装置ICD 配置文件结构

通过SCL 配置文件，即使不同厂商的智能设备信息描述存在异构性，通信双方依然可以进行配置信息的交互。

3 结语

IEC 61850 标准是一个严密复杂的体系，其应用将会随着变电站工程技术的需求不断完善，满足不断演进的系统要求。以某变电站220 kV 线路典型保护工程为例，进行全面建模，首先遵循标准构建起统一的、面向对象的层次化信息模型，实现设备的标准化描述；然后依据标准建立了该线路信息交互的3类信息服务模型，有效解决了本线路IED 之间以及本线路与其他设备IED 的运行维护信息交互的问题；最后构建线路保护装置ICD 配置文件，使变电站自动化系统的集成过程从人工处理向自动化处理转变。目前，由于标准制定的慎重性和复杂的操作流程，模型的随意扩充会使得应用难以统一，从而削弱了标准的本质意义［1］。因此，如何既能保证标准的规范性，又能满足用户多样性需求，值得进一步深入探讨。