基于智能电子装置建模方法的配电终端自描述技术研究

朱吉然，康 童，王风华，徐 波，王高海，陈小强，张伟伟

基于智能电子装置建模方法的配电终端自描述技术研究

朱吉然1，康 童1，王风华2，徐 波3，王高海4，陈小强5，张伟伟6

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.同济大学电气工程系，上海 201804；3.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙 410004；4.东方电子股份有限公司，山东 烟台 264001；5.江苏圣通电力新能源科技有限公司，江苏 镇江 212400；6.南瑞集团有限公司，江苏 南京 210000)

为了实现配电终端设备点表自动生成功能，降低配电终端设备配置和维护的成本，提出一种基于智能电子装置的配电终端建模方法。利用面向对象建模方法分析并归纳了分布式配电终端的功能，然后根据智能电子装置的分层结构分别建立分布式配电终端的逻辑设备、逻辑节点以及数据对象的模型。提出一种基于XML语言实例化配电终端模型的方法，搭建了配电主站-终端设备信息管理平台，验证了配电终端模型的准确性和适用性。验证结果表明，基于智能电子装置建模方法建立配电终端的模型是可行的，建模后的配电终端设备能够自动生成点表，完成与主站之间的配置工作，从而提高配电终端接入主站的效率。

分布式配电终端；IEC 61850；自描述模型；智能电子装置(IED)；SCL语言

0 引言

配电网作为泛在电力物联网的基础和纽带，对广大群众生产生活产生了巨大影响[1-8]。然而我国配电网建设处于初级阶段，相对于输电网和变电站的建设投入较少。配电网自动化建设面临较多问题，配网停电、线路事故、操作人员人身安全事故频发。配电网一旦出现故障，查找并排除故障的时间较长，对企业生产和居民生活产生巨大影响[9-11]。

配电设备中的配电环网柜在整个电力系统中起着为用户配电和供电的重要作用，也是配电网建设中的一个极为重要的组成部分[12-13]。而配电终端(Distribution Terminal Unit, DTU)是配电环网柜中最为重要的单元之一。随着配电综合自动化系统的形成，配电终端乃至配电环网柜的功能逐渐在拓展和完善，要解决传统环网柜中存在的很多缺陷，需要简化其内部各模块之间的结构，因此对配电终端进行深入研究显得尤为重要[14-16]。

配电终端在配电网络中数量多、分布广，对配电网络的运行和控制起着基础性的关键作用，由于环网柜对其依赖性强，配电终端的功能、技术以及可靠性直接影响配电和供电的稳定性[17-19]。同时，传统的配电终端需要通过人工配置点表，这大大增加了配电网运行和维护的成本和难度。配电终端内部功能部件过于冗杂，部分功能与环网柜中其他单元的功能重复，且各功能模块之间的配合没有达到优化组合[20-22]。因此，为了降低配电终端配置和维护的成本，进一步使环网柜更加智能化、高可靠化，本文将对配电终端的自描述功能展开研究。

近年来，有相关研究提出了一种全息感知智能融合环网柜，其具备全息感知和边缘计算能力，能够满足不同终端的即插即用、拓扑自动分析上传等功能[23-26]。该环网柜采用分布式DTU，不同于传统的集中式DTU，分布式DTU由公共单元和若干间隔单元共同组成，公共单元负责接收并处理配电主站发送的信息和命令，并对间隔单元进行遥控操作，间隔单元负责采集监测各馈线。要满足智能融合环网柜的上述功能，实现分布式DTU的信息自描述和即插即用功能十分重要[27]。文献[28]提出基于IEC61850标准的配电网分布式电源的信息交互机制，提升了分布式电源并网运行的有效性。文献[29]提出了采用扩展的IEC 60870-5-104协议实现配电主站与配电终端之间信息传递的方法，但没有给出建立完善的配电终端模型的方法。相关研究对于分布式DTU自描述和即插即用技术的研究少之又少。

为实现环网柜中DTU自动配置和维护，本文着重研究分布式DTU的自描述模型和即插即用技术。首先分析IEC61850的建模方法，总结归纳分布式DTU的功能；然后基于变电站配置描述语言(Substation Configuration Description Language, SCL)提出相应智能电子装置(Intelligent Electronic Device, IED)的配置方法，实现了DTU的自描述；最后根据自描述模型实现分布式DTU在环网柜中的点表自生成和即插即用功能，优化了配网结构，设备运行信息上送实现了配电可靠率和稳定性的提升。

1 配电终端自描述模型建模

要实现配电终端自描述和即插即用，需要根据IEC61850对配电终端设备进行建模，也需要配电主站具备识别终端并配置订阅信息的能力。本节首先对分布式DTU的各单元进行功能梳理和分析，并搭建配电终端的自描述模型。

1.1 分布式DTU的功能梳理

传统DTU可实现实时检测线路电压、线路电流、零序电流、设备状态等运行及故障信息，并完成三遥功能。与传统DTU不同，分布式DTU由两部分组成，分别是公共单元和间隔单元。公共单元主要具备对下通信、对上通信、数据存储、数据转发、维护、日志、通信以及拓扑结构等功能。间隔单元具备故障复位、自行诊断功能，可实现三相电压及零序电压、各回路三相电流及零序电流采集功能，具备三遥综合处理、故障处理、保护、对时定位、通信和线损计算等功能。

一个完整的功能应包含IEC61850标准的各项要求，并由若干逻辑节点(Logical Node, LN)组成。每个智能电子装置都包含一个或多个服务器，每个服务器包含若干逻辑设备(Logical Device, LD)，每个逻辑设备包含若干逻辑节点，每个逻辑节点包含若干数据对象。逻辑节点表示物理装置中能够代表某一分解的功能或者执行某一操作的对象。逻辑节点是通过抽象功能的特征点而形成的对象。智能电子装置的实际运行流程可通过逻辑分析抽象为若干逻辑节点的组合，即为逻辑设备。数据对象包含某一功能或者执行某一操作的具体数据，可通过服务器访问相关数据。

1.2 分布式DTU的逻辑节点

根据功能划分对分布式DTU的逻辑节点进行匹配和选取。对不满足的逻辑节点，可适当扩充或者创建新的逻辑节点，逻辑节点的命名方式遵循标准中的定义。

每个逻辑设备都需要包括公用逻辑节点LPHD和LLN0，LPHD为物理装置信息，负责记录物理装置的铭牌信息、健康状态等信息，LLN0负责记录物理装置中IED的相关数据，包括装置标识、装置自检查报文等。

除了上述公用逻辑节点，公共单元和间隔单元的逻辑设备分别具备不同的逻辑节点。具体说明见表1和表2。

表1 公共单元的逻辑节点说明

图1为各逻辑节点之间的信息交互图。逻辑节点IHMI和ITMI属于站控层，没有具体数据对象。间隔层负责实现测量、保护和控制等功能，具体功能抽象为逻辑节点MMXU、MSQI、PTOC等。DTU通过TVTR和TCTR采集环网柜中各设备的电压和电流值，再通过MMXU、MSQI等逻辑节点计算相应电气量，并上报至站控层实现其对配电端的监测。

由表1、表2可知，公共单元和间隔单元中存在部分相同的逻辑节点，但该逻辑节点中包括的数据对象有所不同。例如，公共单元中逻辑节点THUM负责监测环网柜中除湿器的状态，而间隔单元中该逻辑节点则负责采集环网柜中的湿度值。

根据对DTU功能的分析，选取上述若干逻辑节点，按照IEC61850规定的IED分层信息模型，可将物理装置的DTU分成两大部分分别搭建模型，即按照公共单元和间隔单元进行分类建模。分布式DTU的信息模型如图2所示。

1.3 数据对象建模

数据对象是不同IED之间进行通信和信息交互的实质内容。若要完善IED模型，需要进一步对逻辑节点的数据对象进行建模。选取公共单元和间隔单元共同的逻辑节点GGIO为例，对其数据对象进行建模。

逻辑节点GGIO在标准中充当通用装置或者辅助装置的功能。在实际应用中，缺乏描述模拟输出、辅助继电器输出的逻辑节点，同时需要增加一些输入输出代表未定义的装置，如报警器等，然而IEC 61850中现有的逻辑节点并未覆盖上述功能，为解决上述问题，本文对逻辑节点GGIO的属性内容进行拓展并分类建模。

公共单元GGIO的属性对象Mod、Beh、Health、NamPlt分别存储运行模式、性能、健康状况以及铭牌信息；通过PlsTmms控制间隔单元的开入遥信确认时间；由传感器TVTR和TCTR获取状态信息并由TURmt和Alm负责装置报警、对时异常等功能。公共单元GGIO的数据对象的详细建模如表3所示。

表3 公共单元中GGIO的详细建模

间隔单元对应的数据对象与公共单元的数据对象之间存在一定区别。其中，SPCSO可实现单点可控状态的输出，SwhPrtAct控制开关的保护动作；状态信息分类包括RmtCtlLck、PrtTolRst、SwhRmt。间隔单元GGIO的数据对象的详细建模如表4所示。

表4 间隔单元中GGIO的详细建模

注：INC为可控的整数状态(controllable integer status)；INS为整数状态(integer status)；LPL为逻辑节点铭牌(logical node name plate)；SPS为单点状态信息(single point status)；SPC为可控单点型(controllable single point)；BSC为二进制可控模拟过程值(binary controllable analogue process value)；M为必选项；O为可选项。

在建模过程中，公共单元和间隔单元均选用了逻辑节点GGIO，但逻辑节点的数据对象却不同。数据对象由逻辑节点对应的功能决定，即使为同一逻辑节点，在表示不同功能时所包含的数据对象也存在一定区别。

对分布式DTU的不同单元分别进行建模，避免了集中式DTU建模时逻辑节点功能覆盖的缺点，简化了各逻辑节点之间的连接方式和交互信息。

2 IED自描述的实现

2.1 SCL语言

IEC61850标准规定了变电站IED的配置描述语言，即为变电站配置描述语言SCL。基于可扩展标记语言(Extensible Markup Language, XML)的SCL语言规定并描述了IED配置和参数、通信系统配置以及彼此之间关系的文件格式。利用SCL语言形成的文件能够在不同厂家的IED工程平台和通信系统平台上实现互操作，具备不同信息结构的终端都能够与主站进行信息交互，使终端具备即插即用功能。

SCL语言可以对以下三部分进行描述，分别是通信系统、应用层通信原理和IED相关信息。SCL语言可描述说明各IED与子网络通信的访问节点；能够规范数据组成数据集、IED触发服务类型以及IED信息交互的原理和机制；能够详细描述IED配置的逻辑设备、逻辑节点、相关的数据对象和数据属性以及彼此之间的关系。SCL语言的主要内容如图3所示。

图3 SCL语言的主要内容

针对不同对象，SCL规定了不同的配置文件来完成相应的配置工作，可实现不同设备交换配置数据功能。具体包括系统规范描述文件(System Specification Description, SSD)，变电站配置描述文件(Substation Configuration Description, SCD)，IED能力描述文件(IED Capability Description, ICD)，IED配置描述文件(Configured IED Description, CID)、实例化智能电子设备描述文件(Instantiated IED Description, IID)、系统交换描述文件(System Exchange Description, SED)。

2.2 配电终端自动配置机制

传统配电终端的配置需要人工写入点表信息，配电主站在获取配电终端信息之后，才能够建立与配电终端之间的通信。建立配电终端自描述模型能够代替传统人工写入点表这一步骤，为实现配电终端自动配置奠定基础。

图4为各配置文件之间的关联关系。文件均为.xml格式，区别是文件所描述的内容。SSD文件能够描述变电站一次设备的拓扑图。ICD文件由设备直接提供，若设备无法提供，则可由IED配置工具生成。若将ICD文件实例化，并且加入通信相关内容，则其变为CID文件。系统配置工具负责收集其他文件，生成SCD文件，同时也可以发出CID文件到所连接的设备。对系统配置工具配置过的文件实现实例化即可得到IID文件，IID文件可对SCD文件中相应部分进行更新。

图4 配置文件之间的关联关系

配电终端根据统一的自描述模型，利用IED配置工具生成具备统一标准的ICD文件，并将其发送至配电主站，ICD文件中包含配电终端的点表信息。系统配置工具收集ICD文件，生成SCD文件，在获取配电终端点表信息后，生成CID文件发回至配电终端，实现了配电终端与配电主站之间的自动配置功能。

2.3 ICD文件的配置

ICD文件可描述IED的配置和模型结构，如服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象等。完整的ICD文件包括头、通信、IED以及数据类型模板，其中IED含有若干服务，并通过服务接入点获取服务器信息。

ICD文件结构如图5所示。每一个ICD文件包括一个头文件，负责记录SCL的版本信息、修订内容、开发工具、模板类型等信息。通信部分包含子网、访问节点和地址。智能电子设备部分介绍了其模型信息和信息交换模型。本文第一部分就根据模型信息搭建了相关的自描述信息模型，其中LN为不同IED信息交互的实体，IED通过访问节点与外界通信。数据类型模板定义数据对象中的数组类型、数据属性类型、数据对象类型等信息。

图5 ICD文件结构

要实现分布式DTU接入的自描述功能，需要基于对分布式DTU的逻辑设备LD和逻辑节点LN的建模内容进行SCL语言的配置并生成相应文件。通过SCL语言实例化分布式DTU的各个逻辑设备和逻辑节点，在此基础上确定各逻辑节点的数据对象和数据属性。

本文以分布式DTU中选取的逻辑节点GGIO为例，利用SCL语言实例化逻辑节点下的数据对象和数据属性。图6为以逻辑节点GGIO为重点的自描述信息模型结构图，图中只表示部分数据对象以及数据属性，此外本文搭建的信息模型中其他逻辑节点并未表示出。逻辑节点GGIO中，装置报警由数据对象Alm负责，通过Alm.stVal上传报警信息。开入1的遥信确认时间由数据对象BO1PlsTmms确认，通过属性BO1PlsTmms.setVal上传状态信息，遥信确认时间的最小值和最大值分别对应minVal和maxVal；步长值通过stepSize获取。其他开入的遥信确认时间的数据对象类似于BO1PlsTmms。

图6 数据对象的模型

利用SCL语言对上述模型中的内容进行描述。逻辑节点的数据对象和数据属性在数据类型模板中有部分定义，未被定义部分可按照IEC61850标准进行扩展。相关的XML格式如下：

2.4 自描述功能的实现

配电终端的ICD文件可通过IED配置工具生成，也可由设备厂家直接提供。配电终端发起注册请求时，配电终端的通信模块将ICD文件上传。配电主站的通信模块接收到注册请求后，通过解析该文件获取配电终端的设备信息，包括点表以及配电网络拓扑图等，进一步自动生成电网拓扑。配电主站与配电终端设备之间互相识别并建立连接的步骤如图7所示。

图7 主站与设备连接的步骤

任何需要接入主站的配电终端设备都需要生成统一格式的文件。在统一的文件格式下，终端才能够实现自动注册，且配电主站才能够对所有的终端进行识别并响应注册请求。满足上述条件的配电终端具备自描述和即插即用的功能。

3 终端接入配电主站实例

基于上述研究内容，搭建了一个配电主站-终端设备信息管理平台，并在长沙市高可靠性示范区应用。通过该信息管理平台能够查看当前主站下的终端以及相关点表信息。

配电主站-终端设备信息管理平台的界面图如图8所示。新的配电终端设备发送注册请求的流程如图9所示。

图8 配电主站-终端设备信息管理平台

图9 配电终端设备发送注册请求

该平台可对主站下的终端设备信息进行管理，能够接受终端设备的注册请求。与主站建立连接的终端设备的点表信息可通过该应用查看。当新的终端设备请求与主站建立连接时，系统管理员可通过终端注册界面对终端设备的注册请求进行响应。完成与主站的连接后，即可在主站管理界面根据关键词信息查找相关终端设备。与主站建立连接后可通过平台查询相关设备，如图10所示。

图10 查询终端设备的界面

由上述结果可知，基于IED建模方法建立的分布式配电终端自描述模型是有效的，该模型能够使配电终端自动生成点表，具备自描述能力，这大大降低了配置和维护配电终端的成本，提升了配电网系统中环网柜的智能性和可靠性。

4 结论

为提高配电环网柜中配电终端设备的可靠性，本文提出了一种基于IED的配电终端建模方法，建立了分布式配电终端的自描述模型，实现了配电终端的自动配置功能。基于XML语言对配电终端自描述模型进行描述，实现了配电终端设备的自描述功能。搭建了配电主站-终端设备信息管理平台，对主站中的终端设备信息进行可视化操作，验证了该建模方法在点表自动生成功能中的有效性和可行性，为配电主站远程配置和维护奠定基础。

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Self-description technology of a distribution terminal unit based on IED modeling method

ZHU Jiran1, KANG Tong1, WANG Fenghua2, XU Bo3, WANG Gaohai4,CHEN Xiaoqiang5, ZHANG Weiwei6

(1. State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute, Changsha 410007, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 3. Hunan Xiangdian Test & Research Institute Co., Ltd., Changsha 410004, China; 4. Dongfang Electronics Co., Ltd.,Yantai 264001, China; 5. Jiangsu Shengtong Power and New Energy Co., Ltd., Zhenjiang 212400, China; 6. NARI Group Corporation, Nanjing 210000, China)

To realize the automatic generation function of a distribution terminal equipment point table and reduce the cost of distribution terminal equipment configuration and maintenance, a distribution terminal modeling method based on an intelligent electronic device (IED) is proposed. This paper analyzes and summarizes the functions of a distributed distribution terminal using an object-oriented modeling method, and then establishes the models of logical devices, logical nodes and data objects of distributed distribution terminal according to the hierarchical structure of intelligent electronic devices. A method of instantiating a distribution terminal model based on the XML language is proposed and a distribution master terminal equipment information management platform is built to verify the accuracy and applicability of the distribution terminal model. The verification results show that it is feasible to establish the distribution terminal model based on the IED modeling method, and the distribution terminal equipment after modeling can automatically generate the point table to complete the configuration with the master station, thereby improving the efficiency of distribution terminal access to the master station.

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 5216A019000R).

distributed DTU; IEC 61850; self-description model; IED; SCL

10.19783/j.cnki.pspc.210690

国家电网公司总部科技项目资助(5216A019000R)；国网湖南省电力有限公司科技项目资助(5216A5200008)

2021-06-10；

2021-09-15

朱吉然(1985—)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为智能配电网相关研究。E-mail: zhujiran040356@ 163.com

(编辑 葛艳娜)