數(shù)字化變電站IED選線模型

1、數(shù)字化變電站中故障選線 IED 模型的研究摘要 :結合數(shù)字化變電站的技術特點和發(fā)展趨勢,針對故障選線技術在數(shù)字化變電站的應用,建立了基于 IEC 61850系列標 準的故障選線智能電子設備 (IED模型。該模型將故障選線功能分解為 IEC 61850定義的邏輯節(jié)點,對故障選線 IED 進行了應 用信息和基本功能的標識和劃分,構成了信息模型的基本框架。在此基礎上研究了采樣測量值到故障選線 IED 模型的傳輸和 選線結果到后臺管理系統(tǒng)的傳輸,解決了故障選線 IED 模型信息在數(shù)字化變電站的通信問題。關鍵詞 :數(shù)字化變電站; IEC 61850;故障選線 IED ;邏輯節(jié)點0 引言隨著網(wǎng)絡技術、光纖

2、通信技術、計算機技術以 及光電設備制造技術的發(fā)展和應用, 基于 IEC 61850標準的數(shù)字化變電站技術已漸露端倪,并有迅速替 代傳統(tǒng)變電站自動化技術的趨勢 1-5。 單相接地故障 是配電網(wǎng)中發(fā)生概率最高的故障類型,及時準確地 選出故障線路,對提高供電可靠性具有重要意義。 故障選線技術作為變電站自動化系統(tǒng)的一種重要 功能,在數(shù)字化變電站中也應該有相應的解決方 案。IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)標準作為國 際電工委員會 (IEC確定的未來統(tǒng)一的電力系統(tǒng)無 縫通信協(xié)議體系,使數(shù)據(jù)對象自我描述成為可能, 為智能電子設備 (IED之間的互操作提供途徑。 其應 用的關鍵在于利用標準的模型對實際的

3、 IED 設備進 行建模,達到信息交換的目的。本文針對配電網(wǎng)故 障選線技術, 結合數(shù)字化變電站的技術特點, 以 IEC 61850協(xié)議標準為基礎,將選線技術的功能抽象成 若干邏輯節(jié)點,建立了故障選線的 IED 模型。在此 基礎上研究了故障選線 IED 通信實現(xiàn)問題,即如何 進行采樣測量值的獲取和選線結果的傳輸。1 基于 IEC 61850的面向?qū)ο蠼EC 61850作為數(shù)字化變電站的通信標準,使 用了面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術和獨立于網(wǎng)絡結構 的抽象通信服務接口 (ACSI,使數(shù)據(jù)的自我描述成 為可能, 為不同廠家 IED 的互操作和系統(tǒng)的無縫集 成提供了統(tǒng)一的實現(xiàn)途徑,是一個開放的、面向未

4、來的通信協(xié)議。由 IEC 61850-5的定義, IED 是在一定范圍內(nèi), 接口限定的條件下能夠完成一個或多個指定邏輯 節(jié)點任務的實體 6。 IEC 61850標準將 IED 視為客 戶機 /服務器 (Client/Server的運行方式, 采用面向?qū)?象的建模技術,建立了完整的分層數(shù)據(jù)信息模型, 如圖 1所示。該信息模型的屬性包含邏輯設備、邏 輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性 4個層次。邏輯設備 是包含應用功能和使用信息的虛擬設備;邏輯節(jié)點 代表服務器的基本功能或者 IED 的設備信息, 是交 換數(shù)據(jù)的最小功能單元;數(shù)據(jù)對象包含邏輯節(jié)點的 所有信息;數(shù)據(jù)屬性是數(shù)據(jù)對象的內(nèi)涵、模型信息 的最終承載體

5、。 圖 1 信息化層次結構模型Fig.1 Hierarchical information structure model2 故障選線 IED 模型的建立2.1 故障選線的功能分解故障選線 IED 模型的建立可以看作是一個 SERVER 的實例,而 IEC 61850采用邏輯節(jié)點來描 述設備的功能,是交換數(shù)據(jù)的最小功能單元,所以 可以把選線裝置的每個功能定義為邏輯節(jié)點類的 一個實例。一個 IED 模型的建立首先要準確描述 IED 的功能,將其抽象為若干個功能邏輯節(jié)點類。 在數(shù)字化變電站中, 為了保證 IED 設備之間的互操 作性, IEC 61850定義了 80多種邏輯節(jié)點,幾乎涵 蓋了所有的

6、功能。同時提供了擴展定義新功能的邏 輯節(jié)點的方法,保證了系統(tǒng)的開放性。_針對故障選線的功能要求和技術特點,結合數(shù) 字化變電站中邏輯節(jié)點模型的建立方法,可以將故 障選線 IED 分解為以下幾種功能: 保護功能:選線保護; 測量功能:母線電壓、線路零序電流; 控制功能:故障告警; 分析功能:故障波形記錄; 接口功能:閾值整定、輸入輸出、數(shù)據(jù)存 儲、日志記錄等。2.2 邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)的建模根據(jù) IEC 61850-7-4標準對于擴展新功能邏輯 節(jié)點的定義 7,參照選線技術的特點,首先建立新 的選線保護邏輯節(jié)點 EPLS ,其中 E 表示擴展邏輯 節(jié)點, P 表示保護邏輯節(jié)點組, LS 表示新邏輯節(jié)點

7、 英文名縮寫 (Line Selection。 EPLS 定義為選線保護 邏輯節(jié)點,是故障選線中最重要的核心功能邏輯節(jié) 點,無論產(chǎn)生瞬時接地故障還是持久接地故障,故 障電流很小,均無需跳閘,但必須從同一母線的多 條線路中識別出故障線路,給出判斷結果,以便修 復故障部分。然后對故障選線其余功能進行邏輯節(jié) 點描述,將其分配在不同的層次。圖 2為故障選線 IED 的功能邏輯節(jié)點的基本組成。 間隔層邏輯節(jié)點過程層圖 2 故障選線 IED 功能邏輯節(jié)點的分配Fig.2 Distribution of functional logic node for fault line selection IED圖

8、2中,將故障選線技術的功能分解后,抽象 成為數(shù)字變電站通信可以識別的邏輯節(jié)點。 IHMI 定義為管理員接口,用來實現(xiàn)設定閾值、打印、密 碼修改等功能; IARC 定義為存檔,用于長期歷史 數(shù)據(jù)的存檔與檢閱; ILOG 定義為日志,用于短期 歷史數(shù)據(jù)的存檔與檢閱; MSQI 定義為序值和不平 衡,從 TV 和 TA 采集電壓電流,計算三相電網(wǎng)的 序值和不平衡; MMXU 定義為測量,用來描述基 本的監(jiān)測線路信息, 如電壓、 電流、 功率等; RDRE 定義為故障記錄,采集故障電壓電流波形信息用來 分析檢閱; CACL 定義為報警處理; TCTR 定義為 電流互感器; TVTR 定義為電壓互感器。

9、 除此之外, 邏輯設備的建立還應包括邏輯節(jié)點零 LLN0、邏輯 節(jié)點物理設備 LPHD 和通用輸入輸出 GGIO 等。故障選線技術要求監(jiān)測多條線路,若以母線段 區(qū)分來建立選線保護邏輯節(jié)點,需要采集母線及母 線出線的信息數(shù)據(jù), 不僅數(shù)據(jù)流量較大, 計算復雜, 而且當母線出線較多時,會造成通信的延遲。所以 考慮每條線路采用一個邏輯節(jié)點 EPLS ,然后再以 母線段為單位,將同一母線上的線路信息匯總到選 線算法模塊中,選出故障線路。這樣不僅避免了信 息的冗余,而且使得數(shù)據(jù)的傳輸與邏輯節(jié)點一一對 應,提高了系統(tǒng)的可靠性。但僅建立邏輯節(jié)點還不 足以使故障選線 IED 模型具備可訪問性和可操作 性,必須采

10、用數(shù)據(jù)對象和屬性來對其進行具體的語 義填充和描述。由于選線技術從 TA 、 TV 采集電壓 電流給到邏輯節(jié)點 MSQI 中得到零序電流和零序電 壓,然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?EPLS 邏輯節(jié)點,判斷故障 線路并給出選線結果到后臺管理系統(tǒng),所以本文僅 討論對 EPLS 和 MSQI 兩個邏輯節(jié)點的建模。 邏輯節(jié)點 EPLS 的數(shù)據(jù)描述如表 1所示。在 EPLS 邏輯節(jié)點類中, “M” 表示指定, “O” 表示可選, 模式、 性能、 健康和銘牌表示其基本邏輯節(jié)點信息, 啟動和動作表示其狀態(tài)信息,定值定義了接地啟動 值 (GndStr、 啟 動 時 間 (StrDlTmms和 動 作 時 間 (OpDlTm

11、ms,以及兩個公共擴展數(shù)據(jù) ExBusNam 和 ExCirNam , 用來表示發(fā)生單相接地故障的時間、 母線名稱和線路名稱。表 1 邏輯節(jié)點 EPLS 的數(shù)據(jù)描述Tab. 1 Data description for logic node EPLS類型 數(shù)據(jù)名 描述 屬性 M/O 基本邏輯節(jié)點信息Mod 模式 ISC M Beh 性能 ISI M Health 健康 ISI M NamPlt 銘牌 LPL M 狀態(tài)信息Str 啟動 ACD M Op 動作 ACT M定值GndStr 接地啟動值 ASG M StrDlTmms 啟動時間 ING O OpDlTmms 動作時間 ING O Ex

12、BusNam 母線名稱 DPL M ExCirNam 線路名稱 DPL M 當配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,各條線路的邏 輯節(jié)點 EPLS 以母線段為單位,將得到的零序電流 和零序電壓給到選線算法模塊中進行選線運算,選 出故障線路,并給出選線結果。MSQI 為 IEC 61850定義的邏輯節(jié)點。該節(jié)點 通過采集 TA 、 TV 的電流電壓來得出零序電流和零序電壓,給到 EPLS 邏輯節(jié)點中,實現(xiàn)選線功能。 除了繼承基本的邏輯節(jié)點信息如模式、性能、健康 和銘牌外,該節(jié)點還包含外部設備健康和外部設備 銘牌兩個公用邏輯節(jié)點信息。被測量有正序、負序 和零序電壓電流, 以及不平衡狀態(tài)下的電壓、 電流、 零序

13、電壓和零序電流。其中可選項可以根據(jù)實際需 要來對被測量進行配置,使得邏輯節(jié)點的建立更加 靈活。其數(shù)據(jù)對象的描述如表 2所示。表 2 邏輯節(jié)點 MSQI 的數(shù)據(jù)描述Tab. 2 Data description for logic node MSQI類型 數(shù)據(jù)名 描述 屬性 M/O公共邏輯 節(jié)點信息 繼承基本邏輯節(jié)點信息EEHealth 外部設備健康 ISI M EEName 外部設備銘牌 DPL M被 測 量 SeqA 正序、負序和零序電流SEQ MSeqV 正序、負序和零序電壓SEQ M ImbA 不平衡電流 WYE O ImbV 不平衡電壓 WYE O ImbZroA 不平衡零序電流 MV

14、 O ImbZroV 不平衡零序電壓 MV O2.3 邏輯設備的建模邏輯設備并不是指裝置設備本身,而是它的智 能化功能和操作的映射,包含了邏輯節(jié)點對象并提 供相關服務。一個邏輯設備至少包含三個邏輯節(jié) 點:核心功能邏輯節(jié)點、 物理設備邏輯節(jié)點 (LPHD和邏輯節(jié)點零 (LLN0。 故障選線 IED 以核心功能邏 輯節(jié)點的公共特征為基礎,可以分為三個邏輯設 備,分別為保護功能 LDP 、測量功能 LDM 和操作 員接口功能 LDI 。所有的邏輯設備均定義 LPHD 和 LLN0, LPHD 代表擁有邏輯節(jié)點的物理設備的公共 數(shù)據(jù),如物理設備的健康、運行狀況等; LLN0代 表邏輯設備的公共數(shù)據(jù),如

15、模式、性能等。各個邏 輯設備通過其內(nèi)部提供的抽象通信服務來實現(xiàn)。圖 3為上述采用邏輯節(jié)點和邏輯設備建立的故障選線 IED 模型。 圖 3 故障選線 IED 模型Fig.3 Model of fault line selection IED2.4 通信服務模型按照 IEC 61850標準,一個 IED 至少包含一個 服務器,除了邏輯設備,服務器還包括由通信系統(tǒng) 提 供 的 其 它 一 些 公 共 基 本 組 成 , 如 應 用 關 聯(lián) (Association、時間同步 (Time Synchronization、文 件傳輸 (File Transfer等。圖 4為服務器基本組成部 件。 圖 4

16、 服務器基本組成部件Fig.4 Fundamental components of a server當故障選線 IED 建模為一個 SERVER 類的實 例,它就包含了圖 4的基本組成部件,其通信服務 主要采用客戶機 /服務器的通信模式, 一般不對單獨 的邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)對象進行操作,而是要對多個邏 輯節(jié)點的數(shù)據(jù)進行操作。因此,需要將各個邏輯節(jié) 點下相關的數(shù)據(jù)對象組成數(shù)據(jù)集 8,由客戶利用服 務檢索引用數(shù)據(jù)集的全部屬性值,僅需要傳輸數(shù)據(jù) 集名加上引用數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)屬性的當前值,這樣可以 有效地利用通信帶寬, 也使得故障選線 IED 模型服 務器具有了可視性和可訪問性。3 故障選線 IED 在數(shù)字化變

17、電站中的通信在建立起具有可視性和可訪問性的故障選線 IED 模型后,便可以應用到數(shù)字化變電站中,其關 鍵是通信的實現(xiàn)。故障選線 IED 模型在數(shù)字化變電 站中的通信實現(xiàn)主要包括采樣測量值到故障選線 IED 模型的傳輸和選線結果到后臺管理系統(tǒng)的傳 輸。故障選線的通信流程如圖 5所示。圖 5 故障選線的通信流程Fig.5 Communication process for fault line selection3.1 故障選線 IED 采樣值的獲取按照 IEC 61850對各類數(shù)據(jù)服務的通信協(xié)議要求,電壓電流采樣值傳輸僅采用物理層和數(shù)據(jù)鏈路 層協(xié)議。故障選線 IED 增加了以太網(wǎng)口,通過交換 機

18、從合并單元 (MU接收采樣值數(shù)據(jù), 進行處理后按 照規(guī)定的格式發(fā)送給故障選線 IED ,完成采樣值的 傳輸。采樣值傳輸抽象模型的報文傳輸映射實現(xiàn)比 較特殊,應用層專門定義了協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PDU, 經(jīng)過表示層編碼后,直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理 層。這種映射方式的目的是避免通信堆棧造成傳輸 延時,從而保證報文傳輸?shù)目焖傩?9。采樣值報文傳輸?shù)膶崿F(xiàn)需要故障選線 IED 從交 換機上過濾監(jiān)測線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。故障選線技術 采集各個線路電流和母線電壓,那么其接口的設計 將會面臨數(shù)據(jù)同步、大量信息提取處理等問題。由 IEC 61850-9定義 10,傳輸數(shù)據(jù)以 32路數(shù)字量、每 周波采 80點為例,采樣

19、值流量約為 2.75Mbit/s,數(shù) 據(jù)流量比較大。為了避免存在丟包情況,提高裝置 的可靠性,必須采取處理速度快的硬件來抓取網(wǎng)絡 上的數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA作為新興的電子設 計自動化技術,在信號處理和整個系統(tǒng)的控制中, 不但能縮減電路的體積、提高電路的穩(wěn)定性,而且 基于查找表結構的邏輯實現(xiàn)和內(nèi)部進程并行處理 方式將達到納秒級的執(zhí)行速度,完全可以滿足數(shù)據(jù) 流量較大的采集要求, 還可以集成同步方案。 因此, 可以采用 FPGA 對采樣數(shù)據(jù)進行硬件抓取。應用 FPGA 編輯硬件驅(qū)動,直接讀取網(wǎng)卡芯片數(shù)據(jù),采 集網(wǎng)絡上 IEC 61850-9-1/9-2的數(shù)據(jù)包, 讀入硬件處 理邏輯,進

20、行緩存、過濾、分析,然后提取數(shù)據(jù)到 核心處理器運算,得到選線結果,形成報告。采樣 值傳輸過程如圖 6所示。圖 6 采樣值傳輸過程Fig.6 Transmission process of sampling data3.2 故障選線 IED 中選線結果的上傳對于故障選線技術來說,一般不需要跳閘,但 是它需要傳遞選線結果到后臺管理系統(tǒng),結構上屬 于變電站層與間隔層的通信。 在 IEC 61850標準中采 用抽象通信服務接口 (ACSI映射到制造報文規(guī)范 (MMS的方式。 IEC 61850-8-1定義了特定通信服務 映射 (SCSM向 MMS 的映射 11。其信息模型和各種 控制塊分別映射到 MM

21、S 的虛擬制造設備 (VMD、 域 (Domain、命名變量 (Named Variable、命名變量列表 (Named Variable List 、日志 (Journal和文件管理 (File Management模型。服務則對應的映射到 MMS 類的服務。具體來說,故障選線 IED 模型的服務器類映射 到 MMS 的 VMD ;邏輯設備類映射到 MMS 的域模 型;邏輯節(jié)點類、數(shù)據(jù)類、報告控制塊、日志控制 塊、 設置組控制塊等都映射到 MMS 的命名變量; 數(shù) 據(jù)集類映射到 MMS 的命名變量列表; 記錄類映射到 MMS 的日志;文件類映射到 MMS 的文件。在建立 起故障選線的 VMD

22、 與實際設備的映射后, 由故障選 線 IED 模型的服務器產(chǎn)生選線結果的報告映射到 MMS 命名變量的信息報告中,并在 MMS 的日志中 記錄?？蛻魴C要得到選線結果首先應發(fā)送請求,故 障選線的服務器接受請求后, 從故障選線 VMD 的命 名變量信息報告中提取選線結果,以信息報告的形 式通過外部接口與客戶機進行信息交換,達到選線 結果到后臺管理系統(tǒng)上傳的目的。選線結果的通信 服務流程如圖 7所示。網(wǎng)絡 客戶機服務器圖 7 選線結果的通信服務流程Fig.7 communication service process for line selection results4 結語本文在研究了 IEC

23、61850的基礎上, 通過設計新 的故障選線功能邏輯節(jié)點,建立了數(shù)字化故障選線 IED 的模型,并研究了其在數(shù)字化變電站應用的可 行性。 采用 FPGA 嵌入式系統(tǒng)解決了故障選線 IED 采 樣值報文的捕獲,應用制造報文規(guī)范來進行選線結 果到后臺管理系統(tǒng)的上傳。在保留原有選線算法的 基礎上,實現(xiàn)了故障選線 IED 從過程層到間隔層再到變電站層的通信。參考文獻1 孫一民 , 李延新 , 黎強 . 分階段實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng) 的工程方案 . 電力系統(tǒng)自動化 , 2007, 31(5: 90-93.SUN Yimin, LI Yanxin, LI Qiang. A grading solution

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