基于iec61850的電子式電流電壓互感器與變電站間的信息模型

基于iec61850的電子式電流電壓互感器與變電站間的信息模型

隨著電子表格器的逐步應用，二次能源供電的概念發(fā)生了重大變化。在交換器的傳輸通信網(wǎng)絡中，進程層和間隔層之間的并行電纜連接被取代。傳統(tǒng)的模擬信號傳輸是從網(wǎng)絡上編碼的數(shù)字信號傳輸。為了適應這種數(shù)字化和集成化要求,必須將間隔層的一些功能下放到過程層中去完成,國際電工委員會為此在過程層中定義了一個全新的物理單元———合并單元。在IEC60044-7/8中首次給出了合并單元的定義,其主要功能是同步采集多路(最多12路)電子式互感器輸出的數(shù)字信號,并按照標準規(guī)定的格式發(fā)送給保護、測控設備。其后,IEC61850-9-1/2對合并單元的功能和定義進行了完善和補充。IEC61850是變電站自動化系統(tǒng)通信體系結構的一個國際標準,能夠大幅度改善變電站自動化系統(tǒng)智能電子設備(IED)的數(shù)據(jù)集成,其目標是最大限度地應用現(xiàn)有的標準和被廣泛接受的通信原理,在不同制造商的IED之間實現(xiàn)良好的互操作性,并且能適應通信及應用技術的快速發(fā)展。文中遵循IEC61850定義的面向對象的統(tǒng)一建模技術和獨立于具體網(wǎng)絡結構和通信協(xié)議的抽象通信服務接口構建了合并單元的通信模型。1erper和應用IEC61850建立了完整的分層數(shù)據(jù)對象信息模型(見圖1),每個物理裝置由服務器(server)和應用(application)組成。信息模型采用結構化的描述方法將服務器分為邏輯設備LD(LogicalDevice)、邏輯節(jié)點LN(LogicalNode)、數(shù)據(jù)(Data)、數(shù)據(jù)屬性DA(DataAttributes)4個層次。1.1特定應用邏輯節(jié)點個數(shù)邏輯設備至少包含1個物理設備邏輯節(jié)點LPHD(LogicalNodePhysicalDevice)、1個邏輯節(jié)點0LLN0(LogicalNodeZero)和1個或多個特定應用邏輯節(jié)點。合并單元的特定應用邏輯節(jié)點個數(shù)可根據(jù)實際情況選取。IEC60044-7/8規(guī)定合并單元的輸入通道為12路(7路電流量和5路電壓量),參照此項規(guī)定設定合并單元的特定應用邏輯節(jié)點數(shù)為12個,對應12路電流、電壓量,如表1所示。邏輯節(jié)點TCTR代表電流互感器,后綴1表示測量用;TVTR代表電壓互感器,邏輯節(jié)點的命名遵循IEC61850-7-4標準。1.2數(shù)據(jù)集與可選控制模塊邏輯節(jié)點實現(xiàn)了對裝置功能的定義和劃分,構建了信息模型的框架,為實現(xiàn)對信息模型的訪問和操作,還需通過數(shù)據(jù)對邏輯節(jié)點進行標準化描述。IEC61850-7-3/4提供了355種數(shù)據(jù)類、23種公用數(shù)據(jù)類CDC(CommonDataClass),涵蓋了變電站所有功能和數(shù)據(jù)。表2中LPHD代表所在物理設備的公共信息,如設備健康狀況(PhyHealth)、銘牌信息(PhyName)等。數(shù)據(jù)后面的括號里是其對應的公用數(shù)據(jù)類,如DPL為物理設備銘牌,ISI為整數(shù)狀態(tài),INC為可控整數(shù)狀態(tài),SAV為采樣值,ASG為模擬定值等。LLN0代表邏輯設備的公共數(shù)據(jù),包括邏輯設備運行模式(Mod)、合并單元的采樣值同步方法(SynchMeth)、數(shù)據(jù)集(DataSet),還包括6個可選控制模塊,如單路采樣值控制模塊(USVCB)、多路廣播采樣值控制塊(MSVCB)等(見表3)。根據(jù)采樣值傳輸模型的需要,此處選擇多路廣播采樣值控制塊,在后文中將有相應的說明。數(shù)據(jù)集DS1通過功能約束數(shù)據(jù)(FCD)和功能約束數(shù)據(jù)屬性(FCDA)對PhsaTCTR和PhsaTVTR的數(shù)據(jù)及其屬性進行有序的集聚。電流/電壓互感器邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)以采樣值信息和額定相電流/電壓信息為主。以A相保護電流邏輯節(jié)點PhsaTCTR(見表4)為例,Amp表示采樣值電流信息,是此邏輯節(jié)點的強制數(shù)據(jù),ARtg表示額定相電流信息,屬于可選數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)屬性是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵,對信息模型的一切操作都歸結到對數(shù)據(jù)屬性的讀寫上。根據(jù)不同的用途,對數(shù)據(jù)屬性的操作有不同的功能約束FC(FunctionalConstraint),如測量值功能約束(MX),表示數(shù)據(jù)屬性的值可讀但不可寫;配置信息功能約束(CF),表示數(shù)據(jù)屬性的值可寫、可讀并且寫入后立即生效。采樣值電流信息(Amp)的數(shù)據(jù)屬性及其對應的功能約束如表5所示。2抽象通信服務接口IEC61850總結了電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點,制定了滿足實時信息和其他信息傳輸要求的信息交換服務,它和信息模型一起同屬于抽象通信服務接口ACSI(AbstractCommunicationServiceInterface)(見圖1)。為了描述方便,將信息模型對應的信息交換服務稱之為傳輸模型。ACSI共有14類傳輸模型,每類傳輸模型又由若干個抽象服務組成。2.1多路廣播采樣值傳輸發(fā)布/訂戶(publisher/subscriber)通信機制允許從一個發(fā)布方向多個訂戶發(fā)布同樣的信息,而且訂閱同一主題的訂戶可以接收多個發(fā)布方的信息。相對于對等和客戶/服務器C/S(Client/Server)通信機制,發(fā)布/訂戶通信機制更靈活,易于實現(xiàn)復雜的多點對多點分布式通信,滿足變電站自動化系統(tǒng)過程層與間隔層之間過程總線通信的需要。對于傳輸流量大且實時性要求高的采樣值傳輸通信而言,采用發(fā)布/訂戶通信機制是最佳選擇。傳輸過程由發(fā)布方的采樣值控制SVC(SampledValueControl)決定,可選用單路傳播采樣值控制模塊(USVCB)和多路廣播采樣值控制模塊(MSVCB),分別對應單播傳輸方式和多路廣播傳輸方式。采用MSVCB方式,以多路廣播采樣值MSV(MulticastSampledValue)報文的格式單方向發(fā)送采樣值,無需確認回復,有效利用了信道帶寬,發(fā)布方和訂戶可以動態(tài)接入或退出,具有良好的實時性。采樣值傳輸過程由3個抽象服務完成(見圖2)。作為發(fā)布方,合并單元通過報文傳輸服務(SendMS-VMessage)發(fā)送MSV報文;訂戶通過控制模塊獲取服務(GetMSVCBValue)檢索MSVCB的屬性,如采樣值使能(svena)、采樣頻率(smprate)等。訂戶向發(fā)布方發(fā)出請求,并附上欲檢索的MSVCB路徑名(MsvCBReference)和功能約束,發(fā)布方將響應所需信息參數(shù),Response+表示服務請求成功,而Response-表示服務請求失敗(見表6)。通過控制模塊設置服務(SetMSVCBValue)實現(xiàn)對控制模塊的屬性進行設置,但在設置之前需保證MSVCB的屬性SvEna為False,否則服務請求將會失敗。傳輸模型采用有組織的和時間受控制的方式發(fā)送采樣值。合并單元按照特定映射的采樣頻率檢索數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)屬性,并向緩存區(qū)寫入新的采樣值,向過程總線廣播發(fā)送MSV報文。在接收側,訂戶按照和發(fā)布方一樣的頻率向接收緩存區(qū)查詢是否有訂閱信息,若有則響應,且指示訂戶接收新的采樣值。訂戶通過讀取MSV報文中的刷新時間(RefrTm)校核采樣值的有效性。RefrTm為世界協(xié)調時間UTC(UniversalTimeCoordinated)時標,記錄了發(fā)布緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)的時間。訂戶將本次采樣值的RefrTm和上次的進行比較,可以校驗采樣值是否得到及時刷新。這個規(guī)定對于從多個電子互感器取得保護電流值計算差動電流特別有意義,不過同時也加重了通信的負擔,所以RefrTm是可選項,是否使用可在MSVCB中對其進行參數(shù)設置。傳輸模型還提供一種訂戶能夠檢出采樣丟失的機制。通過MSV報文中的采樣計數(shù)器(SmpCnt)對采樣次數(shù)給以記錄,訂戶將SmpCnt的值和接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)進行比較,可以檢出丟失的報文?？紤]到采樣值傳輸?shù)膶崟r性,對于通信網(wǎng)絡問題不能傳輸?shù)牟蓸又?發(fā)布方并不重發(fā),而是將其刪除。2.2目錄和數(shù)據(jù)定義服務發(fā)布/訂戶通信機制是一個或多個數(shù)據(jù)源(即發(fā)布方)向多個接收者(即訂戶)發(fā)送數(shù)據(jù)的最佳選擇,但是并沒有提供一種服務能夠讓客戶端在初始化時獲取服務器目錄和數(shù)據(jù)屬性信息,特別是MSV報文中數(shù)據(jù)集的內(nèi)容和元素排列順序,這些信息為傳輸模型在運行期間的互操作提供基礎性的支持。因此,需要采用客戶/服務器通信機制作的目錄和數(shù)據(jù)定義服務為采樣值傳輸模型的完善和有力的補充。IEC61850-7-2描述了目錄和數(shù)據(jù)定義服務的邏輯關系(見表7)。GetServerDirectory服務表示獲取服務器目錄,輸入?yún)?shù)表示將要獲取的是邏輯設備名還是文件名;GetLDDirectory服務表示獲取邏輯設備目錄,邏輯設備名作為輸入,邏輯節(jié)點名作為輸出;GetLNDirectory服務表示獲取邏輯節(jié)點目錄,邏輯節(jié)點名作為輸入,數(shù)據(jù)名作為輸出;GetDataDirectory服務表示獲取數(shù)據(jù)目錄,數(shù)據(jù)名作為輸入,數(shù)據(jù)屬性名作為輸出;GetDataDefinition服務表示獲取數(shù)據(jù)定義,數(shù)據(jù)名或數(shù)據(jù)屬性名作為輸入,相應的數(shù)據(jù)定義作為輸出。此外還有GetDataSetDirectory服務表示獲取數(shù)據(jù)集目錄,數(shù)據(jù)集名作為輸入,數(shù)據(jù)集包含的數(shù)據(jù)名和數(shù)據(jù)屬性名作為輸出。3合并單元信息模型的構建a.信息模型的作用是將自動化裝置的實際功能描述成抽象的功能通信服務,是一個對象信息化的過程,是IEC61850的核心。在挖掘IEC61850中面向對象建模的內(nèi)涵后,構建了合并單元信息