基于IEC 61850 牵引所数字录波装置建模研究

杨小磊，曾晓璞，童 镭

0 引言

数字化牵引变电所是未来变电站自动化技术发展的方向，录波装置也要适应数字化要求。牵引所的数字录波装置能够准确地记录系统在故障或非正常运行状态下变电所高压侧和低压侧各相电压、电流等电气量信息以及开关设备和继电保护的动作信息，完整地反映系统故障的发展过程。近年来，随着高速铁路的发展，各种短路故障的发生较以前变得日益严重和复杂，也使得对牵引所数字录波装置的研究具有重要的价值[1]。

IEC 61850 标准采用统一的数据对象对系统进行建模，达到了网络传输无缝通信的要求，避免了繁琐的各类协议转换，实现了IED 设备间的互操作[2]。对整个录波装置统一建模，保证了符合标准的不同厂家的IED 工作于同一语义空间下，可以增强装置的互操作性，达到信息交换的目的；另一方面通过整个录波装置统一建模，阐述IED 装置之间和IED 装置内部LN 之间的逻辑和时序关系，为下一步装置硬件设计奠定良好基础。因此，本文以牵引所数字录波装置为例，对如何在具体实现时建立该模型进行了研究，具有重大的研究意义。

1 数据模型分析

信息模型的属性从上至下包括逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性等4 个层次，采用客户/服务器数据结构模型，如图1 所示。

图1 客户/服务器数据结构模型框图

逻辑设备主要由逻辑节点和附加服务组成一个虚拟设备，它主要用于一组特定功能的产生及相关使用信息。逻辑节点主要由数据对象、数据属性及属性列表组成，它是交换数据的最小单元，一个逻辑节点表示服务器一个基本功能或一组设备信息。数据对象从公用数据类继承，是一个公用数据类的命名实例，它包含逻辑节点所具有的全部信息。数据属性描述数据对象的内容，是信息模型中的最终承载者。数据和数据属性的信息可以通过抽象服务进行交换。逻辑节点和一些逻辑节点之外的信息就构成了逻辑设备，一个或者多个逻辑设备构成了标准服务器，而一个或者多个服务器就是构成整个设备的模型。

2 数字录波装置的功能分析

录波装置模型按功能设有告警LD0、实时量Meas 和录波Red 逻辑装置，分别实现装置自检告警、各通道实时测量、录波启动与定值3 项功能。

3 录波装置建模方法

3.1 服务器和逻辑设备建模

完成录波装置功能分析后，就可以进行具体的数据建模了。首先将整个IED 建模成一个服务器，它至少包含一个逻辑设备。除了逻辑设备外，服务器还包括由通信系统提供的其他一些公共的基本组成部件，如应用关联，时间同步，文件传输等。另外，服务器还具有服务器访问点属性，它是地址的抽象，用于在底层的特殊通信服务（SCSM）标识服务器。在IEC 61850 建模中，故障录波装置建模成3 个逻辑设备，一个通道对应一个逻辑节点，如图2 所示。

图2 设备模型结构图

其中一个逻辑设备至少包括3 个逻辑节点：逻辑节点0（LLN0）、逻辑节点物理设备（LPHD）和功能逻辑节点。LLN0 和LPHD 都是唯一的，功能逻辑节点至少要有一个。逻辑节点内的数据和数据属性可采用IEC 61850 标准定义的逻辑节点的数据属性，只是根据实际需要，确定逻辑节点中可选数据属性的取舍。如果标准定义的数据不能满足需要，就需依照IEC 61850 标准对兼容数据类扩展的规定创建新的数据。

3.2 逻辑节点的确定

逻辑节点是一个具有交换数据功能的最小单位。根据国标规定，故障录波装置对电力参数进行记录，主要包括以下指标：电压、电流、组实时量及开关量的测量；电压、电流、变压器、组的录波；装置告警记录。这些故障信息就构成了模型的逻辑节点。IEC 61850-7-4 中共定义了88 个逻辑节点，描述录波装置故障信息主要有以下节点：

（1）MMXN 表示测量逻辑节点，该节点用于描述基本的监测线路信息，如电压、电流、频率。

（2）GGIO 表示通用逻辑节点，用于描述开关量的实时测量记录。

（3）RADR 表示模拟量录波节点，用于描述模拟量扰动的记录。

（4）RBDR 表示开关量录波节点，用于描述开关量扰动的记录。

（5）RDRE 表示通用录波节点，用于描述通用扰动的记录逻辑节点。

在确定逻辑节点后，装置的测量、录波信息、参数定值就可以一一对应到相应逻辑节点下的数据对象中。每个逻辑节点由具有特定数据属性的数据构成，数据具有结构和已定义的相关语义，它包含在具有特定数据属性的数据表中。

3.3 确定数据属性

确定数据属性需要数据表，下面给出牵引变压器低压电流值Amp 数据表，数据Amp 的类型是MV(Measured Value)，Amp 定义如表1 所示。

表1 数据Amp 包含的数据表

DataName 是数据名，DataRef 是数据路径。 Presence 属性为BOOLEAN，它有2 个参数：TURE和FALSE，当公共数据类型或逻辑节点内数据是必选（M）时，Presence 为TURE，否则为FALSE。Amp.mag ,Amp.q，Amp.t，Amp.units，Amp.d 都有不同的属性用以描述数据，如表2 所示。

至此，从IED 的服务器到数据属性的建模过程都已经完成。

表2 MV 对应的数据属性表

3.4 模型的验证

模型建立以后，需要使用XML-Schema 对其进行描述。XML-Schema 遵循XML 的基本语法规则，包括数据对象的嵌套关系、数据属性的约束条件、取值范围等，并且能够检验自描述文档的正确性和有效性。因此，对于文中所设计的牵引所数字录波装置模型，可以根据XML-Schema 进行定义。建模的最后，需要对建立起来的描述语言进行语法验证，对整个装置模型进行应用功能的验证，看它是否符合IEC 61850 标准。

4 结束语

基于IEC 61850 的录波装置数据建模的研究和实现具有重要意义，是IEC 61850 标准用于应用的核心内容。本文通过对数字录波装置实际建模，阐明了录波装置建模的步骤和方法，该方法具有一般性，对建模具有很好的指导意义。

[1] 党晓勇，曹毅峰.非常规互感器在数字化牵引变电所的应用[J].电气化铁道，2010.

[2] 许振明，等.基于IEC 61850 标准的电力系统的两种建模方式[J].继电器，2008，36（6）：55-58.

[3] 李俊刚，等.故障录波装置中IEC 61850 标准的研究与应用[J].电力系统保护与控制，2010.

[4] 廖泽友，孙莉，等.IED 遵循IEC 61850 标准的数据建模[J].继电器，2006，34（20）：40-43.

[5] 陈丽华.基于IEC61850 的变压器保护IED 的研究[D].西南交通大学硕士论文，2006.