基于IEC61850标准的装置建模与工程应用

王力，朱冉

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210061）

在已有的变电站通信标准中，IEC61850规约体系较为完善。相对于基于报文结构的传统规约，IEC61850有明显的优势，如应用面向对象技术、采用数据对象统一建模、提出系统的分层结构、将映射的方法和具体网络独立、提供基于SCL的系统配置管理等。它是一个开放式的变电站自动化体系，避免了繁琐的协议转换，实现了来自不同厂家的IED之间的良好互操作性，从而提高了系统的稳定性，避免了重复投资，降低了系统维护成本。

1 IEC61850的涵义及特点

IEC61850标准共分10个部分，由14个标准组成。主要包括设备的模型、变电站的配置语言(SCL)、抽象通信接口(ASCI)、特定通信服务映射(SCSM)、一致性测试与目标要求等内容。IEC61850标准与传统的通信协议体系相比，在技术上且有如下的突出特点：

(1)分布、分层体系。IEC61850将整个变电站自动化系统分为变电站层、间隔层和过程层。将变电站自动化功能进行分解，逻辑节点作为最小的功能单元，可自由分布于不同的装置中。

(2)面向对象建立模型。IEC61850采用面向对象建模思想，对变电站自动化通信系统及相关设备、功能和数据进行建模，并用统一建模语言UML进行了描述。所建立的模型主要有变电站模型、IED产品模型、通信系统模型及相关的建模冗余。

(3)信息模型与通信协议栈的分离。IEC61850总结了电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，设计出抽象通信服务接口ACSI，它使信息模型独立于具体的通信协议栈(例如目前采用的制造报文规范（MMS）)，与采用的网络类型(例如现在流行的IEEE802.3系列局域网)无关。

(4)面向对象、面向应用的自描述机制。IEC61850对于信息均采用面向对象自我描述的方法，配置模型均带有自我描述信息，在有新的IED接入系统，或者原有IED的配置发生变化时，应用系统能够通过IED的配置文件自动获取配置信息，以建立或更新数据库。

IEC61850上述的技术体系特征正是IEC61850优于传统通信协议的原因，IEC61850技术体系也因此庞大而复杂[1]。

2 建模过程

对装置建模，IEC61850首先通过逻辑抽象将变电站内的实际IED按功能划分为逻辑节点，如描述基本测量量的测量（MMXU）节点。每个逻辑节点由具有特定数据属性的数据组成，数据具有结构和定义好的语义，包含在具有专门数据属性的数据表中。数据对象由逻辑设备名、逻辑节点名、数据名、数据属性名进行描述。这些数据和数据属性所代表的信息通过IEC61850定义的通信服务进行传递。由于IEC61850具有可继承性，对于同一类型的不同装置，可以理解为同一个类的不同实现[2]。

2.1 逻辑节点的选取与组合

IEC61850定义了13类共88个逻辑节点。在对装置的功能进行分析之后，需找到与之对应的逻辑节点[3]。以一套典型的间隔单元为例，根据相应的保护功能分析对主要节点进行选取，如图1所示。

首先对保护逻辑节点进行选取，该装置过电流保护功能对应的逻辑节点为“保护功能逻辑节点(P)”类型中的“带时限过电流(PTOC)”逻辑节点。但标准中对PTOC的功能定义非常丰富，包含了“动作曲线类型”、“时间标度倍率”等定值。

这就需要基于这个类来定义一个与装置功能完全吻合的逻辑节点“PTOC_1”，这个节点可以仅包括“过流定值”、“控制字”、“时间定值”等功能，以符合装置配置。

对于装置的测量逻辑节点，则选取“计量和测量逻辑节点(M)”类型中的“MMXU”逻辑节点，其中包含了普通遥测必须的三相电压、三相电流、功率等常用测量类型。

对于遥控刀闸逻辑节点，则选取“控制逻辑节点(C)”类型中的“开关控制器(CSWI)”，这个节点下面包含了选择、执行、撤销等基本功能。

在完成了装置功能的逻辑节点选取之后，需在模型文件中进行实例化，并配置报告，这样才能真正实现装置与后台之间的数据交换[4]。

2.2 变电站配置语言

SCL语言是基于可扩展标记语言（XML）的，它根据XML语法规则，并结合变电站自动化系统(即IEC61850标准)的需要，定义特定用途的标记语言。换句话说，SCL语言是XML语言在IEC61850中的特定应用。SCL将变电站的自动化系统分为5个主要元素：Header，Substation，IED，Communication和DataTypeTemplates。一个标准的模型文件的结构如下：

其中Header由特定IED模型文件的版本和订正号以及名称映射信息组成。Substation是变电站部分，包含了变电站的功能结构、主元器件及其电气连接情况。IED是对逻辑设备的描述，主要包含逻辑设备的组成（逻辑节点和数据对象）情况，以及逻辑设备与配置文件中其他元素的关系。

DataTypeTemp1ates部分定义了在IED中定义的数据模型所需的逻辑节点实例和所包含的数据对象。Communication定义了逻辑节点、逻辑总线和IED接入点之间的联系方式。XML除了可以描述这5部分及其子元素和属性之外，还可以描述它们之间的逻辑关系，最终形成对整个变电站综合自动化系统的模型描述[5]。

3 IEC61850的工程应用

完成一个装置建模后，仅仅是得到了这个装置的能力描述文件。要在变电站系统中应用，一般过程如图2所示。

(1)装置厂商提供装置配置工具，生成符合实施规范模型要求的装置ICD文件，同一厂商应保证各类型装置ICD文件的模板DataTypeTemplates的一致性；

(2)系统集成商提供系统配置工具，导入装置ICD文件，统一进行所有装置的实例配置，生成全站SCD配置文件，其中须保留ICD文件的私有项；

(3)装置厂商使用装置配置工具导入SCD文件，增加自己的内部功能配置数据，生成最终下载到装置的数据文件完成装置配置。

3.1 保护软压板定义问题

在IEC103等传统的变电站规约应用中，保护软压板的机制与普通开关的遥控机制是一样的，而原版IEC61850标准中并没有对遥控软压板进行特殊说明与规定，新的国内标准对保护软压板模型的定义补充规定如下：

(1)保护功能软压板在LLN0中统一扩充。保护功能软压板与硬压板一一对应并相互独立，全部采用逻辑与的关系，必须都控合后才能开放相应的保护功能。

(2)保护出口软压板与传统的保护出口硬压板保持一致，按跳闸、合闸、启动重合、闭锁重合、沟通三跳、启动失灵、远跳等重要信号在PTRC和RREC中统一扩充出口软压板，用于隔离这些信号的输出。对于同一信号，如果需要独立的出口软压板给不同的保护对象时，以加阿拉伯数字后缀的方式扩充。

3.2 描述的显示问题

装置ICD文件包含模型自描述信息，如LD和LN实例应包含明确中文“desc”属性，通用模型GAPC和GGIO实例中的DOI应包含明确中文“desc”属性，数据类型模板LNType中DO应包含明确中文“desc”属性。IEC61850标准同时提供有数据名称离线描述(ICD文件的desc)和在线描述(数据属性dU)2种功能，但由于标准的不完善性，工程应用中后台显示出来的描述应以哪个为准并没有明确规定，所以目前国内厂家在这个方面并不统一。因此，在当前情况下，建立模型的时候最好使每个数据都具备2种描述方式并保持一致，这样能够增加厂家互通的兼容性。

3.3 品质位的判据与限制

在IEC61850中，上送数据的品质位起着非常关键的作用，它作为后台及远动判断数据有效性的依据。在工程实践中，至少以下2种常见情况要置品质位。

(1)当装置检修压板投入时，所有上送节点中信号的品质q的Test位应置位；

(2)当遥测值大于最大值或最小值时，遥测应置品质位，提示后台为非正常值。

3.4 模板的统一性问题

各个厂家都存在装置型号众多，但同一厂家中不同型号装置的很多保护功能是完全重复的。这就要求厂家必须保证各类型装置ICD文件的模板DataTypeTemplates的一致性。这样既规范了本厂家的模型文件，而且也减少了配合其他厂家调试时的问题。

3.5 故障录波在模型中的配置

故障报告通过上送录波头文件实现，保护整组动作并完成录波后，通过报告上送故障序号和录波完成信号RcdMade，录波头文件放置于装置目录下，文件名按录波文件名要求实现，客户端通过文件读取服务获得故障具体信息。

4 结束语

在国家电网公司3个阶段推进智能电网的大形势下，IEC61850作为智能变电站的标准配置，其重要性毋庸置疑。本文结合大量文献资料与工程实践，对IEC61850规约以及基于IEC61850的装置建模过程的主要内容进行了介绍。

现在IEC61850在我国已经得到初步应用，并且已被推广到电力远动的其他领域，最终IEC61850会在电力系统自动化的各个领域得到应用，从而达到节约生产力、提高生产效率的目的。

[1] IEC61850-5，变电站通信网络与系统第5部分：功能的通信要求和装置模型[S].2003.

[2] IEC61850-7-1，变电站通信网络与系统第7-1部分：变电站和馈线设备的基本通信结构——原理和模型[S].2003.

[3] IEC61850-7-4，变电站通信网络与系统第7-4部分：变电站和馈线设备的基本通信结构——兼容逻辑节点类和数据类[S].2003.

[4] 辛耀中,王永福,任雁铭.中国IEC61850研发及互操作试验情况综述[J].电力系统自动化，2007，31(12)：1-6.

[5] 张结.IEC61850的结构化模型分析[J].电力系统自动化，2004，28(18)：90-93.