数字化变电站保护设备建模及其应用

张 扬，郭庆来，吴文传，孙宏斌，王 晶

（清华大学电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084）

随着智能电网的建设，对于调度自动化系统的可靠高效运行有了更高的要求.在传统的调度自动化系统中，调度中心作为控制中心，承担着信息处理的工作，而厂站作为控制终端，完成量测采集及操作执行的功能.也就是说，在当前调度体系下，电网的调度决策功能完全集中在调度中心，面对种类繁多且变化速率差异很大的海量信息，信息处理的负担很大.而另一方面，数字化变电站乃至智能变电站的建设使得变电站与调度中心进行协同互动成为可能.因此，引入信息分层机制，将传统能量管理系统（energy management system，EMS）的部分高级应用纳入变电站侧，实现变电站面向站内、调度中心总揽全局的分层分布式架构，将是智能电网的未来发展方向［1－3］.

作为这种分布式架构的重要组成部分，数字化变电站中的高级应用平台即站级管理系统（station－level management system，SMS）面向站内设备完成数据处理和分析计算功能，并将经提炼的数据上传至调度中心.模型是SMS进行分析计算的基础，为适应变电站侧高级应用的需求，笔者将着重讨论基于IEC 61850的数字化变电站中保护设备的建模方法.

对于保护设备建模的研究，存在问题：一方面由于传统EMS中缺乏保护相关高级应用，只在调度员仿真培训系统（dispatcher training system，DTS）中对此有所涉及.文献［4－5］介绍了DTS中保护设备的仿真建模方法，这种建模方法较好地描述了保护设备的功能和逻辑，但未按照IEC 61850的模型结构组织数据，而且对同一类设备保护采用相同的建模方式，未考虑实际设备的多样性.另一方面，随着IEC 61850［6］的提出，大量文献对基于IEC 61850的建模与应用［7－11］作了讨论.IEC 61850是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，规定了数字化变电站内的通信和建模规范.文献［7］针对IEC 61850模型文件的配置，研究了关系型数据库中的建表方案；文献［8－9］阐述了如何按照IEC 61850的建模要求建立变电站信息模型；文献［10］提出了协调IEC 61850和IEC 61970的保护设备模型结构.但这些建模方法更多地是考虑按照IEC 61850模型将数据进行组织，并未针对高级应用的需求，没有考虑到模型的交互和语义的统一，难以满足工程实践需要.

笔者将首先对IEC 61850中定义的模型进行讨论和分析，指出其应用于工程实践的不足之处.针对这些不足之处，提出实用的保护设备建模方法，并基于该建模规范开发可视化保护设备建模工具，最后介绍如何将其应用于实际系统.

1 IEC 61850中的保护模型

数字化变电站指建立在IEC 61850规范基础上，能够实现变电站内智能电子设备（intelligent electronic device，IED）间信息共享和互操作的现代化变电站.因此，数字化变电站中保护设备应按照IEC 61850进行建模.

1.1 IEC 61850保护模型概述

尽管制定IEC 61850的初衷在于实现不同厂商设备间的互操作性，然而，IEC 61850不仅仅是一个通信标准，同时也是一个模型标准.

IEC 61850中采用面向对象的建模方法，定义了树型、层次化的数据模型结构，由上到下依次可分为智能电子设备（IED）、逻辑设备（logical device，LD）、逻辑节点（logical node，LN）、数据对象（data object，DO）、数据属性（data attribute，DA），其结构如图1所示.

图1 IEC 61850模型示意Figure 1 Diagram of model defined in IEC 61850

一个IED为一个实际二次物理设备，可拆分为多个逻辑设备；一个逻辑设备又可包含多个逻辑节点；一个逻辑节点表示变电站中的最小功能单位，对应于一个实际的保护.IEC 61850中将保护按照保护原理的不同分为不同逻辑节点类，如PDIF（差动保护）、PDIS（距离保护）、PTOC（过流保护）、PTRC（跳闸逻辑）等.一个逻辑节点又由多个数据对象组成，如图1中名为PDIS1的LN实例包括 Mod，Beh，Health，Op这4个数据对象.每个数据对象都从一个数据类继承而来，数据类包括SPS（单点状态）、SPC（可控单点）、DPS（双点状态）、DPC（可控双点）、ACT（保护激活信息）等.Op继承自ACT类，包含若干数据属性，如general（总体状态）、q（品质）、t（时间）等.数据属性具有数据类型，分为简单数据类型（如BOOLEAN，INT32等）和由简单数据类型组合而成的复合数据类型（如TimeStamp，Quality等）.

IEC 61850使用基于可扩展标记语言（extensible markup language，XML）的变电站配置描述语言（substation configuration language，SCL）来描述变电站模型并形成模型文件.完整描述变电站所有一、二次设备及通信系统的模型文件被称为变电站配置描述文件 （substation configuration description，SCD）.SCD文件中对二次设备按照图1所示的层次化结构进行描述，为保证检索的唯一性，对每个对象（包括Server，LD，LN，DO，DA）生成一个全局唯一的索引，索引的生成方法为

其中，FC称为功能约束，用于数据的定义，表征不同数据的功能，例如某些数据用于控制，另一些数据用于报告、日志或是测量等等.常用的FC有ST（状态信息）、MX（测量值）、CO（控制）、SV（取代）、SG（定值）等.以图1为例，对于数据属性q而言，其索引为CSC101PROT/PDIS1＄ST＄Op＄q，其中CSC101为Server名，PROT为LD名，PDIS1为LN名，ST为FC名，Op为DO名，q为DA名.索引可用于对数据对象进行唯一识别，在模型交换和通信过程中起着重要作用.

1.2 IEC 61850模型的不足之处

1）尽管IEC 61850中对每个逻辑节点类应包含哪些数据对象、每个数据对象应继承自哪个数据类以及每个数据类应包含哪些数据属性都有明确规定，但IEC 61850未规定如何建立逻辑设备，对保护设备应包含哪些具体的逻辑节点和每个逻辑节点应属于何种逻辑节点类也未作定义.这在实际建模时容易产生理解上的分歧，导致各设备厂商对同一保护采用不同的建模方式，使得实际应用时难以直接利用已建好的模型.

2）IEC 61850仅根据保护原理将各保护分类为差动、过流、距离等，在这种建模方式下，必然会有不同的保护共用同一个逻辑节点类，如相间距离保护和接地距离保护，两者之间所有的属性完全一致，只能通过名称来区分.而保护名称又缺乏一个规范化的命名方式，必然引起应用上的困难.

3）SCD模型过于庞大，含大量站内通信相关逻辑节点，高级应用并不关注此类逻辑节点，若直接利用该模型，将造成模型的冗余和复杂化，不利于高级应用的使用.

总而言之，IEC 61850模型最主要的缺陷在于其逻辑节点层面自描述性的不足.自描述性指的是在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应的工作.尽管IEC 61850模型在数据对象及数据属性层面有着较好的自描述性，但是逻辑节点作为IEC 61850模型的核心要素，难以仅依靠如“PDIS1”之类的描述来传递完整的信息，其自描述性的缺陷严重制约模型的实用化，需要一个统一的描述标准来加以规范.

2 保护设备建模方法

2.1 保护设备建模总体思路

针对IEC 61850模型的不完备之处，首先必须明确保护设备建模的总体要求.由以上所述可知，在目前IEC 61850工程应用规范尚不完善的情况下，利用变电站集成商建好的模型进行自动导入有着实际的困难，因此，总体建模目标定位于参照变电站集成商提供的SCD文件进行建模，所关注的重点是保护设备中保护的配置、描述以及定值信息.

保护设备建模的关键在于如何将种类繁多的保护信号进行分类、归纳和解释，而不是仅仅将保护信号列成点表.因此，不仅应当统一保护的名称，同时应添加适当的属性来对保护进行描述.

IEC 61850采用面向对象建模方法，为层次模型.而实际系统中通常采用关系型实时数据库，实际应用中需要进行转换映射，将数据对象转为数据点入库.转换过程中，模型中的数据对象必须保证与所通信的IED具有相同的索引.

综合上述要求，笔者提出建模思路：

1）分析常用的保护设备，归纳出所有保护实例并添加用于描述保护类型的属性，建立逻辑节点模板；

2）用逻辑节点模板搭建设备模型，且为简化建模工作，对相同型号设备建立设备模板并进行复用；

3）将数据对象与SCD模型中的索引进行关联，以满足通信的需要.

2.2 保护设备建模规范

基于保护建模思路，制定建模规范.首先对IEC 61850模型进行补充和修改，提出总体模型；然后根据该改进模型将建模问题分解为IED实例的建模和LN实例的建模，分别对此提出建模规范.

2.2.1 总体模型结构

由于IEC 61850模型过多的层次将使关系型数据库的建立工作大大复杂化，因此，有必要对模型进行合理改造，以符合关系型数据库的需要.

首先由于标准中对LD个数没有限制，为避免模型的混乱，可将LD个数限制为一个，这样就可以使LN直接从属于IED.而对于数据属性，可将其作为数据对象表中的字段.如此，则该模型可建立为若干张关系型数据表，大大简化建模工作.

简化后的模型结构如图2所示，增加了IED与一次设备的关联，并对LN增加了保护类型属性的描述.从图2可知，整个建模过程可以分为3层：DO实例的建模、LN实例的建模及IED实例的建模，其中，DO主要包括状态信息和定值信息，在IEC 61850中已有详细定义，因此不再赘述，主要讨论LN实例的建模和IED实例的建模.

图2 实际采用的模型示意Figure 2 Diagram of practical model

2.2.2 LN实例化建模规范

对一个LN实例而言，最重要的属性是确定其属于哪个LN类.同属一个LN类的LN实例具有相同类型的状态信息及定值信息，它们之间通过保护类型属性进行区分.总结常见的保护，并归纳各类保护的类型属性，如表1所示.

表1 保护类型信息Table 1 Information list of protection type

基于以上类型属性，可对保护进行较为详细的描述.如变压器高压侧相间距离Ⅰ段保护所属逻辑节点类为PDIS，保护分类为B（后备保护），子设备类型为H（高压侧），故障类型为P（相间），延时类型为C（定时限），段数为1；线路零序反时限过流保护所属逻辑节点为PTOC，保护分类为B（后备保护），动作量来源为Z（零序），延时类型为I（反时限）.

在扩充状态信息和定值信息的基础上，通过增加保护类型属性信息，可以得出完整的LN建模规范.以PTOC为例，介绍LN实例化建模规范，如表2所示.

表2 LN实例化建模规范（PTOC）Table 2 Modeling specification of LN instance（PTOC）

2.2.3 IED实例化建模规范

对保护设备进行分类，分为10类：线路保护IED、线路就地判别IED、变压器保护IED、变压器非电量保护IED、母线保护IED、高抗保护IED、低抗保护IED、电容保护IED、断路器保护IED、短引线保护IED.针对每类IED，总结归纳出每类IED应包含的逻辑节点实例全集，按照逻辑节点实例建模规范建立逻辑节点模板.当建立某IED实例时，从该类包含的逻辑节点实例全集中选择合适的逻辑节点实例，即可完成IED的建模.

以线路保护为例，线路保护IED实例化建模规范如表3所示.

表3 IED实例化建模规范（线路保护）Table 3 Modeling specification of IED instance（line protection device）

3 保护建模工具的实现

根据所提出的保护建模总体思路，设计可视化保护建模工具，整个建模过程界面同后台商用数据库进行交互.具体建模（图3～5）流程如下.

1）初始化.在建模之前，按照LN实例化建模规范的要求，对所有在IED实例化建模规范中出现的LN实例建立逻辑节点模板.在软件初始化时，将逻辑节点模板集读入.

2）建立IED模板.解析变电站集成商提供的SCD文件，并以树状结构显示.参照SCD模型，从逻辑节点模板集中选择合适的逻辑节点实例进行建模，以建立IED模板，如图3所示，右侧为SCD文件解析区，左侧为建模区.

图3 建立IED模板Figure 3 IED template modeling

图4 关联数据索引Figure 4 Adding reference to DO

图5 对具体IED建模Figure 5 IED modeling

成功添加所有逻辑节点之后，为IED模板中的数据关联索引，如图4所示.将所有数据关联完成后，IED模板建立完毕.

3）对具体设备进行建模.按该IED的型号从已建立的模板中选择模板，可直接生成逻辑节点及相应数据索引，如图5所示.重复以上步骤，直至完成所有保护设备的建模.

4）生成实时库模型.完成所有设备建模后，可将建好的模型由数据库保存至实时库中.

4 保护模型的应用

一个实际的变电站接线图如图6所示，对该变电站进行保护建模.

某次故障后，不同设备产生的保护动作时序信息如表4所示.

图6 实际变电站接线示意Figure 6 Wiring diagram of a practical substation

当接收到信号，通过信号索引，可以找到实时库中对应的保护对象，并对该信号进行解释，获得其保护类型信息.智能告警应用程序根据所获得的保护类型信息及保护所关联的一次设备，将不同设备的信号进行综合，继而进行故障诊断与分析，得出最终结果.此案例故障较为简单，可以推断出5442线发生C相接地故障，并重合闸成功.

表4 保护动作时序信息Table 4 Sequence information of protection

5 结语

笔者讨论了数字化变电站高级应用平台中保护设备的建模方法.首先，对IEC 61850中定义的模型进行讨论和分析，指出其应用于工程实践的不足之处；然后针对这些不足之处，提出了基于IEC 61850的实用保护设备建模方法，制定了详细的建模规范，并基于此开发了可视化保护设备建模工具；最后以实际系统为例，介绍了该建模方法的实际应用.

该保护设备建模方法将用于实际的变电站SMS平台之上.使用可视化保护建模工具，可方便建立全站保护模型，有效为智能告警等分布式高级应用提供模型支持和数据基础.

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