电能质量监测终端的I E C 61850信息模型

李金，孙斌，张静，张兆云

（1.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州 510623；2.国电南瑞科技股份有限公司，广东 深圳 518057）

随着电力电子技术的广泛应用，电力电子整流设备、电气化铁路、电弧炉以及其他非线性负载大量使用。这些非线性负载引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波“污染”；电弧炉、电力机车等波动性负荷的运行不仅产生大量的间谐波和高次谐波，还引起电压波动和三相不平衡等一系列的电能质量问题[1-2]。电能质量问题不仅导致供用电设备本身的安全性和使用寿命的降低，而且严重干扰了电网自身的安全经济运行。因此，无论从电网运行的需要考虑，还是从供电用户的需要考虑，加强对电能质量的监测都是非常必要的。只有对电能质量做出实时可靠的监测与分析，才能制定有效的措施来改善电能质量问题[2]。

日益突出的电能质量问题引起了电力部门和用户的高度重视。越来越多的变电站开始对电能质量进行监测。目前，电能质量监测设备种类繁多，制造商使用各自的通信协议和数据格式，开发的监测设备和软件不尽相同，不同设备之间互不兼容。因此，使用标准的协议和标准的数据文件交换格式，建立开放式的电能质量监测系统十分必要[3]。

IEC61850作为变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，明确提出了信息分层、面向对象和数据对象统一建模，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，避免了繁琐的协议转换，完美实现了智能电子设备（IED）间的互操作[4-5]。

本文将在分析电能质量监测终端的数据需求的基础上，利用标准的逻辑节点对电能质量监测终端进行建模，并分析工程实施过程中容易产生差异的功能实现。

1 电能质量监测终端的数据需求

电能质量监测终端主要用于监测和统计分析监测点的电能质量，主要包括实时监测、数据统计报表、电能质量事件告警和电能质量异常文件记录四类主要功能。

1.1 实时监测功能

实时监测和统计数据主要包括：基本电气参量、电压偏差、谐波电压、谐波电流、间谐波、频率偏差、三相电压不平衡度、电压波动与闪变等。

1.2 数据统计报表功能

考虑到通讯压力以及数据时标的准确性，通常由电能质量终端基于实时数据，按一定间隔统计出该时间段内的电能质量参数的最大值、最小值、平均值、95%概率值等，上送到电能质量主站完成稳态趋势分析以及常规的统计报表等应用功能。

《QGDW-10-J393-2009电能质量在线监测装置技术规范》中规定统计数据的时间间隔通常为3 min；报表数据的时间间隔通常为24 h。

1.3 电能质量事件告警功能

电能质量终端提供一组定值用于管理越限定值，当控制字中越限告警功能投入，电能质量越限值大于设定值时产生告警信息。

常见告警信息包括瞬态电压电路变化告警、电压电流不平衡度告警、电压暂降告警等。

1.4 电能质量异常文件记录功能

电能质量终端记录文件包括录波文件和电能质量数据文件交换格式（PQDIF）文件。

2 电能质量监测终端信息建模

IEC61850第一版定义的逻辑节点类和数据类并没有涵盖电能质量监测的所有信息，近年来，TC57 WorkGroup10一直致力于研究IEC61850在电能质量方面的扩展工作，并于2005年形成了IEC61850电能质量附录的委员会草案版本，对电能质量信息交换的逻辑节点和数据类进行了标准化，这为建立较完整的电能质量监测IED的对象模型奠定了基础。

下面将严格遵循IEC61850第二版标准，从逻辑节点、逻辑设备、数据对象及属性各层次对电能质量监测终端进行建模。

2.1 逻辑节点建模

逻辑节点建模需要首先对电能质量监测终端进行功能分解，然后依据功能特性匹配标准逻辑节点。在IEC61850第二版7-4兼容的逻辑节点类部分，逻辑节点类由第一版的91个扩充到目前的143个，其中，扩充了测量类逻辑节点（M-）、新增加了电能质量分析类逻辑节点（Q-）[6-8]。经功能分解、匹配后，构成电能监测终端的逻辑节点分类如下：

1）系统服务功能。物理逻辑节点LPHD、系统服务逻辑节点零LLN0。

2）测量功能。基本测量节点MMXU、不平衡和序分量计算节点MSQI、谐波计算节点MHAI、闪变数据计算节点MFLK、单相测量MMXN、单相谐波MHAN、计量统计MSTA、直流测量MMDC、单相计量MMTN、三相计量MMTR。

3）越限告警功能。电压波动QVVR、频率波动QFVR、瞬态电压变化QVTR、瞬态电流变化QITR、不平衡变化QVUB和QIUB。

4）异常记录分析功能。扰动记录节点RDRE、模拟量通道节点RADR、状态量通道节点RBDR。

2.2 逻辑设备建模

逻辑设备是功能的集合，将同类逻辑节点和数据聚合到一起，便于同类数据整体处理。

从数据需求可以看出，电能质量监测终端逻辑设备建模不适宜沿用目前通行的按测量、控制、保护等功能类型划分的建模方式。从工程实践效果看，按监测点进行逻辑设备的建模，即一个监测点（包括三相电压和三相电流）划分为一个逻辑设备，每个逻辑设备下都包含实时监测、数据统计报表、电能质量事件告警和录波等逻辑节点，不仅方便后续数据集、报告、日志等的建模，也有利于被监测点电能质量全景数据的获取与整体处理[9]。

表1展示了逻辑设备的建模实例，包含了2.1节所述的主体逻辑节点。

2.3 数据对象建模

在完成逻辑节点建模后，就可以将监测点的测量、事件、参数等数据一一对应到相应的逻辑节点的数据对象中，标准IEC61850-7-4中定义了每个逻辑节点的数据对象和数据属性，并在附录进行了详细的语义说明。

针对电能质量监测终端，大多数数据对象的建模方式和常规变电站保护测控装置类似，唯一差异在于电能质量监测终端所用的公共数据类CDC中存在数组array，以谐波值（HMV）为例，电能质量监测终端采集各电压、电流2~50次的谐波、5~95 Hz的间谐波，如果按常规方式建模，势必要对array中的每个谐波、间谐波分别定义一个DA，这样将使得模型异常庞大，给模型阅读和存档带来极大的不便。

笔者分析SCL Schema，在 SCL_DataType Templates.xsd中发现了针对数组应用的count属性，只需在模型文件DOType下对数组类型SDO和DA的count属性赋值对象数量，即可实现SDO和DA的数组建模。

图1是带有数组成员的DOType定义示例。

图1 带有数组成员的DOType定义示例Fig.1 Sample of DOType definition with array members

3 容易产生差异的功能实现

目前各厂家的装置大多是基于IEC61850第一版进行设计开发，而第一版标准涉及电能质量的部分非常有限；由于电能质量监测装置的部分应用需求与常规保护测控装置有差异，本节针对这些问题，结合工程实践经验，着重阐述笔者的理解与实现方案。

3.1 报告控制块的定义

电能质量监测终端要完成实时监测、数据统计报表、电能质量事件告警和电能质量异常文件记录四个功能，就需要定义实时数据报告、统计数据报告、报表数据报告、稳态参数越限告警报告和录波状态报告等5个报告。

其中后两个报告的建模方式与常规保护测控装置类似：报告定义为缓存型报告BR（Buffered Report），触发选项设定为数据变化和总召唤。

前面三类报告其关联的数据集具有特殊性：①数据集成员多，针对一个监测点，电能质量监测终端通常需要采集电压、电流各2～50次谐波的幅值、相位、畸变率、分相有功功率，及各次谐波代数和、绝对值和，如采用变化上送，会极大的降低通讯效率；②统计、报表数据为设定时间范围内的统计值，电能质量终端需要具备一定量历史数据的存储功能，供客户端回溯。基于以上原因，在工程实施中实时数据报告定义为非缓存型报告UR（Unbuffered Report），统计数据报告和报表数据报告定义为BR；这三类报告的触发选项设置均设置为完整性周期和总召[9-10]。

3.2 电能质量监测日志功能的实现

在IEC61850体系中，缓存报告（Buffered Report）工作机制已经非常完美，是标准的技术亮点，但掉电不保存使得报告服务并不能完全替代日志服务[10-12]。电能质量检测终端实现日志功能需要解决以下问题：

1）理论上IED生成的历史数据均可以作为日志，但工程实施中究竟需要哪些数据，需要明确。

2）日志模型包括日志控制块和日志数据集两部分，各部分如何建模需要规范。

3）日志的触发方式如何设置，需要明确。

针对以上问题，笔者在多地电能质量监测终端工程实践得出下面结论：

1）为兼顾日志存储空间和日志信息的充分性，只要是定义为BR且上送过的报告，都应当存储一条日志条目，这样可以保证在电能质量异常情况发生时，如出现电能质量终端与主站通讯异常，造成主站没有及时收到报告的情况下，仍可以通过日志功能获取当时的异常数据[10-11]。

2）日志是按照先入先出的原则写入的。从服务器端实现的角度看，日志可以看成一个循环缓冲区，由新条目不断覆盖旧条目；对客户端而言，日志是隐藏的，客户端看日志仅是个线性缓冲区。日志总是使能的，EntryID（条目标识）和TimeOfEntry（日志时间）是日志条目的唯一标识。其中，EntryID是一个计数值，达到最大值后归零。计数值的最大值要大于在LOG中能够存储的最大条目数，这样在LOG中的任意2个条目就不会有相同的EntryID值[12-13]。

日志控制块（LCB－LOG Control Block）控制数据属性值存入LOG中的过程。每一个使能的LCB与DataSet相关但相互独立。DataSet成员值的改变将作为LOG条目存储[9]。

IEC61850-7-2中规定LLN0（逻辑节点零）下可以定义多个日志控制块，但最多一份日志。因此本文推荐参照报告控制块逐条定义对应的日志控制块，日志数据集则共用对应的报告数据集。多个LCB的DataSet存入单一LOG中，供客户端统一检索。

3）结合第一条的分析，针对每个电能质量监测点，对应有统计数据日志、报表数据日志、稳态参数越限告警日志和录波日志。日志触发选项TrgOp，主要包括数据变化dChg、品质变化qChg和完整性周期period。考虑到服务器端日志存储空间有限，笔者认为统计数据日志和报表数据日志的TrgOp应设定为完整性周期period，稳态参数越限告警日志和录波日志的TrgOp应设定为数据变化dchg。

综上所述，建立的电能质量监测终端日志模型如图2所示。

图2 电能质量检测终端日志模型示例Fig.2 Sample of power quality supervision terminal log model

4 工程案例

以某风电场电能质量监测工程为例，现场电能质量监测终端配置了3个监测点，对上通过IEC61850规约接入电科院电能质量监测主站，现场采用如下的方法进行测试：

1）设置好终端的电能质量越限定值，终端加量，远程修改终端CT/PT变比参数，造成电能质量越限告警事件。

2）通过查看主站端实时数据、报表数据的刷新速度，检验电能质量监测终端的数据上送时间能否满足技术规范。

3）终端断电，再重新上电，主站通过日志服务检索终端的日志条目，以此检验电能质量监测终端的日志功能。

现场互操作试验通过，验证了IEC61850在电能质量监测领域的可用性，也证实了本文阐述的对电能质量终端建模的理解和工程实施方案是可行的。

5 结语

本文结合IEC61850第二版标准和电能质量监测终端的数据需求，提出了电能质量监测终端的IEC61850信息建模方法。本文提出的方案可以作为电能质量监测终端的技术规范借鉴，有一定的工程实用价值。

[1] 余晓鹏，李琼林，杜习周，等．基于IEC 61850的电能质量监测终端数据分析及模型实现[J]．电力系统自动化，2011，35（4）：56-60．YU Xiao-peng，LI Qiong-lin，DU Xi-zhou，et al．Data analysisand modelimplementation ofpowerquality monitoring equipment based on IEC61850[J]．Automation of Electric Power Systems，2011，35（4）：56-60 （in Chinese）．

[2] 康海珍，丁美．对数字化变电站IEC61850标准的分析与探讨[J]．电网与清洁能源，2013，29（1）：40-44．KANG Hai-zhen，DING Mei．Analysis and discussion of digital substation IEC61850 standard[J]．Power System and Clean Energy，2013，29（1）：40-44（in Chinese）．

[3] 王俊生，吴林平，王振曦，等．高压直流控制保护系统IEC61850建模[J]．电力系统自动化，2009，33（1）：41-44．WANG Jun-sheng，WU Lin-ping，WANG Zhen-xi，et al．Modeling of HVDC control and protection system based on IEC61850[J]．Automation of Electric Power Systems，2009，33（1）：41-44（in Chinese）．

[4] 郭子健，唐明．基于IEC61850标准的电动汽车充电桩监控信息模型研究[J]．电力系统保护与控制，2013，41（3）：134-139．GUO Zi-jian，TANG Ming．Research of EV charging pile monitoring information modeling based on IEC61850[J]．Power System Protection and Control，2013，41（3）：134-139（in Chinese）．

[5] 唐喜，孟岩，王治民，等．IEC61850日志功能工程应用实践[J]．电力系统自动化，2011，35（1）：91-95．TANG Xi，MENG Yan，WANG Zhi-min，et al．Engineering application practice of IEC61850 log function[J]．Automation of Electric Power Systems，2011，35（1）：91-95（in Chinese）．

[6] 国家能源局.DL/T 860.72基本信息和通信结构抽象通信服务接口（ACSI）[S].北京：中国电力出版社，2007.

[7] 国家能源局.DL/T 860.73基本通信结构公用数据类[S].北京：中国电力出版社，2007.

[8]国家能源局.DL/T860.7420基本通信结构——分布式能源逻辑节点[S]．北京：中国电力出版社，2012.

[9] 翁国庆，张有兵．网络化电能质量监测与分析系统的设计[J]．电力系统自动化，2008，32（15）：79-83．WENG Guo-qing，ZHANG You-bing．Design of a networked power quality monitoring and analysis system[J]．Automation of Electric Power Systems，2008，32（15）：79-83（in Chinese）．

[10]张竞，肖先勇．基于XML的电能质量标准数据共享模型及跨平台数据交换[J]．电力自动化设备，2007，27（12）：88-92．ZHANG Jing，XIAO Xian-yong，XML-based power quality data sharing model and cross-platform data exchange[J]．Electric Power Automation Equipment，2007，27（12）：88-92（in Chinese）．

[11]高厚磊，马凯，邹贵彬，等．IEC 61850数字化保护动模测试系统设计与实现[J]．南方电网技术，2009，3（4）：10-14．GAO Hou-lei，MA Kai，ZOU Gui-bin，et al．Design and implementation of dynamic simulation testing system for digital protection based on IEC 61850[J]．Southern Power System Technology，2009，3（4）：10-14（in Chinese）．

[12]黄永宁，张爽，周建丽．IEC 61850在省级电能质量监测网建设中的深化应用[J]．电力科学与工程，2013，29（3）：33-39．HUANG Yong-ning， ZHANG Shuang， ZHOU Jian-li．Deepening application of IEC 61850 in provincial power quality monitoring network construction[J]．Electric Power Science and Engineering， 2013， 29（3）： 33-39 （in Chinese）．

[13]陆兴，曹磊．智能变电站设备模型的原理与调试[J]．电力与能源，2012（6）：602-604．LU Xing，CAO Lei.Discussion on intelligent substation device model principle and commissioning[J]．Electric Power and Energy，2012（6）：602-604（in Chinese）．