基于IEC61850的智能断路器IED建模及SCL描述*

连兵兵 ，方瑞明 ，洪 欣

（1.华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门361021；2.厦门市电业局，福建 厦门361004）

IEC61850标准是目前电力系统中最完善的通信标准，它采用面向对象的方法描述变电站及设备信息，旨在实现不同厂家生产的智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device)之间的互操作。该标准将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层和过程层，智能断路器属于过程层，层内的IED间通信采用IEC61850协议。

国内外学者对IED间互操作问题十分关注，并从多方面进行了相关试验[1]。IED间互操作的核心是建立其IED信息模型，目前研究主要集中在IED的在线监测功能模块[2]，对IED整体结构研究得较少。

本文以某公司生产的智能断路器为例，分析智能断路器的结构和功能，搭建完整的信息模型，并对模型进行描述，为实现IED间互操作奠定基础。

1 智能断路器IED建模方法

1.1 智能断路器建模技术

实现智能断路器IED间互操作的核心是其IED信息模型，IEC61850定义信息模型层次结构依次为服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性，如图1所示。

图1 IED分层信息模型

智能断路器（IED）相当于一个服务器（Server），由若干个逻辑设备LD组成，逻辑设备反映设备本身的信息和功能单元共享的信息；将设备功能分解成若干逻辑节点LN，逻辑节点是协议中能实现具体功能的最小抽象单位，逻辑节点间通过逻辑连接LC来完成数据交接[3-4]。逻辑节点包含数据对象DO和数据属性DA，数据对象由数据属性组成，是网络交换信息的基础，通过对数据的操作实现网络交互。

1.2 智能断路器建模规则

对智能断路器IED 进行建模时，首先要确定IED具有的功能。依据面向对象思想分析设备的逻辑构成，对断路器系统包含的功能进行解耦分析，抽象出设备所含有的逻辑节点以及每个逻辑节点所含的参数和属性，再利用统一建模语言工具作进一步分析。

由于标准侧重于保护与控制方面的功能，智能断路器在建模时必须对标准规定的基本信息模型进行扩展，以保证将断路器所有功能包括在内。具体扩展规则如图2所示。

2 智能断路器IED模型

2.1 功能分析

本文根据某公司生产的智能断路器产品，对智能断路器系统主要功能进行分解。智能断路器系统主要功能归为4类：

（1）保护功能：过载保护、选择性短路保护、自动重合闸保护、瞬时短路保护、接地故障保护、过/欠压保护、断路器失灵保护、剩余电压保护、过/欠频保护、逆功率保护、负载保护、相平衡电压/电流保护、过热保护等；

（2）测量功能：电压、电流、功率、频率及峰值系数、电能、谐波等电网参量的测量；

（3）报警控制功能：断路器运行模式、断路器工作模式、试验模式、负载控制、故障定位、操作次数、产生报警、触头磨损情况及寿命计算等运行维护参数的储存和显示；

（4）与主站通信功能：多种电网参数和运行参数的远程监测、智能断路器当前运行状态的远程监视（如触头位置、闭锁情况、通信状态等）、各种保护限值参数的远程调整和察看（如延时电流整定值、瞬时电流整定、开合闸时间调整等）、智能断路器的远程分合闸操作等。

2.2 信息模型

根据上述分解的功能和建模规则，本文构造了一个物理设备——智能断路器ICB(Intelligent Circuit Breaker)，它包括4个逻辑设备：保护断路器正常运行的保护功能装置LD1；测量断路器电压、电流等参数的测量功能装置LD2；记录储存含超出限定值、通信失败和操作在内的报警控制功能装置LD3；实现与远方通信和人机界面控制的远方通信功能装置LD4。如图3所示。

（1）逻辑设备 LD模型

逻辑设备LD是虚拟设备，由逻辑节点组成，每个逻辑设备至少包含3个逻辑节点：逻辑节点零逻辑节点（LNN0）、物理设备逻辑节点（LPHD）和功能逻辑节点。功能逻辑节点包含：①保护逻辑设备包含XCBR等逻辑节点；②测量逻辑设备包含MMXU等逻辑节点；③报警控制设备包含CSW等逻辑节点；④远方通信逻辑设备包含ITMI等逻辑节点。具体定义见标准IEC61850-5、7逻辑节点定义。表1所示为保护逻辑设备LD1的详细说明。

（2）逻辑节点模型

根据图2的建模流程，针对低压智能断路器剩余电流保护的功能特点，本模型对相应的逻辑节点和数据进行扩展，以构造完整的数据模型。自定义剩余电流保护逻辑节点PTRA，如表2所示。

（3）数据及数据属性模型

逻辑节点包含若干数据(Mode、Beh等)，数据又包含数据属性(ctlVal、operTim等)。以 XCBR中的数据 DPL为例，智能断路器的产品名称model属性和安装位置location属性，如表3所示。

3 智能断路器配置描述

3.1 IED配置描述工程步骤

IEC61850-6定义了一种通过不同配置描述文件的配置与传递，实现IED间互操作的变电站配置描述语言（SCL）。SCL包含4类文件：变电站配置描述文件SCD、IED出厂配置信息ICD、配置IED功能描述文件CID和变电站结构信息SSD。其工程步骤如图4所示。

表1 保护逻辑设备LD1列表

表2 剩余电流保护逻辑节点（PTRA）

表3 设备铭牌DPL模型

图4 智能断路器的SCL配置流程

图4中，ICD文件描述智能断路器IED的能力，由IED配置工具生成，向主站传递IED的详细配置信息；系统配置工具结合ICD文件和SSD文件生成SCD文件；CID文件用来对IED各参量进行功能配置，由IED配置工具下载到智能断路器IED中，从而得到包括IP地址在内的智能断路器IED实例化系统信息。

3.2 智能断路器配置描述

IEC61850-6定义的SCL文件包含5个部分：头(Header)、 变 电 站(Sbustation)、 智 能 电 子 设 备 (IED)、 通 信系统(Communication)和逻辑节点类型定义(DataTypeTemplates)[5]。断路器配置文件的结构如图5所示。变电站对ICD文件解析后，通过对配置文件的读取、编辑和浏览，保存修改后的配置文件，实现对断路器配置信息的操作。

智能断路器配置描述采用IED设备对象模型，由Server、LDevice、LNnode等对象描述逻辑节点的数据结构和功能来构建，在智能断路器IED配置工具内完成。另外配置工具还可以对生成的SCL文件进行解析和有效性校验，使之成为结构良好并且有效的配置描述文件。

IED间互操作的核心是IEC61850信息模型。本文对智能断路器系统结构和保护控制进行分解，构造完整的信息模型，结合低压断路器通常作为开关设备频繁操作的特点，自定义剩余电流保护等逻辑节点，最后利用IED配置工具实现智能断路器的配置描述，实现通过变电站层浏览、修改断路器的配置信息，对后续实现智能断路器IED间互操作有一定的指导意义。

[1]辛耀中，王永福，任雁铭.中国 IEC 61850研发及互操作试验情况综述[J].电力系统自动化，2007，31（12）：1-6，72.

[2]邬航杰，盛戈皞，崔荣花，等.基于 IEC61850的变压器状态监测 IED的信息建模及SCL描述[J].华东电力，2011，39（12）：2012-2016.

[3]IEC.IEC61850-5 communication networks and systems in substations Part5：communication equipments for functions and device models[S].2003.

[4]IEC.IEC61850-7-1 communication networks and systems in substations Part7-1：basic communication structure for substations and feeder equipment Principles and models[S].2003.

[5]IEC.IEC61850-6 communication networks and systems in substations Part5：configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].2003.