基于IEC 61850标准的站用一体化电源IED信息建模方法研究

常 青，丁 亮

(潞安集团五阳煤矿，山西长治046205)

基于IEC 61850标准的站用一体化电源IED信息建模方法研究

常 青*，丁 亮

(潞安集团五阳煤矿，山西长治046205)

IEC 61850标准已经成为公认的变电站通信标准，而站用一体化电源在近年也在国内兴起。研究提出了基于IEC 61850标准下的一体化电源智能电子设备IED的建模方法，阐述了提出的智能电子设备IED的建模方法和过程，介绍了此方法在江西宜春某变电站的一体化电源工程的应用实例，总结了一体化电源IED建模过程中需要注意的问题。

IEC61850;一体化电源;智能电子设备;IED信息建模

IEC 61850是变电站自动化系统通信网络的最新国际标准，代表着变电站自动化系统通信网络的未来发展方向。它强调通信网络的开放性和设备的互操作性，其根本目标是实现变电站系统内所有智能电子设备的互操作和无缝集成，使智能电子设备可以即插即用，最终实现“一个世界、一个标准、一种技术”。IEC 61850标准指出，信息模型和信息建模是该标准的核心，设备互操作性的实现是建立在结构良好的信息模型的基础之上［1-4］。

目前，IEC 61850已经在国内被广泛认可，国内自动化生产厂家也已经从理论研究阶段进入实际的工程应用阶段，这就要求变电站内部的智能电子设备要满足IEC 61850的通信功能要求［5-7］。

同时，我国变电站自动化技术和智能化技术得到了长足的发展，数字化变电站的应用技术也成为了研究热点，但是对于变电站用电源技术的研究却相对滞后。站用智能一体化电源也是近几年来兴起的新型结构的变电站站用电源系统，它将以往的多套变电站用电源设备整合集成为一套一体化电源设备，统一设计配置，统一监控管理，统一检修维护，降低了设备成本，提高了设备可靠性，且缩小了安装面积，提高了变电站内的工作效率［8］。

本文在分析阐述了IEC 61850信息建模的方法的基础上，结合江西宜春某变电站站用一体化电源工程实例，对站用一体化电源进行了基于IEC 61850的实例信息建模。

1 基于IEC 61850的信息建模方法

信息模型及其建模方法是IEC 61850系列标准的核心。信息模型是实现变电站功能或特定功能的IED相关信息，IEC 61850的信息交换机制主要依赖定义准确的信息模型来实现IED设备间的互操作［7］。

1.1 IED信息模型的结构

IEC 61850.7中定义了关于变电站和馈线设备的基本通信结构，对信息模型、ACSI、CDC以及兼容逻辑节点类等进行了着重描述。通过分析研究我们可以得出IED信息模型的结构可以分为3层:

(1)抽象通信服务接口ACSI。IEC 61850.72中对ACSI进行了描述，以抽象的角度给出了IED信息模型中包含的数据模型和对应的访问服务，既包括基本的读写服务，也包括取代、报告和日志控制块、采样值传输以及控制和时间同步等服务。需要指出的是，ACSI并未规定具体的通信服务实现的方法以及何种对象中应当包含什么数据，也就是说ACSI与具体的通信网络无关，当通信网络变化时，变更相应的SCSM (在IEC 61850.8和IEC 61850.9中定义)即可。

(2)公共数据类CDC。IEC 61850.73中共定义了29大类与变电站各种功能相关的CDC，CDC也是结构化的信息模型，包含若干属性。CDC是IED信息模型中数据信息的载体，在实际工程建模中可以根据实际设备的功能需要使用这些数据及其属性构成逻辑节点。

(3)兼容逻辑节点类与数据类。IEC 61850.74中给出了基本涵盖变电站所有功能的兼容逻辑节点类，共约90多种。对兼容逻辑节点类包含的数据属性及其语义均也做了描述，这些兼容的逻辑节点类是可以根据实际功能需要进行实例化，构成IED信息模型的最小功能载体逻辑节点。

1.2 分解和组合的信息建模思想

(1)智能电子设备的功能分析与分解。智能电子设备功能的分析和分解就是要根据具体设备的功能需要，同时结合IEC 61850定义的代表一系列功能的逻辑节点类，将智能设备的功能进行抽象、分解成为IEC 61850中最小的功能单位—逻辑节点。逻辑节点中具有相应的特定数据属性和数据对象，其表示的信息可以通过IEC 61850的通信服务完成交换，而这些逻辑节点可以根据需要存在于一个或多个物理设备中［48-55］。

将智能电子设备的内部功能分解为代表这些功能的逻辑节点，可以实现功能的自由分布与分配，将传统的设备之间的通信变成逻辑节点之间的通信，更好地满足了通信的需求，这对于实现IEC 61850的目标是十分重要的。

(2)逐级组合构成IED信息模型。由数据属性构成数据对象，数据对象组成逻辑节点，根据物理和功能联系将逻辑节点和相应的通信服务组成逻辑设备，逻辑设备组合构成IED信息模型。

对智能电子设备内部功能的分析与分解的过程就是确定、产生逻辑节点以及满足相应功能需要的数据对象的过程，而逐级组合数据属性、数据对象、逻辑节点、逻辑设备以及通信服务的过程就是构建产生IED信息模型的过程。图1以站用一体化电源为例，给出了建模中分解和组合的信息建模思想。

图1 分解和组合过程示意图

2 江西宜春某变电站站用一体化电源IED信息建模工程实例

本节根据上述IED信息建模方法，结合站用一体化电源的具体功能需要，对一体化电源进行IED信息建模。

本文所述的站用一体化电源处于IEC 61850标准功能分层结构中的间隔层，摒弃传统各自独立的站用电源设备，将交流电源、直流操作电源、UPS电源、通信电源整合为一整套电源设备，由总监控装置统一进行监控管理，共享直流电源的蓄电池组。其通信网络拓扑如图2所示。

图2 一体化电源系统网络拓扑图

2.1 站用一体化电源系统功能分析分解

下面我们对江西宜春某变电站的站用一体化电源进行功能的分析分解，由于一体化电源所包含的各类监控较多，我们仅以其交流电源部分为例。

交流电源部分的主要作用是将电能进行合理分配，包含两路进线，通过自动切换装置ATSE来实现交流进线的切换，接入交流母线，通过交流馈出线路分配电能。

交流电源部分功能可分解为:①交流进线状态检测 该功能主要是根据交流输入电压和进线开关状态判定交流进线的可用性，该功能主要与交流输入电压、电流、开关状态、报警信号(如防雷器故障)等信号有关;②交流自动切换 该功能主要是根据交流进线状态检测来控制切换交流输入，并且可以发出交流进线切换装置(ATSE)的位置信号;③交流母线状态检测 交流母线是交流自动切换装置的输出侧，该部分功能主要与交流母线的三相电压、三相电流以及报警信号(如过压、欠压)等信号有关;④交流馈线开关状态检测 该功能主要是检测各个馈线开关的状态，可以控制馈线开关的分合，检测开关位置以及故障报警等。

图3 江西宜春某站交流电源部分功能分解图

2.2 定义数据类型模板

数据类型模板 DataTypeTemplates中包括DOType、DAType和EnumType。逻辑节点类型LNode-Type是一个可实例化的逻辑节点模板，构建智能电子设备信息模型的过程中可以根据功能需要进行实例化，它是由数据对象DO元素组成。数据对象从IEC 61850标准中定义的公共数据类CDC中派生，它可以由已定义好DOType即SDO元素，或数据属性DA组成。数据属性DA则包含一个EnumType或功能约束，由BDA元素组成。

定义数据类型模板的基本过程是从上到下，根据功能需要来一步步细化和确定，即是首先根据智能电子设备的功能需要，定义出需要的逻辑节点类型，根据逻辑节点中对于数据对象的需要，在下一层的DOType中定义相应的数据对象类型，根据数据对象中对于数据属性的需要，在下一层中定义相应的数据属性类型，而枚举类型则是根据DO和DA的需要来建立，在其值为bType或Enum时被DA和BDA元素的type属性使用。需要注意的是，虽然构建数据类型模板的过程是从上到下，但是从实质上来说，数据类型模板却是按照从下到上、由底层向上层逐级建立的，即是由数据属性合成数据对象，由数据对象合成逻辑节点。

我们以江西宜春某站的一体化电源中交流进线测量功能为例，给出数据类型模板的建模过程，其他相关功能的数据类型模板建模过程与此相似。

IEC 61850中定义了与测量功能相关的逻辑节点类MMXU，因此一体化电源的交流进线测量逻辑节点类型应当继承MMXU类的属性，MMXU类包含4个必选数据模式Mod、性能Beh、健康状况Health和名牌NamPlt，除此之外MMXU类还包含若干与测量相关的可选数据，根据一体化电源系统中交流进线测量功能的需要，选择了频率Hz、相电压PhV、相电流A、总有功功率TotW和总功率因数TotPF，建模结果如图4所示。

图4 交流进线测量逻辑节点类型建模结果

数据对象类型DOType标识DO的内容，每一个实例化的属性都应该在DOType定义中定义，它可以是数据属性DA或为引用另外一个DOType，即SDO元素。从图5中我们可以看到数据对象电压PhV和A所属的Type类型为SZZ_WYE，下面给出对SZZ_WYE数据对象类型的建模过程。

在IEC 61850.73中定义了有关三相测量的共用数据类，即WYE，WYE的属性中包含三相各自的测量值3个数据对象，即PhA、PhB、PhC 3个SDO元素，其建模结果如图5所示。

图5 WYE数据对象类型建模结果

2.3 构建逻辑设备

IEC 61850并没有规范的逻辑设备的模型，因而对于逻辑设备的建模有着较多的灵活性，可以简单的理解逻辑设备LD就是逻辑节点LN和相关服务的合集，是为通信而引入的抽象概念。每个逻辑设备由若干逻辑节点LN组成，在工程实践中，一般将具有某些公共特性的逻辑节点放在同一个逻辑设备中。此外，在逻辑设备中存在着与实际功能无关的特殊的逻辑节点LLN0和LPHD。LLN0中包含着该逻辑节点所在的逻辑设备的共数据，如:铭牌信息和设备运行状态等;每个逻辑节点LD都具有自己Dataset，用于汇总数据，也存在于LLN0中，它具有一些特定服务功能，方便用户对成组的数据(DO、DA)同时进行整体访问和操作，同时LLN0也提供访问逻辑设备公共信息的通信服务。逻辑节点LPHD则主要是来描述设备所在的智能电子设备。

对于江西宜春某站的一体化电源，我们对代表相关功能的逻辑节点进行实例化，并根据其具有的相关公共特性将这些实例化的逻辑节点和相关通信服务组合成为逻辑设备。工程中共构建了6个逻辑设备，即交流电源逻辑设备ACPS、直流电源逻辑设备DCPS、通信电源逻辑设备DDPS、蓄电池组巡检仪逻辑设备BTSE以及交流电能计量逻辑设备ENEM，其建模结果如图6所示。

图6 逻辑设备和服务器建模结果

2.4 构建服务器

服务器中含有在通信网络中的所有可见以及可访问的资源，在智能电子设备的信息模型中，每个IED中允许含有一个或若干Server，而每个Server中则应当含有至少一个LD及相关的通信服务功能。IEC 61850标准中定义了两种通信模式，一种为适用于后台监控的和对IED访问的客户/服务器模式(Clent-Server)，另一为方便GOOSE通信和传输采样值服务的发布者/阅读者模式(Peer-Peer)。IEC 61850.7中定义了抽象通信服务接口ACSI，ACSI采用面向对象的方法且与具体的通信网络无关，它定义了若干与通信相关的服务，包括读写数据与数据集、生成报告和记录、数据值的测量以及状态值召唤和应用关联模型等等。

对于江西宜春某站的一体化电源，其主要的通信功能是为了后台监控和站控层对其的访问及数据上传等，因此我们采用客户端/服务器通信模式，并且根据相关通信功能的需要，提供了相关通信服务功能，包括获取数据对象列表、动态建立数据集、获取数据和数据集、以及对遥控量的读写等通信服务功能，其建模结果如图6所示。

在基于IEC61850标准的一体化电源的IED建模过程中，我们发现了一些需要注意的问题:

(1)逻辑设备建模中逻辑设备不宜过多，保护功能最好可以用一个LD来表示;数据集包含的数据对象不应跨逻辑设备LD;当同一类型的逻辑设备LD超过一个时，可以添加数字后缀来区别，如:UPSS1、UPSS2。

(2)需要通信的每个功能建模为一个逻辑节点LN;当同一类型的LN超过一个时，可以添加前缀和后缀来区别，逻辑节点可以按照功能缩写+逻辑节点类名来命名。

(3)数据对象DO的建模过程中如果相同的数据需要在逻辑节点中多次定义，那么可以对数据进行编号来实现;如果必备数据类型不能满足需求时，使用可选数据来满足功能的需求;一般不适用逻辑节点模型中未定义过的数据名称，同时，公用的数据属性DA也不可以进行扩充。

3 小结

本文以IEC 61850为基础，以一体化电源作为应用对象，结合江西宜春某站一体化电源具体工程实例，开展了对一体化电源进行信息建模的研究工作。

本文将一体化电源系统作为IEC 61850标准变电站分层结构中间隔层的一个智能电子设备IED，构建了满足IEC 61850标准的一体化电源信息模型。本文构建的基于IEC 61850标准的一体化电源系统的信息模型，将一体化电源系统作为变电站间隔层中的智能电子设备，满足了IEC 61850的通信功能要求，可以适应国内变电站自动化系统通信网络的发展要求及变化，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

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The IED Information M odeling of Integrative Power Supp ly System Based on the IEC61850 Standards

CHANGQing*，DING Liang
(Lu’an Group Wuyang Coal Mine，Changzhi Shanxi046205，China)

The IEC 61850 standard has become an official substation communication standard，and the Integrative substation power supply system has been rising in China recently.A modeling approach for integrative power intelligent electronic device(IED)is proposed based on the IEC 61850 standard，and the details of themodelingmethod and procedure of IED are given.The application of the proposed method for a general power project in Yichun，Jiangxi is introduced，and some attentive problems in themodeling procedure of general power IED are summarized.

IEC 61850;integrative substation power supply system;intelligent electronic device;the IED modeling

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.033

TM 76 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0138-05

2013-05-07修改日期:2013-07-05

EEACC:7210;8110

常 青(1972-)，男，山西长治人，工程师，中国矿业大学矿山机械专业，现任潞安集团五阳煤矿机电矿长，负责全 矿 机 电 工 作，Changqing72@ 163.com;

丁 亮(1981-)，男，江苏泰州人，工程师，中国矿业大学信息工程专业，现任五阳煤矿电力科主任工程师，分管电力技术工作，355892126@qq.com。