基于IEC61850智能配电馈线终端FTU模型的建立

邢晓敏，孟 楠，林思思，孟祥华

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网福建南安市供电有限公司，福建 南安 3623003；3.国网山东菏泽供电有限公司，山东 菏泽 274300)



基于IEC61850智能配电馈线终端FTU模型的建立

邢晓敏1，孟 楠1，林思思2，孟祥华3

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网福建南安市供电有限公司，福建 南安 3623003；3.国网山东菏泽供电有限公司，山东 菏泽 274300)

针对我国现行馈线自动化系统中配电终端设备种类繁多、数量巨大、且相互间进行信息交换没有统一的通信规约这一现状，将已在变电自动化领域成熟应用的IEC 61850标准扩展应用到配电网馈线终端FTU中。在对FTU具体功能进行系统规划的基础上，构造出了基于IEC 61850标准的配电网馈线终端FTU的信息模型。分析了该FTU模型中各LN之间的信息交换流程，以通用面向对象变电站事件(GOOSE报文)的信息传输为例讲述了IEC61850在信息交换时的优势，给出了适合IEC61850标准的信息交换模型。

智能配电网；FTU建模；IEC 61850标准；GOOSE报文；信息交换

配电网是我国电力网直接面向用户的重要部分，因此在发展智能电网过程中建设智能配电网是非常重要的一环。随着对智能配电网的深入研究和建设，提高馈线自动化水平已经成为其关键所在。而馈线自动化发展的瓶颈问题则是我国配电网终端设备数量众多、自动化程度很低，且能够交互信息的设备之间没有统一的通信规约，结果使得不同厂家生产的同一类型终端设备之间不能实现互操作，各配电终端不能即插即用等[1]。IEC61850标准的出现及其在变电自动化中的成熟应用，使国内外专家学者对IEC61850标准在配电网中的应用更加重视，一致认为将该标准扩展应用到配电自动化领域是切实可行的。

图1 配电网网络结构图

参照IEC61850在变电站自动化系统中的3层模式，业界普遍将配电网划分为4层，即主站层、馈线(环网)层、终端层、过程层[2，3]，其网络结构如图1所示。综上，IEC61850标准已在智能变电站中取得非凡成就，也必将成为推动智能配电网迅速发展的国际统一标准。本文以IEC61850标准在智能变电站的成熟应用作为范本，将馈线终端FTU的主要功能按照IEC61850的规则进行信息模型搭建，为配电自动化系统的智能化建设起到有力的推进作用，同时规范智能馈线终端接口与通信方式，为现场提供有价值的参考。

1 FTU功能的分析

智能配电馈线终端(FTU)是馈线自动化系统(FA- Feeder Automation)的核心设备。FTU的技术核心主要包括快速故障定位、事故隔离和恢复供电、网络通信、开关状态在线监视等[4]。其主要功能可归纳为：

(1) 数据采集与监视控制(SCADA)功能。SCADA功能主要指常规的遥信、遥测、遥控功能，是FTU最基本的功能，包括对配电线路开关状态、电流、电压、有功、无功等的监测，接收遥控命令，控制开关分合等;

(2) 故障检测及记录功能。通过对过电流或故障指示器信号进行判断，实现短路、接地故障检测和故障定位、隔离功能，并对相应信息加以记录;

(3) 电源管理功能。FTU一般还应对电源电压及蓄电池剩余电量进行监视，同时还可根据蓄电池本身的充放电曲线对蓄电池进行活化控制，使其最大限度地工作在最佳状态;

(4) 远程通信功能。对于FTU的通信规约，正面临着标准化的迫切需求，而IEC61850标准在智能变电站的成熟应用恰好为其进一步应用于智能配电网提供了契机。

2 FTU的信息模型

IEC61850对“物理设备”和“IED”给出的定义是可以等同的，因此对FTU物理设备的建模实质上也就是对IED设备的建模。IEC61850采用分层的、面向对象的建模技术，其中一个IED包含一个服务器(SERVER)对象，一个服务器对象至少包含一个逻辑设备(LD)对象；一个逻辑设备对象又至少包含三个逻辑节点(LN)，即代表逻辑设备公共数据的LLN0、代表物理装置逻辑信息的LPHD和至少一个功能性的逻辑节点。IEC61850标准提供了90多种逻辑节点名称代码，350多种数据对象代码，超过23个公共数据类[5-6]，包括了变电站所有的功能和数据对象，其中多数可以直接应用到配电网中，如需对逻辑节点和数据对象进行扩充可按照IEC61850中的方法进行构建。

文献[3]对FTU进行信息建模时抽象成为了3个逻辑设备：(测控)LD1、(保护)LD2、(电源管理)LD3，没有将配电自动化在故障区段定位时的特殊性考虑在内。鉴于此，本文将FTU分解成了5个LD构成的信息模型，分别为测量LD MEAS、控制LD CTRL、保护LD PROT、电池管理LD BUTT及馈线逻辑LD FA。每个LD功能模块所包括的逻辑节点，均可从IEC61850-7-4中定义的LN中按需选定，具体如图2所示。但其中馈线逻辑LD FA中的馈线故障定位(FLOC)、非故障区域恢复供电(FRES)、故障隔离(FISO)三个LN是本文按功能需求依据IEC61850-7-4附录A中的扩展规则自行新建的逻辑节点。

考虑到已有故障定位节点(RFLO)仅适用于变电站自动化系统中的故障定位节点，并不能满足配电智能分布式FA定位发生故障区段的要求。若使用通用自动过程控制(GAPC)节点进行具有自动保护控制功能，虽然能够满足故障的定位、隔离和非故障区的供电恢复，但其在实现互通、互操作性上的能力欠缺。新建的3个LN有机配合后可以很好的实现智能FA逻辑控制功能。图3为实现FLOC节点功能所设计的数据结构图。FLOC节点在结合本地PIOC的故障电流信息和相邻FLOC信息进行故障区域诊断，并将信息传递给FISO；FISO在检测开关是否跳闸和PTRC信息节点，确保故障区域的准确隔离和非故障区域及时恢复供电，若成功，则将信息传递给FRES节点。

图2 馈线FTU信息模型图

图3 馈线故障定位FLOC的数据

IEC61850标准采用的是面向对象的建模方法，即当FTU中的一个LD故障时，只需对当前LD进行修正，不影响其他LD的正常工作 ，因此本文所搭建的信息模型更加适用于终端种类繁杂的配电自动化系统。

3 FTU的信息交换

FTU的信息交换包括主站与终端，终端与终端，终端与过程层对应设备，如电流互感器、电压互感器、开关、配电变压器等的信息交换[7]。信息的交换需要满足实时性、高效性、流畅性、安全性和可靠性，因此每个FTU应该至少有两个访问点，其中一个负责与主站的通信，另一个负责与其他的FTU进行信息交互。

3.1 FTU中LN的信息交换

图4为以电流量为例的智能FA各FTU间LN间信息交换流程图。TCTR是电流互感器节点负责采集负荷开关与断路器的实时电流量，并将所采集的电流信息传递给瞬时过流PIOC节点进行判断其是否超过瞬时过电流值[8-9]，如果瞬时电流超过标准值，则将信息传递给FLOC节点，进行相应的信息处理；XSWI是用来检测和控制当前隔离开关状态量的LN，将采集到的信息通过以太网传输到配电网子站；主站DSCADA下达的命令通过配电子站传到分支干线光纤以太网，通过保护继电器/FA控制器将所需执行的命令分配到各FTU中，由相应的LN完成远方倒闸操作。

图4 智能FA各FTU间LN信息交换流程图

当系统出现故障时，馈线系统各开关处的PIOC节点通过TCTR节点获取该段的电流数据，由PIOC节点实现故障的判断；在线路的出口处，PIOC节点可通过跳闸逻辑PTRC节点作用，形成一个公用“跳闸”信号经开关控制器CSWI传递给断路器XCBR节点，执行跳开断路器操作。FLOC节点可以获取本地PIOC节点的故障信息，结合相邻开关的FLOC节点所获取的信息，判断故障位置。FISO节点可依据FLOC节点采集判断的结果将故障两端的开关断开，实现该故障区段的隔离，并将隔离结果瞬时通知FRES节点。隔离成功后，由FRES节点结合相应的闭锁信息，及时合上首端开关与联络开关，使非故障区的恢复供电。

3.2 报文信息分类

为了提高信息传输的效率和可靠性，IEC61850-5标准中将不同LN之间进行传递的报文信息划分为7种[10]。诸如类似“跳闸”等对报文传输时效要求非常高的命令(<4 ms)，分属于快速报文类，采用GOOSE机制进行传输。与类似信息的传统传输形式不同[11-12]，GOOSE报文是在应用层定义协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)后，直接经过表示层的编码映射到数据链路层和物理层，可有效避免信息的堵塞。当系统发生故障或需要进行跳闸等时效性要求极高的操作时，GOOSE报文将以简单的二进制编码形式在FTU之间传递。此外，主站的DSCADA系统也需要使用GOOSE报文对远方FTU的倒闸操作进行信息控制，FTU接收到命令后，需要即刻做出响应。与此同时，配电系统中每时每刻都存在着大量的采样值信息需要在FTU之间进行传递，此类报文对时间的要求在3 ms-10 ms之间，需要采用原始数据报文的采样值(SV)形式进行传输，既可以实现对正常状态采样值的实时传输，也可以避免信息堵塞。除了FTU与FTU之间，还存在着FTU与主站之间的信息交换，此类信息的种类比较繁杂，多采用MMS报文进行传输，由根据信息对传输时间的要求分列为中速报文(<100 ms)、低速报文(<500 ms)和文件传输功能(≥1 000 ms)。

3.3 GOOSE 报文传输方法

在FTU中每个LD不能够独自实现一个完整的功能，需要几个LD之间合理协调工作。为此，将图2中的除LD BUTT以外的4个逻辑设备的LLN0节点中加入日志(LOG)、定值组控制块(SGCB)、GOOSE控制块(GOCB)、日志控制块(LCB)和数据集(DATA-SET)的模型用于LD之间的信息交换，如图5所示。SGCB是用于处理保护定值的模块，LOG存储各LD中的事件顺序记录(SOE)。当馈线电力设备(如柱上开关)发生遥信变位时，LOG将自动记录下变位时间、变位原因、设备跳闸时相应的遥测量值。当LOG中的SOE发生变化或遥测量值超过SGCB中已设置的定值需发送GOOSE报文时，由GOCB将相应的GOOSE报文快速发送出去。

GOOSE报文用于在配电自动化系统范围内快速传输配电站事件，即传送实时跳闸信号、间隔逻辑闭锁/解锁等。GOOSE报文模型主要包括GOOSE控制块(GOCB)和其相对应的服务，即具有LLN0作用域标识(GOCB NAME)、LLN0作用域路径(GOCB BREF)、数据集引用(DATE SET)等属性及发送GOOSE报文(Send GOOSE Message)、检索数据集(Get Go Reference)等服务。

抽象通信服务接口(ACSI)是规范信息模型对外通信过程的接口，有两种模式：一种是图5左侧的客户机/服务器模式，用来分层访问IED的Server、LD、LN、Data等信息，对传输时间的要求不高，属于低速传输报文，需要操作时由客户机事先发出请求，服务器做出相应的响应；另一种是图5右侧的发布者/订阅者模式，对传输时间要求高，属高速传输报文，为了保证跳闸信息等的实时传输，不需要订阅者事先请求，直接由事件触发“Send GOOSE Message”。

图5 报文通信模型图

当Data Sets引用的一个或多个成员值/状态量发生变化，即各测量LN采集的馈线中开关运行数据发生变化时，相应的FTU就会根据具体变化情况采用高速多播发出含有状态值、状态变化发生的时间和品质因数的GOOSE报文。如图5所示，GOOSE报文通信传输过程采用发布者/订阅者(P/S)通讯模型，通过遥信检测到有状态变化时，由发布者的GOCB控制块将事件信息存入订阅方数据集封装成一条GOOSE报文，并使数据源将信息写入发送侧的本地缓冲区，订阅者可以从订阅缓存区读取数据。比如图4中，线路出现故障时，一个FTU可向其相邻的FTU发出订阅请求，并从订阅缓存区获取订阅响应信息，完成FTU之间的馈线逻辑配合；当主站DSCADA下达命令时，该信息作为订阅方发出设置GOOSE控制块请求，经过GOCB控制块获得设置GOOSE控制块响应，完成主站对FTU的控制。此外通信系统及时刷新缓冲区数据，即仅最新发布的数据方可保留在缓冲区内，新的数据信息完全覆盖先前数据。

图6 报文发送机制图

GOOSE报文属于组播信息，由于没有通过TCP/IP协议栈，它的传输地址不是一个IP地址，须经交换机在局域网内组播。此外，在报文发送机制中引入优先级概念，以提高信息交换的高效性和可靠性。在IEC61850标准中，GOOSE报文传输的跳闸、闭锁命令、断路器和隔离开关位置信号为最高优先级4，非电量保护信号优先级为3，GIS、PAS组合电器状态信号优先级为2，等等。如图6所示，网卡设备在发送完一帧后产生中断，低级中断将网卡设备中的描述表指针输入环形缓冲区，高级中断可从环形缓冲区去除并按照信息将报文按优先级划分排列，若报文链表不为空则激活发送机制，启动硬件发送。

4 结 语

IEC61850标准中定义了建立信息模型的方法，本文严格按照标准制定的方法构建了一种能实现配电自动化系统中智能电子设备互操作的FTU信息模型。为了更好的适用于馈线自动化的逻辑，本文在建立的信息模型中扩展了3个LN，并分析了各LN之间的信息交流。最后，以GOOSE报文为例阐述了本文所构建的基于IEC61850标准的智能馈线FTU信息模型比传统的FTU信息模型在信息传递方面的优点。综上，本模型可以良好地实现馈线自动化系统设备之间的互操作问题，为进一步开展智能配电网建设提供了重要的理论依据。

[1] 李万岭，唐诚，黄大为，等.馈线自动化技术发展现状[J].东北电力大学学报，2014，34(5)：74-78.

[2] 韩国政，徐丙垠.IEC 61850在高级配网自动化中的应用[J].电力自动化设备，2011，31(5)：99-102.

[3] 秦立军，刘麟.IEC 61850体系下的配电网自动化系统[J].电力设备，2007，8(12)：13-15.

[4] 韩国政，徐丙垠.基于IEC61850标准的智能配电终端建模[J].电力自动化设备，2011，1(2)：104-107.

[5] IEC 61850-7-3 Communication networks and systems in substation-Part 7-3:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Abstract communication service interface(ACSI)[S].2003.

[6] IEC 61850-7-4 Communication networks and systems in substation-Part 7-4:Basic communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node classes and data classes[S].2003.

[7] 袁龙，滕欢.基于IEC61850的馈线终端的研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(12)：126-129.

[8] 姚崇固，滕欢.IEC61850标准在馈线自动化中的应用[J].电力系统及其自动化，2013，25(3)：147-151.

[8] 凌万水，刘东.基于IEC61850的智能分布式馈线自动化模型[J].电力系统自动化，2012，36(6)：90-95.

[10] IEC 61850-5 Communication networks and systems in substation-Part 5:Basic communication requirements for function and device models[S].2003.

[11] 韩明峰，张捷.IEC 61850 GOOSE实时通信的实现方法[J].电力自动化设备，2009，29(1)：143-146.

[12] 辛红汪，丁巧林.基于GOOSE的配电自动化系统的研究[J].智能电网，2013(1)：73-97.

Modeling OfIntelligent FTU Based on IEC 61850

XING Xiao-min1，MENG Nan1，LI Si-si2，MENG Xiang-hua3

(1.Department of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2.Nanan Power Supply Bureau of Fujian Power Grid Co.，Ltd.，Nanan，Fujian 3623003，China；3.Heze Power Supply Bureau of Shandong Power Grid Co.，Ltd.，Shandong，Heze 274300，China)

Due to the great variety and large quantity of power distribution terminal units and information exchange without uniform communication protocols in the current feeder automation system in our country，the IEC61850 standard which is maturely applied in power transformation automation has been expanding applied in FTU in this paper.On the basis of the systematic planning of specific function of FTU，the functional model of FTU is constructed base on IEC61850 standard.In this paper，the information exchange process of LNs in the model of FTU is analyzed.By the generic object oriented substation event(GOOSE message) take as an example，this paper describes the advantages of IEC61850 in the information exchange，and the information exchange model which is suitable for IEC61850 standard is given.

Intelligent power distribution network；FTU modeling；IEC 61850；GOOSE message；Information exchange

2016-04-12

吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(项目编号：吉教科合字[2016]第89号)；东北电力大学2014级研究生创新基金项目(Y2015008)

邢晓敏(1973-)，女，辽宁省喀佐县人，东北电力大学电气工程学院副教授，主要研究方向：智能配电网关键技术研究.

1005-2992(2016)05-0013-06

TM76；TM77

A