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Based on the IEC61850 standards of railway traction power feeder protection device of 275 kV model Wu Xun(ECJT University Electrical & Electronics Engineering，NanChang 30013， JiangXi Province， China)Abstract: IEC61850 standard is the basis of digital substation automation system, is the latest international substation automation field, this paper IEC61850 standard standard feeder protection device application are analyzed and studied, the main work includes: constructing the traction substation automation IEC61850 based on the communication model (such as: logic node model, logical interface model based on the computer, etc.), design of feeder protection device instance of the model IEC61850 protection algorithm, establish the feeder protection device IEC61850 model research IEC61850 feeder protection device interface model. Keywords: IEC61850, Feeder protection device, Logical device 基于IEC61850标准的铁路牵引供电27.5kV馈线保护装置的模型吴 迅(华东交通大学电气与电子工程学院， 江西省南昌市 330013)摘 要: IEC61850标准是实现数字式变电站自动化系统的基础，是变电站自动化领域的最新国际标准,本文对IEC61850标准馈线保护装置中的应用进行了分析与研究，主要工作包括：构建基于IEC61850的牵引变电站自动化系统的通信模型（如：逻辑节点模型，逻辑接口模型等等），设计基于微机馈线保护装置实例的保护算法的IEC61850的模型，建立馈线保护装置IEC61850模型研究IEC61850馈线保护装置接口模型。关键词: IEC61850; 馈线保护装置；逻辑设备1 IEC61850协议标准内容概述 IEC61850是国际电工委员会第57技术委员会第10、11、12工作组制定的关于变自动化系统通信网络和系统的标准。制定IEC61850的目的是想实现不同厂商产间的互操作性。为此，该协议采用自顶向下的方式对变电站自动化系统进行系统分层、功能定义和对象建模，并对一致性检测作了详细的定义。IEC61850包括面向的标准、通信网络性能要求、接口和映射、系统和项目管理、一致性测试等多方细内容。具体内容如下： 61850-1：基本原则。即IEC61850标准概述，包括适用范围和目的，定义了变电IED之间的通信和相关系统要求，并论述了制定一个适用标准的途径和如何对待通信技术革新等问题。 61850-2：术语。给出了IEC61850标准中涉及的关于变电站综合自动化系统特定术语及其定义。 61850-3：基本要求。详细说明系统通信网络的总体要求，重点是质量要求(可靠可用性、可靠性、可用性、可维护性、安全性、数据完整性以及总的网络要求)，还涉及了环境条件度、温度、大气压力、机械震动、电磁干扰等)和供电要求的指导方针，并根据其准和规范对相关的特定要求提出了建议。 61850-4：系统和项目管理。描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试用的专用支持工具的要求。主要包括：工程过程以及支持工具、整个系统以及IED命周期、系统生命期内的质量保证共三个方面。 61850-5：对功能和设备的通信要求。规范了变电站自动化系统所完成功能的通信和装置模型。为了区分技术服务和变电站之间以及变电站内IED之间的通信要求功能进行描述；为支持功能自由分配要求，将功能适当分解为相互通信的几个部给出其交换数据和性能要求：对典型变电站配置，上述规定可以通过数据流的安以补充。 61850-6：变电站IED的结构语言。规定了描述通信有关的IED配置和参数、通信系置、开关间隔结构以及它们之间关系的文件格式，目的是在不同制造商的IED管理工系统管理工具间，以某种兼容的方式交换IED性能描述和变电站自动化系统描述。 61850-7：变电站基本通信结构和馈电设备。是变电站设备之间协调工作和通信的概述。共分为四个部分： 61850-7-1：原理与模型。提供了有关基本建模和描述方法的信息，解释了61850-7-4、IEC61850-7-3、IEC61850-7-2和IEC61850-5之间的详细要求，以及61850-7-X的抽象服务和模型如何映射到IEC61850-8-X和IEC61850-9-X中具体的协议。 61850-7-2：抽象通信服务接口(ACSI)。主要是从三方面进行描述：可以通过通信访问的全部信息分层类模型；对这些类进行操作的服务；和每个服务相关的参数。 61850-7-3：公共数据分类和属性。定义了和变电站应用有关的公共属性类型和公据类，这些公共数据类用于本系列标准的61850-7-4部分。 61850-7-4：相容逻辑结点和数据目录寻址。规定了IED之间通信用的兼容逻辑结和数据名，这是61850-7-2中介绍的类模型的一部分，所定义的名称用于建立分象引用，供IED之间通信用。 61850-8：特殊的通信服务映射(SCSM)。映射到制造报文规范(MMS，Manufacturing Message Services)，说明了在局域网交换实时数据的方法，将ACSI映射MMS的服务议，主要是用于变电站层到间隔层间的映射。 61850-9：特殊的通信系统映射。规定了间隔层和过程层之间的映射。61850-10：功能测试、一致性测试。规定了变电站自动化系统和设备通信方面的性测试方法，还给出了设置测试环境的准则和规定了互操作性的等级1。IEC61850的基本结构如图2-1所示： 图1 IEC61850标准草案的系列文档 就概念而言，IEC61850标准草案主要围绕以下4个方面展开： (1)功能建模：从变电站自动化通信系统的通信性能要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模型(Part 5)。 (2)数据建模：采用面向对象的方法，定义了基于客户机/服务器(C/S)结构的数据模型(Part 7-3/4)。 (3)通信协议：定义了数据访问机制(通信服务)和向通信协议栈的映射，如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS(IEC61850-8-1)。在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802.3标准的过程总线(IEC61850-9-2)。 (4)变电站自动化系统工程和一致性测试：定义了基于XML(Extensible Make up Language)的结构化语言，描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。为了验证互操作性，Part10描述了IEC61850标准一致性测试。 IEC61850的目标是提供同一厂商或不同厂商的多个IED所完成的功能之间的互操作性。那么，首先要对变电站综合自动化系统的功能进行辨别区分，分析这些功能所需的技术服务和通信网络性能的要求，然后寻求实现途径。 下面介绍IEC61850规约中的几个重要概念： (1)智能电子设备(IED)：IED是由一个或多个处理器构成，并且具有通信接口可以同外部设备进行数据交换的设备。IED可以是数字式继电器、控制器和电子仪表，也可以是工作站PC或其他设备。IED是一个实体，这个实体在一定条件下，能够完成一个或多个指定逻辑节点任务。IED一般具有内部时钟，因此一些时间要求严格的功能通常由一个IED独立完成，而其他功能可以分布到多个IED中完成。 (2)服务器(Server)：服务器为智能电子装置内的一个通信实体。其允许经通信系统，仅通过访问点对服务器中逻辑装置和逻辑节点的数据进行访问。 (3)逻辑设备(LD)：LD主要由逻辑节点和附加服务组成，是一种虚拟设备，包含在服务器中。该虚拟设备能够为通信汇集有关逻辑节点和数据集。LD内有经常访问或引用的信息、变量表等。 有关逻辑设备的定义不是标准IEC61850的范围，在实际应用中可以根据需求定义逻辑设备。 (4)逻辑节点(LN)：LN是由数据和方法构成的对象，代表变电站系统的特定功能。LN封装了实现物理设备内部功能所需的数据，并能够主动或者应外界请求而执行这能的某些操作。与一次设备相关的LN不是一次设备本身，而是它的智能部分或者二次系统的映像，即本地或远方I/O单元、智能传感器和执行器等。逻辑节点间通过发送消息进行数据交换。 (5)数据对象：是代表特定信息(如：状态或测量值)的LN对象的一部分。从面向对象的观点看，一个数据对象是一个数据类的实例。 (6)数据属性：定义用来传输的数值的名字(语法)、格式、范围或允许值以及表示法。2 基于IEC61850牵引变电站综合自动化系统功能 在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器、机电一体化设备的出现，变电站综合自动化技术迈进了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光电隔离器件、控制操作回路等将割裂出来作为智能一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分；而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备。IEC61850将变电站自动化系统的功能在逻辑上分为三层：变电站层、间隔层、过程层2，并将功能适当的分解为相互通信的几个部分，列出了功能之间交换的数据类型。图2所示。 图2 IEC61850变电站自动化系统接口示意图 由图2可以看出IEC 61850变电站自动化体系共定义了10种数据类型的交换，分别为： :间隔层与变电站层之间的保护数据交换； :间隔层与远方保护之间的保护数据交换； :间隔层内的数据交换； :过程层与间隔层之间电流互感器CT和电压互感器VT的瞬时数据交换； :过程层与间隔层之间的控制数据交换； :间隔层与变电站层之间的控制数据交换； :变电站与远方工程师工作站之间的数据交换； :用于快速功能的间隔层之间的直接数据交换； :变电站层内的数据交换； :变电站设备与远方控制中心之间的控制数据交换。 变电站三层结构体系中每层的主要任务分别为： (1)变电站层。变电站层的主要任务是：通过高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心；接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有(或备有)站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声音等多媒体功能；具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能；具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。 (2)间隔层。间隔层的主要功能是：汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能必要时，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。(3)过程层。过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能电气设备的智能化部分，其主要功能可分为三类：电气运行的实时电气量检测。即利用光电电流、电压互感器及直接采集数字量等手段，对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测。运行设备的状态参数在线检测与统计。如对变电站的变压器、断路器、母线等设备在线检测温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。操作控制的执行与驱动。在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。IEC61850是一个规范统一的标准，它将站内的所有数据通信单元都规范为标准的接口，即所有智能IED的生产商都必须按照IEC61850的标准生产过程层和间隔层的设备，因此，我们可以考虑用以太网技术将变电站层、间隔层与过程层的所有设备都直接连接到以太网上。数字化变电站自动化系统和国际标准接轨，系统结构更趋合理。符合IEC61850标准的变电站自动化体系结构将逐步建立。3 构建基于IEC61850的牵引变电站自动化系统的通信模型 IEC 61850建立了一套统一的功能逻辑和通信模型。IEC61850的系统逻辑模型如图3所示。它认为变电站的功能是分层分布的，从逻辑上讲，系统功能由分布位于逻辑设备(1ogical device，LD)上的逻辑节点(1ogical node，LN)共同协调完成，LN之间由逻辑连接(1ogical connection，LC)相连接，通信信息片(PICOM)明确地描述出LN之问的交换信息和通信要求(包括数据、类型、性能、逻辑连接等)。多个LN之间交互作用完成某个逻辑功能。IED中的LN通过IED内部的服务器接口被其他LN访问。过程层的数字式设备向问隔层IED传送数据，并接受控制命令操作一次设备。 图3 变电站的系统逻辑模型IEC 6l850将逻辑节点划分为保护、监视控制、物理装置、系统和装置安全、一次设备相关节点、有关系统服务节点等六大类，约80种，涵盖了变电站的所有功能。定义了抽象通信服务接口(ACSI) , 描述了服务器和客户端的通信, 描述了服务器和客户端间的通信, 包括实时数据交换、设备的自我描述、文件传输等4。定义了特定通信服务映射( SCSM) , 将ACSI映射到特定的网络通信协议( TCP / IP、MMS、各种现场总线、串行线等) , 其关系如图4 所示( 图示为配置文件) 。 图4 IEC61850的分层通信体系 通过对IED 设备的功能分析, 可以得到与IEC61850 相对应的LN, 实现对配电线路保护IED 的系统建模和信息建模, 通过实例ACSI 服务类, 并将其通过SCSM映射到具体通信网络中( 如MMS、TCP / IP等) , 从而实现客户端与服务端的数据交换。IEC61850 的核心在于互操作5 , 不管系统中的IED 设备采用何种通信网络介质, 只要将信息建模、抽象服务和具体映射三者有机结合, 就可以解决数据对象的自我描述问题, 简化数据维护, 实现IED 的互操作功能。4基于微机馈线保护装置实例的保护算法的IEC61850的模型4.1保护装置具备的功能及其功能分解 应用IEC61850的关键是依据标准所提供的模型对实际的智能电子设备(Intelligent Electronic Device,IED)建立标准化,统一化的模型，并将这些模型在变电站层的计算机上、间隔层的IED上以及过程层的电子式电流互感器(Electronic Current Transformer,ECT),电子式电压互感器(Electronic Voltage Transformer,EVT)和智能执行单元上使用软件实现，只有这样才能完成过程层、间隔层IED之间以及IED与变电站层计算机之间的通信。因此如何建立模型以及如何用软件实现这些模型是基于IEC61850标准的变电站综合自动化系统设计的难点和重点。 本论文中通过应用IEC61850标准,设计的保护装置IED拥有的保护功能是过流三段,重合闸,低频减载等.通过应用IEC61850标准建立的保护模型的逻辑节点如下： 属于过程层的逻辑节点有：TVTR（电压互感器）、TCTR（电流互感器）、XCBR（断路器）。 属于间隔层的逻辑节点有：PIOC（瞬时过电流保护）、PTOC（C）、RREC（自动重合闸）、PDIS（距离保护）、CSWI（断路器控制功能）、PHBC（谐波闭锁的过电流）、MMXU（测量单元）。属于变电站层的逻辑节点有：IHMI（人机接口）。将这些逻辑节点分配到不同的逻辑设备中，这些逻辑设备又包含在一个IED中，如图5所示：图5 IED包含的逻辑设备和逻辑节点4.2 对保护装置分解的功能进行建模4.2.1逻辑节点和数据对象模型的建立 IEC 61850标准用逻辑节点描述设备的功能，实际设备的每个功能都定义为相应逻辑节点类的一个实例。对上面分解的馈线保护装置功能可由IEC 61850-7-4中对应的逻辑节点描述，并按功能分配在不同层，如图6所示。图中：逻辑节点PTOC表示定时过电流保护、PIOC表示瞬时过电流保护、RREC表示自动重合闸、PHBC表示谐波闭锁的过电流、PDIS表示距离保护；MMXU表示测量功能；CSWI表示断路器控制功能，IHMI表示人机接口；TCTR、TVTR分别表示电流互感器、电压互感器；XCBR表示断路器。 图6 微机馈线保护功能的分解与分配 微机馈线保护模型如图7所示，PTRC是保护跳闸处理逻辑节点，该逻辑节点把一个或多个保护功能发出的动作命令联系到一个公共的跳闸命令，传给断路器XCBR逻辑节点。对于每一个XCBR逻辑节点来说，必须有一个PTRC逻辑节点配合。图7 微机馈线保护模型本文设计的微机馈线保护主要功能逻辑节点列表如表1所示：表1 微机馈线保护逻辑节点列表逻辑节点实例名名称注释和说明PTOC定时过电流保护交流定时过电流继电器是作用于交流输入超出预定值，且在其性能范围主要部份。输入电流与动作时间呈逆相关的继电器PIOC瞬时过电流保护瞬时过流或增量继电器是一种瞬时作用于电流过大或电流增量过大的继电器PDIS距离保护距离继电器是一种当电路导纳、阻抗或电抗变化增加或减少超出预定值时动作的继电器RREC自动重合闸自动重合闸继电器是一种自动合闸并闭锁交流电路断流器的继电器（IEEE）。假定发生瞬时故障，保护成功跳闸后，自动重合闸尝试以不同延时，重合已跳开的断路器1次。4.2.2逻辑设备模型的建立标准中没有规范逻辑设备的模型，因此在具体逻辑设备建模的时候有较大的灵活性。逻辑设备主要由逻辑节点和附加的服务组成。逻辑设备中，逻辑节点的分组以这些逻辑节点的公共特性为基础。按照IEC61850标准，一个IED内部包含一个或多个服务器，即Server，服务器为物理设备中的一个通信实体，是物理设备的外部通信接口通过连接点来与外部进行通信和数据交换，一个服务器可包含多个逻辑设备，LD包含在IED的服务器中，由逻辑节点和附属的服务组成。下图8采用数据对象的嵌套结构给出了一种馈线保护装置的对象模型。图中将微机馈线保护IED分解为了3个逻辑设备，即LD1、LD2、LD3。LD1定义为保护功能，LD2对应测量功能；LD3对应人机接口功能、描述断路器控制和断路器功能。所有逻辑设备均定义了逻辑节点LLN0和LPHD。逻辑节点LLN0代表逻辑设备的公共数据，如铭牌、设备运行状态信息；LPHD代表拥有逻辑节点的物理设备的公共数据，如物理设备的铭牌、运行状况信息。各个逻辑设备模块之间的信息交换通过驻留在模块中的LN提供的抽象通信服务实现，并使用这些信息进行协同操作，完成各种测量、保护、控制和人机接口功能。图4-3馈线保护装置的对象模型5 结语 IEC61850对变电站综合自动化的发展具有深远的意义，对其应用价值的认识在国内已经取得了一定的共识，采用该标准系列将大大提高变电站综合自动化系统技术水平，提高变电站自动化系统安全稳定运行水平。IEC61850标准协议体系涉及到多种新技术和学科，是个庞大、复杂的体系，它围绕设备和系统间的通信定义了大量的对象和服务模型，围绕通信性能定义了网络管理、报文和时间要求，围绕系统工程的顺利可靠实施和运作规范了系统的管理和测试过程。己有的这些特点使得IEC61850标准与以往的电力系统协议相比有着特有的优越性。作为一个刚刚颁布的国际标准，IEC61850能够与其它新技术的发展方向保持一致，具有很大的发展前景。 6 参考文献1黄益庄.变电站综合自动化技术.北京:中国电力出版社，20012茹锋，夏成军，许扬.IEC61850标准在变电站自动化系统中的应用探讨.江苏电机工程，2004,23(3):8113Communication networks and systems in substations-Part l:Introduction and overview,20024杜宇.IEC61850变电站通信网络与系统实现的研究硕士学位论文.保定:华北电力大学图书馆，20035Brunner C,Schimmel G,Schubert H.Standardization of Serial Links Replacing Parallel Wiring to Transfer Process Data In Proceedings of CIGRE.Paris:2002，2:342096谢希仁.计算机网络.(第四版).北京:电子工业出版社，20037张奇智，尹汝波.交换式工业以太网的现状和研究.传感器世界，2005,2:34398Skeie T，Johannessen S,Brunner CEthernet in substation automation.ControlSystems 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