基于iec61850的電子式電流電壓互感器與變電站間的信息模型

基于iec61850的電子式電流電壓互感器與變電站間的信息模型

隨著電子表格器的逐步應(yīng)用，二次能源供電的概念發(fā)生了重大變化。在交換器的傳輸通信網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)程層和間隔層之間的并行電纜連接被取代。傳統(tǒng)的模擬信號傳輸是從網(wǎng)絡(luò)上編碼的數(shù)字信號傳輸。為了適應(yīng)這種數(shù)字化和集成化要求,必須將間隔層的一些功能下放到過程層中去完成,國際電工委員會為此在過程層中定義了一個(gè)全新的物理單元———合并單元。在IEC60044-7/8中首次給出了合并單元的定義,其主要功能是同步采集多路(最多12路)電子式互感器輸出的數(shù)字信號,并按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式發(fā)送給保護(hù)、測控設(shè)備。其后,IEC61850-9-1/2對合并單元的功能和定義進(jìn)行了完善和補(bǔ)充。IEC61850是變電站自動化系統(tǒng)通信體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn),能夠大幅度改善變電站自動化系統(tǒng)智能電子設(shè)備(IED)的數(shù)據(jù)集成,其目標(biāo)是最大限度地應(yīng)用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和被廣泛接受的通信原理,在不同制造商的IED之間實(shí)現(xiàn)良好的互操作性,并且能適應(yīng)通信及應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。文中遵循IEC61850定義的面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術(shù)和獨(dú)立于具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口構(gòu)建了合并單元的通信模型。1erper和應(yīng)用IEC61850建立了完整的分層數(shù)據(jù)對象信息模型(見圖1),每個(gè)物理裝置由服務(wù)器(server)和應(yīng)用(application)組成。信息模型采用結(jié)構(gòu)化的描述方法將服務(wù)器分為邏輯設(shè)備LD(LogicalDevice)、邏輯節(jié)點(diǎn)LN(LogicalNode)、數(shù)據(jù)(Data)、數(shù)據(jù)屬性DA(DataAttributes)4個(gè)層次。1.1特定應(yīng)用邏輯節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)邏輯設(shè)備至少包含1個(gè)物理設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)LPHD(LogicalNodePhysicalDevice)、1個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)0LLN0(LogicalNodeZero)和1個(gè)或多個(gè)特定應(yīng)用邏輯節(jié)點(diǎn)。合并單元的特定應(yīng)用邏輯節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況選取。IEC60044-7/8規(guī)定合并單元的輸入通道為12路(7路電流量和5路電壓量),參照此項(xiàng)規(guī)定設(shè)定合并單元的特定應(yīng)用邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)為12個(gè),對應(yīng)12路電流、電壓量,如表1所示。邏輯節(jié)點(diǎn)TCTR代表電流互感器,后綴1表示測量用;TVTR代表電壓互感器,邏輯節(jié)點(diǎn)的命名遵循IEC61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)。1.2數(shù)據(jù)集與可選控制模塊邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對裝置功能的定義和劃分,構(gòu)建了信息模型的框架,為實(shí)現(xiàn)對信息模型的訪問和操作,還需通過數(shù)據(jù)對邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述。IEC61850-7-3/4提供了355種數(shù)據(jù)類、23種公用數(shù)據(jù)類CDC(CommonDataClass),涵蓋了變電站所有功能和數(shù)據(jù)。表2中LPHD代表所在物理設(shè)備的公共信息,如設(shè)備健康狀況(PhyHealth)、銘牌信息(PhyName)等。數(shù)據(jù)后面的括號里是其對應(yīng)的公用數(shù)據(jù)類,如DPL為物理設(shè)備銘牌,ISI為整數(shù)狀態(tài),INC為可控整數(shù)狀態(tài),SAV為采樣值,ASG為模擬定值等。LLN0代表邏輯設(shè)備的公共數(shù)據(jù),包括邏輯設(shè)備運(yùn)行模式(Mod)、合并單元的采樣值同步方法(SynchMeth)、數(shù)據(jù)集(DataSet),還包括6個(gè)可選控制模塊,如單路采樣值控制模塊(USVCB)、多路廣播采樣值控制塊(MSVCB)等(見表3)。根據(jù)采樣值傳輸模型的需要,此處選擇多路廣播采樣值控制塊,在后文中將有相應(yīng)的說明。數(shù)據(jù)集DS1通過功能約束數(shù)據(jù)(FCD)和功能約束數(shù)據(jù)屬性(FCDA)對PhsaTCTR和PhsaTVTR的數(shù)據(jù)及其屬性進(jìn)行有序的集聚。電流/電壓互感器邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以采樣值信息和額定相電流/電壓信息為主。以A相保護(hù)電流邏輯節(jié)點(diǎn)PhsaTCTR(見表4)為例,Amp表示采樣值電流信息,是此邏輯節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制數(shù)據(jù),ARtg表示額定相電流信息,屬于可選數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)屬性是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵,對信息模型的一切操作都?xì)w結(jié)到對數(shù)據(jù)屬性的讀寫上。根據(jù)不同的用途,對數(shù)據(jù)屬性的操作有不同的功能約束FC(FunctionalConstraint),如測量值功能約束(MX),表示數(shù)據(jù)屬性的值可讀但不可寫;配置信息功能約束(CF),表示數(shù)據(jù)屬性的值可寫、可讀并且寫入后立即生效。采樣值電流信息(Amp)的數(shù)據(jù)屬性及其對應(yīng)的功能約束如表5所示。2抽象通信服務(wù)接口IEC61850總結(jié)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程的特點(diǎn),制定了滿足實(shí)時(shí)信息和其他信息傳輸要求的信息交換服務(wù),它和信息模型一起同屬于抽象通信服務(wù)接口ACSI(AbstractCommunicationServiceInterface)(見圖1)。為了描述方便,將信息模型對應(yīng)的信息交換服務(wù)稱之為傳輸模型。ACSI共有14類傳輸模型,每類傳輸模型又由若干個(gè)抽象服務(wù)組成。2.1多路廣播采樣值傳輸發(fā)布/訂戶(publisher/subscriber)通信機(jī)制允許從一個(gè)發(fā)布方向多個(gè)訂戶發(fā)布同樣的信息,而且訂閱同一主題的訂戶可以接收多個(gè)發(fā)布方的信息。相對于對等和客戶/服務(wù)器C/S(Client/Server)通信機(jī)制,發(fā)布/訂戶通信機(jī)制更靈活,易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多點(diǎn)對多點(diǎn)分布式通信,滿足變電站自動化系統(tǒng)過程層與間隔層之間過程總線通信的需要。對于傳輸流量大且實(shí)時(shí)性要求高的采樣值傳輸通信而言,采用發(fā)布/訂戶通信機(jī)制是最佳選擇。傳輸過程由發(fā)布方的采樣值控制SVC(SampledValueControl)決定,可選用單路傳播采樣值控制模塊(USVCB)和多路廣播采樣值控制模塊(MSVCB),分別對應(yīng)單播傳輸方式和多路廣播傳輸方式。采用MSVCB方式,以多路廣播采樣值MSV(MulticastSampledValue)報(bào)文的格式單方向發(fā)送采樣值,無需確認(rèn)回復(fù),有效利用了信道帶寬,發(fā)布方和訂戶可以動態(tài)接入或退出,具有良好的實(shí)時(shí)性。采樣值傳輸過程由3個(gè)抽象服務(wù)完成(見圖2)。作為發(fā)布方,合并單元通過報(bào)文傳輸服務(wù)(SendMS-VMessage)發(fā)送MSV報(bào)文;訂戶通過控制模塊獲取服務(wù)(GetMSVCBValue)檢索MSVCB的屬性,如采樣值使能(svena)、采樣頻率(smprate)等。訂戶向發(fā)布方發(fā)出請求,并附上欲檢索的MSVCB路徑名(MsvCBReference)和功能約束,發(fā)布方將響應(yīng)所需信息參數(shù),Response+表示服務(wù)請求成功,而Response-表示服務(wù)請求失敗(見表6)。通過控制模塊設(shè)置服務(wù)(SetMSVCBValue)實(shí)現(xiàn)對控制模塊的屬性進(jìn)行設(shè)置,但在設(shè)置之前需保證MSVCB的屬性SvEna為False,否則服務(wù)請求將會失敗。傳輸模型采用有組織的和時(shí)間受控制的方式發(fā)送采樣值。合并單元按照特定映射的采樣頻率檢索數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)屬性,并向緩存區(qū)寫入新的采樣值,向過程總線廣播發(fā)送MSV報(bào)文。在接收側(cè),訂戶按照和發(fā)布方一樣的頻率向接收緩存區(qū)查詢是否有訂閱信息,若有則響應(yīng),且指示訂戶接收新的采樣值。訂戶通過讀取MSV報(bào)文中的刷新時(shí)間(RefrTm)校核采樣值的有效性。RefrTm為世界協(xié)調(diào)時(shí)間UTC(UniversalTimeCoordinated)時(shí)標(biāo),記錄了發(fā)布緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間。訂戶將本次采樣值的RefrTm和上次的進(jìn)行比較,可以校驗(yàn)采樣值是否得到及時(shí)刷新。這個(gè)規(guī)定對于從多個(gè)電子互感器取得保護(hù)電流值計(jì)算差動電流特別有意義,不過同時(shí)也加重了通信的負(fù)擔(dān),所以RefrTm是可選項(xiàng),是否使用可在MSVCB中對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。傳輸模型還提供一種訂戶能夠檢出采樣丟失的機(jī)制。通過MSV報(bào)文中的采樣計(jì)數(shù)器(SmpCnt)對采樣次數(shù)給以記錄,訂戶將SmpCnt的值和接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行比較,可以檢出丟失的報(bào)文?？紤]到采樣值傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,對于通信網(wǎng)絡(luò)問題不能傳輸?shù)牟蓸又?發(fā)布方并不重發(fā),而是將其刪除。2.2目錄和數(shù)據(jù)定義服務(wù)發(fā)布/訂戶通信機(jī)制是一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源(即發(fā)布方)向多個(gè)接收者(即訂戶)發(fā)送數(shù)據(jù)的最佳選擇,但是并沒有提供一種服務(wù)能夠讓客戶端在初始化時(shí)獲取服務(wù)器目錄和數(shù)據(jù)屬性信息,特別是MSV報(bào)文中數(shù)據(jù)集的內(nèi)容和元素排列順序,這些信息為傳輸模型在運(yùn)行期間的互操作提供基礎(chǔ)性的支持。因此,需要采用客戶/服務(wù)器通信機(jī)制作的目錄和數(shù)據(jù)定義服務(wù)為采樣值傳輸模型的完善和有力的補(bǔ)充。IEC61850-7-2描述了目錄和數(shù)據(jù)定義服務(wù)的邏輯關(guān)系(見表7)。GetServerDirectory服務(wù)表示獲取服務(wù)器目錄,輸入?yún)?shù)表示將要獲取的是邏輯設(shè)備名還是文件名;GetLDDirectory服務(wù)表示獲取邏輯設(shè)備目錄,邏輯設(shè)備名作為輸入,邏輯節(jié)點(diǎn)名作為輸出;GetLNDirectory服務(wù)表示獲取邏輯節(jié)點(diǎn)目錄,邏輯節(jié)點(diǎn)名作為輸入,數(shù)據(jù)名作為輸出;GetDataDirectory服務(wù)表示獲取數(shù)據(jù)目錄,數(shù)據(jù)名作為輸入,數(shù)據(jù)屬性名作為輸出;GetDataDefinition服務(wù)表示獲取數(shù)據(jù)定義,數(shù)據(jù)名或數(shù)據(jù)屬性名作為輸入,相應(yīng)的數(shù)據(jù)定義作為輸出。此外還有GetDataSetDirectory服務(wù)表示獲取數(shù)據(jù)集目錄,數(shù)據(jù)集名作為輸入,數(shù)據(jù)集包含的數(shù)據(jù)名和數(shù)據(jù)屬性名作為輸出。3合并單元信息模型的構(gòu)建a.信息模型的作用是將自動化裝置的實(shí)際功能描述成抽象的功能通信服務(wù),是一個(gè)對象信息化的過程,是IEC61850的核心。在挖掘IEC61850中面向?qū)ο蠼５膬?nèi)涵后,構(gòu)建了合并單元信息