行波故障测距装置的IEC61850标准通信建模

向珉江，赵嫄

（1.济南供电公司，山东济南250012；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021）

·试验研究·

行波故障测距装置的IEC61850标准通信建模

向珉江1，赵嫄2

（1.济南供电公司，山东济南250012；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021）

IEC61850是世界统一的智能变电站通信协议，实现其通信首先要建立起符合IEC61850标准的通信模型。IEC61850规定了智能电子设备“服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据对象—数据属性”的五层信息模型体系，根据输电线路行波故障测距的技术特点，扩展定义了行波故障测距装置逻辑节点RTWL及其包含的数据对象、数据属性，建立完整的五层信息模型。在此基础上定义行波故障测距装置的信息服务内容，对其含义、通信模式、通信方式等进行讨论。

行波故障测距；IEC61850建模；信息模型；信息服务；逻辑节点

0 引言

输电线路故障行波是线路发生故障后产生的一种电磁波，它沿着线路以光速前进，在遇到不连续点发生反射。虽然行波是一种短时的突变信号，却包含了幅值、极性、方向等丰富的故障信息。行波还具有不受过渡电阻、系统运行方式等影响的优点，目前在传统变电站中已经实现了行波故障测距的应用，实践证明其定位精度优于传统工频量的测距方法［1］。

智能变电站作为新一代变电站具有显著的优势，其关键技术之一是采用了IEC61850通信标准，目的是实现装置间的互操作。具体来讲，IEC61850采用了面向对象的建模技术，依照“服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据对象—数据属性”的层级关系来建立通信模型，实现对装置功能的描述，由此不同装置间就可以实现相互的理解［2］。装置的通信模型与具体的通信协议是无关的，将通信模型转化为具体通信协议的过程称为映射，IEC61850建模实现了装置功能与具体通信协议的解耦［3］。

建立符合IEC61850标准的通信模型是实现通信首要且关键的一步。目前对IEC61850建模的研究多集中于继电保护、合并单元、电子式互感器等装置上，还鲜有针对行波故障测距装置的报道。本文在分析IEC61850面向对象建模思想的基础上，实现对行波故障测距装置的建模，明确了其信息模型、信息服务等关键环节。

1 实现IEC61850标准通信的步骤

图1展示了从装置到通信模型，再到具体通信协议以实现IEC61850通信的全过程，前一个过程称为建模，后一个过程称为映射。面向对象的建模思想就是将每个对象封装成属性和服务两个部分，其中属性描述了对象的外部可视性，服务则提供了访问对象属性的方法，因此装置的通信模型是由信息模型和信息服务两部分组成（也有论文将两者统称为信息模型的）。信息模型按“服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据对象—数据属性”的结构对装置功能进行描述，是对象的属性。在此基础上定义了信息服务功能——抽象通信服务接口ACSI（AbstractCommunication Service Interface），ACSI是对通信方式的描述。信息模型是基础，信息服务是目标。

图1 IEC61850建模过程示意图

通信模型从逻辑上能完整的描述各装置的功能及通信，形成了一张完善的“逻辑图”，这种从“装置—逻辑图—通信协议”的过程使逻辑图完全独立于通信协议，不会因通信协议的变化而改变。具体来讲，要实现对装置的IEC61850标准通信，需要遵循以下几个步骤［4］。

步骤1：建立目标对象的信息模型，即“服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据—数据属性”的五层信息结构，它描述了对象的成员和架构。

步骤2：定义目标对象的信息服务，即根据标准已定义的14类ACSI确定目标对象的信息服务功能，它描述了外部的操作、访问、控制等信息交换方法。

步骤3：最后将信息服务映射到具体通信协议上，实现具体的通信功能。

本文仅对行波故障测距装置的建模理论进行探讨，不涉及通信的最终实现，因而本文仅对前两个步骤进行讨论。

2 信息模型

信息模型的定义必须保证唯一性，才能使计算机能自动识别，这构成了IED设备互操作的基础。IEC61850定义的信息模型的特点是结构化、层次化，如图2所示，从高到低的5个信息等级是服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性。1台服务器可以包含多个逻辑设备，而1台逻辑设备又可以包含多个逻辑节点，以此类推。

图2 IEC61850信息模型的五层结构

2.1 服务器和逻辑设备

服务器是信息模型的最高级，通常1台实际的装置就可以看成1台服务器。逻辑设备通常可按设备的功能和通信目标来进行划分，例如保护测控一体化装置就可以建立为1台服务器下包括保护、测量和控制3个逻辑设备。可以看出，服务器和逻辑设备并不代表特定的功能含义，而更多的表现为实现对逻辑节点的分类，根据IEC61850标准它们的名称可由用户自行定义。

2.2 逻辑节点

逻辑节点是逻辑信息的关键载体，是IEC61850中规定的交换数据功能的最小单位，每个逻辑节点代表特定的信息。根据应用需求，IEC61850-7-4部分定义了5类13组，共约90个逻辑节点，如：距离保护逻辑节点名为PDIS，保护配置逻辑节点名为PSCH。虽然标准对变电站各类装置逻辑节点的定义已经比较全面了，但遗憾的是却并不包括行波故障测距的逻辑节点，好在标准规定了逻辑节点名的扩展定义办法［5］。

1）其第1个字符应表征组别，应尽量选择现有组别，当现有逻辑节点组不能满足要求时才可新建；

2）其它3个字符应与新逻辑节点英文名称相关，并便于记忆；

3）保证唯一性，不与已有的重复；

4）新逻辑节点应按照标准定义概念和属性，在使用时加以说明。

根据上述原则，本文定义行波故障测距逻辑节点名为RTWL，每个字符及其含义见表1所示。考虑行波故障测距的功能，且满足要求1）的规定，不新设新的组别，采用已有的组别（“保护相关逻辑节点”逻辑节点组），其第1个字符为R。

表1 逻辑节点RTWL的字符含义

2.3 数据对象和数据属性

新建逻辑节点名后，还需要进一步定义其数据对象和数据属性，仿照IEC61850-7-4部分对数据对象定义的表格形式，设计逻辑节点RTWL的数据对象如表2所示［6］。

表2 行波测距逻辑节点RTWL的数据对象信息

表中第1列为定义的数据对象名，其中测量值类的Tm1st、Tm2nd、TmSel、TmFar1、TmFar2为新定义的数据对象名，其余的为标准里其它逻辑节点中已定义的数据对象名。

第2列表示数据对象所属的公共数据类，公共数据类表征了数据对象的数据属性。由于IEC61850定义了数百个数据对象，如果再详细定义每个数据对象的数据属性，无疑将会是一件浩大的工程，同时也过于繁琐而不便使用。事实上很多数据对象仅名称不同，属性是相通的，因此IEC61850定义了公用数据类，相同类型的数据对象将共同引用同一个类［6］。例如表中初始行波时刻Tm1st和反射波时刻Tm2nd都表征时间，按标准其它关于时间的数据对象的归类方法，都属INS（整数状态）类。因此其余3个新定义的数据对象的属性也都属INS类。表中其它数据属性分别为：测量值类MV、保护激活信息类ACT、模拟定值类ASG，查看标准7-3部分即可确定每类数据属性的详细含义。

第3列为含义的说明，考虑到对RTWL通用性的要求，对RTWL同时定义了A、B两型行波测距法，以满足两类行波测距法的要求。考虑到B型行波测距法在T型接线方式下的特殊要求，设计了两个对端行波到达时刻。此外，考虑到实际线路波阻抗与理论值往往有一定差别，从而会影响测量精度，故在定值类保留了线路正序、零序阻抗值的定义，并采用了定义法1（电阻+电抗）和定义法2（幅值+相角）两种表述线路阻抗参数的方法，以方便选择。

第4列表示是否需要跳闸（Trip），需要时标注T。由于行波测距仅反映故障位置，不直接作用于跳闸，故此列无需标注。

第5列表示该数据对象是否为逻辑节点RTWL所必须包含的，M表示必须，O表示可选。除故障距离FltDiskm是必选以外，其余各数据对象均为可选项。

3 信息服务

在建立好行波装置的信息模型后，便可在此基础上进行信息服务的建模。前文已经介绍过信息服务建模并不是实现某种具体通信的过程，而是解决怎样通信以及通信时交换哪些内容的问题。信息服务建模的过程可以理解为实现逻辑上通信的过程，这种逻辑上的通信被称为ACSI。根据不同应用的需求IEC61850定义了14类ACSI，行波故障测距装置的信息服务从中进行选择。

智能变电站中，与行波故障测距装置存在通信联系的有合并单元（MU，Merging Unit）和后台系统。MU向行波故障测距装置发送采样值，行波测距装置可向MU读／写数据。行波测距装置向后台系统发送报告，后台系统也可向其读测距结果数据。

目前对MU建模研究的文章很多［3，7］，本文建立了行波用MU信息模型，如图3所示。在MU服务器模型中，建立了名为MU01的逻辑设备。由于目前行波测距装置多基于电流行波信号，因此分相建立了3个关于电流信号的逻辑节点twaTCTR、twbTCTR、twcTCTR，每个逻辑节点下包含多个数据对象，如Amp（电流采样值）、ARtg（额定电流）。在发送采样值过程中，各逻辑节点的数据共同组成一个数据集，此外还需要设定采样值控制块（MSVCB，Multicast Sample Value Control Block）以对发送地址、发送频率等信息进行控制。

图3 行波故障测距装置的信息服务模型

行波故障测距服务器TWL下建立了TWL01、TWL02两个逻辑设备，分别代表A、B两型行波测距方法，实际应用中可进行取舍。逻辑节点和数据对象等信息已经在前文进行了描述，不再累述。

图3共设计了①~⑥共6种ACSI，其中①为基于发布者／订阅者模式，针对快速且可靠的数据传输服务；其余ACSI基于客户机／服务器模式，针对控制、读写数据值等功能服务。

①表示发送采样值的ACSI，在发布者／订阅者模式下，发布者向订阅者发送信息，订阅者不需要向发送者回馈信息，这样的模式保证了很好的通信实时性。

②④表示客户机向服务器读数据的ACSI，②表示TWP向MU读数据（如某时刻的采样值），④表示BGS向TWP读数据（如某次测距结果）。在这类ACSI中，客户机率先发出请求（.req），服务器随即做出响应（.rsp），这样一来一回通信才得以完成，响应（.rsp）有正确响应或响应失败之分。

③表示行波测距装置向MU写入控制块数据的ACSI，它也通过“请求+响应”来完成服务。不同的是它会更改MU中的数据，例如对MU采样值发送间隔等关键信息进行重新设置。

⑤表示报告ACSI，虽然它也是基于客户机／服务器模式，但却是单向的信息。报告可实现经故障信息触发后，立即向后台系统报告的机制。它仅在需要时进行主动发送，减少了对网络带宽影响。

⑥表示后台系统与行波测距装置间其他数据交换的ACSI，包括写数据、读／写数据集等。后台系统与行波测距装置之间的信息交换与继电保护装置类似，该部分技术已在智能变电站中实现了，因此不再累述。

图3定义了行波测距装置涉及的ACSI名称，IEC61850-7-2部分为每个ACSI都详细定义了通信时需要交换哪些数据，对照ACSI名即可查找到上述每个ACSI交换信息的具体内容。至此基于IEC61850标准的完善通信模型建立起来了。

4 结语

在分析理解IEC61850面向对象建模思想和特点的基础上，对行波故障测距装置进行建模研究。根据技术要求扩展定义行波故障测距逻辑节点RTWL，完善它的数据对象和数据属性，实现按“服务器—逻辑设备—逻辑节点—数据对象—数据属性”模式的信息建模。在此基础上进一步建立了各服务器间相互通信的抽象通信服务接口，完成了基于IEC61850标准的行波应用系统通信建模。下一步还需要研究模型的映射实现技术，尤其是要解决高速行波采样数据的传输等问题。

［1］徐丙垠．利用暂态行波的输电线路故障测距技术［D］．西安：西安交通大学，1991.

［2］张结．IEC61850的结构化模型分析［J］．电力系统自动化，2004，28（18）：90-93.

［3］窦晓波，吴再军，胡敏强，等．IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现［J］．电网技术，2006，30（2）：80-86.

［4］王丽华，江涛，盛晓红，等．基于IEC61850标准的保护功能建模分析［J］．电力系统自动化，2007，31（2）：55-59.

［5］IEC61850，Communication networks and systems in substations［S］.

［6］向珉江．基于罗氏线圈的行波传遍特性与应用技术研究［D］．济南：山东大学，2013.

［7］Cagil R.Ozansoy，Aladin Zayegh，Akhtar Kalam．Object modeling of data and dataSets in the International Standard IEC61850［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（3）：1140-1147.

［8］黄灿英．基于IEC61850标准的合并单元研究［D］．西安：西安科技大学，2008.

Communication Modeling of Travelling Wave Fault Location Device Based on IEC61850

IEC61850 is a unified communication standard for smart substations all over the world.Communication model of device based on IEC61850 should be built firstly.IEC61850 stipulates five layers model for intelligent electronic devices，such as servers，logical devices，logical nodes，data objects and data attributes.According to technical characteristics of transmission line travelling wave fault location，we defines logical node RTWL and its data object and data attributes for travelling wave fault location device.A complete five-layers information model has been established.On the basis of definitions，information services of travelling wave fault location device have been defined，and their meanings，communication modes，communication ways are discussed.

travelling wave fault location；IEC61850 modeling；information model；information service；logical node

TM771

：B

：1007－9904（2014）04－0001－04

2014-04-01

向珉江（1986—），男，博士，工程师，从事智能变电站、智能配电网的工作。