基于IEC61850标准的分布式配电终端自描述信息模型研究

王风华，康童，朱吉然，齐飞，陈小强，谭飞

(1·同济大学电气工程系，上海201804；2·国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙410007；3·江苏圣通电力新能源科技有限公司，江苏 镇江212400；4·东方电子股份有限公司，山东 烟台264001)

0 引言

配电网作为电力供应系统最重要的环节，随着我国经济社会的快速发展，其落后性逐渐开始显现，丞需推进我国配电网基础设施建设的进程。配电自动化终端是配电网建设的基础，其中配电自动化终端包括馈线终端(Feeder Terminal Unit，FTU)、配电站所终端(Distribution Terminal Unit，DTU)和配 变 终端(Transformer Terminal Unit，TTU)。配电自动化终端各单元与主站间主要采用IEC60870－5－101、IEC60870－5－104等通信协议进行信息交互[1－3]，但是，这些通信协议仅仅解决了配电终端各项监控数据的传输问题，对配电终端设备信息与监控数据的描述并未涉及[4]。因此，在配电终端设备投入使用之前，需要人工完成控制中心与终端数据点表之间的匹配，配电终端设备的初始配置和维护的难度增大，难以实现配电终端设备的即插即用[5－7]。

IEC61850标准由国际电工委员会颁布，是应用于变电站通信网络和系统的国际标准，自颁发以来参考了许多其他相关标准的先进技术，受到电力系统自动化领域的认可，该标准已广泛应用于配电自动化系统中。IEC61850标准具备以下三个特点:利用面向对象建模技术对变电站通信系统的功能进行建模；总结变电站内信息传输所需的通信服务，提出抽象通信服务接口的概念；提出基于可扩展标记语言(Extensible Markup Language，XML)的变电站配置描述语言(Substation Configuration Description Language，SCL)，可对整个电力系统进行统一建模，能够实现设备自描述和即插即用技术，使不同厂家设备之间数据交互、互操作成为可能[8－11]。基于IEC61850标准对配电终端设备进行标准化建模，使其具备自描述功能，可以实现设备即插即用，从而极大地减轻运维工作量。目前，借鉴IEC61850面向对象的建模思想主要应用于馈线终端自描述方面[12]，对于配电环网柜分布式DTU仍缺乏具备实用性的自描述信息模型。

本文将IEC61850的面向对象建模方法引入到配电环网柜分布式DTU的自描述模型研究中，通过对配电环网柜分布式DTU功能进行梳理、分类，基于IEC61850标准建立分布式DTU信息模型，实现配电终端对配电系统的信息自描述，为配电环网柜分布式DTU设备的即插即用奠定基础。

1 IEC 61850自描述建模方法简介

IEC61850标准规范了电力系统内各智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)之间的通信协议和相关要求。IEC61850是个庞大的标准体系，而不仅仅是一个通信协议，其具有以下三大核心内容，分别为变电站的信息分层结构、面向对象的数据建模方法、数据自描述[13－14]。建立配电终端设备的自描述信息模型是实现设备即插即用的基础。

1.1 信息分层结构

IEC61850标准提出了变电站信息分层结构的概念，将变电站分层结构定义为变电站控层、间隔层以及过程层，且定义了不同层之间的接口[15]，分层模型如图1所示。

图1 IEC61850变电站三层模型

图1中，过程层主要包含过程接口、传感器和执行元件。过程接口负责过程层与间隔层之间的通信，常见的过程层装置为远方过程接口，比如过程总线连接的输入输出等。配电网一次设备属于过程层，其功能为采集信息。间隔层由各控制、保护单元构成，间隔层的功能为使用某一间隔控制、保护单元的数据并作用于这个间隔的一次设备。配电网二次设备属于间隔层，其功能为采集信息并将这些信息传输至站控层，并进一步接收其指令。站控层功能分为两种，即过程有关的站控层功能和接口有关站控层功能，过程有关的站控层功能可以使用采集的数据，并作用于一次设备；接口有关站控层功能用来表示各种通信接口，如远方控制中心接口等。

根据IEC61850标准提出的信息分层结构，对配电自动化系统进行抽象和信息分层，将其分为配电主站层、子站层和终端设备层。配电主站层可以实现配电网数据采集与监视(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)功能，负责采集信号并发送指令。子站层即配电自动化系统中的变电站，具备收集终端传输的信息并上传至配电主站和接收配电主站下达的命令并转发给馈线终端的功能。终端设备层包含各种现场设备，主要为馈线终端、配电站所终端等。

1.2 自描述和面向对象的建模方法

IEC61850标准的另一核心内容为面向对象的建模方法。该方法将变电站系统抽象为若干类，并描述了类的特征。根据这些类可以得到IED的分层信息模型，该模型分为四层，分别是服务器Server、逻辑设备(Logical Device，LD)、逻辑节点(Logical Node，LN)以及数据对象，其中数据对象包括数据和数据属性[16]。根据面向对象的建模方法，构建IED的分层信息模型，对不同层的标准化命名进行了明确约定，使得终端设备具备自描述能力，这种方式大大减少了终端设备配置和维修的工作量。

IED的分层信息模型如图2所示。其中，1 1··*表示上一级类模型由若干个下一级类模型聚合而成，数据类由若干个数据属性组成。

图2 IED数据模型

2 分布式DTU自描述功能梳理

分布式DTU由两部分组成，包括公共单元和间隔单元。分布式DTU的公共单元和间隔单元之间的结构如图3所示。公共单元负责汇集各间隔单元的二遥数据(遥信数据和遥测数据)、录波数据、保护事件、电能数据等相关信息，并经过安全加密认证后通过通信设备传输至主站。公共单元获取主站下发的遥控命令，实现对每个间隔单元进行遥控操作的功能。

图3 公共单元和间隔单元拓扑图

根据配电自动化系统以及分布式DTU具体应用的特点，其具有以下功能。

1)SCADA功能

SCADA功能即为遥测功能、遥信功能和遥控功能。

遥测功能包括采集A、B、C三相电流及零序电流；采集三相交流电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数；采集馈线故障电流；采集零序电流；采集蓄电池电压等直流量。

遥信功能包括采集开关的合、分状态量信息并向远方发送双位遥信；采集装置电源状态信息并向远方发送；采集设备故障、异常信息并向远方发送；遥测越限、过流、接地等故障信息并上报；采集柜门开闭状态信息并向远方发送。

遥控功能包括接收并执行遥控命令或当地控制命令，以及返送校核，与各种类型重合器、断路器和负荷开关配合执行操作；区分和保存主站和当地遥控记录。

2)保护功能

包括过电流保护、欠电压保护、故障定位功能、自动重合闸功能。

3)录波功能

发生故障时能够记录故障前后的电气参数。

4)电池管理功能

分别为电源失电保护功能和遥控电源的启动和退出的功能。

3 分布式DTU自描述信息模型构建

根据分布式DTU设备的功能分解与抽象结果，按照IEC61850标准中定义的模型，将不同类型的功能进行物理设备划分并对应至相应逻辑节点，以建立分布式DTU自描述信息模型。

为清晰化模型结构，进一步将DTU功能分为SCADA功能、保护功能、录波功能、电池管理功能。SCADA功能负责采集线路的电流、电压、功率等电气量，采集和监测开关的分合状态信息、电源状态信息、设备故障、异常信息等并向远方发送，接受并执行指令进行遥控。根据IEC61850提出的IED分层结构，将物理设备分布式DTU划分为以下五个逻辑设备，分别为测量LD、控制LD、保护LD、录波LD和电池管理LD。根据信息建模的方法，建立得到DTU的分层结构模型如图4所示。

图4 DTU信息模型

逻辑设备中包含的逻辑节点内容见表1。

表1 逻辑设备详细内容

另外，5个逻辑设备LD均包括逻辑节点LLN0和逻辑节点LPHD，未在表1中列出。其中，逻辑节点装置LLN0包含物理装置中智能电子设备的相关数据(装置标识、装置自检查报文等)，根据标准的定义，LLN0不限制对任何逻辑节点的访问。LPHD即物理设备的逻辑节点，包含拥有逻辑节点的物理设备的数据。

测量LD中，逻辑节点MMXU利用电流电压互感器采集电压、电流，计算其有效值，通过电压电流采样值计算功率；逻辑节点MSQI通过互感器采集数据，计算电路中的零序电流、电压值和三相不平衡电流、电压值；逻辑节点MHAI负责利用采集的数据计算电网中谐波等数值，用于确定电能质量；逻辑节点SIMG测量六氟化硫断路器的压力信号；逻辑节点XSWI包含负荷开关、隔离开关等，测量开关闭合和储能状态、保护动作信号和开关动作次数。

控制LD中，逻辑节点CILO具备连锁功能；逻辑节点CSWI控制开关的开合闸，具备检查控制命令权限；逻辑节点XCBR为断路器，分为无定点分合能力的断路器和具有定点分合能力的断路器；逻辑节点GGIO用于表示通用主装置或辅助装置的输入输出。

保护LD中，逻辑节点PTOC对应交流定时限过流保护；逻辑节点PTUV对应欠电压保护；逻辑节点RREC和RFLO分别对应自动重合闸和故障定位；逻辑节点PSDE对应接地故障。

录波LD中，逻辑节点RDRE负责记录电压、电流波形，通过状态输入获取位置信息。

电池管理LD中，逻辑节点ZBAT用于采集电池状态数据，控制电池充放电；逻辑节点ZBTC负责遥控电池的启动激活和退出。

基于上述分布式DTU自描述信息模型，配电环网柜能够自动快速地接入配电系统，以自描述信息模型为基础，实现配电终端设备注册、主站建模、配置下发等一系列功能，进而能够实现分布式DTU的即插即用。配电线路的环网柜终端可实时采集并监测环网柜的信息，有效地提升配电系统的自动化程度，推进了泛在电力物联网的建设和应用。

4 结论

本文对配电环网柜分布式DTU功能及各功能所需数据进行梳理、分类，基于IEC61850标准中相应数据模型进行建模。依据IED的数据模型标准，按照服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据的分层结构，建立分布式DTU完整的自描述信息模型，为其在配电系统中实现即插即用奠定坚实的基础。随着配电网规模的日益增大，配电终端设备功能逐步完善，自描述信息模型需按照功能的梳理分析进一步深化，以满足未来配电自动化系统的发展。