基于IEC61850的电能质量监测IED建模

摘 要：本文介绍了满足国际标准IEC61850的电能质量监测IED的建模,以满足电力系统电能质量的要求。所提出的模型包含了用于智能变电站信息交换的通用格式和基本数据类型。且该IED模型是面向对象建模，当电力系统应用和软件参数更改或者升级时无需对模型做更改。文中首先介绍了电能质量监测的要求分析在线监测需要采集的数据类型；介绍了IED建模的一般步骤，并结合电能质量在线监测,完成IED建模。

关键词：智能变电站，电能质量监测，IEC61850，IED

Abstract: This paper conducts the study of the power quality monitoring IED model based on the international standard IEC61850 for information exchange to support power system quality. The object models incorporate basic data types for the common formats used in power system information exchange. The paper firstly introduces the requirement of power quality monitoring, and gives the analysis of data collecting types for online monitoring. The general steps of IED modeling is introduced and the IED model combined with the power quality online monitoring is completed.

Key words: intelligent substation, Power Quality Monitoring, IEC61850，IED

中图分类号：F407文献标识码： A

0绪论

电能质量监测PQM(Power Quality Monitoring)是电网安全经济运行和用户安全优质用电的重要保障[1]。近年来，各种PQM产品也层次不穷[2]。但目前电能质量监测设备主要存在以下一些不足：部分产品采用通用计算机作为现场监测分析工具导致成本偏高；设备配置的灵活性、通用性差；远程通信能力有限；对干扰的分类和故障的辨识能力有限；实时性差，时频分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能力；现场设备不具备联机处理能力，对现场设备的存储容量要求很大。智能变电站及IEC61850的出现，为解决上述问题提供了可能性。

IEC61850提出了采用面向对象的建模方法和数据描述[3]。使用标准化的模型可以实现不同厂商的IED之间的互操作性，减少了工程配置时间，简化了满足要求的工程配置工具的开发。

目前，国内外都比较关注IEC61850的进展和研究。文献[4]以IEC61850标准的实现为基础,设计转换网关应用串口通信、信息建模以及XML等技术；文献[5]探讨IED遵循IEC61850标准的数据建模的过程步骤；文献[6]详细介绍IEC61850-6中变电站配置描述语言SCL的层次型对象模型和语法结构并提出了IED的SCL文档配置工具的设计思路和实现方案。本文在以上文献的研究基础上，结合PQM的特点和要求，对IED进行建模，给出具体逻辑节点，并依据现有的软件工具，实现SCL的编制。

1电能质量监测要求

为了保证电网安全经济运行和对用户连续可靠的供应电能，保障输配电设备、用电设备与装置的正常使用，就必须以科学技术和运行经验的综合成果为基础，按照标准化的原则对电产品制定并统一的和适度的基本指标规定，以及统一的质量检验方法和实施指导。

目前常用的PQM指标包括[3]：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、电压波动、电压闪变、电压暂降、电压骤升、电压短时中断、谐波和间谐波。

对PQM指标的理解，有助于对IED建模时对逻辑节点的理解。

2电能质量监测IED建模

IEC61850标准采用面向对象建模技术，使信息模型具有继承性、可复用性等特点。为了满足IED的不同要求，所有功能被分解为逻辑节点[7]。

IEC61850标准的信息模型包括采用分层分类思想建立的基本信息模型和对基本信息模型进行操作的信息服务模型。采用面向对象的组织思路，是基于客户机/服务器模式的数据结构，每个IED内可定义一个或多个服务器，每个服务器内可以定义一个或多个逻辑设备，每个逻辑设备内又包含若干个逻辑节点，逻辑节点由数据对象和数据属性组成[8]。IED对象模型要与实际系统严格对应：服务器对应实际设备所能提供的服务；LD是对实际设备的抽象；LN是实际设备功能的抽象；LN中包含的数据完整描述了该LN的语义（即LN代表分解后的子功能）。根据其分层结构可得图1所示的关系图。

图1 分层结构逻辑关系

IED建模通常分为三个步骤。

(1)逻辑节点和数据的建立

根据IED的功能，确定需要交换数据的功能；功能分解，确定需要的逻辑节点；确定兼容数据并确定数据属性。

根据PQM指标要求以及对设备的功能分解，该IED中应包含的逻辑节点如表1所示，图2为功能模型。

表1逻辑节点

逻辑节点 说明

LPHD 为物理装置的公用信息建模

LLN0 包含有物理装置中智能电子设备相关数据，与物理装置所包含所有逻辑节点无关

基本测量类逻辑节点

MMXU 计算电流、电压有效值，并通过所采集电流、电压采样值计算功率

MADV 三相系统的电压、电流和有功功率的求和

MHAI 计算电网中谐波、间谐波和相关数值

MMTR 通过所采集的电流、电压采样值计算电能（积分值）

MFLK 电压波动引起的闪变的计算

MSQI 计算电网中序值和不平衡

电能质量事件类节点

QFVR 频率变化

QITR 电流瞬变特性

QIUB 电流不平衡变化

QVTR 电压瞬变特性

QVUB 电压不平衡变化

QVVR 电压变化特性

扰动记录类逻辑节点

RDRE 扰动记录

RADR 扰动记录模拟通道

RBDR 扰动记录状态量通道

图2功能模型

在建立了逻辑节点的基础上，需要对每一类逻辑节点的数据属性进行分析。以MMXU为例，根据IEC61850相关内容[9]，节点说明情况如表2所示。

表2 MMXU类节点定义

MMXU类

属性名 属性类型 说明

数据

公用逻辑节点信息

Mod INC 模式

Beh INS 性能

Health INS 健康状况

EEHealth INS 外部设备健康状况

被测量

TotW MV 总有功功率P

TotVAr MV 总无功功率Q

TotVA MV 总视在功率S

TotPF MV 平均功率因数PF

Hz MV 频率

PPV DEL 线电压

PhV WYE 相电压

A WYE 相电流

W WYE 单相有功功率P

Var WYE 单相无功功率Q

VA WYE 单相视在功率S

PF WYE 单相功率因数

Z WYE 单相阻抗

(2)逻辑设备的建立

从逻辑上，IED可看作是由逻辑设备组成。IEC61850并没有规定逻辑设备的映射规则，而是根据需要，以方便实现信息交换的方式来划分逻辑设备。如图3所示，逻辑设备由逻辑节点和对应的服务组成，对外提供本IED的信息或由逻辑设备控制的外部设备信息。在网络中，物理设备的铭牌、运行状态等信息被定义为外部可视的，ACSI中定义的相应服务可以提供对这类信息的访问[10]。

图3 逻辑设备的组成

一般情况下，一台PQM装置可以完成多条线路的监测，根据电能质量监测装置的实际情况，可以规定PQM终端中，一个监测通道就是一个逻辑设备。假设一台电能质量监测装置中有 3个监测通道 ：监测线路1、线路2和线路3，对应的逻辑设备分别为PQMRI、PQMR2、PQMR3，所组成的电能质量设备模型结构如图4所示。图5为PQM IED模型逻辑结构示意图。

图4 PQM设备模型结构图

图5PQM IED模型逻辑结构

(3)通信服务的建立

IEC61850标准主要采用客户机/服务器和点对点两类通信服务模型。由于客户机/服务器方式更灵活，支持更全面的ACSI服务，确立采用客户机/服务器通信模式，主要包括收发的网络节点之间建立连接，再通过请求、指示、响应、确认的过程完成传输，最后断开连接。

通过ACSI定义模型实现两个符合IEC6l850标准的智能电子设备IED在客户机/服务器模式下的通信，首先利用关联模型建立两个设备之间的连接，同时关联模型还设置了服务器信息和功能的访问限制;提供信息的IED作为服务器，将其需要上传的数据属性放到相应的数据集中，当客户端进行相关的数据发送请求时，服务器端以数据集的形式，生成相应的报告发送给客户端。客户端作为控制中心向服务器发送控制、设置命令，根据逻辑节点对应的服务，客户端还可以针对某个逻辑节点的数据属性进行数据的读取。

以上建模步骤只是实现一个IED模型的结构框架，IED的表现形式并没有得到说明。事实上，IED模型是通过SCL配置语言进行说明和实现的。

3IED配置语言(SCL)

为了以某种兼容的方式交换智能电子设备的能力描述，以及在不同厂家提供的智能电子设备工程实施工具间交换变电站自动化系统描述，IEC61850规定配置文件的内容必须遵守变电站配置语言SCL的规定，在SCL文件中按照统一的方法对设备配置进行描述，保证设备之间的相互识别。

SCL语言基于可扩展标记语XML Schema1.0版本，是XML在变电站自动化系统中的特定应用。

SCL定义的变电站自动化系统由五个主要元素组成：Header、Substation、IED、Communication以及DataTypeTemplates，其树型分支结构如图6所示。

图6 SCL文件树型分支结构

智能电子设备IED节描述一个智能电子设备IED的（预）配置说明：它的访问点、逻辑设备、和实例化的逻辑节点。它定义IED提供的通信服务能力，以及它的LNType、实例的数据对象(DO)。每一个智能电子设备IED必须有一个智能电子设备IED节。智能电子设备IED名字（Ref属性）在文件中必须是唯一的。也就是说，对IED部分的配置文件要求描述每一个IED配置了哪些逻辑设备，每个逻辑设备拥有哪些类的哪些逻辑节点，可得到什么报告，报告中有哪些数据和预配置关联可用，记录哪些数据。

与IED节联系最紧密的是DataTypeTemplates，定义SCL中的所有数据类型。包括整个系统中出现的逻辑节点类型LNodeType、数据对象类型DOType、数据属性类型DATyp、枚举类型EnumType，各个数据类型问是逐层深入的，定义的先后顺序不能改变，以逐层逼近的方法将数据信息以标准化的方式描述出来，其树型分支结构如图7所示。

图7 IED与数据类型模版树型分支结构

将本IED设置为服务器，下设三个逻辑设备，用以实现电能质量事件的监测、记录和分析。在服务器中，需要对接入点和逻辑节点进行说明，但每个逻辑节点的具体参数需要在DataTypeTemplates中进行说明，图8为部分代码截图。

图8 部分源代码

在完成SCL配置语言以后，还需要通过一致性测试等工作，在此基础上完善通信等服务，最终得到后缀名为.CID的配置文件，就可以在不同厂商生产的IED设备上进行配置，实现无缝链接。

4结论

智能变电站PQM技术一直都存在，但由于不同厂家使用不同的通信规约使得设备彼此不兼容。IEC61850的出现解决了这一问题。本文依据IEC61850相关标准，结合数字化变电站PQM的特点和需求，分析了IEC61850的建模特点及适用范围，在此基础上分析了IED建模的步骤，针对PQM IED的实际需求，确定了IED建模所涉及的逻辑节点类型及具体属性，完成IED建模和SCL配置语言的编制。文中的IED建模提高了设备的兼容性。

参考文献

[1] Apostolov, Object modeling of measuring functions in IEC61850 based IEDs[C]. Transmission and Distribution Conference and Exposition. Los Angeles, USA, 2003:471-476.

[2] Alexander A, Use of IEC6l850 object models for power system quality/security data exchange[J]．Quality and Security of Electric Power Delivery Systems.2003, (10):155-164.

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[5] 廖泽友,孙莉,贺,刘伟.IED遵循IEC61850标准的数据建模[J].电力系统保护与控制.2006,(20):40-43.

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[7] 徐鹤勇,和敬涵.基于IEC61850电能质量监测装置的建模与实现[J]. 电力系统保护与控制.2007,35(21):55-58.

[8] IEC61850-5. Communication networks and systems in substations-Part 5:Communication requirements for functions and device models [S].IEC.2003.

[9] IEC61850-7-4. Communication networks and systems for power utility automation-Part 7-4: Basic communication structure-Compatible logical node classes and data classes[S].IEC.2008.

[10]IEC61850-7-1 Ed.2. Communication networks and systems for power utility automation Part 7-1:Basic communication structure-Principles and models[S].IEC.2008.

[11] IEC61850-6 Ed.2. Communication networks and systems for power utility automation-Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].IEC.2008.