基于IEC61850－90－1的广域保护信息模型和信息流分析

唐瑜，王倩

（西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

基于广域信息的继电保护与稳定控制有机协调构成的广域保护已经成为现代电力系统的研究热点，本文讨论的是广域继电保护功能，即充分利用广域范围内采集的各种信息，并利用网络通信进行多点综合比较判断，应用各种保护原理来丰富保护功能和提高传统保护性能，防止发生大范围长时间停电事故的广域继电保护系统。目前应用到广域保护的通信系统中还没有一个统一的数据交换模型。

IEC61850－90－1是使用IEC61850的变电站之间的通信规范，已经作为技术报告于2010年03月发布了英文版。该部分对变电站之间通信所涉及的各个方面进行了规范化。给出了该规范的使用领域（用例）；描述了通信要求；给出了变电站之间通信所需要的通信服务及通信架构；并对建模规范及涉及站间通信的增强的配置描述 SCL语言的使用进行了说明［1］。目前国内对该规范的研究才刚刚起步。

广域保护通信系统中涉及变电站与变电站之间的通信，因此，在IEC 61850－90－1变电站间通信标准的基础上，建立广域保护系统的数据模型和通信服务模型，对建立开放性、标准化的广域保护通信系统具有重要的理论意义和实际意义。

2 IEC 61850－90－1概述

IEC 61850－90－1给出了使用站间通信的保护和控制功能用例。主要包括线路电流差动保护、允许式和闭锁式距离保护、方向和相序比较保护、跳闸传输等保护功能和自动重合、互锁、发电机和负荷减载等控制功能。

2.1 通信接口配置

IEC61850－90－1中规定，站间通信的通信接口配置比变电站站内通信接口配置增加了接口2和接口11。且变电站站间通信的接口都位于间隔层，由间隔层IED直接进行通信。

接口2:用于变电站之间的保护数据交换。该接口涉及到例如线路差动保护的数据以及如线路距离保护的数字信号（二进制信号）；接口11:变电站之间的控制数据交换。该接口涉及到如远方闭锁或者变电站间自动化功能的数字信号［1］。

2.2 通信机制

根据IEC 61850－90－1技术报告，站间通信可以采用隧道机制和网关机制两种通信方式。网关方法即是用一个特定的远方通信装置作为网关，采用相应的低速通信通道。这也是现今已被采用的方法，不同点在于，需采用遵循IEC61850标准的远方保护装置。

“隧道机制”是指允许采用“直接接入”至远方站的功能的连接多变电站网络的方法，即两个变电站采用高速通道直接交换信息。隧道是为一些特定类型的协议配置的，例如基于VLAN ID。对于IEC61850，相关的类型的协议可以是TCP/IP（对于客户端/服务器通信）和以太网第2层的多播报文（GOOSE和SV）［1］。

2.3 逻辑节点改变

IEC61850－90－1报告根据站间通信的应用范围，新增了通信接口逻辑节点ITPC，用于通信通道的设置和监视功能，ITPC不包含传送的输入输出数据，也没有处理的数据对象，可以使用实例名ITPC1，ITPC2等分别代表多个通道的通信接口。报告根据线路保护用例对线路保护配置逻辑节点PSCH进行了修改，根据站间电流差动保护用例将差动测量逻辑节点MDIF替换为RMXU。该逻辑节点除了具备MDIF的功能之外还提供了同步采样的功能，本侧RMXU将作为本侧电流传感器的采样序列或相量的同步源，并将信息传至本侧PDIF和远端PDIF［1］。

3 广域电流差动保护算法

电流差动保护是反应从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和的一种保护，是根据基尔霍夫电流定律的具有绝对选择性的一种保护。广域电流差动保护则将该保护原理拓展应用到广域电力系统中，通过采集广域网中多测量点的电流信息进行差动保护的计算和故障定位。基于GPS的广域测量系统为广域保护提供了能同步采集全电网多个结点信息的有效手段。

广域电流差动保护算法主要解决两方面的问题，一是保护范围的划分；二是IED关联域的形成，即任意IED的信息交换对象。文献［5］根据电网接线图，以研究对象IED为“根”，采用拓扑树的方法逐一搜索IED在各个保护区域中的关联IED。IED与不同的关联IED进行电流差动计算可为不同的区域提供差动保护。该方法只适用于放射性网络，没有考虑环网的情况。且当电网拓扑结构改变，或者接线方式为分段式母线、双母线和一个半接线的情况下，保护范围将随网络结构的变化而变化。文献［6］提出了基于图论的保护范围划分实现方法。将电网拓扑图用相关矩阵表示，通过矩阵可以得到IED保护范围和关联域，网络拓扑发生改变时亦可通过修改矩阵参数重新生成IED关联域。文献［7］采用知识表示描述电网拓扑结构，并利用专家系统以及通过与SCADA系统连接，按照规则搜索各一次设备邻接的保护IED，动态在线划分保护区域。

本文采用文献［7］的知识方法描述电网拓扑结构，按照知识表示中对IED的描述:IED（编号，名称，状态，I侧连接的一次设备，J侧连接的一次设备），扩展广域电流差动保护逻辑节点并新建数据对象。

4 基于IEC61850－90－1的广域电流差动保护信息建模

4.1 系统结构

广域继电保护系统结构一般分为集中式和分布式两大类。集中式结构由IED担任测量和命令执行功能，中央处理单元执行保护算法和决策，这种结构对中央单位依赖性大，且有较长的时间延迟。在分布式结构中，每个IED的地位是平等的，并由IED与其他IED进行对等（Peer－to－Peer）通信，独立完成信息的采集、算法的执行、策略的生成以及跳、合闸命令的执行功能，对IED要求很高。

在分布式结构中，只要确定好信息交换的范围，不会出现信息在IED之间多次往返的情况，因此通信延时不会较长。因此，本文广域电流差动保护系统采用分布式系统结构。如图1所示，给出了该系统的结构示意图，标号表示基于IEC61850－90－1的通信逻辑接口配置编号。以变电站A为例，先将站A及站B的网络拓扑信息存入站A的站控层计算机，采用广域电流差动保护算法，计算得出站A中所有IED的关联IED编号，存入IED中。

当网络拓扑未改变时:每个IED与关联域内的IED进行通信:站内通过接口8，站间通过接口2和接口11传输保护与控制信息，并根据交换的电流信息进行差动计算和故障定位，发出跳闸命令。

图1 系统的结构示意图

当网络拓扑更改时:IED向站控层发送自己的拓扑信息，站A与站B通过站控层通信，根据拓扑改变信息各自重新生成站内IED的新的关联域，并将结果发送至IED。

系统采用这种分层分布式通信结构，信息交互灵活，既防止了变电站之间传输大量故障信息对站控层造成的通信负荷，又能准确地根据拓扑变化得出IED的新关联域。

4.2 广域电流差动保护逻辑节点类的扩展

IEC61850－90－1中定义了用于电流差动保护的逻辑节点PDIF，但该逻辑节点并未包含保护范围和IED关联域划分的功能。因此，本文基于PDIF逻辑节点，扩展新的逻辑节点——广域电流差动保护逻辑节点。

按照IEC61850中逻辑节点的命名规则，属于继电保护范畴的第一个字符取为“P”，其他字符按英文名称可取为“WDIF”，因此，广域电流差动保护逻辑节点命名为“PWDIF”。具体各字符含义如表1所示。

表1 新逻辑节点“广域电流差动保护”

可以使用实例名PWDIFA，PWDIFB，PWDIFC分别代表广域电流A，B，C相差动保护。

当扩展一个新逻辑节点时，必须为这个逻辑节点创建新的数据。为一个逻辑节点类创建什么样的数据，取决于建模功能的需要。广域电流差动保护主要具备划分关联IED和电流差动保护计算两大功能。

广域电流差动保护逻辑节点的数据对象如表2所示。

其中，差动保护功能相关数据对象:Str，Op，RstA，RstMod，MinOpTmms，MaxOpTmms，RsDlTmms，TmACrv。

保护区域和IED关联域划分功能相关的数据对象有:MinRch、MaxRch、Stu、MaxRchID、MinRchID；ID、CnetI、CnetJ。其中，ID、CnetI、CnetJ 以及 Stu（IED 状态）用于网络拓扑更改时向站控层传送的IED拓扑信息描述，MaxRchID和MinRchID用于IED通信对象的描述，MinRch和MaxRch为广域电流差动保护算法输出结果，用于跳闸判断。

表2 广域电流差动保护逻辑节点类的数据

此外，应为每一个新增数据对象在IEC61850－7－3的CDC公共数据类中选择合适的数据类型。如MinRch（故障是否位于最小保护区域），是通过广域保护算法输出的结果，属于状态信息，可以选择SPS单点状态信息类型。限于篇幅，其他数据对象的选型标注于表2中。

下面给出了基于C++语言描述的PWDIF逻辑节点类。

4.3 广域电流差动保护信息模型构建及信息流分析

为了更好地说明信息模型建立的过程，以一个六节点的简单电力系统结构图为例，如图2所示。

图2 六节点电力系统结构示意图

G代表发电机，e为断路器和IED编号，L1－L3为线路编号。广域电流差动保护通信系统中任意IED都是对等的，可以按照算法与关联域中IED进行对等通信。因此，本文以IED1为例，e1最大保护范围内的关联IED有:e2～e9，需要与sub2和sub3两个变电站的IED进行通信。

本文采用隧道通信机制，给出了广域电流差动保护通信信息模型，如图3所示:虚线框所示为广域电流差动保护IED对象模型。其中:测量功能采用90－1技术报告中新增的逻辑节点RMXU，具有同步采样的采用源功能；新建逻辑节点PWDIF代表广域差动保护功能；PTRC代表断路器控制功能；ITPC代表通信功能；RBRF代表断路器失灵保护功能。此外，该通信信息模型还包括逻辑节点:TVTR、TCTR电压电流互感器，XCBR断路器。

图3中，以IED2和IED3为代表，表示IED1的保护范围内的关联IED，其它关联域内的IED在图中省略。

模型中信息流用箭头表示。TCTR、TVTR传送电压电流信息至RXMU，由其同步采样并将采样序列或相量值传送至PWDIF广域保护逻辑节点，PWDIF将广域保护算法所得故障定位结果传送至PTRC断路器逻辑控制节点，并由其发送跳闸命令控制断路器跳闸。

图3中，站间IED交互的信息流包括:①站间传输的电压电流信息，即IED1将同步采样所得的电流值传送至关联域内的 IED2和IED3，并接收来自关联IED的电流信息。②站间传输的故障判断结果信息，IED1通过差动计算得出故障定位结果，并将结果传送至关联域内其他IED，同时接收来自关联IED的故障判断结果。③站间传送的跳闸请求。IED具备向其他IED发送跳闸信息完成远方直跳的功能。图中，假设线路L1故障，IED1正常工作，IED3的数据采集和通信系统正常工作但没有正确执行保护算法，无法做出故障判断决策。IED1应能直接向IED3发跳闸信息，控制断路器3跳闸。④站间传输的断路器失灵触发信号。该信号实质为跳闸允许信号，如图IED1的RBRF节点判断本断路器失灵，将该信息传送至关联IED2和IED3，IED3和IED2再根据各自测点是否存在故障电流最终确定是否跳闸。

图3 基于IEC61850－90－1广域电流差动保护信息模型

4 结论

广域保护的提出为大电网安全稳定运行提供了有效途径，而广域保护通信系统涉及多个变电站之间及变电站与控制中心的通信。IEC61850－90－1的颁布为建立开放性、标准化的广域保护通信系统提供了理论基础。本文以广域电流差动保护为例，基于IEC61850－90－1，采用分布式结构，并参照广域电流差动保护算法，扩展了广域电流差动保护逻辑节点，采用隧道通信机制，建立了涉及站间通信的广域电流差动保护信息模型。为构建开放性、标准化的广域继电保护系统奠定了基础。

［1］Communication networks and systems for power utility automation －Part 90 －1:Use of IEC 61850 for the communication between substations，Ed.1，2010.

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