IEC61850变电站间隔层IED的建模与分析

张 利， 陶维青， 袁新喜， 王大亮

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009）

IEC61850自正式发布以来，受到国内外广大科研机构和产品开发公司的重视，2004年，ABB、SIMENS、GE、SEL等公司成功地完成各个厂家间的互操作性试验。国内主要产品厂家也对IEC61850展开了深入的研究与实现，并取得了可喜的进展［1－3］。

IEC61850把变电站自动化系统分成3层：变电站层、间隔层、过程层，其中间隔层IED是变电站系统的核心，同时与变电站层和过程层设备通信，在IEC61850解决的8类通信接口中，涉及间隔层IED的有6类［4］。本文对变电站间隔层IED的功能进行分析，指出了IED建模的一般方法，在此基础上对具有线路保护功能的间隔层IED进行建模，阐述ACSI和MMS之间的映射关系，讨论了间隔层数据的结构设计，指出了为实现新型IED所需的外部技术支撑，为遵循IEC61850产品研发提供参考。

1 间隔层IED功能分析

间隔层处于变电站层和过程层之间，需要同时与变电站层和过程层进行通信，如图1所示。间隔层IED要从过程层的电子式电流互感器和电子式电压互感器等设备中采集实时电流电压等采样值信息，将变电站层的命令如跳闸、闭锁等信息传输给过程层；同层之间要相互传输闭锁、解锁、跳闸、报警等信息；从变电站层接收对时、控制、查询、参数设置等命令，还要向变电站层上报日志、报告、故障等信息［5］。

图1 间隔层IED的功能分析

2 间隔层IED建模

2.1 IED建模的一般方法

IEC61850要实现设备的互操作性，模型建立是实现这一目标的重要步骤。IEC61850采用的是面向对象的建模方法，利用ACSI进行建模。IED建模一般需要3个步骤：①根据IED的功能描述，确定需要交换数据的功能，进行功能分解，确定核心功能逻辑节点（LN），进而确定数据（Data）和数据属性（DA）；②根据LN之间交互的信息片（PICOM）设计LN的分布方案，将同一个物理装置中的1个或多个LN组成逻辑设备模型（LD）；③为IED建立服务器模型，将LD包含在服务器中，根据服务器之间需要传输的PICOM，选取各层模型需要的服务模型［6］。

2.2 间隔层IED建模

上述LD、LN、Data、DA等，是IEC61850中ACSI所定义的抽象类，真正建模使用的是兼容逻辑节点类和兼容数据类，它们继承了LN和 Data的所有属性和服务。这使得IEC61850具有很好的开放性，在其他领域内应用时，只需导出适合特定应用的兼容逻辑节点类和兼容数据类，就可以构建起特定领域的模型。

下面根据IED建模的一般方法，对某110 k V线路上具有线路保护功能的间隔层IED进行建模，该IED具有3段相间距离保护、3段接地距离保护、3段零序方向过流保护和低频率保护，并辅以三相一次重合闸、过负荷告警等功能。

根据该IED功能，可由IEC 61850－7－4中对应的LN描述，并按功能分配在不同层，如图2所示［7］。

图2中，PTUF、ZPTOC、GPDIS、PPDIS、PTRC、RREC分别表示低频率保护、零序电流保护、接地距离保护、相间距离保护、跳闸条件和自动重合闸；MMXU表示测量功能；RDRE、RDRS表示扰动记录和扰动处理；XRCB表示断路器；IHMI表示手动操作功能；TCTR、TVTR表示电流互感器和电压互感器。

图2 线路保护IED的LN分配

图2较好地表达了图1中的间隔层IED的功能：PTUF、ZPTOC、GPDIS、PPDIS、PTRC向同层之间传递闭锁、解锁、跳闸等信息；PTRC、RREC向过程层传递跳闸、闭锁等GOOSE信息；MMXU及所有保护节点接收过程层传递的采样电压、电流等采样值信息；RDRE向变电站层传输录波、故障、日志和报告等信息，所有间隔层逻辑节点均接收变电站层的对时、控制、查询、参数设置等信息。

下面仅对ZPTOC逻辑节点进行建模，见表1所列，其余LN可参照进行建模［8］。

表1 ZPTOC属性列表

LN的建模完成后，根据LN之间的交互，将LN分属在不同LD中，将线路保护IED分解为3个LD，即LD1、LD2、LD3。LD1为保护功能；LD2为测量、记录功能；LD3为人机接口、断路器描述功能。所有LD均定义了LLN0和LPHD。LLN0代表LD的公共数据，如铭牌、设备运行状态信息；LPHD代表拥有LN的物理设备的公共数据，如物理设备的铭牌、运行状况信息。3个LD组成服务器（Server），再将Server单独作为一个IED，如图3所示。

图3 线路保护IED模型

ACSI的信息模型建立以后，还要建立其相应的信息模型服务，主要采用客户机／服务器（C／S）模型和点对点（Peer－to－Peer）模型。IED的通信服务模型［9］，如图4所示。

图4 IED信息服务模型

定值调用是一组典型的采用C／S模型的通信服务，GOOSE通信是典型的采用Peer－to－Peer模型的服务。信息模型每层提供的内容主要有以下几种：Server主要提供读服务器目录服务（Get－Server Directory）；LD主要提供读逻辑设备目录服务（Get LogicalDeviceDirectory）；LN主要提供读逻辑节点目录服务（Get Logical NodeDirectory）和读全部数据值服务（Get All Data Values）；Data提供读数据值（GetData Values）、设置数据值（Set Data Values）、读数据定义（Get DataDefini－tion）和读数据目录（Get DataDirectory）服务。除此之外，还有应用关联、文件、日志和报告等服务。到此，基本完成IED的建模。

3 ACSI与MMS的映射

IED模型建立后，需要被映射到具体的通信协议栈才可以正常工作。目前大部分ACSI服务都在应用层映射到MMS，映射的接口通常采用SIS－CO公司的MMS－EASE Lite。ACSI与MMS相关的对象和服务的映射关系见表2所列［10］。

需要指出的是，MMS目前可以很便利地支持通信服务，但是打乱了IED模型结构层次，没有真实地反映IED模型，破坏了语义依赖的确定上下文，会对互操作性带来一定影响。文献［6］中的ACSI－FC结构，把FC引入数据结构且真实反映了信息模型的对象层次，较好地支持了互操作性。

表2 对象及服务映射

4 需要的外部支撑

间隔层与变电站层主要是通过以太网进行数据传输，但其与过程层之间或者间隔层同层之间的传输较为特殊，其中的GOOSE信息没有经过TCP／IP而是直接从表示层到数据链路层，目的是确保传输速度。当不能对GOOSE单独组网时，要实现GOOSE报文与普通报文一起传输，并保证其传输快速性，就必须使用含有以下功能的交换机。

（1）802.1P优先级。图5给出了不同数据共网按优先级发送信息的机制，这个机制保证了交换机优先处理GOOSE信息。GOOSE优先级控制功能根据优先级设置将变位信息直接传送至相应优先级队列中，而不传送至通常的报文缓冲区。在支持IEEE802.P优先级的以太网交换机中，一般设置GOOSE报文优先级为4，普通报文优先级为1，这样就可以率先传输GOOSE报文，保证其快速性［11］。

（2）802.1Q VLAN。VLAN是一个与其他网络共用相同硬件的独立的以太网，不同的是每个VLAN作为独立的以太网，802.1Q定义了“tagged”帧格式，允许多个VLAN在一个主干网上传输。通过使用支持802.1Q的以太网交换机，可以减少广播流量，释放带宽，隔离实时数据流，使带有关键实时数据的IED不需要处理无关的数据包，同时还可减少广播的产生，增强网络的安全性，这也是为了GOOSE信息传输的快速性。

VLAN的划分有多种方法：按交换机的端口划分、根据MAC地址划分等等。目前国内建设的一些符合IEC61850标准的变电站多采用按交换机的端口划分VLAN。

图5 GOOSE报文和其他数据共网优先发送

（3）802.1W快速生成树。支持该协议的交换机决定最短路径，保证所有交换机均有一条路径连接网桥，阻止网络风暴的产生，具有快速自愈能力，提高了数据传输的可靠性。

5 结束语

IEC61850标准第1版已于2004年全部出版，第2版也在积极的出版中，第2版的内容已经扩展到变电站之外，涉及水电厂、分布式能源、变电站之间、变电站和控制中心之间的通信［12］。随着标准内容的修改和扩充，其涉及和需要考虑的内容也越来越多，其作为一个庞大的协议集，在系统设计时对对象模型、通信接口、程序调度等方面要仔细考虑，结合具体的开发环境和平台，才可能真正实现互操作。本文对间隔层IED的功能进行了分析，给出了IED建模的一般方法，并对线路保护IED建模给出了详细的步骤，阐述了ACSI和MMS的映射关系，指出了支持GOOSE与一般数据通信公网所需要的交换机的外部技术支撑，对生产出符合IEC61850的间隔层IED有一定借鉴意义。

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