保护信息系统IEC61850建模及CIM扩展的研究与应用

保护信息系统IEC 
61850建模及CIM扩展的研究与应用胡绍谦1,李 力1,
2,祁 忠1,林 青1,代小翔1,熊 蕙1,2
(1.南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市211102;
2.智能电网保护与运行控制国家重点实验室,江苏省南京市211106
)摘要:目前变电站保护信息(简称保信)应用主要停留在查看和管理层面,更进一步的高级应用分
析需要模型的支持。文中总结了目前主子站保护建模现状,研究了故障诊断、保护定值在线校核等
保护信息应用功能对保护建模的要求,分析了IEC 
61850标准中一次设备模型、二次设备模型和一二次设备关联关系的表达方法,基于IEC 61850标准保护模型定义,给出了一种主站公共信息模型(CIM)
中扩展保护模型的合理方法,并给出了保护模型源端维护、主站应用的流程。所提出的基于IEC 
61850标准的保信建模和源端维护方案能够弥补主站CIM中二次部分不足的缺陷,消除主子站模型不一致性,简化工程配置,实现主子站上下贯通,支撑保信主站实现丰富的应用功能。关键词:IEC 
咏箸61850;公共信息模型(CIM);保护信息系统;保护建模;源端维护收稿日期:2015-07-04;修回日期:2015-11-06。上网日期:2016-01-
11。0 引言
为满足电网故障信息管理的需求,继电保护及故障管理系统得到了大规模的建设和推广,也称保护信息(简称保信)系统。该系统或单独建设或与其他系统综合在一起,由主站、子站和通信网络组成,可以实现对保护和录波装置的运行参数和工况进行
实时采集和监视,
及时发现装置的异常情况,在电网故障时,能快速采集现场装置的动作报告和故障录
波文件,实现故障信息显示和报警、保信分析、故障信息自动归档和发布、运行情况统计、图形界面显示等功能。
保信主站的应用首先需要基于一个好的保护模型,但是目前的主站标准IEC 
61970采用公共信息模型(CIM),对于保护模型的描述比较简单,不能满足对保护信息进行应用分析的需求。没有完善的模
型支撑,多数保信主站的应用仅停留在保护信息的
查看和管理层面[1-
2],不能进行深入的分析和应用。
文献[3
]中保信主站按照自己的理解生成了适合本系统保信应用功能实现的私有模型,由于是私有模
型,
导致主站系统间共享困难,且需要在主站进行复杂的人工建模工作。文献[4]介绍了变电站建立模型和图形,经转化后送至调度中心,在调度中心拼接形成全网模型的方法,但只给出了宏观方案,没有涉
及保护功能建模、建模规则以及站内实现方案等。
变电站继电保护设备模型在IEC 61850(DL/T 
860)系列标准中有详细而明确的描述。标准中定义了智能电子设备(IED)
、逻辑装置、保护逻辑节点的类,可以满足多数制造商不同型号模型的需求。为了进一步规范IEC 61850标准中的保护模型,国家电网公司和南方电网公司还制定了IEC 
61850标准工程继电保护应用模型[5]
,在标准基础之上作了进一步详细的规范,提高了各厂家设备模型的规范
性,具备应用分析的基础。基于站内建模规范,可以形成完整的站内保护设备二次模型,保信主站的应用分析功能完全可以基于站内已有模型,该模型采用统一标准,且保护专业容易理解,同时标准的开放性也可以支撑以后主站应用功能的扩展。
为此,可以参考站内保护模型定义,完善主站的CIM,定义一个统一的保信模型规范,采用源端建模技术,保证主站模型的一致性,支撑主站的保信功能应用。
1 保信模型应用现状
1.1 厂站端保护模型
1)IEC 60870-5-
103保护模型传统变电站保护装置没有明确的模型规范,通信协议多采用IEC 60870-5-103或类IEC 60870-5-
103扩展协议,保护装置模型简单地通过IEC60870-5-103通信点表的方式表达,IEC 60870-5-
Vol.40No.6Mar.25,2016
DOI:10.7500/AEPS20150704003
103的通信点表承载保护装置对外能够提供的通信数据,用来描述保护装置的输入输出信息,如保护动作信号、保护开入状态、软压板状态、告警信息、装置参数、定值。采用“组+条目”的格式组织,但是信息点表中的每个条目仅仅按照其描述不能准确表达其含义,即信息点表没有明确语义,不利于计算机识别,无法给应用分析使用。
2)IEC 61850保护模型
IEC 61850不仅仅是一个通信协议,该标准中有专门的章节比较详细地定义了站内二次设备
模型,把保护元件抽象成了逻辑节点,每个逻辑节点下包含代表本保护元件信息的数据对象,如动作信号、压板、控制字、定值等。采用IEC 61850的变电站模型用变电站配置描述文件(SCD)表示,还包含一次设备结构、通信参数、所有的IED、一二次设备的关系,能够完整地表达变电站一二次设备结构。IEC61850模型有明确的语义定义,且保护专业人员易于理解,适合用来作为继电保护应用分析。
1.2 主站端模型
在主站端,IEC 61970的CIM为电力系统模型的标准化打下了良好的基础,CIM可以很好地描述一次模型,采用CIM建立的一次模型得到了广泛的应用。但是CIM对二次设备的描述比较简单,虽然也提供了保护包,并建立了保护模型,但该模型过于简单,保护原理描述不全,保护设备中的保护元件没有体现,保护设备的输入输出信号定义不明确,缺少保护跳闸出口模型,不足以基于其进行应用分析,如附录A图A1所示。因此,保信主站系统采用不同方法对CIM进行扩展,以满足各自系统的保护应用分析功能。
第一种方法:站端保信子站对一次设备进行建模,二次设备按照IEC 60870-5-103信息点表进行组织。主站端通过通信协议召唤一次设备模型,一次设备关联的保护装置地址,每台保护装置的IEC60870-5-103信息(包括组标题、条目信息等)。该模型在主站端可以展示
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一次设备、保护装置的安装位置,显示保护动作、动作告警信号,通过命令召唤每台保护装置的参数和定值等。该方法二次模型不能体现保护原理,可用于保护信息查看和告警等,不能用作进一步应用分析。
第二种方法:在主站人工建立一次模型、保护模型及并体现安装位置、跳闸出口等信息。具体做法是基于CIM扩展通用保护模型,由保护装置实例、保护装置模型及通用保护模型三部分组成,其中,保护装置部分描述了电网中各个具体的保护装置对象,关联了现场具体被保护设备,即保护装置实例;
保护装置模型部分按保护装置类型描述各保护装置的模型,每一种实际保护装置类型(型号)对应一个保护装置模型对象;通用保护模型部分是对保护装置模型的进一步抽象,它不涉及具体的保护装置,而是基于保护原理对不同类型保护装置进行语义和功能上的规范,如过流保护Ⅰ段、距离保护Ⅰ段[3],如图1所示
图1 按装置型号定义保护模型
Fig.1 Protection model for relay
该方法通过抽象建立了通用保护模型类—保护模型类—保护装置类。层次分明,容易理解,缺点是需要在主站维护接入到系统中的所有型号保护装置模板,并且保护装置程序升级带来的模型修改还需要反馈到模板中,工作量较大,推广困难。
第三种方法:直接采用站内SCD模型,SCD模型在站内完成,包括一次设备描述和二次设备IED模型,以及一二次关联关系,主站直接导入该SCD模型,并基于该模型进行保护应用分析。该方法在浙江保信系统得到了应用[6-7]。该方法直接利用站内标准模型,并且IEC 61850的模型比较完善,其保护模型比较专业,易于理解,方便分析。但是在主站采用非CIM,不方便主站不同系统和应用间的共享,不能保证与其他系统CIM的一致性,目前多用于保护信息的查看。
2 保信应用对建模的要求
2.1 保信主站常用高级应用功能
1)智能故障分析
智能故障分析功能,可以根据保护动作信息,快
2016,40(6)·信息通信技术及应用·
速分析结果,并召唤相关保护装置定值和相关波形文件,利用定值、波形和保护动作结合进行故障分析,得出故障测距、故障电流和故障相别等,并以图形等直观的方式显示处理,另外,还可以进行保护动作行为校验。
2)定值在线校核
一是实现保护配合关系的校核,通过定值结合上下级保护的选择性,主要检查保护是否越级动作;二是保护定值灵敏度的校核,包括线路纵联保护定值灵敏度、变压器保护灵敏度等。
3)调度员培训仿真
调度员培训仿真功能包括:用户通过一次接线图进行故障设置,一次设备关联的保护动作,仿真跟实际现场一样;定义保护出口包含的跳闸开关(如主变高后备跳高压侧开关或三侧开关);修改定值、控制字和压板进行各保护单元的详细仿真。
2.2 建模要求
不同建模方法满足不同程度的保护应用分析,简单的模型可以做到查看和管理,复杂一点的可以进行故障分析,更完善的可以进行在线定值校核等功能。完善的保护模型应该能够满足日益提高的应用功能需求。梳理总结如下。
1)保护动作元件的语义要明确。
2)保护定值语义要明确。
3)跳闸控制字、压板含义要明确。
4)保护装置与一次设备的关联关系要明确。
5)保护跳闸出口元件与一次设备(开关)的关联关系要明确。
6)录波通道的类型要明确。
7)录波通道与一次设备的关联要明确。
8)对保护装置本身进行全面的、完整的建模。
9)从保护的原理出发,屏蔽各保护设备厂家的装置差异,对不同类型保护装置进行语义和功能上的
规范。
3 保信建模方法
3.1 保信建模思路
站内IEC 61850的保护模型也在不断规范和完善。基本可以满足上节中总结的保护应用对模型的需求,且保护专业容易理解,同时标准的开放性也可以支撑以后主站应用功能的扩展。本方案的保信应用模型基于IEC 61850标准,通过简单映射,生成主站需要的CIM,实现模型源端维护、数据自动关联。
1)完善IEC 61850模型,制定保护信息工程实施模型规范,在标准定义的模型基础上,根据保信应用需求,明确站内保护模型必须提供的内容和选项,
并根据需求进行适当规定和扩充。明确SCD模型中一次设备和保护功能的关系规则,正确表达保护装置保护范围、保护功能与跳闸出口的关系等。
2)参考站内保护模型定义,完善主站的CIM,定义一个统一的保信模型规范,保证主站模型的标准化和主子站模型的一致性[8]。具体做法是在主站CIM中扩展保护功能类,这些类和IEC 61850的保护逻辑节点类保持一致,能够简单而又无损失地进行映射,完美目标是实现站内SC
D模型到主站CIM的无缝转换。
3)站内生成CIM,各级主站统一采用,实现“源端维护”,避免主站间模型不一致。
4)采用IEC 61850协议出站,模型和数据具有内在关联,自动完成模型和数据的映射,取消手工关联工作。
3.2 保信建模技术基础
1)SCD模型
IEC 61850比较详细地定义了站内二次设备模型,把保护元件抽象成了逻辑节点,每个逻辑节点下包含代表本保护元件信息的数据对象,如动作信号、压板、控制字、定值等。
站内SCD模型还包含一次设备结构、通信参数、所有IED、一二次设备的关系。这个模型和主站所用的CIM从内容上是基本一致的。
2)CIM
CIM中对二次设备部分信息定义比较少,仅有一个ProtectionEquipment类,
没有具体保护功能的模型,需要对CIM进行扩展,在站内形成一个完整的CIM。在SCD的Substation部分,一次设备可以和功能(Function)相关联,功能(Function)用逻辑节点表示。在CIM中没有功能定义,一次设备和测点相关联,因此需要在主站CIM中扩展相应的保护功能。
3.3 IEC 61850模型完善
IEC 61850模型中包含了保护设备自身模型、保护功能模型、跳闸出口模型、定值模型等。为满足工程应用,国家电网公司制定了《IEC 61850工程继电保护应用模型》企业标准,可以满足基本的工程应用。为满足本文列出的和以后可能扩展的应用需求,还需要进行一定的规范和细化,特别是需要规范一次设备和保护功能的关联关系表达方式。3.3.1 逻辑节点建模补充
1)需要明确指出分段保护的实例化要求,如可以规范用前缀和后缀组合表示,ZroPTOC1,ZroPTOC2分别表示零序过流Ⅰ段和零序过流Ⅱ段。
胡绍谦,等 保护信息系统IEC 61850建模及CIM扩展的研究与应用
2)需要明确同一段不同实现的模型表示方法。如有的保护装置具有过流Ⅰ段Ⅰ时限、过流Ⅰ段Ⅱ时限,采用T1PTOC1,T2PTOC2表示。
3)标准中保护逻辑节点不能覆盖国内厂家保护功能,需要相应扩充,并且明确保护功能不能使用GGIO,需要采用明确语义逻辑节点。
3.3.2 数据对象DO规范补充
标准中保护DO相对较少,不能覆盖所有厂家的保护功能,需要进一步规范DO的命名,使其真正为后续应用分析自动解析。如国内保护保护控制字和软压板比较常用,但标准中模型中没有对应的DO,需要做相应的扩充。
厄尔尼诺事件3.3.3 跳闸出口表示
IEC 61850有明确的逻辑节点PTRC表示跳闸出口,因此,在间隔(Bay)或导电设备(ConductingEquipment)中如果包含保护逻辑节点(如PTOC)需要跳闸出口,同时还需要包括对应的跳闸逻辑节点(PTRC)。保信主站根据PTOC和PTRC的Op和Tr的测点实时值判断是否动作和出口,不必像传统方式那样通过读取跳闸控制字的方式判断跳闸出口情况。
3.3.4 保护装置自身关联
一次设备只关联逻辑节点,可以在SCD中到对应的IED,从而到该IED下的物理装置信息
逻辑节点(LPHD),LPHD中包含装置铭牌、版本等信息。
为满足保护装置台账信息管理,建议在LPHD增加扩展DO或增加一个专门的装置台账信息逻辑节点,用来表示保护装置产品型号、制造厂家、安装地点、电压等级、供电方式等。
3.3.5 需要进一步明确的关联关系
根据IEC 61850规范,变电站—电压等级—间隔—导电设备各级均可以包括逻辑节点,比较灵活,保信应用时可能比较复杂。需要对逻辑节点在SCD模型一次设备中的位置进行规范。
需要针对典型变电站一次接线方式和保护装置配置,对具体逻辑节点所归属的一次设备进行一一规范,需要规范的内容较多,下文仅给出线路保护、母线保护和变压器保护逻辑节点与一次设备的关联关系规范。
3.3.6 线路保护逻辑节点关联
线路保护装置属于某一个线路间隔,在SCD中该保护逻辑节点如距离保护逻辑节点(PDIS)、延时过电流保护逻辑节点(PTOC)全部放在线路所对应的间隔。同时还包括该间隔断路器逻辑节点(XCBR)等。举例如下。
〈Bay name="701"〉
长效干扰素
〈ConductingEquipment name="701"type="CBR"〉
 〈LNode iedName="PL1057"ldInst="CTRL"
    lnClass="XCBR"lnInst="1"lnType="NRR_
    XCBR_V1.01"prefix="CB1"/〉
 〈LNode iedName="PL1057"ldInst="PROT"
    lnClass="PTOC"lnInst="1"lnType=
    "AutoPrefix1401273946_NRR_PTOC_V1.01.01"
    prefix=""/〉
〈/ConductingEquipment〉
金号网…
〈/Bay〉
v8000hdr
3.3.7 母线保护逻辑节点关联
母线保护装置模型中的逻辑节点有专属于母线的,有的是针对具体某个线路的,如差动,对应于具体母线,支路过流对应于某个线路。母线差动保护举例如下。
〈Bay name="10kVⅡ母"〉
〈LNode iedName="PM101"ldInst="PROT"lnClass=
"PDIF"lnInst="9"lnType="NRR_PDIF_V2.02__
915__V1.00"prefix=""/〉
〈ConnectivityNode name="367"pathName="中山
110kV申堂变/10000/10kVⅡ母/367"/〉
〈/Bay〉
3.3.8 变压器保护逻辑节点关联
变压器保护属于某个一次设备“PowerTransformer”,包括多个变压器卷“TransformWinding”对应不同电压等级,能够具体到某侧的保护逻辑节点放在对应的“TransformWinding”下面,如高压侧过流、低压侧过流等。其他保护逻辑节点放在“PowerTransformer”下,如差动保护。
3.4 CIM扩展
为了IEC 61850与IEC 61970保护的协调,本文提出基于CIM扩展保护模型,首先在CIM保护包基础上引入IEC 61850逻辑节点类的概念,建立逻辑节点类与设备类的多对多关系,体现保护装置与被保护设备之间的关系,建立逻辑节点类与开关类的关系,体现保护装置跳闸出口的关系。3.4.1 保护包的扩展
CIM中的保护包(Protection)是Core和Wires包的扩展,它建立了保护设备,例如继电器的信息模型。这些模型适用于保护及故障信息处理、培训仿真和配电网故障定位等应用,如图2所示。图2中,标出了包括在保护包中的类,无底方框表示保护包原有类;蓝底方框表示本文扩展类;空心三角表示继承关系;实心菱形表示包含关系。
2016,40(6)·信息通信技术及应用·
图2 保护包扩展
Fig.2 Extended package protection
针对CIM中二次模型的缺乏,本方案在保护包基础上扩展了二次功能类,这些类在IEC 61850第6章统一建模语言(UML)定义中可以到。
首先给PowerSystemResource类增加了一个父类LogicNodeContainer,实现了一次设备与功能的关联。同时在ProtectionEquipment类下包含了保护功能逻辑节点LogicNode类,实现了保护功能和被保护设备的关联,逻辑节点类在IEC 61850第7-4章有明确的定义,能够简单而又明确地表示保护功能。接下来,按照IEC 61850的思路,LogicNode类包括数据对象类DataObject,派生出保护跳闸类ProtectionTrip、保护动作类ProtectionAction、保护开入类ProtectionBI、保护模拟量类ProtectionAnalog、保护定值类ProtectionSetting、定值控制位类SettingBit、保护状态量类ProtectionStatus、保护录波通道类ProtectionWave等。
保护包中扩展模型类和IEC 61850模型的关系表示如下。
1)逻辑节点类直接映射IEC 61850的LNClass。
2)数据对象类直接映射IEC 61850的CDC。
  3)ProtectionTrip和ProtectionAction等类根据CDC的类型进行区分。
4)Protection包所含的各类的描述参见IEC61970标准(国内标准DL/T890.301)。针对扩展类描述,本文给出LogicNode类实例来解释,见附录A表A1。
3.4.2 数据采集与监控(SCADA)包的扩展
SCADA包是建立了远方单元(remote unit)内数据点的信息模型,如远程终端单元(RTU)、变电站控制系统、远端控制中心,以及与这些远方单元相关的通信模型。包含用于建模SCADA所用到的信息实体,监视控制支持操作人员控制设备,如闭合一个断路器。数据采集从不同的源收集遥测数据。图3中标出了SCADA包中的扩展类。图中,无底方框表示SCADA包原有类;蓝底方框表示本文扩展类
图3 SCADA包扩展
Fig.3 Extended package SCADA
SCADA包中扩展模型类和IEC 61850模型的关系表示如下。
1)RelayEquipment类直接映射IED Class。
2)RelayRemotePoint类映射到CDC。
3)DataObject类映射到CDC。
4)SCADA包所含的各类的描述参见IEC61970标准(国内标准DL/T 890.301)。针对扩展类描述,本文给出RelayEquipment类实例来解释,见附录A表A2。
3.5 模型转换
扩展后的保护功能模型可以满足主站应用分析的需要,也可以和站内IEC 61850模型有很好的对应关系。两套模型之间可以通过固定规则,根据映射关系,采用软件工具实现转换,文献[9-12]对SCD模型到CIM的转换进行了研究,主要内容是一次设备。本文对CIM进行了保护功能扩展,这部分与IEC 61850模型是一致的,可以按照3.4节列出的关系简单映射实现。
胡绍谦,等 保护信息系统IEC 61850建模及CIM扩展的研究与应用

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