基于IEC61850的智能分布式馈线自动化系统建模

陈云国，戴 胜，杨乘胜，倪 健

（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 211153）

0 引言

馈线自动化FA（Feeder Automation）是配电自动化的重要组成部分。FA利用终端装置或系统，对配电线路进行监控和监视，并提高供电可靠性［1］。FA的一项基本功能是发现线路故障，迅速诊断出故障区域并将故障区域隔离，实现故障检测隔离与恢复FDIR（Fault Detection Isolation and Recovery）。 FA系统按照实现方式可以分为集中型和就地型。

集中型FA系统将安装在各个开关处的终端设备采集的数据上传至主站，主站根据采集到的故障信息实现FDIR。近年来，该领域取得了大量研究成果［2］。随着光纤成本的降低以及新型终端的研发，集中型FA方案运用越来越广泛。

就地型FA系统也称为分布式FA系统，它不依靠配电主站／子站，根据实现方式可分为重合器方式和智能分布式方式。目前重合器方式FA已经取得许多研究成果［3-4］，实际应用中不需要主站和通信网络，因此建设费用低，但该系统不具备监测和遥控功能，限制了其适用范围。智能分布式FA是近几年提出的技术处理方式［5］，它不依赖主站／子站的全局信息，借助终端之间的通信，快速进行FDIR。由于省去了信息上传和指令下达的时延，故障处理时间相对集中型FA大幅缩短。

目前市场上配电网终端厂家多达上百家，如何使不同厂家终端设备之间能够交换信息及正确使用信息进行协同操作，是实现FA智能化的关键。

IEC61850标准由国际电工委员会（IEC）提出，是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准。该标准具有优良的互操作性、开放性和可扩展性，能够实现不同智能设备的无缝接入，极大地推动了数字化变电站的发展［6］。目前已有不少学者开始将IEC61850标准应用于配电自动化领域，但仅停留在终端设备层面［7-9］，对终端间的协调配合未有深入研究。

本文在研究IEC61850标准部分技术和方法的基础上，将其应用到智能分布式FA中，建立通用的终端设备信息模型，通过相邻终端间两两通信的信息交换方式，最终实现FDIR功能。

1 智能分布式FA

1.1 FA概述

随着城市配电网线路的日趋复杂，新能源接入配电网的需求日益普遍，导致配电网拓扑结构越来越复杂。在多变的应用场合下，基于集中式FA的配电网自动化方案难以自适应处理，而依靠终端间相互通信的智能分布式FA能够自适应，无论是电缆线路或架空线路，还是开环线路或合环线路，智能分布式FA均能较好适应配电网络拓扑变化，有效减少了配电网的维护工作量。

典型的电缆型开环线路如图1所示，该典型开环配电网由2个变电站电源点和4座配电站组成，变电站出线开关为断路器，每台配电站配1进、1出、1支线、3个负荷开关，其中B3表示联络开关。

图1 典型开环配电网示意图Fig.1 Schematic diagram of typical open-loop distribution network

1.2 工作原理

假设故障点在B1、A2之间，即为配电站间的线路故障，智能分布式FA处理逻辑如下。

a.故障定位：根据开关的过流信息，判断故障开关为 B1和 A2。

b.故障隔离：断路器K1跳开，并启动FA，负荷开关B1、A2再跳开以隔离故障。

c.故障恢复：断路器K1合闸；联络开关B3是否合闸取决于负荷转供条件的满足情况。

下文讨论配电终端为实现智能分布式FA功能需要交互的信息。

2 终端信息模型

根据IEC61850标准的建模思想，智能分布式FA系统由分布在配电网线路上的终端设备组成，每个终端设备包含SERVER对象、逻辑设备（LD）和逻辑节点（LN）。本文主要工作是建立关于智能分布式FA功能的LD及新的LN。

2.1 构建服务器

配电终端建模为2个服务访问点，即S1（MMS服务）和G1（GOOSE服务）。在访问点S1，建模为一个SERVER类，通信方式采用服务器／客户端模式，用于配电终端与配电主站之间的通信。在访问点G1，建模为一个SERVER类，通信方式采用订阅者／发布者信息，用于配电终端之间的通信。

2.2 构建LD

针对配电终端设备，一般需要为测量、控制、保护等常规功能建立LD［10-11］。除此之外，对于提出的智能分布式FA功能，本文建立专有的LD，实例名为“FDIR”，FDIR对象除了包含 LD均有的 LLN0和LPHD 2个LN外，还有如下3个LN。

a.OSFA（Operate Station FA）：完成 FDIR 功能。

b.TSFA（Test Station FA）：为 OSFA 提供测试信息。

c.MSFA（Monitor Station FA）：为上位机或配电主站提供FA状态信息。

2.3 确定LN和数据

在变电站自动化系统中没有关于配电网分布式FA的LN，为了实现终端间的互操作和信息共享，本文扩展新的LN，以实现智能分布式FA系统的运行、测试和监视功能。

（1）OSFA是FDIR的核心部分，当故障发生时，既要从其他LD得到本地故障信息，也要和相邻终端对应的OSFA节点交换数据。本文在实现智能分布式FA保护逻辑的过程中，总结归纳出以下需要的数据及数据属性。

① 数据 Fa，数据属性为 faStart、faBlock和 fa-Revert。

a.faStart：电源侧断路器跳开后，向受电侧传出FA启动信号；故障区域接收到FA启动信号，开始对故障进行隔离。

b.faBlock：当发生开关拒动、误动或通信异常等情况时，终端向相邻终端传出FA闭锁信号。

c.faRevert：接收到邻侧传入的FA复归信号，复归当前闭锁信息。

② 数据 OverCurrent，数据属性为 ocForward、ocReverse，即发生故障时，终端本地保护LD判断出开关是正向过流还是反向过流，OSFA利用过流信息，执行FA逻辑，同时与相邻OSFA交换过流信息。

③ 数据Load，数据属性为 loadMax、loadFault。

a.loadMax：变电站允许最大转供负荷。

b.loadFault：故障区域开关正常运行时的负荷。

④ 数据 Action，数据属性为 tripBreaker、rejectionStart、isolationOK 和 recoveryOK。

a.tripBreaker：当故障发生时，属于故障区域的终端会向供电侧断路器传出请求跳闸命令。

b.rejectionStart：开关拒动时，终端传出失灵启动信号；邻侧接收到失灵启动信号后，进行故障隔离。

c.isolationOK：当故障开关跳开成功时，传出隔离成功信号。

d.recoveryOK：断路器或联络开关恢复成功时，传出恢复成功信号。

⑤ 数据Base，数据属性为powerPath、linkStation。

a.powerPath表示线路是否导通。

b.linkStation表示与邻侧终端通信状态。

（2）TSFA用于测试终端FDIR功能。长期以来，FA系统的现场应用一直是个难题。为了验证FA动作逻辑的正确性，需要频繁地在实际配电网中进行故障实验，而这会对电力系统造成冲击，一般不被允许。若是在实验室搭建测试环境，使用实时数字仿真 RTDS（Real Time Digital Simulator）平台模拟故障运行方式［12］，则需要投入极大成本。本文建立的TSFA节点，可接收PC机发出的故障测试信号，无需实际硬接线，可以方便快捷地对FDIR逻辑进行验证。所需数据及数据属性如下。

① 数据 OverCurrent，数据属性为 ocForward、ocReverse，即接收PC机模拟实际故障发出的过流信号。

② 数据Strap，数据属性为 rejectionStrap、link-Strap。

a.rejectionStrap：表示失灵软压板，若不投失灵软压板，则开关拒动后全网闭锁；若投入，则开关拒动后邻侧终端动作。

b.linkStrap：表示通信软压板，若投入通信软压板，则通信异常时全网闭锁；若不投，则异常区域上游仍可正常动作。

③ 数据Load，数据属性为value，即接收PC机模拟正常运行时线路上的负荷。

（3）MSFA可监视终端FA的运行状态，方便测试或运行时了解FA的实时信息，为FA逻辑的调试和FA性能的评判提供依据。所需数据及数据属性如下所示：

① 数据 OverCurrent，数据属性为 ocForward、ocReverse，即监视线路过流信息；

② 数据 Exception，数据属性为 faBlock、link-Exp，即监视智能分布式FA运行过程中的异常信息，包括FA闭锁和通信异常；

③ 数据Switch，数据属性为Position、Type，即监视线路开关位置及开关类型（断路器或负荷开关）；

④ 数据Flag，数据属性为faStart、isolationOK和recoveryOK，即监视FA动作进程。

3 信息交换模型

3.1 信息交换模型

智能分布式FA系统是一个无主从节点之分的对等系统，因此各终端在系统中的地位是平等的，完成的功能是一致的。上文采用面向对象的方法为配电终端建立信息模型，从终端抽象出一个稳定规范的对外数据交互接口。针对该通用接口，本文采用GOOSE服务实现信息模型的交换，它是IEC61850标准中的一种快速报文传输机制，适用于智能分布式FA系统这种数据流量大且实时性要求高的场合。

基于GOOSE服务的传输机制采用“发布者／订阅者”模式，即对等通信模式，就是每台终端都与其他所有终端进行数据交互，但这种数据交互方式存在如下问题：

a.数据交换量大，交互的无用信息多，加重了网络和各终端的负载；

b.终端需要交互和处理的数据量随项目规模的变化而变化，无法实现终端FA功能的抽象及可重用性；

c.当线路中终端拓扑关系发生任何变化时，都需要对所有终端进行重新部署，无法实现局部修改和局部重新部署。

3.2 两两通信

为了克服上述不足，本文提出了一种两两通信数据交换方式，将通信限制在相邻2个终端之间，与非相邻终端的数据交互则依靠相邻终端代理，各终端互为代理后形成了全局数据交互的通道。这种简化并规范的信息交换方式，为智能分布式FA的实用性提供了有力的支撑。

两两通信数据交换示意图如图2所示。在两两通信方式下，终端D若要获取终端H的数据a，需要终端G与终端H两两通信，并组合同类信息，形成新数据a1，然后依此类推，最后终端D与终端E两两通信并组合同类信息，形成新数据a3。这样终端D即可通过多次两两交换获取终端H的信息。

图2 两两通信数据交换示意图Fig.2 Schematic diagram of pairwise communication for information exchange

将终端通信限制在相邻的2个终端之间，远方数据的交互采用终端代理的方式来实现，可以将信息模型的定义限制在局部，从而使分布式FA系统拓扑结构的变更限制在局部。

4 应用分析

本文以国电南自配电终端DS3251为基础搭建了智能分布式FA测试系统，系统框图如图3所示。

本系统主要由监视主机、配电系统、测试主机和交换机组成，相互之间的通信通过以太网实现，其中配电系统是由配电终端和模拟断路器组成的如图1所示的电缆网络典型结构。

图3 测试系统示意图Fig.3 Schematic diagram of test system

4.1 开环运行分析

以故障发生在配电站1和2间（B1-A2）为例，分析各个终端在故障处理中的信息交换过程。当线路开环运行时，故障定位的原则是：对于流过故障电流的开关，若其相邻两侧开关一侧流过故障电流，而另一侧没有，则该开关为故障开关。

图4 终端FTU2的动作逻辑和数据流Fig.4 Protection logic and data flow of FTU2

图4描述了终端FTU2在故障发生后的处理过程及与邻侧终端交互的信息。当终端FTU2判定B1为故障开关时，由于负荷开关无法切断故障电流，因此需要变电站出口断路器先切断，然后故障开关B1再跳开。终端FTU3也是同样的处理逻辑，故障开关A2跳开，完成对线间故障的隔离。

图5描述了终端FTU1的动作逻辑过程。由图可见，终端FTU1控制变电站出口断路器，当接收到来自故障开关的跳闸请求后，会跳开断路器，并发出FA启动信号；当接收到故障开关跳开成功后发出的隔离成功信号时，将合上断路器，恢复非故障区域K1-A1的供电。

图5 终端FTU1的动作逻辑和数据流Fig.5 Protection logic and data flow of FTU1

图6描述了终端FTU4的动作逻辑过程，通过相邻两侧终端传入的供电路径可以判断出开关B3为联络开关。当联络开关B3接收到故障隔离成功信号时，会进行负荷转供的判断。本文的判断依据是：比较联络开关两侧接收到的最大允许负荷和故障发生前的常态负荷，若loadMax＞loadFault，则联络开关合闸；反之不合。若联络开关B3合闸，则非故障区域B2-A3恢复供电。

图6 终端FTU4的动作逻辑和数据流Fig.6 Protection logic and data flow of FTU4

4.2 合环运行分析

当图1的联络开关B3闭合时，线路运行在合环状态，示意图如图7所示。相对开环而言，合环运行的区别是若线路上一点故障，则全网线路上均有故障电流流过。此时，故障电流就存在方向的问题。本文规定电流流入母线为正，流出为负。在此基础上，合环运行的故障定位原则是：对于流过故障电流的开关，若其过流方向与相邻两侧中的其中一侧同向，而与另一侧反向，则该开关为故障开关。

图7 电缆型接线合环运行示意图Fig.7 Schematic diagram of cable wiring for close-loop operation

合环运行下终端故障处理逻辑和信息交互过程与开环运行基本一致，有2处不同：

a.当检测到故障后，两侧出口断路器均会跳开；

b.当故障隔离成功后，没有合联络开关的动作。

4.3 异常分析

在FA动作过程中，会遇到异常情况，如开关拒动或开关误动等，本文针对如下异常情况，给出处理逻辑。

a.开关拒动分析。

在终端发出跳令后，若故障开关在规定的时间内没有分断，则认为该开关发生拒动。若不采取措施，会扩大故障范围。本文将开关失灵启动作为可配置项，若失灵软压板投入，则拒动开关会传出失灵启动信号，邻侧开关跳开以隔离故障，后续恢复逻辑正常进行；若失灵软压板不投入，则拒动开关传出FA闭锁信号，整条线路的开关闭锁，出口断路器保护跳闸。

b.开关误动分析。

开关误动存在没有收到跳令而开关分闸和没有收到合令而开关合闸2种。若判断出开关误动，则误动开关传出FA闭锁信号，整条线路的开关闭锁，出口断路器保持合闸。

c.通信异常分析。

智能分布式FA逻辑能否实现，主要取决于各终端之间的信息能否正常交互。当线路出现通信中断的异常情况时，本文的处理方式是将通信异常闭锁作为可配置项。当通信异常闭锁投入时，若线路上任意一点发生通信异常，则全网FA闭锁，开关不执行任何动作，消除了自动化误动作的可能性，异常处理过程简单，但此方式可能会因极小的通信异常而闭锁全部自动化逻辑。当通信异常闭锁不投入时，若某终端通信异常，则通信异常区域所覆盖的开关闭锁，异常区域上游的开关可以正常执行FA逻辑，这样可以缩小受影响区域范围。

本文提出的智能分布式FA模型，通过各个终端之间的通信配合，一次性完成故障定位、隔离及非故障区域的恢复且不依赖主站，具有以下优点：

a.通用的信息模型和数据交换方式易于推广使用；

b.快速切除故障，整个FDIR过程达到秒级；

c.对异常状态的处理提高了供电的可靠性。

5 结语

本文将IEC61850建模思想引入智能分布式FA功能中，旨在建立通用的终端信息模型，以实现配电终端之间的互操作和信息共享。在GOOSE服务的基础上，提出了两两通信机制，将信息交换限定在相邻终端，简化并规范了信息交换模型。实际分析了该模型在电缆型配电线路中的逻辑动作过程和异常处理机制，表明了其可行性。

本文建立的信息模型是否适用于其他配电网线路结构，还有待实践验证。另外，智能分布式FA的实现完全依赖于通信的可靠性，如何克服这一缺陷还需要进一步研究。

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