高压直流控制保护系统IEC 61850建模
高压直流控制保护系统 IEC 61850 建模
王俊生 , 吴林平 , 王振曦 , 张少波
(南京南瑞继保电气有限公司 , 江苏省南京市 211100)
摘要 : 直流换流站中一个物理设备 (控制或保护系统) 需要面向全站一次、二次设备 ;高压直流
( HVDC) 输电控制保护系统中存在很多特有的状态和控制方式。文中探讨了 HVDC 输电控制保
护系统 IEC 61850 模型建立问题。建立的控制系统 IEC 61850 模型包括控制系统的事件、遥控、遥
调、遥测和遥信。保护系统采用面向对象的 IEC 61850 建模方式 ,以各原理的保护为对象。文中建
立了保护动作矩阵的 IEC 61850 模型 ,重点描述了逻辑节点类型和数据对象类的扩充。
关键词 : 高压直流输电 ; 控制保护系统 ; IEC 61850 ; 建模
中图分类号 : TM721. 1 ; TM764
收稿日期 : 2008207218 ; 修回日期 : 2008209202。
国家电网公司科技资助项目(SGKJ200401203) 。
0 引言
IEC 61850 变电站通信网络和系统系列标准[1 ]
已在实际变电站中得到越来越广泛的应用。目前 ,
直流换流站的高压直流( HVDC) 输电系统还没有使
用 IEC 61850。IEC 61850 系列标准的设计对象是
交流变电站系统 ,其中继电保护系统是其描述的重
点[2 ] 。由于 IEC 61850 系列标准是一个开放、可扩
充的标准 ,任何变电站系统均可遵循一定规则[324 ] ,
通过标准的补充(扩充) 得到实现 , HVDC 输电系统
也不例外。
交流站一个物理设备(如线路保护) 仅面向少量
的一次、二次设备 ;众多物理设备协同完成交流站全
站一次、二次设备的操作和管理。然而 ,在直流换流
站中一个物理设备(控制或保护系统) 需要面向全站
一次、二次设备。IEC 61850 系列标准涉及的对象
设备没有涵盖部分直流换流站中设备 ; HVDC 输电
控制保护系统中状态和控制方式更没有涉及。本文
探讨了 HVDC 输电控制保护系统 IEC 61850 模型
的实现 ,重点描述逻辑节点类型和数据对象类等的
扩充。
1 保护模型
1. 1 逻辑节点类型的扩充
直流输电系统保护原理和实现方法与交流保护
大不相同 ,特别是定值配置。本文保留逻辑节点
(LN) 类(基类) 不变 ,设计新的 LN 类型。部分扩充
的 LN 类型如表 1 所示。
表 1 部分扩充的 LN类型
Table 1 Parts of extended logical node types
(for protection)
LN 类型名 使用场所 LN 类名(基类)
PCFP - MAIN 换相失败保护 PDIF
PCFP - DL Y 换相失败保护延时原理 PDIF
PCFP - CN T 换相失败保护计次原理 PDIF
PVSCP 阀短路保护 PDIF
POCP 直流过流保护 PIOC
PHAP 直流谐波保护 PHAR
PL PTW 线路行波保护 PTEF
POVP 直流过电压保护 PTOV
下面举例描述 LN 类型的详细设计。表 1 中
PCFP - MAIN 详细设计如表 2 所示(从状态信息开
始 ;从通用 LN 类中继承的所有强制数据没有包括
在表格中 ,下同) ,其中 ,M 表示强制属性 ,O 表示可
选属性。
表 2 LN类型 PCFP - MAIN
Table 2 Logical node type PCFP - MAIN
数据 属性名 属性类型 含义 M/ O
状态
信息
Sw ACT 请求切换 O
Op ACT 动作 M
测量
值
DifAClc Y MV Y桥差流 O
DifAClcD MV D 桥差流 O
RstA MV 制动电流 O
RstA2 MV IV Y/ IVD 制动电流 O
定值
DifSet ASG 差流动作定值 O
RatioSet ASG 差动比率系数 O
IvydRtSet ASG IV Y/ IVD 电流比率系数 O
1. 2 逻辑设备
直流保护系统通常有不同的保护分区 ,如换流
器区、直流场区、线路区和双极区等。一般 ,所有保
护在一个物理设备中完成。将不同的保护分区设计
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第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
成不同的逻辑设备 ,有利于后台结构清晰地显示直
流保护系统配置的信息。如果一个系统中存在保护
和启动 2 种逻辑和算法 ,可以将它们设计成不同的
逻辑设备。
表 3 所示为部分逻辑设备定义实例。其他逻辑
设备还有 L IN EPR(线路区保护) 、BIPOL EPR (双极
区保护) 、CONVQD (换流器区启动) 、POL EQD (极
区启动) 、L IN EQD(线路区启动) 、BIPOL EQD(双极
区启动) 等。
表 3 逻辑设备定义部分实例
Table 3 Example of logical device for HVDC
protection ( part)
逻辑设备名
(含义)
包含的
部分 LN LN 含义
CONVPR
(换流器区保护)
PCFP - MAIN 换相失败
PCFP - DL Y 换相失败 Y桥延时原理
PCFP - DL Y 换相失败 D 桥延时原理
PCFP - DL Y 换相失败双桥延时原理
PCFP - CN T 换相失败 Y桥计次原理
PCFP - CN T 换相失败 D 桥计次原理
PCFP - CN T 换相失败双桥计次原理
PVSCP 阀短路
POCP 直流过流快速段
POCP 直流过流慢速段
POCP 直流过流 3 s 段
POCP 直流过流 2 h 段
POL EPR
(极区保护)
POVP 直流过电压 Ⅰ段
POVP 直流过电压 Ⅱ段
PHAP 直流谐波 50 Hz
PHAP 直流谐波 100 Hz
1. 3 保护动作矩阵( PAM)
直流系统保护动作后的处理策略有 30 余种。
不同原理和类型保护选择的处理策略不同。直流
PAM 可灵活配置直流系统保护动作后的处理策
略。
常规 PAM 为 20 ×20 方阵 ;包含 20 个 32 位整
型定值 (实际使用低 20 位) ,20 个输入和 20 个输
出。这些信息均需通过 IEC 61850 模型在保护工程
师工作站上显示或修改。其 LN 如表 4 所示 (从状
态信息开始) 。表中 ,PamId 用于区别不同的 PAM 。
2 控制模型
2. 1 事件
直流换流站绝大部分设备运行方式的变化 ,以
及控制保护系统中状态和控制方式的变化 ,均需通
过“事件”在运行人员工作站上显示。在 IEC 61850
系列标准文档中几乎找不到直流控制系统中的事件
设计模型。
表 4 PAM 逻辑节点 PPAM - HVDC
Table 4 Logical node PPAM - HVDC for protection
action matrix
数据 属性名 属性类型 含义 M/ O
状态
信息
PamId SPG 标识 O
PamIn1 SPS 输入信号 1 O
… … … …
PamIn20 SPS 输入信号 20 O
PamOut1 SPS 输出信号 1 O
… … … …
PamOut20 SPS 输出信号 20 O
定值
PamSet1 IN G 定值 1 O
… … … …
PamSet20 IN G 定值 20 O
数据对象类 DOClass 的扩充 :直流系统事件带
有数据信息 ,例如 :电流值、操作台/ 操作员名称等 ,
这些数据信息必须包含在数据对象类 DOClass 中。
作者扩充一些数据对象类 DOClass ,例如 : SPS -
V1C(含带一个字符型数据信息的单点状态类) 、
SPS - V3F (含带 3 个浮点型数据信息的单点状态
类) 等。表 5 描述了 SPS - V1C 定义 (仅显示增加
部分(黑体) ,以及原 SPS 定义) ,其中 ,FC 表示功能
约束 ,C 表示条件属性。
表 5 SPS - V1C的定义
Table 5 Definition of data object class SPS - V1C
属性名 属性类型 FC TrgOp 值/ 值范围 M/ O/ C
stVal BOOLAN ST dchg TRU E/ FALSE M
charVal1 VisString32 EX dchg O
LN 类 LNClass 的扩充 :原则上按照直流控制
系统功能模块进行 LNClass 的扩充 ,例如 : EMSQ
(模式顺序事件) 、ECFC(触发控制事件) 、EPPC (功
率电流控制事件) 、ERPC (无功控制事件) 、EOLL
(过负荷逻辑事件) 、ESSQ (顺序控制事件) 、ETCC
(分接头控制事件) 、EMOD (功率调制事件) 、EOL T
(开路试验事件) 等。
表 6 列出了 LN 类 EMSQ 的部分定义 (从状态
信息开始) 。
表 6 LN类型 EMSQ ( 部分)
Table 6 Logical node type EMSQ ( part)
属性名 属性类型 含义 M/ O
BlkInd SPS 解闭锁标志 O
EmStop SPS - V1C 紧急停运 O
Joint SPS - V1C 联合控制 O
OrdMst SPS - V1C 主控命令 O
OrdPwrDir SPS - V1C 功率方向命令 O
MastSta SPS 主控站 O
2. 2 遥控
由于需要对换流站的大部分设备以及控制系统
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2009 , 33 (1)
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
本身状态进行控制 ,所以 HVDC 输电控制系统需要
控制的节点数目非常多。设计时需要充分考虑这一
特点。标准中控制 LN (如 GGIO[5] ) 不能完全满足
这些特点。
扩充数据对象类 DOClass 分单点遥控和双点
遥控。双点遥控如表 7 所示 (其中黑体为扩充部
分) 。
表 7 双点遥控 DPC- HVDC的定义( 部分)
Table 7 Controllable double point status data object
class DPC - HVDC ( part)
属性名 属性类型 FC TrgOp 值/ 值范围 M/ O/ C
ID - name VisString32 DC O
permit - open BOOLAN ST dchg TRUE/ FALSE O
permit - close BOOLAN ST dchg TRUE/ FALSE O
permit - idx INT8 U ST O
permit - inf INT32U ST O
stVal Enum ST dchg Dbpos M
… … … … … …
SBOw Struct CO M
Oper Struct CO M
Cancel Struct CO M
注 : ID - name 用于标识遥控的对象 ;permit - open 和 permit -
close 为遥控连锁的结果 ;permit - idx 和 permit - inf 用于表
示遥控操作后信息 (如遥控操作失败的原因等) ; SBOw ,
Oper ,Cancel 分别完成遥控的选择、操作和取消。
扩充 一 个 含 10 个 控 制 节 点 的 通 用 LN 类
LNClass(见表 8 ,从控制开始) 以适应直流控制系统
包括众多遥控对象的特点。
表 8 通用的遥控 LN类型( 双点)
Table 8 General controllable double point logical node types
属性名 属性类型 含义 M/ O
Pos1 DPC - HVDC 通用控制 1 O
… … … …
Pos10 DPC - HVDC 通用控制 10 O
为了方便查找和识别遥控 LN 的遥控对象 ,对
遥控 LN Types 进行扩充 (基类 LNClass 都采用“通
用的遥控逻辑节点类型”) 。遥控 LN Types 的扩充 :
原则上按照直流控制系统功能模块进行扩充 ,例如 :
CMSQ - RC(模式顺序控制) 、CCFC - RC (触发控
制) 等。
2. 3 遥调
扩充数据对象类 DOClass : APC - HVDC。类
似遥控表 7 ,没有联锁信息 (permit - open/ permit -
close) ,stVal 用 setMag(FC = MX) 代替。
由于极控系统的遥调对象数目远小于遥控对象
数目 ,扩充含 5 个调节节点的通用 LN 类 LNClass
以适应直流控制系统包括不多遥调对象的特点 ,类
似表 8。
同样 ,类似于遥控 ,对遥调 LN Types 原则上按
照直流控制系统功能模块进行扩充。
2. 4 遥测[6 ] / 遥信
常规直流输电控制系统约有 50 个遥测量 ;遥信
量中开关/ 刀闸等位置信号占大部分。开关/ 刀闸等
对象全部受运行人员工作站控制 ;也就是说 ,在遥控
LN 中有开关/ 刀闸的状态描述。在遥控 LN 中有
状态描述的遥信量无需重复定义 ,可直接使用。
作者增添一个逻辑节点 RMRS 描述直流输电
控制系统中的遥测量和遥信量 (在遥控 LN 中没有
状态描述) 。部分内容如表 9 所示 (从状态信息开
始) 。
表 9 遥测/ 遥信逻辑节点 RMRS( 部分)
Table 9 Measured and status information logical node
RMRS ( part)
属性名 属性类型 含义 M/ O
UacA MV 网侧交流 A 相电压 O
IvyL1 MV 阀星侧电流 1 O
Udl MV 直流电压 O
AlphaMeas MV 触发角 O
BpoPwrRef MV 双极功率指令参考值 O
Tcp MV 换流变压器分接头挡位 O
… … … …
Master SPS 主控站 O
Ured SPS 降压运行 O
CurCtrl SPS 电流控制 O
Rfo SPS 具备运行条件 O
Active SPS 值班 O
Olt SPS 开路试验 O
… … … …
2. 5 讨论
本文控制系统 LN 采用功能进行分类 :一是四
遥类和事件类 ;二是直流控制系统功能模块类(面向
对象) 。属于部分面向对象分类。
直流输电控制系统 LN 的分类也可以采用
IEC 61850推荐的面向对象的分类方法。可以预见 ,
这样的全部面向对象分类会使部分 LN 中数据对象
(DO) 非常多 ;并且这些 LN 的重用性及各个工程间
的互用性很差。另外 ,LN 数目的异常庞大在实际
使用中也可能带来其他问题。
3 系统相关的扩充
HVDC 输电控制和保护系统通常有下列状态
和属性(系统信息) :值班/ 备用 (Active/ StandBy) 系
统、A/ B 系统、极 1/ 极 2 系统等。
扩展公共数据属性类型中的 Quality 字[7 ] 如表
10 所示 ,其中第 13 位、14 位、15 位为扩展位 (用黑
体突出显示) 。
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·研制与开发 · 王俊生 ,等 高压直流控制保护系统 IEC 61850 建模
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
表 10 扩充的 Quality 字
Table 10 Extended Quality word
位序 含义
0～1 Validity
2～12 ?
13 值班/ 备用系统
14 A/ B系统
15 极 1/ 极 2
值班/ 备用等系统信息在直流输电系统后台显
示和处理中有着重要意义 ,例如数据是否有效、事件
过滤等。IEC 61850 系列标准中 ,所有数据传送都
可以选择携带 Quality 字。这也是作者选择扩展
Quality 字实现值班/ 备用等系统信息传送的原因。
4 结语
本文探讨了直流输电工程控制和保护系统的
IEC 61850 模型建立问题 ,重点对采用扩展 DO 和
LN 的方法加以描述。控制系统分事件和四遥进行
模块分类 ,结合面向控制对象分类 ;保护系统采用面
向对象模块分类方法 ,并对动作矩阵进行了 IEC
61850 建模。基于本文工作的科技项目已通过验
收 ,相关 IEC 61850 模型完全实现了四遥、事件、保
护定值等各项功能。
感谢冯亚东、陈未远同志以及本课题组
相关同志对本文工作的帮助和有益的探讨。
参 考 文 献
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王俊生 (1966 —) ,男 ,通信作者 ,博士 ,研究员级高级工
程师 ,IEEE 高级会员 ,主要研究方向 :高压直流输电系统保
护。E2mail : wangjs @nari2relays. com
吴林平 (1979 —) ,男 ,硕士 ,工程师 ,主要研究方向 :高压
直流输电系统控制。
王振曦 (1979 —) ,男 ,硕士 ,工程师 ,主要研究方向 :高压
直流输电系统站控。
Modelling of HVDC Control and Protection System Based on IEC 61850
W A N G J unsheng , W U L inping , WA N G Zhenxi , Z HA N G S haobo
(Nanjing NARI2Relays Electric Power Co. Ltd. , Nanjing 211100 , China)
Abstract : In a DC substation , one physical device , such as a control system or a protection system , needs to control both high
voltage and low voltage equipments in the substation. There are many status and control modes specific to HVDC system not
included in IEC 61850 standards. The paper discusses the IEC 61850 modelling approach for HVDC control and protection
system. The model includes event logs , remote control , remote modulation , remote measurement and remote communication.
For the protection system modelling , the object oriented method is used. The model of protection action matrix (PAM) in IEC
61850 standards is also given. The extensions of logical node type and data object class are also discussed.
This work is supported by State Grid Corporation of China (No. SGKJ200401203) .
Key words : high voltage direct current ( HVDC) transmission ; control and protection system ; IEC 61850 ; modeling
—44—
2009 , 33 (1)
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
高压直流控制保护系统IEC 61850建模.pdf
