摘要：当前，随着智能电网的不断发展，基于IEC61850标准的智能保护装置在智能变电站中应用相当广泛。智能保护不存在传统保护的既不统一通信标准，也不统一配置手段问题，更符合智能设备互操作性要求。智能保护装置开发方式如果忽视IEC61850标准统一建模、统一配置的应用优势，忽视保护原理大都成熟的现实特点，仅是通过更新硬件和购买通信软件包，并因循原有模式，必将不利于提高研发效率和速度，不利于降低研发难度和成本。本文就对基于IEC61850及保护功能库的保护开发方法进行分析和探讨。
关键词：IEC61850；保护功能库；保护开发方法
1智能保护装置及一般开发方法分析
IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。它通过标准的实现，实现了智能变电站的工程运作标准化。使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD（系统配置）文件了解整个变电站的结构和布局，IEC61850标准对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。
自IEC61850标准第一个版本于2003年发布以来，国内厂家迅速开发了基于该标准的智能继电保护产品。IEC61850标准很好地解决了变电站内通信标准混乱，设备间互操作性差和通信难的问题。IEC61850标准为变电站定义了三层两网的分布式架构。智能保护装置位于中间的间隔层，对上通过MMS网与站控层设备通信，对下通过SV网获取过程层采样数据，通过GOOSE网完成开入开出或闭锁等功能。基于IEC61850标准的智能保护装置功能架构。如下图所示：
图1基于IEC61850标准的智能保护装置功能架构示意图
智能保护装置功能相对复杂，对通信功能要求提高了很多，因此对装置硬件的要求也很高。在硬件的主控核心方面，MCU+DSP+FPGA,DSP+DSP+FPGA和MCU+MCU+FPGA这样的应用较为常见。其中FPGA可用来处理SV报文以获取电量采集信息，还可用来实现GOOSE通信，DSP或MCU则分别用于完成保护和MMS通信功能。在软件方面，需要实现三种通信功能和保护功能，还需要实现保护功能与通信的数据映射功能，而人机交互功能则不在本文讨论范围之内。
在开发基于IEC61850标准的智能保护产品软件方面，国内一般都采用以下方式：
(1)通信方面，大都采购SISCO公司的mmslite软件包以实现读取SCL配置文件、实现IEC61850与MMS的数据映射及MMS通信功能，而GOOSE通信和SV通信根据实际需要实现。(2)保护方面，保护功能开发模式基本保持不变，需要调整的是安排人手对保护功能建模，按照IEC61850标准规定而得到装置ICD配置文件。(3)数据映射方面，一般由保护和通信开发人员共同完成，并最终共同完成装置的调试工作。
2基于IEC61850及保护功能库的保护开发工具的实现
2.1保护开发工具的功能分析
1) 保护开发工具应包含保护功能库及模板库，并支持保护逻辑节点元件的扩充更新，支持IEC61850模板库的扩充更新，能够显示己有的保护逻辑节点元件及其对应的模板;2)支持通过配置逻辑节点元件堆叠式生成保护功能程序，支持元件输入配置和元件对外接口配置，支持根据具体保护配置信息自动生成保护功能程序;3)支持根据保护配置信息生成ICD初始文件，支持ICD初始文件配置，支持生成ICD文件;4)支持根据ICD文件生成可映射的保护数据表，支持根据可映射保护数据表配置信息并生成最终的共享内存保护数据定义文件、数据映射配置文本等数据映射相关文件。
2.2保护开发工具的设计与实现
2.2.1保护逻辑节点元件及其模板的设计与实现
保护逻辑节点元件及其模板作为保护功能库和模板库中的“点”，其实现方
法关乎保护通用堆叠式配置开发方法的可行性。保护逻辑节点元件实质上是一段
代码，实践中可以将其编写为普通函数或宏函数。
根据C语言，宏函数不是函数调用，而是代码替换，不需要进行堆栈操作，相对于普通的函数在执行效率上占优。而普通的函数虽然执行效率较低，但是它可以提高程序对内存的利用率。因此，保护逻辑节点元件可使用宏函数或普通函数。对于功能简单的过流保护等保护逻辑节点元件采用宏函数的实现方法，对于功能较为复杂的保护逻辑节点元件可以采用普通函数来实现。
(1)relay_header.h 文件
①延时返回逻辑的宏实现
#defineDELAY-ACTION-RETURN(n,o,p,t,s){\
(t)=((SD_TRUE=(n))&&(SD_FALSE=(O)))?OSTime:(t);\
(0)=(n);\
(p)=(0)||((p)&&(ST_UINT32)(OSTime-(t));}
②逻辑节点元件数据名称连接宏实现
#defineLN_DATA(in,d)(in##_##d)
(2)ptoc.c文件:过流保护逻辑宏实现
#definePTOC(ln,amp){\
LNDATA(1n,Flag)=((}P)>*(LNDATA(1n,StrUa1essetMag}))\
||((*(LNDATA(1n,StrJgeneral)))&&((}P)>(LN_DATA(1n,StrVaIRe))));\
DELAY_ACTION_START(LN_DATA(1n,Flag),(*(LN_DATA(1n,Str_general));\
(*(LN_DATA(In,Op-general))),((LN_DATA(1n,T))),(*(LN_DATA(1n,OpDlTmms_setVal))));｝
每个保护逻辑节点元件都是保护逻辑的完整实现，无需其它保护逻辑节点配合。
2.2.2保护功能程序的配置生成设计与实现
1)保护功能的所含元件配置：在Excel中的protection-fun工作表下，根据实际保护装置功能需要，通过有效性序列设置，利用下拉列表选择保护逻辑节点元件。需要注意的是，同一元件在不同实例中元件标号必须不同，不同元件的元件标号可以相同。
2)元件的输入配置：输入配置即元件宏函数或普通函数的输入参量配置，在完成元件配置之后，利用Excel宏程序，自动读取函数的形参，并显示在protectionesfun工作表对应的表格中，然后通过配置实参，即可完成输入配置。
3)保护出口可编程配置：保护出口元件即PTRC，在实际应用中，它对应着一个断路器，是保护装置对该断路器的总控制出口。具体应用的不同会导致出口逻辑不同，因此，本论文将其设置为可编程元件。在具体配置过程中，只需在元件参数中写入出口逻辑代码即可。以三段式过流保护为例，protectionfun工作表下的保护配置如下:
通过前面三个步骤，利用Excel的宏通过自动读取protectionfun工作表相关保护配置，并从Excel工具目录的/1nlogicsefile文件夹中取出所需保护逻辑节点元件，并堆叠式组合生成保护功能程序C文件。
2.2.3ICD配置文件生成的设计与实现
保护配置与ICD文件息息相关。根据ICD配置生成分析，在实现过程中，Excel宏首先读取保护配置信息，并根据该配置信息，生成ICD的逻辑设备配置信息并显示到ldevice-cfg工作表中，该表中包括IED名称及描述、逻辑设备名称及描述、逻辑节点类型id、逻辑节点类及其描述、逻辑节点inst标号。其中自动生成的有逻辑节点类及其描述和逻辑节点inst标号，其它信息需要用户自己配置。
2.3保护开发工具的通用性设计
1)保护程序的通用性设计：保护程序是由保护逻辑节点元件通过配置堆叠式组合生成的，所有的元件都是基于C语言的函数或宏函数。C语言作为当前最流行的编程语言，应用范围非常广泛，几乎所有的DSP或MCU平台都支持C语言开发。保护程序对外的接口包括逻辑节点元件输入和逻辑节点元件需要的系统参数等都采用了规范的数据接口，从而使得保护逻辑节点元件的设计规范化。在保护装置平台搭建过程中需要为这些数据接口连接到与平台相应的数据。比如，保护计算结果采用规范的变量命名，那么保护逻辑节点元件的输入配置就可规范化，从而提高其通用性水平。
2)ICD配置文件的通用性设计：保护通用堆叠式配置开发工具所生成的ICD文件严格符合IEC61850标准之变电站配置语言SCL规范，只要保护装置采用的MMS通信实现符合IEC61850标准，就能够保证ICD文件的通用性。
3)数据映射通用性设计：数据映射涉及到共享内存保护映射数据定义文件和数据映射配置文件。通用性设计有三个方面内容：共享内存保护映射数据定义文件基于C语言，与当前通信和保护功能软件编写语言大都一致;数据映射的实现直接与MMS数据结构关联;数据映射配置文件与当前国内厂家使用最多的软件包mmslite相关联，利用映射配置文件datamap.cfg，就可分别得到MMS数据映射档案和保护数据映射档案，从而得到了共享内存区数据与MMS数据间的映射关系。
4)多核架构通用性设计：对于智能保护装置，其保护功能软件一般仅在单核下运行，只需合适的交叉编译环境便可将自动生成的保护程序生成可执行文件，因此多核架构不影响其通用性。映射实现与多核或多CPU架构相关，因为一般智能保护装置的功能与通信功能分别运行于不同的CPU核上，故两者之间数据的映射需要使用核间交互方式。
结语
自继电保护概念提出并应用于电力系统以来，随着时代的快速发展进步，保护装置的基本保护原理及其实现也一直处于变化发展的过程中。计算机通信技术、网络技术和光电技术等的发展，为电力系统发展带来了新的变革，为变电站技术发展带来了新变革，也为继电保护装置带了新变革，继电保护装置已经进入智能保护装置时代。相比于以往的产品，智能保护装置硬件组成、软件水平和网络水平都得到了大大地提高。为了更好的适应这种变化，本论文对新形势下的基于IEC61850和保护功能库的智能保护装置开发方式在保护开发工具功能要求、保护逻辑节点元件实现，保护功能程序的配置、ICD配置文件的生成、设计与实现、以及通用性设计原则方面进行了阐述。
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论文作者:王栋1,朱刚刚2,魏南3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/13
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