高 翔，楊漪俊，姜健寧，吳振杰

（1.上海毅昊自動化有限公司，上海 201204；2.國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310009;3.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

智能電網(wǎng)是促進可再生能源發(fā)展、實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的核心。作為銜接智能電網(wǎng)“發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度”六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務流“三流匯集的焦點，對建設堅強智能電網(wǎng)具有極為重要的作用[1-5]。

國家電網(wǎng)公司明確提出了實施2020 堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標，組織制定了一系列的標準規(guī)范[6-11]。2011年國家電網(wǎng)公司又下達了58 號文《國家電網(wǎng)公司2011年新建變電站設計補充規(guī)定》進一步明確了智能變電站應遵循“安全可靠、成熟適用、經(jīng)濟合理”的基本原則。

在上述背景下大量的智能變電站進入試點運行，作為智能變電站應用的典型特征是采取了SCD文件描述變電站自動化系統(tǒng)，構(gòu)成了與常規(guī)綜自系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)方案的重大差異，也帶來了一系列新的問題和挑戰(zhàn)。

本文將分析現(xiàn)階段智能變電站工程實踐過程中SCD 應用所反映的問題，探索基于SCD 的二次回路監(jiān)測本質(zhì)需求，解析保護裝置不同實現(xiàn)機制的差異，分析不同SCD 監(jiān)測技術(shù)方案的特點，提出滿足IEC61850 標準的SCD 監(jiān)測技術(shù)思路。

1 SCD 特征分析

隨著IEC61850 標準的逐步推進，自2005年起基于IEC61850 標準的數(shù)字化變電站在全國范圍內(nèi)進行了工程應用試點，其中一個重要的應用標志就是深度依賴于變電站配置描述文件（Substation Configuration Description，SCD），SCD 描述文件記錄了與智能變電站安全穩(wěn)定運行休戚相關(guān)的大量關(guān)鍵信息，利用單一文件描述了：1）變電站一次設備模型與電氣拓撲信息；2）功能視圖：自動化功能在各間隔內(nèi)的分配；3）IED 視圖：IED 能力描述；4）通信視圖：通信配置信息；5）產(chǎn)品視圖：IED 視圖中的LN 與功能視圖中的LN 的映射；6）數(shù)據(jù)流：IED 之間的水平通信與垂直通信。

在工程實施過程中，通過配置工具完成變電站自動化系統(tǒng)實例化配置過程，見示意圖1。其中系統(tǒng)配置工具將SCD 文件下載給IED 配置工具，IED配置工具形成裝置配置文件CID（Configured IED Description），CID 包含了完整裝置之間關(guān)聯(lián)信息，即虛端子輸入、輸出信息[12]。

圖1 SCD 文件配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCD file configuration

由于變電站配置信息被平面化地保存在單一文件中，而這些文件的體量都非常大，一般可達20～90 MB，依靠人工進行維護是非常不可靠的。在某些前期實現(xiàn)的數(shù)字化變電站升級改造，已經(jīng)出現(xiàn)了需全站停電進行重新功能驗證和升級改造的情況。這將給系統(tǒng)運行和維護造成難以承受的壓力。文獻[13]提出了一種SCL 配置文件差異化的比對方法，文獻[14]提出了二次系統(tǒng)全過程管控平臺的技術(shù)方案。

2 保護裝置實現(xiàn)機制分析

90年代以來微機型保護已經(jīng)得到了廣泛的應用，但就實現(xiàn)機制來講微機保護一般可以分為兩種類型，一種是基于IT 架構(gòu)設計的組態(tài)型保護裝置，其特征是對于工程化的應用是通過可編程模式實現(xiàn)，核心功能與工程應用分離，關(guān)聯(lián)關(guān)系通過組態(tài)工具實現(xiàn)；一種是定制式保護裝置，外部數(shù)據(jù)通信和工程應用方式與核心程序緊密關(guān)聯(lián)，外部數(shù)據(jù)通信或應用模式的變更可能會影響核心程序。

嚴格意義上講，SCD 機制是建立在IED 具有功能組態(tài)的基礎上，如裝置虛端子的功能依據(jù)組態(tài)工具配置確定，IEC61850 通信端子GGIO 通過映射完成，亦是相對固定的，參見圖2。

圖2 組態(tài)型裝置基本特征Fig.2 Basic characteristics of configurable device

IEC61850 是一個非常龐大的體系，尤其在數(shù)據(jù)通信方面的應用具有很強的靈活性。因此，組態(tài)型裝置與定制式裝置在基于IEC61850 標準的應用過程中呈現(xiàn)了明顯的差異。

組態(tài)型裝置支持“自頂向下”的工程建設模式，設計是穩(wěn)定的。裝置與工程化應用有關(guān)的可變部分可以被剝離，變更部分可獨立檢驗、測試、管理。組態(tài)IED 在應用過程中體現(xiàn)為“工程化裝置”，ICD可保持一致，由組態(tài)工具保障保護外特性的對應性。

定制式IED 裝置體現(xiàn)為“工程化設計”，裝置功能與對外通信緊耦合，由此帶來ICD 及CID 經(jīng)常修改，裝置功能（對外模型）不穩(wěn)定，設計隨之更改，工程化過程要求需轉(zhuǎn)換成集成設計變更來完成。

由于定制式IED 裝置不支持功能組態(tài)模式，工程需求變化時，設計定型需隨之調(diào)整，反復迭代，裝置在現(xiàn)場不斷升級，尚處于研發(fā)態(tài)的保護設備投入現(xiàn)場運行，這種情況在現(xiàn)階段智能變電站工程中非常普遍。

3 基于SCD 的二次回路監(jiān)測分析

3.1 基于SCD 的二次回路本質(zhì)屬性

如果說常規(guī)綜自僅體現(xiàn)為保護裝置是“黑匣子”的話，現(xiàn)階段智能變電站整個二次系統(tǒng)成為了“黑匣子”，尤其運行管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)二次回路“不可見”，演變?yōu)椤疤摱俗印?、“虛回路”形態(tài)[15]。

基于SCD 的二次回路監(jiān)測本質(zhì)是實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)二次回路的可被管理。IEC61850 體系下傳統(tǒng)的二次回路、端子排被“虛端子”、“虛回路”替代，原本可見的保護裝置管理邊界模糊了，如無有效的技術(shù)、管理措施，變電站的可靠性將大大下降。虛端子特征可用圖3表示。

圖3 IED 端子信息示意圖Fig.3 Schematic diagram of IED terminal information

由圖3可知，MMS 目錄服務可提供保護輸入虛端子（Inputs），輸出虛端子（GoCB），及虛回路（Ext.Ref Comm）的完整信息，同樣，CID 文件也包含“虛端子”和“虛回路”完整信息，但是GOOSE報文僅反映輸出端子信息。

3.2 組態(tài)型保護技術(shù)特征

由于組態(tài)型裝置可以輸出CID 文件，該文件包含保護裝置“虛端子”及“虛回路”的完整信息。由此，可以實現(xiàn)“設計SCD、配置CID、運行GOOSE”一體化監(jiān)測，而無需人為干預，見圖4。

圖4 組態(tài)型裝置SCD 一體化監(jiān)測示意圖Fig.4 Schematic diagram of integrated management configurable device SCD

這種模式的關(guān)鍵在于通過在線運行時讀取保護裝置CID 配置文件，獲取保護裝置虛端子和虛回路完整信息，與來自SCD 文件的二次回路信息進行比對。同時，實時獲取GOOSE 報文，經(jīng)解析后作為與CID 配置文件進行實時比對的依據(jù)。由此，完成“設計SCD 文件、配置CID 文件、運行GOOSE報文”一體化監(jiān)測，而無需任何人為干預。

3.3 定制式保護技術(shù)特征

由于定制式裝置沒有按照IEC61850 配置流程產(chǎn)生CID 文件，裝置不具備CID 文件送出能力，鑒于現(xiàn)階段保護裝置的實現(xiàn)機制，結(jié)合工程、運行管理實際需求，文獻[16]提出了一種基于CRC 的二次回路配置文件管理辦法。

其實現(xiàn)機理是將全站SCD 文件解析出兩個子文件，即站控層SCD 配置文件和過程層SCD 配置文件。對于每個裝置的過程層SCD 配置文件生成一個CRC 效驗碼。通過IED 配置工具導入過程層SCD，IED 配置工具輸出CRC 列表文件（包含本廠家所有運行裝置的二進制配置文件的CRC），以及所有運行裝置的二進制配置文件（含CRC 校驗碼），并下裝配置文件和CRC 信息。下裝之后，確認裝置正常運行，在SCD 管控主機上接收CRC，并確認上傳的各裝置CRC 碼正確，參見圖5。

圖5 CRC 實現(xiàn)機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of CRC management method

這種技術(shù)方案體現(xiàn)為對于“虛端子”配置文件的靜態(tài)管理，或版本管理，而非“虛端子”對象的直接管理?？梢远ㄎ痪唧wIED 的二次回路是否正常，但不能定位到具體端子?？梢詫崿F(xiàn)智能變電站設計、配置環(huán)節(jié)SCD 文檔的靜態(tài)管理[17]。

4 不同技術(shù)方案分析

4.1 過程層信息比對方案

如前所述，基于SCD 二次回路監(jiān)測的本質(zhì)是保護二次回路的管理，因此，屬于過程層信息范疇?？梢酝ㄟ^不同的過程信息比對模式，實現(xiàn)SCD 的有效監(jiān)測。具體來講有：文件比對，MMS 服務比對及過程層報文比對三種模式，具體分析見表1。

表1 過程層配置信息在線比對技術(shù)方案Table 1 Online matching scheme based on the configuration information of the process layer

MMS 服務比對方案是最完整的方案，但是需要保護裝置支持IEC61850 標準的Ed2.0 版[18]，現(xiàn)階段尚不具備條件?，F(xiàn)階段可以采取CID 文件比對與報文比對相結(jié)合的方式。

4.2 基于CID 與基于CRC 的技術(shù)方案比較

如前所述，基于CID 的技術(shù)方案是對“虛端子”及“虛回路”的對象直接比對，可覆蓋設計、運行環(huán)節(jié)；基于CRC 的技術(shù)方案僅僅實現(xiàn)對于設計過程所形成的“虛端子”及“虛回路”配置文件的版本管理，兩者的主要區(qū)別見表2。

4.3 其他需采取的輔助措施

現(xiàn)階段由于國產(chǎn)保護不支持CID 文件送出，由此，必須采取CRC 效驗碼作為現(xiàn)階段的管理手段。但是，由于基于CRC 的技術(shù)方案是一種“虛端子”配置文件的靜態(tài)版本管理機制，而非對于“虛端子”的對象管理。因此，無法實現(xiàn)二次回路運行狀態(tài)的在線監(jiān)測。

但這種機制下的可視化管理屬于靜態(tài)可視化管理，且只能實現(xiàn)正向管理，不能實現(xiàn)反向推演。即根據(jù)基于SCD 的可視化圖對應于某IED 裝置所形成的CRC。但在裝置IED 變更后不能發(fā)現(xiàn)“虛端子”和“虛回路”的缺陷，只能通過依據(jù)原CRC 所對應的圖紙，進行人工測試查找缺陷。但在裝置IED 變更后必須通過可視化比對、輔助監(jiān)測等方法發(fā)現(xiàn)“虛端子”和“虛回路”的缺陷。

同時，基于CRC 的技術(shù)方案需要增加人為管理規(guī)定，如配置工具的規(guī)范應用，配置流程的固化等，所謂“七分管理、三分技術(shù)”。

對于母差等跨間隔設備的CRC 技術(shù)方案可能出現(xiàn)設備屬性與設備分離的情況，因為，需要對于每個與母差保護關(guān)聯(lián)的IED 生成一個CRC，而這個CRC 不能與該IED 原有的CRC 共存于保護（智能終端）裝置中，因此，依舊存在管控措施復雜化的問題，不利于設備的統(tǒng)一管理。

5 基于SCD 二次回路監(jiān)測展望

5.1 可視化手段

由于基于CRC 的技術(shù)方案是一種軟件版本管理技術(shù)，不能準確定位CRC 變化的根本原因，或者說這種技術(shù)無法實現(xiàn)缺陷定位。因此，輔之以二次回路的可視化管理就顯得尤為必要，但這種技術(shù)方案只能實現(xiàn)二次回路的靜態(tài)可視化管理，即設計環(huán)節(jié)所形成的配置文件可視化管理。

5.2 管理流程

基于CRC 的技術(shù)方案需要有嚴格的管理規(guī)定來推進，首先需要規(guī)范SCD 配置工具，以便于所產(chǎn)生的CID 通過IED 配置工具下載至保護裝置，并形成該保護裝置涉及二次回路信息的CRC。

5.3 未來發(fā)展方向

在IEC61850 體系下：變電站自動化“系統(tǒng)”由若干“功能”（如保護、測量、控制等）構(gòu)成，“功能”可以進一步劃分為若干子功能，直至“邏輯節(jié)點”。“邏輯節(jié)點”代表可以交換數(shù)據(jù)的最小功能單元。見示意圖6。

基于IEC61850 標準體現(xiàn)為：“邏輯節(jié)點本身并不實現(xiàn)功能，但它可以讓與功能實現(xiàn)相關(guān)的輸入、輸出、定值、參數(shù)等在通信上是可見的，即邏輯節(jié)點使得：“功能”的所有輸入和定值都是可控、可設置的；“功能”的所有輸出都是可測量的。

因此，任何基于IEC61850 的應用都應該是確定性的，同樣，對于保護二次回路的管理也應該基于CID 文件或MMS 服務，確?；赟CD 的二次回路監(jiān)測無需人為干預。

6 結(jié)論

未來智能變電站技術(shù)發(fā)展過程中，需要推進IED 的規(guī)范化應用，即保護裝置（含智能終端）支持CID 文件的送出。這樣，才可能達到“設計、配置、運行”一體化管理，使得基于IEC61850 標準的智能變電站實現(xiàn)管理的“透明化”，提高整個系統(tǒng)的可觀性、可控性。

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