李國(guó)號(hào),張喜平,武天龍,張發(fā)忠

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局,廣東 中山 528403)

0 引言

在智能電網(wǎng)中,IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)不但為變電站智能化與數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)提供了支持,而且已成為電力自動(dòng)化行業(yè)未來(lái)重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1-5]。 盡管我國(guó)在研究IEC 61850 方面起步較晚,但是其實(shí)踐與發(fā)展較為迅速,推動(dòng)了國(guó)內(nèi)變電站向IEC 61850 智能變電站的逐步轉(zhuǎn)型[6-8]。 當(dāng)前,智能變電站的建模主要采用IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn),但調(diào)度中心模型是以IEC 61970 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模的,加之模型之間具有一定的差異性,難以達(dá)到互操作這一主要目標(biāo)[9-10]。 因此,確保兩端數(shù)據(jù)模型的一致性,已成為當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展研究的一個(gè)重要方向,也是亟待解決的問(wèn)題。

本文對(duì)基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站模型和調(diào)度中心模型的需求展開(kāi)了研究,詳細(xì)分析了實(shí)現(xiàn)源端維護(hù)過(guò)程中需要解決的幾個(gè)問(wèn)題,提出了一種實(shí)現(xiàn)源端維護(hù)的方法。 同時(shí),通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)概述

IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)作為電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域重要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),具有三大技術(shù)特性。 第一,IEC 61850 將智能變電站劃分為包含站控層、間隔層和過(guò)程層的三層體系結(jié)構(gòu)。 相比常規(guī)變電站的“站控層+間隔層”兩層系統(tǒng),間隔層與過(guò)程層的分離更有利于采集主設(shè)備信號(hào)。 第二,IEC 61850 采用獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的抽象通信服務(wù)接口(abstract communication service interface,ACSI),當(dāng)確定需要特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí),可以通過(guò)調(diào)用特定的通信服務(wù)映射(specific communication service mapping,SCSM)將ACSI 映射到特定的通信協(xié)議中,以完成網(wǎng)絡(luò)通信。 第三,IEC 61850 采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù),具有良好的繼承性和可重用性。 這三大技術(shù)特性,使IEC 61850 在多個(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用,例如智能電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域。

2 變電站配置描述文件結(jié)構(gòu)及按需篩選

2.1 變電站配置描述文件結(jié)構(gòu)分析

變電站配置描述(substation configuration description,SCD)模型文件是全站系統(tǒng)配置文件,具有唯一性的特點(diǎn)。 SCD 模型文件能夠詳細(xì)描述變電站大多數(shù)智能電子設(shè)備(intelligent electronic device,IED)的通信參數(shù)、實(shí)例配置以及參數(shù)間的聯(lián)系等情況。 同時(shí),該模型文件涵蓋面極廣,不但能披露一次設(shè)備的信息,還能揭示它們間的連接關(guān)系。 對(duì)SCD 文件而言,需要按需裁剪,通過(guò)分類上傳的方式實(shí)現(xiàn)變電站自主系統(tǒng)源端維護(hù)。

SCD 文件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SCD 文件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCD file structure

從圖1 可以看出,變電站內(nèi)所有IED 模型和電壓等級(jí)數(shù)據(jù)均為SCD 模型文件中重要的組成部分。

2.2 SCD 文件按需篩選流程

根據(jù)調(diào)度中心等級(jí)的不同,模型文件的需求也會(huì)有所不同。 調(diào)度中心等級(jí)越高,所監(jiān)控的區(qū)域就越大,模型文件涵蓋的電壓等級(jí)就越高。 如今,大多數(shù)變電站涵蓋的電壓等級(jí)數(shù)據(jù)都不是單一的,通常含有兩個(gè)或兩個(gè)以上。 若直接將SCD 文件傳輸至各級(jí)調(diào)度中心,那么不但會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象,還會(huì)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源,加大變電站自主系統(tǒng)源端維護(hù)工作量。 因此,需要通過(guò)篩選環(huán)節(jié)對(duì)SCD 文件進(jìn)行篩選處理,剔除掉與調(diào)度中心無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù),而后將新生成的SCD 文件傳輸至各級(jí)調(diào)度中心。 這樣便能有效解決上述的問(wèn)題。 SCD文件篩選流程如圖2 所示。

圖2 SCD 文件篩選流程Fig.2 SCD file filtering process

在對(duì)SCD 文件進(jìn)行篩選前,首先要通過(guò)讀取的方式對(duì)SCD 文件進(jìn)行存儲(chǔ),其次通過(guò)篩選環(huán)節(jié)對(duì)存儲(chǔ)至內(nèi)存中的SCD 文件進(jìn)行篩選,最后獲取具有不同電壓等級(jí)的新SCD 文件。 從圖2 可以看出,通過(guò)文檔對(duì)象模型(document object model,DOM)接口將具有不同電壓等級(jí)的SCD 文件讀取至內(nèi)存中,而后構(gòu)建出一個(gè)DOM 樹;在DOM 樹的作用下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)SCD 文件的按需修改,同時(shí)亦可以按需存取。 SCD 文件在內(nèi)存中以樹形結(jié)構(gòu)存在,并以父、子節(jié)點(diǎn)方式展開(kāi)呈現(xiàn)。 其他文件的操作也是如此,需要根據(jù)文件的父、子節(jié)點(diǎn)方式來(lái)確定操作的順序和切入點(diǎn)。 在明確節(jié)點(diǎn)名稱和相關(guān)屬性后,才能對(duì)節(jié)點(diǎn)展開(kāi)下一環(huán)節(jié)的操作,即通過(guò)替換、插入以及刪除等操作修改文件。 對(duì)SCD 文件進(jìn)行比較分析和按需裁剪等操作,等同于對(duì)文件進(jìn)行重構(gòu),能夠獲得滿足需求的新結(jié)構(gòu)樹。 對(duì)調(diào)度中心而言,會(huì)涉及一些無(wú)用的數(shù)據(jù)模型,比如通信模型。 對(duì)此,可通過(guò)遍歷的方式對(duì)SCD 文件進(jìn)行處理,即輸入相應(yīng)的關(guān)鍵詞,找到無(wú)關(guān)緊要的子節(jié)點(diǎn)并將其剔除。 而對(duì)于有用的節(jié)點(diǎn)元素,可將其復(fù)制粘貼到結(jié)構(gòu)樹中,以實(shí)現(xiàn)SCD文件的修改。 總體而言,在修改DOM 樹以后,才能對(duì)輸出文件進(jìn)行篩選,并以不同電壓等級(jí)作為拆分依據(jù),實(shí)現(xiàn)SCD 文件的DOM 樹拆分操作。 一個(gè)變電站的SCD 文件需要對(duì)應(yīng)多個(gè)電壓等級(jí)。 而對(duì)變電站部分電壓等級(jí)的元素屬性值而言,需要通過(guò)查詢操作剔除無(wú)關(guān)元素,保留滿足電壓等級(jí)需求的元素。 需要注意的是,在剔除無(wú)關(guān)智能電子設(shè)備的同時(shí),應(yīng)將其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型模板剔除,避免后續(xù)的干擾。 對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)的查詢也是如此。 通過(guò)查詢操作將無(wú)關(guān)的通信部分剔除,保留有用的部分。 通過(guò)上述一系列按需篩選操作,生成最終的SCD 文件。 該文件具有相同電壓等級(jí)的特點(diǎn),能夠滿足后期源端維護(hù)所需。

3 流程及界面設(shè)計(jì)

在分析SCD 文件按需篩選流程的基礎(chǔ)上,本文將重點(diǎn)闡述變電站自主系統(tǒng)源端維護(hù)流程及界面設(shè)計(jì)。

3.1 流程設(shè)計(jì)

變電站自主系統(tǒng)源端維護(hù)流程具體可分為八個(gè)步驟。 第一,構(gòu)建變電站模型框架,為新變電站模塊文件的填充作準(zhǔn)備。 第二,對(duì)制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification,MMS)通道進(jìn)行初始化處理,為后續(xù)的連接奠定基礎(chǔ)。 第三,調(diào)度中心自主發(fā)起連接請(qǐng)求,與變電站建立傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol,TCP)連接。 第四,調(diào)度中心將站內(nèi)版本文件與變電站版本文件進(jìn)行比對(duì):當(dāng)版本一致時(shí),無(wú)需改動(dòng);若版本存在誤差,則根據(jù)誤差點(diǎn)查閱模型的更新概況。 第五,若模型文件在更新,則可開(kāi)啟源端維護(hù)流程,根據(jù)調(diào)度中心所需,提取適當(dāng)?shù)哪Ｐ臀募?并將其傳輸至變電站中,由變電站將模型文件上傳。 第六,當(dāng)SCD 文件被源端維護(hù)接收到并對(duì)信息校檢無(wú)誤后,將模板文件融入調(diào)度中心模板。 第七,調(diào)度中心模板信息和版本信息更新結(jié)束后,對(duì)調(diào)度中心服務(wù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。第八,源端維護(hù)完成后,關(guān)閉TCP 連接。

變電站配置流程具體可通過(guò)以下五個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。 第一,對(duì)運(yùn)動(dòng)通信信道的配置進(jìn)行維護(hù)。 第二,維護(hù)變電站SCD 文件,確保模型文件的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性以及可靠性。 第三,根據(jù)調(diào)度中心的需求,對(duì)SCD文件按需篩選,生成新的SCD 文件。 需要注意的是,該文件需要攜帶電壓等級(jí)。 第四,接收調(diào)動(dòng)中心源端維護(hù)發(fā)送的請(qǐng)求,根據(jù)需要將新的SCD 文件上傳并處理。 第五,對(duì)模型的版本信息進(jìn)行更新時(shí),需要將更新的信息上傳至調(diào)度中心,由調(diào)動(dòng)中心作出響應(yīng)及處理。

3.2 調(diào)度中心界面設(shè)計(jì)

本文在變電站自主系統(tǒng)源端維護(hù)流程分析的基礎(chǔ)上,對(duì)調(diào)度中心界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 在對(duì)調(diào)度中心界面進(jìn)行設(shè)計(jì)前,需要了解調(diào)度中心必須披露的功能,如源端維護(hù)請(qǐng)求、模型版本信息的查詢、SCD 文件的接收與校檢、站內(nèi)模型文件信息的自主查閱、模型基本信息的披露、模型文件的遠(yuǎn)程操作等。 調(diào)度中心界面功能如圖3 所示。

圖3 調(diào)度中心界面功能圖Fig.3 Function diagram of dispatch center interface

如圖3 所示,菜單欄具備對(duì)文件編輯、校檢以及檢查等多項(xiàng)基礎(chǔ)功能。 對(duì)窗口模塊而言,可延伸出文件顯示窗口、樹形結(jié)構(gòu)顯示窗口以及接線圖調(diào)出窗口。每個(gè)窗口披露的信息均能順利通過(guò)校驗(yàn)和解析模塊,通過(guò)讀取的方式獲得所需的SCD 文件。 文件管理模塊可實(shí)現(xiàn)文件的編輯、讀取以及保存等功能。 用戶可瀏覽與導(dǎo)入上傳至變電站的模型文件,同時(shí)能獲取模型文件對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息。 對(duì)文件傳輸接口模塊而言,實(shí)現(xiàn)模型文件和信息的傳輸,即通過(guò)建立一個(gè)連接口,實(shí)現(xiàn)智能電子設(shè)備與顯示界面間報(bào)文的傳輸。 在完成調(diào)度中心界面設(shè)計(jì)后,會(huì)呈現(xiàn)出菜單欄、模型文件信息列表、模型文件名以及源端維護(hù)調(diào)度欄等按鍵標(biāo)簽。其中,菜單欄包含文件、編輯、格式、系統(tǒng)維護(hù)以及版本信息等按鍵內(nèi)容。 源端維護(hù)調(diào)度欄包含啟動(dòng)維護(hù)程序和顯示調(diào)度界面這兩個(gè)按鍵標(biāo)簽,可通過(guò)單擊這類按鍵查閱所需的內(nèi)容。 單擊顯示調(diào)度主界面功能鍵,可預(yù)覽變電站一次系統(tǒng)接線情況,為調(diào)度中心的仿真與維護(hù)提供基礎(chǔ)。

3.3 變電站界面設(shè)計(jì)

在對(duì)變電站界面進(jìn)行設(shè)計(jì)前,要對(duì)變電站所需的功能有所了解,例如SCD 模型文件的配置修改、變電站設(shè)備信息的自主查閱、版本信息的自主更新、源端維護(hù)請(qǐng)求、自主連接、SCD 文件的篩選、SCD 文件上傳等。通過(guò)與調(diào)度中心的功能需求對(duì)比發(fā)現(xiàn),調(diào)度中心與變電站仿真主界面存在一定的相似之處。 因此,需要對(duì)站內(nèi)SCD 文件作出相應(yīng)的解析,依照樹形結(jié)構(gòu)展開(kāi)模型文件。 對(duì)站內(nèi)智能電子設(shè)備信息進(jìn)行查閱時(shí),可直接單擊智能電子設(shè)備的相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)覽。 變電站界面同樣具備SCD 的按需篩選功能,具體流程已進(jìn)行了詳細(xì)介紹。 因此,通過(guò)單擊按鍵的方式可實(shí)現(xiàn)變電站對(duì)SCD 文件的篩選。 變電站圖形顯示界面功能如圖4所示。

圖4 變電站圖形顯示界面功能圖Fig.4 Function diagram of substation graphical display interface

變電站要起到一定的維護(hù)作用,確保通信通道的安全性與通暢性。 從圖4 可以看出,當(dāng)無(wú)需進(jìn)行信息交換時(shí),變電站與調(diào)度中心不可完全斷開(kāi)連接,需要保持微弱的連接,以確保信息交換時(shí)連接通道啟動(dòng)的高效性。 變電站界面設(shè)計(jì)完成后,具有菜單欄、窗口模塊、樹形結(jié)構(gòu)顯示窗口、模型文件內(nèi)容以及源端維護(hù)調(diào)度操作等按鍵。 其中,菜單欄包含文件、編輯、系統(tǒng)維護(hù)等操作按鍵。 源端維護(hù)調(diào)度操作欄包含通信通道測(cè)試、按需篩選、響應(yīng)源端維護(hù)等按鍵。 若需要對(duì)通信通道進(jìn)行測(cè)試,只需簡(jiǎn)單單擊通信通道測(cè)試按鍵即可。

4 上傳及維護(hù)效果分析

4.1 源端維護(hù)模型的上傳

變電站在上傳模型文件前,需要對(duì)通信連接進(jìn)行測(cè)試,以確保連接的通暢性與安全性。 當(dāng)變電站收到連接測(cè)試請(qǐng)求后,便能開(kāi)啟源端維護(hù)過(guò)程。 在開(kāi)啟源端維護(hù)過(guò)程前,要按需設(shè)置適當(dāng)?shù)碾妷旱燃?jí),而后才能單擊啟動(dòng)維護(hù)按鍵。 若調(diào)度中心未獲得變電站的IP地址,則認(rèn)為連接存在異常,無(wú)法實(shí)現(xiàn)后續(xù)的模型上傳;反之,則能實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心與變電站的連接。 調(diào)度中心的連接請(qǐng)求傳輸至變電站時(shí),能得到相應(yīng)的電壓等級(jí)。 此時(shí),可通過(guò)篩選功能對(duì)SCD 文件進(jìn)行篩選。 在結(jié)束篩選流程后,通過(guò)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)SCD 文件的傳輸。 在文件傳輸期間,通過(guò)改變SCD 文件格式,確保調(diào)度中心對(duì)文件的接收。 源端維護(hù)請(qǐng)求信息由調(diào)度中心發(fā)出后,要確保變電站與調(diào)度中心連接的通暢性與安全性。 當(dāng)變電站將處理(篩選)過(guò)的SCD 文件上傳至調(diào)度中心后,會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)至本地,并對(duì)該文件的Schema 語(yǔ)法情況進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)。 若檢驗(yàn)未發(fā)生異常,那么調(diào)度中心會(huì)指派軟件對(duì)該文件進(jìn)行解析,最后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。 當(dāng)文件導(dǎo)入無(wú)誤后,便可關(guān)閉源端維護(hù),斷開(kāi)文件的傳輸服務(wù)。 也就是說(shuō),調(diào)度中心在接收到變電站上傳的文件后,斷開(kāi)文件傳輸連接服務(wù)與傳輸通道,并將源端維護(hù)信息發(fā)送至結(jié)束界面。

4.2 源端維護(hù)效果的分析

源端維護(hù)的實(shí)現(xiàn)需要滿足兩個(gè)條件:其一,調(diào)度中心能夠順利接收到變電站上傳的模型,并存儲(chǔ)至模型庫(kù);其二,在其一的基礎(chǔ)上,與調(diào)度中心的一次連接線圖產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。 在滿足以上兩個(gè)條件后,源端維護(hù)才得以實(shí)現(xiàn),對(duì)應(yīng)的圖形才能夠正確地展現(xiàn)與操作。 本文借助紫荊橋組態(tài)軟件完成一次接線圖顯示畫面的調(diào)度仿真。 在變電站SCD 文件中含有系統(tǒng)規(guī)格描述(system specificaton description,SSD)文件。 通過(guò)篩選操作后,對(duì)所需的一次設(shè)備屬性、名稱等信息進(jìn)行描述與存儲(chǔ)。 同時(shí),本文為了檢驗(yàn)源端維護(hù)效果,以A 變電站為例,對(duì)其子站進(jìn)行了調(diào)度仿真,得到的A 變電站子站部分調(diào)度接線情況,如圖5 所示。

圖5 A 變電站子站部分調(diào)度接線情況Fig.5 Partial dispatching wiring of sub-stations in substation A

從圖5 可以看出,模型與圖形的配套是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。 而紫荊橋軟件系統(tǒng)的正常運(yùn)行,能夠提供組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)功能,并為SCD 模型文件的導(dǎo)入提供渠道。 在結(jié)束模型與圖形關(guān)聯(lián)后,可查詢圖形設(shè)備的運(yùn)行情況,以得到遙測(cè)信號(hào)、遙控信號(hào)、遙調(diào)信號(hào)和遙信信號(hào)。 其中,通過(guò)遙控信息可以明確變電站的電流、電壓、有功功率等數(shù)據(jù),通過(guò)遙控信號(hào)可控制隔離開(kāi)關(guān)、斷路器等設(shè)備的使用,通過(guò)遙調(diào)信號(hào)可調(diào)節(jié)變電站分接頭情況,通過(guò)遙信信號(hào)可明確斷路器等的報(bào)警信息和位置信息。 此處,本文以斷路器22103的遙信信號(hào)為例,檢驗(yàn)源端維護(hù)功能的可行性。 遠(yuǎn)方調(diào)度中心根據(jù)遙信信號(hào)明確斷路器的狀態(tài)信息,如位置信息和報(bào)警信息等,將斷路器狀態(tài)信息通過(guò)ACSI 服務(wù)發(fā)出。 當(dāng)變電站接收到ACSI 服務(wù)發(fā)出的信息命令后,反饋斷路器位置狀態(tài)信息。 得到的報(bào)文表明,斷路器22103 屬于開(kāi)路狀態(tài)。 變電站內(nèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息如表1 所示。

表1 變電站內(nèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息表Tab.1 Switch state information in substation

由表1 可以看出,斷路器22103 的狀態(tài)位置信息與報(bào)文中的結(jié)果是相同的。 這說(shuō)明本文系統(tǒng)遙信功能較為良好,同時(shí)也肯定了本文源端維護(hù)方法的有效性。

5 結(jié)論

本文首先對(duì)IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述;然后,對(duì)SCD 文件結(jié)構(gòu)及篩選流程進(jìn)行了講解,明確了SCD 文件按需篩選的具體流程。 在SCD 文件按需篩選的基礎(chǔ)上,對(duì)變電站自主系統(tǒng)源端維護(hù)流程及界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 最后,對(duì)本文源端維護(hù)方法進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)斷路器22103 的狀態(tài)位置信息與報(bào)文一致。該結(jié)果證明了本文源端維護(hù)方法的可行性。