数据源端维护技术在继电保护信息系统中的应用

笃 峻，胡绍谦，滕井玉，夏可青

（南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

智能变电站作为智能电网数据采集的一个重要源端，为电网运行提供了各类基础数据。如何保证这些基础数据的一致性和完整性，如何维护和有效应用这些基础数据，将直接关系到电网能否可靠运行，数据源端维护是解决这一问题的关键技术之一。虽然用户一直都有实现数据源端维护的强烈需求，但在传统变电站的技术条件下始终未能找到很好的解决方案。目前，智能变电站广泛采用的IEC61850标准为全站数据提供了完整的建模规范，统一定义和描述了数据的命名、属性及行为，实现了全站数据的统一建模，使得数据源端维护的实现成为可能。随着智能变电站的大规模推广，数据源端维护技术的应用和发展也具备了工程实用化的基础和条件。

1 数据源端维护的概念

2010年，国家电网公司制定发布了《智能变电站技术导则》，明确要求智能变电站应具备数据源端维护功能,即变电站在新建、扩建和改造时，应能够提供模型、图形、通信等信息供主站系统导入使用。模型、图形、通信等信息的维护工作在变电站端（源端）完成，以减少主站端建模、绘图、通信配置的工作量[1]。该导则中所说的主站系统是指与智能变电站连接的上级调度、集控等电网监控和管理自动化系统，下文皆用主站指代。实现数据源端维护的意义在于模型、图形、通信统一在变电站端进行配置和维护，主站端可直接导入并使用变电站提供的模型、图形及通信等数据，无需重复制作，从而减少主站端数据维护的工作量，实现主站端数据的免维护。更为重要的是，实现数据源端维护保证了主站端数据与变电站端数据的一致性，消除因两端数据不一致可能给电网运行带来的潜在风险，提高电网运行的可靠性和安全性。数据源端维护的实现流程如图1所示。

图1 数据源端维护原理图Fig.1 Schematic diagram of data source maintenance

需要源端维护的数据包括模型、图形和通信3个方面，其实现流程概括描述如下：变电站端使用模型工具和图形工具生成标准的模型文件和图形文件，并通过在线或离线的方式上送主站端；主站端使用模型工具和图形工具自动或手动导入这些文件，生成与该变电站相关的模型和图形，为主站系统提供该变电站模型和图形的支撑；另外，基于变电站端上送的数据模型，主站端通过模型工具挑选出该变电站远动装置需要转发的测点，形成统一的通信点表；变电站端远动装置和主站端前置模块分别导入该通信点表，并按照通信点表对点通信，有效保证了主站端与变电站端通信模型的一致性。

2 数据源端维护的实现

在模型方面，目前智能变电站普遍按照IEC61850规范进行全站的数据建模，采用变电站配置描述（SCD）文件描述和存储变电站的数据模型[2]。而主站普遍按照IEC61970规范进行电网的数据建模，采用公共信息模型（CIM）文件描述和存储电网的数据模型。变电站端使用模型工具将SCD文件转换为主站端可以理解和接受的CIM文件，将变电站端用变电站配置描述语言（SCL）描述的IEC61850模型映射到主站端的IEC61970 CIM。所产生的CIM文件通过IEC104规约文件传输服务或FTP文件传输协议上送至主站端。主站端使用模型工具导入该文件后自动生成与该变电站相关的数据模型，供主站系统使用，从而实现主站端模型的免维护。需要注意的是，实现模型源端维护并不要求主站系统也必须采用CIM，主站端的模型工具需要负责将导入的CIM转换为主站系统使用的私有模型，从而不会影响主站系统的私有实现。

在图形方面，目前主流的电力系统自动化软件均支持导入或导出可缩放矢量图形（SVG）文件[3]。SVG文件除了描述各种图形对象，如图元、样式等，还记录了各种模型对象，如电力设备对象、量测对象等，这些模型对象通过关键字ObjectID与上述CIM文件中描述数据模型的关键字rdf：ID建立关联和映射（如图2中所示的关键字ObjectID和rdf：ID之间的虚线连接）。因此，SVG文件必须与CIM文件配套使用，主站端只有同时导入变电站端上送的SVG文件和CIM文件，才能实现对图形的正确显示和操作[4]。变电站端的图形文件很多，一般仅将一次主接线图的SVG文件通过IEC104规约文件传输服务或FTP文件传输协议上送至主站端。主站端使用图形工具导入该文件后自动生成该变电站的一次主接线图，并解析获得一次设备之间的电气拓扑连接关系供主站系统使用，从而实现主站端图形的免维护。同样需要注意的是，实现图形源端维护并不要求主站系统也必须采用SVG，主站端的图形工具需要负责将导入的SVG转换为主站系统使用的私有图形，从而不会影响主站系统的私有实现。

在通信方面，目前变电站与主站之间普遍采用IEC101／104规约进行通信，通信双方通过事先约定好的一张通信点表将发送数据与接收数据一一顺序对应，这就要求通信双方的通信点表必须保持完全一致。一旦通信点表出现数据缺失、顺序颠倒等错误，就会造成通信双方对通信内容理解的不一致，引起通信错误。因此，虽然IEC101／104规约简单高效，但因其不能传输数据模型，不能自描述语义，只能按通信点表对点通信。如果完全依靠手工维护这张通信点表很容易出错而造成通信问题。主站端基于变电站端上送的数据模型直接挑点，自动生成通信双方使用的通信点表可以避免因二次制作及手工维护通信点表带来的出错风险。变电站端的远动装置导入变电站的SCL模型和通信点表，建立SCL模型与通信点表之间的映射关系（如图2中所示的关键字SCL：ref和index之间的虚线连接）。主站端的前置模块导入变电站的CIM和通信点表，建立CIM与通信点表之间的映射关系（如图2中所示的关键字rdf：ID和index之间的虚线连接）。这样，通过自动生成的统一的通信点表，在通信层面建立起变电站端SCL模型和主站端CIM之间的通信映射。数据源端维护的实现如图2所示。

图2 数据源端维护实现图Fig.2 Implementation of data source maintenance

下面以浙江金华500 kV芝堰变的一个断路器设备对象为例，详细介绍数据源端维护的实现细节。芝堰变集成商提供的SCD文件中的SCL模型的片段描述如下：

SCL 模型中的 Substation、VoltageLevel、Bay、ConductingEquipment元素构成一个嵌套的层次关系，清晰地描述了一个断路器设备对象。通过集成商提供的模型工具（如SCD配置工具）将变电站的SCL模型转换生成用于主站端导入使用的CIM，所生成CIM文件中的CIM的片段描述如下：

CIM中的cim：Breaker元素同样用于描述断路器设备对象，嵌套包含了对象名称（cim：Naming.name）等属性，其关键字 rdf：ID=“芝堰变 ／220000／bay2208／2208”实际上是由SCL模型中各级嵌套结构 Substation／VoltageLevel／Bay／ConductingEquipment中属性name的值拼成的，唯一标识了2208断路器对象。

从芝堰变监控系统获得的图形文件采用监控厂家的私有图形格式，不能被主站系统所识别和导入。通过监控厂家提供的图形工具将该图形文件转换生成用于主站端导入使用的SVG文件。SVG文件中同样是以“芝堰变 ／220000／bay2208／2208”作为关键字描述同一个2208断路器对象，只不过关键字换成了ObjectID。所生成SVG文件中的图形对象的片段描述如下：

因此，主站端导入变电站端生成的CIM文件和SVG文件后，可以通过CIM文件中的关键字rdf：ID和SVG文件中的关键字ObjectID自动建立起模型对象和图形对象之间的关联关系，避免了二次手工关联模型和图形，从而实现了主站端模型和图形的免维护。

在上述SCL模型中，描述2208断路器对象的ConductingEquipment元素中同时还嵌套包含了一个对LNode元素（逻辑节点）的引用，描述如下：

SCL模型以逻辑节点为载体，对变电站的各类功能对象进行建模，如例子中给出的逻辑节点CSWI所描述的断路器分合状态模型如下：

如上所示，在逻辑节点CSWI所描述的断路器分合状态模型中包含了4个状态量，分别是2208开关位置总、2208开关A相位置、2208开关B相位置和2208开关C相位置。这些状态量在SCL模型中通过 IEC61850 索引名（SCL：ref）进行标记，形如。IEC61850索引名通过分段式描述清晰标记了该状态量在IEC61850层次模型中的位置。ConductingEquipment元素通过包含对逻辑节点CSWI的引用，实现了一次设备对象与二次状态量对象之间的关联。

这些状态量在变电站端远动装置所用通信点表中的描述如表1所示。

③在膨化机中由于螺杆剪切带来的大量机械能输入，导致淀粉糊化度会达到最高。但是淀粉糊化度和产品水中稳定性并不一定完全呈线性关系。产品水中稳定性会随着机械能输入的增加而增加，但是当机械能输入达到某一特定区间后，产品的水中稳定性则会出现下降；

表1 远动通信点表Table 1 Point table of telecontrol communication

而在主站端的CIM中，这些状态量对应的量测模型描述如下：

当变电站端远动装置上送状态量（如2208开关位置总）到主站端，主站端通过IEC61850索引名（如，可以定位到状态量所描述的2208断路器对象（“芝堰变／220000／bay2208／2208”），状态量的值用于描述 2208断路器对象的分合状态。这样从数据发送到数据接收再到数据定位，就自动建立起了变电站端SCL模型和主站端CIM之间的通信映射，有效保证了主站端与变电站端通信模型的一致性。

3 数据源端维护存在的问题及解决

上述数据源端维护的实现从一次设备对象的角度描述了模型、图形、通信之间的关联关系以及变电站与主站之间数据的交互过程，主站采用的CIM规范和SVG规范很好地描述了电网的数据模型及其拓扑结构，满足了电网调度业务对模型和数据的需求。但是，电网中除了包含大量的一次设备以外，还存在大量的继电保护装置，这些装置的模型和数据对电网运行同样重要。主站继电保护信息系统的诸多高级应用如保护信息管理、保护故障分析、保护定值校核等都离不开对继电保护装置模型的解析及数据的应用[5]。只有将一次设备模型和继电保护装置模型相结合，才能完整地构建出整个电网的全景模型。基于电网全景模型，既可以获得一次设备的类型、属性及相互之间的拓扑连接关系，又可以获得与一次设备相关联的继电保护装置中所包含的丰富的关于定值、测量、控制、故障等专业数据，可以为主站继电保护信息系统的开发提供更为有力的支撑。目前，主站普遍采用的IEC61970规范已经为一次设备提供了一套完整的建模规范，但在继电保护装置建模方面，IEC61970规范尚不能满足需求。虽然IEC61970规范也提供了继电保护模型包用于描述继电保护功能模型，但该模型过于简单、不够全面，难以应用于实际的继电保护装置建模，更难以应用于对继电保护信息系统的数据支撑[6]。随着智能电网建设的深入开展，无论是国家电网提出的一体化信息平台架构还是南方电网提出的二次一体化框架，都提出了电网数据纵向贯通和电网业务横向融合的建设目标[7]，这对数据的统一建模及源端维护提出了更高的要求。继电保护信息系统作为数据贯通、专业融合的典型应用，如何应用数据的统一建模与源端维护技术，实现对继电保护信息系统的数据支撑是亟待解决的问题。

针对统一建模问题，不少文献已经提出了一些实现方案，其共同的思路都是通过扩充IEC61970规范，在CIM中引入描述继电保护装置模型的类以达到统一建模的目的，只不过创建类的方法不一样。如文献[8]提出的在国家电网CIM／E模型的基础上扩充有关继电保护装置的模型，描述如表2所示。

表2 基于CIM／E模型扩展的保护信息类Table 2 Protection information classes based on CIM／E model

以典型的保护定值类为例，文献[8]扩充定义的保护定值类ProtSettingValue模型描述，如表3所示。该模型基本继承了IEC103规约描述继电保护装置模型的思想，比较直观，简单易懂。然而，由于该建模过程借鉴了IEC103规约中“组／条目”的概念，对继电保护装置的建模仅停留在信息分类的层次，如表2中把保护信息分为保护状态量类、保护定值类、保护压板类等，并未充分利用变电站提供的SCL模型中所包含的丰富的语义信息，对继电保护信息系统的模型支撑作用有限。举一个典型的应用例子：按上述方式建模，对于保护动作信号，从模型层面而言，应用仅知道该信号属于保护状态量，至于该信号具体是保护I段动作还是保护Ⅱ段动作或是保护Ⅲ段动作，应用就无法得知。而且与该保护动作信号密切相关的定值、压板数据分属于保护定值类和保护压板类，相互之间无法关联。对于像保护故障分析这一类需要明确理解保护信息语义的高级应用而言，这样的模型无法起到充分的模型支撑作用。

表3 扩展定义的保护定值类模型Table 3 Protection setting models by extended definition

文献[9]提出了另一种在CIM中引入继电保护装置模型的思路，创建逻辑节点类来封装SCL模型中继电保护相关逻辑节点的内容，如图3所示。

图3 引入SCL模型扩展CIMFig.3 CIM expansion by introducing SLC model

如图3所示，文献[9]在CIM中新增IEC61850-ProtectionLN类用于引入SCL模型中与继电保护相关的逻辑节点，常见的如保护类逻辑节点、测量类逻辑节点、保护相关类逻辑节点等，可相应地扩展出PXXX（如 PTOC）、MXXX（如 MMXU）、RXXX（如 RDRE）等逻辑节点类作为IEC61850ProtectionLN类的子类，用于封装对应逻辑节点的内容。与文献[8]相比，扩展的逻辑节点类能够充分利用SCL模型中丰富的语义信息，对继电保护信息系统的模型支撑作用显著。同样以上述的保护动作信号为例，SCL模型可以通过逻辑节点的命名规则来描述保护分段动作的信息，具体如下：

在上述模型中，可以通过属性inst或prefix来标识保护分段动作的信息，具体可以通过协商来约定。另外，通过逻辑节点可以封装与该保护动作信号相关的定值、压板数据，具体如下：

模型、图形数据的源端维护可以参照上述方法实现，但通信数据的源端维护还需进一步探讨。

上文介绍的变电站与主站之间采用传统的IEC101／104远动规约进行通信的方式，最大的问题是仍需维护一张通信点表。虽然通过数据源端维护技术可以建立变电站端SCL模型和主站端CIM之间的通信映射，但因通信点表无法实现模型的自描述，造成通过通信点表建立的通信映射无法直接传输模型，使得模型所承载的语义信息完全丢失，不能满足继电保护信息系统应用的需求。如果变电站与主站之间采用IEC61850规范进行通信，则可以很好地解决这个问题。按照IEC61850规范通信，主站端可以直接读取变电站端的SCL模型并转换为CIM，变电站端可以直接按模型方式上送数据，不再需要中间的通信点表，从而实现变电站SCL模型与主站CIM之间的无缝衔接，有效保证了主站模型和变电站模型的一致性，更重要的是完整保留了变电站模型的语义信息，为主站继电保护信息系统提供了有力的数据支撑。目前国际标委会组织正在积极制定将IEC61850扩展应用于变电站与主站之间通信的相关规范（如 IEC61850-90-2）。 文献[10]也探讨了将IEC61850扩展应用于变电站与主站之间通信的技术可行性，但同时也指出：采用IEC61850规范传输数据的效率较低，需要较大的通信带宽。同时，相比于目前广泛使用的IEC101／104远动规约，该方案的安全可靠性还有待大量工程实践的充分验证。

上述数据的统一建模和源端维护的实现思路可以为继电保护信息系统高级应用提供有力的数据支撑。以保护故障分析应用为例，对保护的故障分析及诊断需要对保护模型的语义有非常深入的理解和运用。保护故障分析应用需要根据断路器变位信息，按照保护动作原理进行推理和遍历，计算各种故障情况的可信度，分析保护动作的特性，从而判断出保护装置是否正确动作。同时，结合故障录波文件的波形数据，通过连续考察从故障发生到切除的整个过程中电流或电压的变化水平和变化时序，结合特定保护元件故障切除的原理，判断出故障的性质[11]。这种对故障过程和保护原理的仿真和分析，需要充分理解和运用保护模型的语义，具体的语义信息包括：保护装置与一次设备的配置关系，了解保护装置的保护范围；保护元件的类型，了解保护元件的动作原理，如差动、距离、方向、过流等；保护元件之间的关联顺序，了解保护元件之间的配合关系，如Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段；保护功能相关的数据，了解保护功能相关的定值、压板、闭锁等数据；保护测量相关的数据，了解保护测量值的相别，如A相、B相、C相；保护信息的分类，了解保护信息的类型，如保护动作、保护测量、保护压板、保护定值等。主站端通过IEC61850通信，可以从变电站端上送的SCL模型中获取这些模型信息[12]。主站端通过软件导入这些模型信息可以自动扩展生成IEC61850ProtectionLN子类。以过流保护类PTOC为例，其扩展生成的CIM类定义可以描述如下：

可见，主站扩展生成的CIM完整保留了变电站SCL模型的丰富语义信息，这将极大方便主站继电保护信息系统的开发和应用，进一步提高主站继电保护信息系统对模型应用的深度和广度[13]。

笔者参与研发实施的某省调继电保护故障信息智能分析系统采用上述数据源端维护技术方案，很好地实现了对继电保护故障分析应用的支持。该系统可以从变电站读取SCL模型，并能直接和变电站进行IEC61850通信，获取继电保护故障分析应用所需要的诸如保护配置、保护元件类型、保护元件配合关系，以及保护功能相关的定值、压板、闭锁、测量等数据。同时，为了兼容已有的常规变电站，系统也可以接入常规变电站已有的规约[14]。系统可以从变电站获取SVG文件并导入使用，同时为了工程实施方便也支持从省调能量管理系统（EMS）导入图形文件。通过开发配套的配置工具，系统已基本能实现对继电保护信息模型的少维护甚至免维护。更为重要的是，基于这些丰富的模型信息，系统实现了如下功能：在海量实时数据中快速有效地甄别和捕获重要信息并及时展现给用户[15]；结合继电保护设备的动作情况，分析电网故障时的故障范围、故障点及故障性质，形成故障报告[16]；与保护定值在线校核系统交互[17]，导入定值单并下装定值，自动校验和保证运行定值和定值单的一致性等。以上功能的实现都离不开上述继电保护模型语义的支撑。

在项目的实施过程中，也碰到并解决了如下一些问题。

a.对于一些设备较多的变电站，其SCL模型非常庞大，从变电站在线读取模型花费的时间较长。为此采用文件服务直接从变电站召唤和装载SCD文件可以大幅提高效率。

b.变电站的SCL模型详尽描述了整个变电站的完整模型，而作为省调只关心220 kV以上的模型和数据，多余的模型增加了系统的额外开销和复杂程度，降低了用户体验。为此系统专门开发了模型过滤和筛选功能，根据预先配置的220 kV、调度编号等关键字，系统自动提取出省调所关心的部分模型，并可以存为形如XXX变电站_220 kV.scd的文件供后续使用。

c.在当前普遍采用2 M带宽的通信条件下，除了上述召唤模型的效率问题，还存在IEC61850通信的效率问题，因为IEC61850规约不分一级数据和二级数据，在大数据量的情况下难以保证重要数据的快速上送，如正在周期上送大量遥测数据的同时产生了一个保护动作信号，此时很可能因为通信带宽原因该信号不能快速上送至调度主站。为此该项目要求变电站保信子站承担转发数据筛选和重组的职能，根据不同调度主站的要求，将转发数据重新过滤、筛选和分组，形成满足要求的上送数据集，如对于省调形成220 kV数据集并仅上送该数据集，从而大幅降低上送省调的数据量，有效降低网络负载。另外，针对通信优先级控制的问题，修改目前制造报文规范（MMS）服务的交互机制，实现可以打断正在传输的低优先级数据，插入高优先级数据。

通过解决上述工程实施中碰到的问题，进一步验证了源端维护技术的可行性，并推动其实际工程应用。

4 结语

随着国网一体化信息平台建设的不断推进，数据源端维护已经在多个工程中得到了应用和推广。同时，作为南方电网二次一体化框架的关键技术，数据源端维护也已经进行了多次入网测试。电网用户越来越关注和重视数据源端维护技术在数据贯通、专业融合上的应用。采用上述的整合电网一次设备模型和继电保护装置模型的数据源端维护方案，主站可以充分利用变电站提供的完整模型和丰富语义，为继电保护信息系统的开发提供有力的数据支撑，具有较高的工程实用价值。