智能变电站二次虚回路运行维护管理系统的设计与实现

王冬霞，纪陵，檀庭方，王涛

（南京国电南自电网自动化有限公司，南京　211153）

智能变电站二次虚回路运行维护管理系统的设计与实现

王冬霞，纪陵，檀庭方，王涛

（南京国电南自电网自动化有限公司，南京211153）

为了提高二次系统设计、配置、调试、运行维护和管控等一体化技术水平，增强智能变电站二次系统运行维护的效率。通过对智能变电站二次运行维护相关技术体系进行研究，设计和实现了二次虚回路运行维护管理系统，实现了智能变电站二次虚回路可视化设计和配置、基于系统描述的智能变电站二次设备虚端子自动关联配置、二次虚回路版本管控和变更管理及二次虚回路变更影响波及分析、二次虚回路监视、故障诊断定位和可视化展示功能于一体的解决方案，从而有效提高智能变电站二次虚回路运行维护效率和管理水平。

智能变电站；虚回路；运行维护；自动关联；故障定位；效率

0　引言

现有智能变电站二次系统设计、配置、调试、运行维护和管控等技术体系在智能变电站二次运行维护的全过程中存在很多问题，给智能变电站的安全生产运行带来了隐患，增加了智能变电站运行维护调试的难度和工作量，阻碍了智能变电站先进性技术的应用和推广，已无法满足智能变电站快速发展的要求。国家电网和南方电网等公司的相关部门正在对智能变电站全站系统配置文件（SCD）、SCD管控、虚回路监视和故障诊断等多个课题开展研究，并将智能变电站二次运行维护相关技术和管理工作的研究作为今后智能变电站发展的一项重点工作［1-2］。

因此，为了适应智能变电站发展的需要，在智能变电站二次运行维护领域的业务取得拓展，对智能变电站二次运行维护相关技术体系进行研究，设计和实现了二次虚回路运行维护管理系统，从而有效提高智能变电站二次虚回路运行维护效率和管理水平。本系统由二次虚回路运行维护管理系统平台和基于平台之上的系统设计配置一体化工具以及二次虚回路运行维护管理应用系统组成。二次虚回路运行维护管理平台为各个二次虚回路设计配置及运行维护管理高级应用提供统一的平台基础和应用环境，并能实现二次虚回路运行维护离线配置管理和在线监视运行的有机结合。系统构建统一的二次虚回路对象模型，各应用模块之间基于统一的对象模型和信息平台，实现各应用间数据、模型和信息的交互。智能变电站二次虚回路设计配置和各应用模块在统一运行维护管理平台基础上实现了二次虚回路设计、集成配置、调试、运行维护、管控等专业业务和应用需求。

1　系统架构

该系统遵循“平台+应用”的架构模式，依托PS6000+通用支撑基础平台和SCD配置模块，并在此基础上扩展对文件库的支持和管理，实现二次虚回路可视化设计、SCD［3］集成配置的虚端子自动关联、SCD变更管理和文件版本管控及变更影响范围波及分析、二次虚回路状态监视、故障诊断定位和可视化展示［4］。智能变电站二次虚回路运行维护管理系统整体系统架构如图1所示，图中：SSD为变电站系统规范描述文件，CRC为循环冗余校验码，DXF为图形转换文件。

采用基于DL/T 860—2004《变电站通信网络和系统》实现变电站各类型二次设备及其通信端口和虚实链路的对象化建模，同时基于通用支撑平台和SCD文件库构建智能变电站二次设备及其二次虚回路的图、模、库和SCD配置文件一体化的统一信息管理平台，智能变电站二次虚回路配置、管理和监视的各高级应用模块基于统一信息管理平台实现智能变电站二次虚回路设计、集成配置、调试、运行维护和管理等各业务信息的统一配置、存储、管理和交互。各业务之间遵循标准化接口设计，基于标准化接口和交互信息模型，实现应用间信息的共享和交互［5-7］。

2　设计与实现

智能变电站二次虚回路运行维护管理系统主要功能包括：（1）智能变电站二次虚回路可视化设计和配置；（2）智能变电站二次虚端子集成配置自动关联功能；（3）智能变电站二次虚回路配置变更管理和文件管控；（4）智能变电站二次虚回路影响范围分析；（5）智能变电站二次虚回路故障诊断、定位和可视化展示。

图1　智能变电站二次虚回路运行维护管理系统结构示意

2.1智能变电站二次虚回路可视化设计和配置

智能变电站二次虚回路可视化设计和配置功能基于PS6000+通用图形支撑平台实现智能变电站二次设备图元模型配置管理和虚回路的可视化设计绘制，基于一体化图、模、库实现二次系统和虚回路配置信息的统一存储和管理，并基于图形平台和应用支撑平台实现虚回路的可视化展示，智能变电站SCD系统配置文件、智能电子设备能力描述（ICD）配置文件、工程管理文件、图形文件、模型文件、知识文件等文件基于文件库实现各类文件的统一存储和管理，各类模型配置文件遵循Q/GDW 1396—2012《IEC 61850工程继电保护应用模型》等相关标准，同时基于通用标准接口层实现各类标准格式的智能变电站虚回路图、点表、光缆清册的生成、导出和导入。智能变电站二次虚回路可视化设计和配置功能结构如图2所示，图中CCD为虚回路配置描述文件。

图2　智能变电站二次虚回路运行维护可视化设计配置功能结构示意

2.2智能变电站二次虚端子自动关联配置

智能变电站一/二次系统的配置描述、一次系统拓扑关系描述、一次系统对应的二次设备［5］配置是实现二次设备自动关联配置的重要依据，二次设备虚端子自动关联配置功能模块依据二次设备的二次回路连接功能逻辑关联知识，构建二次设备的二次回路连接功能逻辑关联知识库。在完成变电站一/二次系统描述和一/二次设备关联后，基于SSD中变电站系统描述的一/二次模型以及一/二次模型关联关系，并结合二次设备的二次回路连接功能逻辑关联知识，自动产生变电站内各二次装置之间基于二次回路的功能逻辑连接的关联关系，即利用模型之间的关联描述产生物理连接之间的通信关联。

1995年9月，我曾介绍《大地上的事情》的作者、生态文学散文家苇岸加入中国作家协会。我的推荐词写道：“苇岸秉承着《瓦尔登湖》作者梭罗、《林中水滴》作者普利什文的传统，倾全力描绘生机蓬勃的大自然的一切。他在中国散文史上首先表达了土地伦理学的思想，因此我乐于介绍他加入中国作家协会。”推荐词里，我虽然使用了“土地伦理学”的提法，但那时我并不知道这一首创性的概念最早是由李奥帕德提出的。这时我才感到，冬林把这本好书送我阅读，使我得到醍醐灌顶般的醒悟，我是多么幸运。

智能变电站二次虚端子自动关联配置功能结构如图3所示。基于PS6000+图形支撑平台实现变电站一/二次系统描述和一/二次关联的图形化配置，并将配置信息存入PS6000+一体化图模库，设计SSD生成模块，并基于PS 6000+一体化图模库生成SSD配置文件，同时通过信息交互总线存入到系统文件库，二次虚端子自动关联配置模块首先基于全站二次设备配置导入装置ICD文件，实例化各二次装置模型，并基于一次拓扑关系、一/二次关联关系和二次设备虚端子标准连接库，实现二次虚端子关联的自动配置，将连接配置信息写入SCD文件中，完成二次虚端子关联的自动配置。

图3　智能变电站二次虚端子自动关联配置功能结构示意

2.3智能变电站二次虚回路配置文件管控和变更管理

智能变电站在其整个生命周期内将进行多次改/扩建，经历多次“设计—配置—实施”的循环，SCD文件也相应经历多次版本变更。智能变电站配置信息的生命周期循环如图4所示。在新建变电站首次经历的“设计—配置—实施”过程中，通过系统配置工具可以完成整个工作，而在变电站改/扩建所经历的后续循环中，通过智能变电站配置运行维护管理模块实现改/扩建阶段的变更配置和控制。可视化系统配置工具功能模块、系统配置运行维护管控模块等构成了智能变电站配置运行维护管理系统的二次虚回路全过程配置运行维护管控功能核心。

图4　智能变电站配置信息生命周期循环示意

智能变电站配置运行维护管控模块包括人机接口、管控内核模块、CRC计算和校验模块等，高效、便捷地完成系统配置文件的存储、校验、比对、可视化展示、版本管控等一系列管理功能，实时监控包括因改/扩建过程在内所导致的系统配置文件变更，最大限度地保证SCD配置信息的安全性、完整性、一致性，改变完全依赖个人来保证SCD文件正确性的低效而脆弱的现状。智能变电站二次虚回路配置管控功能模块总体架构如图5所示。

智能变电站二次虚回路［8-10］配置文件管控功能人机交互模块负责上传文件的完整性检查，并处理后提交给管控内核模块。管控内核模块解析系统配置文件，并对提交的系统配置文件进行语法、语义校验。管控内核模块将校验结果返回给人机交互模块，如校验成功，则提交给CRC校验模块，否则人机接口模块提示区域用户无效的系统配置文件，并返回具体的校验出错信息。CRC校验模块计算CRC校验码，并将计算结果返回给管控内核模块，同时由管控内核模块生成虚端子图形，并将生成的虚端子图形文件返回给用户展示模块。最后，配置文件管控模块生成系统配置文件的版本信息，并连同提交的系统配置文件、CRC校验码、虚端子图形文件存储归档。

图5　智能变电站二次虚回路配置管控功能结构示意

智能变电站配置运行维护管理系统结构如图6所示（图中IED为智能电子设备），其主要功能包括：（1）版本管理。保证SCD版本的唯一性，实现版本历史的连续性、可跟踪性和可回溯性。由SCD版本库、版本控制的服务器端和客户端构成。（2）变更控制。保证SCD内容不被非授权地修改，保证配置信息的完整性和一致性，实现由软件保证的主动变更控制。变更控制功能，由基于角色和权限控制的SCD安全性控制、完整性控制和一致性控制等模块构成。（3）人工审核管控。由上级管理部门对修改后的SCD文件进行核查与批准。相对于上述由软件实施的主动变更控制，这是对SCD文件变更内容的事后核查。版本控制软件的客户端应提供对不同版本SCD的比对功能，以方便审核。（4）在线监视。在线保证运行装置内的配置信息与SCD配置信息的一致性，实现对智能变电站虚端子、虚回路信息的实时监视，作为在线监视系统或保护信息系统的附加功能模块。

图6　智能变电站配置运行维护管理系统结构示意

智能变电站二次虚回路变更影响范围分析基于SCD文件CRC实现配置文件版本管控和变化定位，依据变电站配置描述语言（SCL）文本文件的比对结果，基于SCD虚实回路可视化展示工具，通过可视化的方式展示因改/扩建或装置更换后IED及该IED虚回路的影响范围，为智能变电站二次回路管控和不停电扩建或不停电检修提供参考策略。二次虚实回路配置静态管控和虚实回路变化影响范围分析如图7所示。

图7　二次虚实回路配置静态管控和虚实回路变化影响范围分析

在描述智能变电站二次虚回路连通关系时，通过有向图和邻接矩阵来清晰地表示智能变电站各二次设备之间存在物理通信链路连接的二次回路连接关系，同时通过有向弧或邻接矩阵中前驱和后继节点之间的关系还能清晰地反映出各二次设备之间信息流的流向，并能表示出在二次回路中和某个二次设备存在直接回路连接的所有二次设备及其之间的连接关系。

目前，新增设备或更换设备后，相关设备二次回路发生了变化，但不能明确且直观地确定这种变化所关联的虚拟二次回路范围，所以只有进行大面积的停电调试。

智能变电站二次虚回路影响变更范围分析模块基于图形化SCD文件的二次虚回路变化影响范围分析，根据SCD文件界定新增设备或更换设备后虚回路变化的关联范围来分析新增或更换设备对变电站二次虚回路的影响范围，并确定需要调试验证的IED设备及其二次回路。

通过比较基准SCD文件与扩建或检修或更换设备SCD文件中各IED的CRC校验码，根据IED设备校验码不同作如下分类［11］：（1）新增IED设备。管控单元中标准SCD文件无此IED设备，待比较SCD文件中新增此IED，有CRC校验码，常用于变电站扩建新增间隔。（2）无效IED设备。待比较SCD文件有此IED设备，但校验码无效，常用于已有IED设备停运，无法读取该IED设备CID文件。（3）校验码错IED设备。待比较SCD文件与管控标准SCD文件比对，其校验码不一致。（4）采样值（SV）或面向通用对象的变电站事件（GOOSE）控制块虚回路变化。表示该IED设备中SV或GOOSE控制块虚回路有变化。

基于不同CRC校验策略，给出影响的二次设备标志，基于二次虚实回路连通图，给出影响的二次回路。上述（2）基于CRC的动态检验实现；上述（3）对于校验码错IED设备，可进一步查看（4）SV或GOOSE控制块虚回路变化。

装置和虚实回路影响范围分析可通过可视化的方式进行展示，以便于进一步控制管理和操作。二次虚回路影响范围如图8所示。

图8　二次虚回路影响范围显示示意

2.5智能变电站二次虚回路故障诊断、定位和可视化展示

智能变电站二次虚回路综合监视、故障诊断、定位和可视化监视模块依据二次虚实回路配置信息进行对象化建模，监视模块通过MMS采集二次设备状态、物理链路和虚链路状态信息，并通过交换机信息监视管理网络采集交换机设备的物理端口链路信息。对于支持DL/T 860—2004《变电站通信网络和系统》的交换机直接通过MMS获取交换机端口信息，对于不支持DL/T 860—2004《变电站通信网络和系统》的交换机通过SNMP采集交换机端口状态信息。同时，基于二次虚实回路关联关系及二次虚实回路连通图实现智能变电站二次虚实回路状态综合展示和故障定位。

二次虚实回路状态故障定位综合展示以装置二次装置虚链路状态监视为基础，基于二次虚实回路连通图，实现链路中断的二次虚回路的故障定位，并结合二次虚回路多维状态信息（设备状态、设备故障诊断、光功率、光强、网络负载、网络报文异常分析结果等），实现二次虚回路状态的综合展示和故障原因的综合分析。二次虚回路故障定位示意图如图9所示。

图9　二次虚回路故障定位示意

3　结束语

采用本文提出的二次虚回路运行维护管理系统，可以方便地进行智能变电站二次虚回路设计、集成配置、调试、运行维护和管控，构建智能变电站二次虚回路运行维护管理全过程的整体解决方案。包含智能变电站二次虚回路可视化设计和配置、基于系统描述的智能变电站二次设备虚端子自动关联配置、智能变电站二次虚回路版本管控和变更管理及二次虚回路变更影响波及分析、智能变电站二次虚回路监视、故障诊断定位和可视化展示等几个子系统，有效提高智能变电站二次虚回路的运行维护效率和管理水平。

该智能变电站二次虚回路运行维护管理系统已通过了国网电力科学研究院和江苏省软件产品监测中心的检测，并在广东省110 kV瑞颜变成功和贵州安顺市两所屯变等地方投入试运行，大大提高了智能变电站二次虚回路的运行维护和管理水平。

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（本文责编：白银雷）

TM 769；TP 311

B

1674-1951（2016）08-0019-06

2016-05-13；

2016-07-06

王冬霞（1981—），女，江苏东台人，高级工程师，工学博士，从事电力系统监控方面的工作（E-mail：dongxia-wang＠sac-china.com）。

纪陵（1982—），男，江苏泰州人，工程师，工学硕士，从事电力系统自动化方面的工作（E-mail：ling-ji＠sac-china.com）。