基于CIM/E语言的稳定控制离线策略文件自动生成和工程应用

忽浩然，张孜铭，汤伟，李雪明

（1.国网安徽省电力公司调度控制中心，安徽合肥 230022；2.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏南京 211106）

随着电网安全稳定控制装置在电网中的大量应用，稳控装置已成为电网安全运行不可或缺的重要设备。为了便于对大量稳控装置的运行管理，各网省公司都建设了与（energy management system，EMS）系统一体化的稳控集中管理系统（stabilitycontrol centralized management system，SCMS）功能，初步实现了对稳控装置运行状态的远方监视、装置定值的定时比对、动作报告的实时上传等功能，提升了对稳控装置的运行管理水平[1-2]。随着应用的进一步深入，在D5000等EMS系统高级应用中，逐步开展了对稳控当值控制策略的在线实时校核和预警功能的开发工作[3-4]，通过实时的对当前电网运行方式下稳控策略进行实时分析和评估，对提高稳控装置的当值控制策略对电网的适应性、及时发现稳定装置控制量的不足具有重要意义[5-6]。

EMS系统对安控策略的在线分析和评估，依赖于稳控装置的离线策略。目前，稳控装置的离线策略库普遍采用手动维护的方式进行，即先在EMS中根据稳控装置的全部控制策略，手动生成包含控制策略表格式描述和定值描述的CIM/E格式离线策略描述文件。EMS中在线实时校核和预警软件，再根据此描述文件和当前电网的运行方式对稳控装置的当值运行控制策略进行校核和分析。这种方法对及时发现稳控装置当值策略的不足起到了十分重要的作用。但同时也存在2个问题：第一，由于稳控装置的控制策略是根据当前电网运行方式进行定制化研制的，一旦电网运行方式发生变化，导致稳控装置的逻辑程序被修改后，需要手动更新EMS系统中对应的装置离线策略文件；第二，随着电网运行方式或季节的变化，一旦调整稳控装置内控制策略表中的定值，就需要手动更新EMS系统中对应的装置离线策略文件。当稳控系统的装置数量较少时，手工维护足以满足需求。但当稳控系统中的装置数量级达到上百套时（如跨区电网的系统保护），一旦进行升级改造，手动维护控制策略的工作量巨大。此外，由于CIM/E格式的离线策略文件的手动生成需要极其专业的工程技术人员才能完成，对技术人员的业务水平要求较高，手动维护容易出错。因此，在稳控装置上实现离线策略文件的源端自动生成维护，再通过调度数据网进行实时上传到EMS系统，有着迫切的需求。这样不仅能提高维护的效率，有效防止文件出错，还可以提高整个稳控系统离线控制策略文件的实时性和可维护性。

1 离线策略描述

1台稳控装置完整的离线策略包含多条相关或无关的离线策略条目[7-9]，每条离线策略可简化为3个部分描述：当前状态、触发条件和输出结果。

当前状态包括装置自己采集计算或利用远方通信收集的电气量、开入信号。触发条件包括电气量变化、开入信号变化、故障事件发生、状态持续时间等。输出结果则包括切负荷、切机组、直流调制以及向站间通道发送命令报文等[10-14]。

通过表格可以将同类或关联性较强的离线策略条目组织在1张表格中形成一个离线策略组，对装置的离线策略进行清晰的描述。表1—表3分别列举了常见切机切负荷策略表示例。

表1 基于组态的低频减载离线策略表Tab.1 Low-frequency load-reducing offline scheme based on configuration

表2 基于断面的过载切负荷离线策略表Tab.2 Overload load-reducing offline scheme based on power section

表3 基于故障的的切机策略表Tab.3 Generator cutting off offline scheme based on faults

在对稳控装置离线策略进行设计时，与离线策略相关的当前状态和输出结果的数量是有限多的，两者组合后受触发条件约束、具备工程实际意义的离线策略数量也是有限多的。这使得利用机器识别代替人工识别、并生成机器可以理解的离线稳控策略文件具备了理论上的可行性。

由于离线策略相关的当前状态、触发条件和输出结果的描述，都具备可被机器识别的关键词特征。因此利用程序对这3类信息进行机器识别，再根据程序内设定的规则，在没有人工干预的情况下，输出可供机器理解的离线策略描述文件在工程实施上也是可行的。

“源端维护，全局共享”是进行智能电网统一信息建模的重要原则[15]。依据这一原则，在生成稳定控制离线策略文件时，利用软件程序在装置侧按照IEC 61970-301定义的通用管理信息模型（common information model，CIM）生成稳定控制离线策略文件。IEC 61970-552 CIM XMLModel Exchange Format（简称CIM/XML）是国际标准，电力系统的大多数应用都是基于CIM/XML进行离线模型交换的。电网通用模型描述规范（CIM/E）是国家标准，且于2011年10月获国际电工委员会（IEC）新国际标准立项[16]。CIM/E在智能调度技术支持系统研发过程中制定模型交换格式，主要用于在线模型交换[17]。稳控装置的离线策略也采用CIM/E语言来进行描述，便于统一和标准化，有利于多个决策辅助系统间的信息共享[18]。

CIM/E是一种标记语言格式，具有标记语言的基本特点和优点，其所形成的实例数据是一种标记化的纯文本数据[19]。基于CIM/E格式，通过少量的几个标记符号和描述语法，就可以简洁高效地描述离线策略包含的各种简单和复杂的数据模型。而且数据量越大，效率越高，同时更符合人们使用的自然习惯，计算机处理也更简单[20]。

图1给出了一段根据CIM/E模型建立的离线策略的模型文件示例。建模时，采用了纵表式结构，简洁高效的描述了稳控装置的当值离线策略。

一个离线策略描述文件需要至少包含装置状态、判断条件、控制措施3列信息。每行描述一条完整的离线策略，至少包含状态、条件、控制措施3类信息。这3类信息可以是装置的原始信息，也可以由多条原始信息的按逻辑关系组成，通过“＜”（小于）、“&&”（逻辑与）等逻辑符号相连。

图1 CIM/E格式的离线策略文件片段Fig.1 A block of CIM/E based offline stability control scheme

综上，通过用E语言描述的离线策略文件可以方便的将稳控装置复杂的离线策略转化为一条条供程序使用和识别的程序描述语言。

2 离线策略文件自动生成的软件架构

稳控装置中离线策略文件的实时自动生成，在软件逻辑上可分为3大模块，即装置元数据采集、离线策略组数据生成、CIM/E模型文件发布，三者关系如图2所示。

2.1 装置元数据采集

软件首先通过各类通信接口和通信协议，将稳控装置的遥测、遥信、定值等信息收集至内存数据库中，完成装置元数据的采集。与装置间的通信可以采用现有IEC61850、IEC60870-103/104等标准规约或从现有的数据库获取。

获得数据后，需要将这些原始数据暂存备用。考虑到转换所需的数据不需要保存历史库，同时为了适应嵌入式平台的内存和硬件架构，提高读写访问速度，没有选用常见的磁盘数据库，而是搭建了内存数据库。

当缓存的数据发生变化并触发离线策略模型的更新条件后，立即对当前缓存的数据进行封包，生成快照，并发送至下一个模块进行识别和处理。

图2 离线策略文件的生成流程Fig.2 Offline stability control scheme generating process

2.2 离线策略组的生成

当离线策略分析模块收到数据库发来的处理请求后，需要对接收到的数据快照进行解析。

程序采取了基于字符串匹配和基于统计相结合的分词算法[21]，首先根据检测到的策略关键字，建立装置可能包含的离线策略列表。其次针对功能列表中的每一条实际功能，可以根据元件名和信息中的关键字的相关性进行归类。将与功能强相关的遥测和遥信归类到该条离线策略的当前状态；将与功能强相关的变位、事件和定值归类到触发条件；将与措施类报文归类到输出结果。在内存库中建立起描述一条离线策略功能所需要的全部信息关系图。最后结合程序中配置的特定策略下的状态之间的逻辑关系，组合形成离线策略文件策略描述中结合了状态和触发条件的策略判断条件。结合装置送出的标志位，修改每条策略的状态。遍历所有数据后，完成离线策略组的数据生成。

2.3 CIM/E模型文件发布

当所有的离线策略组生成完毕后，软件最后一个模块按照CIM/E格式将离线策略条目逐条写入文件，并向与其有连接的主站发布。

在实际测试中，程序从检测到稳控装置的数据变化，到重新生成新的离线策略文件，其整组周期不超过1 s。因此离线策略文件反应装置实际状态的实时程度，更多的取决于从稳控装置获取遥测、遥信等数据的周期的长短，以及向稳控集中管理系统上送该离线策略文件所消耗的时间。

3 工程应用

3.1 工程背景

安徽在运的稳控装置与安徽省调的原有的SCMS3000稳控集中管理系统以基于IEC-60870-5-103的网络103规约进行通信，并把有关数据发送给在生产管理3区的电网安全稳定及控制限额实时监视和运行管理系统，他们之间存在紧密的联系，已经一直稳定运行多年。为了在安徽省调EMS系统上实现对当值安控系统的控制策略实现在线校核和评估及预警功能，并能对CIM/E格式稳控离线策略文件进行源端自动维护和自动更新，需要对原有的系统进行升级改造。

为了不影响现有生产管理系统中数据3区的电网安全稳定及控制限额实时监视和运行管理系统运行，减少直接切换至新稳控集中管理系统运行可能带来的不确定性，项目设计阶段就提出了将稳控装置同时接入新旧2套系统，现有的各项业务可以平滑切换至基于D5000的新稳控集中管理系统，同时针对在运稳控装置不支持实时上送离线策略文件的实际情况，提出了在不修改其运行程序的情况下，通过新增加通信规约转换设备使之具备生成、并向新稳控集中管理系统上送离线策略文件功能的需求，同时也不影响原有系统的功能，如图3所示。

图3 经转换装置与双套EMS系统通信图Fig.3 Communication diagram to dual EMS via protocol converter

3.2 实施方法

为了应对实际应用中的需求，不改动在运稳控设备的程序，设计并开发了一套基于嵌入式平台的规约转换装置SCS-591。该转换装置安装在厂站端，能够以2种不同的规约同时向新旧2套稳控集中管理系统上送遥测、遥信数据。

图4 至原EMS系统数据流Fig.4 Dataflow of the former EMS system

图4显示了与原稳控集中管理系统通信时的数据流。规约转换器在收到稳控装置和集中管理系统的数据包时直接转发，不做任何处理。

图5显示了与新稳控集中管理系统通信时的数据流。规约转换器除了完成不同规约下数据的解析、转换和转发外，同时按照已配置定时或按照数据变位对离线策略E文件进行更新并上送，保证EMS系统中的在线分析和评估软件使用的装置当值离线策略始终为最新，提高了实时性和可靠性。

图5 经规约转换器至新EMS系统数据流Fig.5 Dataflow via protocol converter to the new EMS system

规约转换装置安装在厂站端，可以最大程度地降低由于通信的延时导致的离线策略文件生成的滞后。并且该设备在接入调度数据网时，可以直接使用已经开通的IP和端口，无需重新分配，不额外占用调度数据网的IP资源，最大程度地减小了从旧稳控集中管理系统向新稳控集中管理系统迁移及整合过程中，系统迁移和整合操作对在运稳控装置和在运集中管理系统的影响。

4 结语

对稳控系统的离线策略进行在线校核是提高在运稳控系统当值策略可靠运行的有效手段，该功能的正确预警依赖于稳控装置提供的CIM/E格式的离线策略文件。通过在装置侧利用程序生成CIM/E格式的离线策略文件，大大减小了人工编辑离线策略文件的滞后性，可以更加及时准确地反映稳控装置的实际状态，使在线校核和预警软件能够更好地为调度运行提供决策支持。在站端部署规约转换装置，可以减少数据采集中的延时，减少离线策略文件生成的滞后，实现源端自动维护和上送，提高了稳控策略校核的实时性，及时发现电网运行风险，保障电网安全稳定运行。

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