基于IEC 61850 的变电站自主系统源端维护技术研究

李国号,张喜平,武天龙,张发忠

(广东电网有限责任公司中山供电局,广东 中山 528403)

0 引言

在智能电网中,IEC 61850 标准不但为变电站智能化与数字化的实现提供了支持,而且已成为电力自动化行业未来重要的技术标准[1-5]。 尽管我国在研究IEC 61850 方面起步较晚,但是其实践与发展较为迅速,推动了国内变电站向IEC 61850 智能变电站的逐步转型[6-8]。 当前,智能变电站的建模主要采用IEC 61850 标准,但调度中心模型是以IEC 61970 标准为基础进行建模的,加之模型之间具有一定的差异性,难以达到互操作这一主要目标[9-10]。 因此,确保两端数据模型的一致性,已成为当前智能电网发展研究的一个重要方向,也是亟待解决的问题。

本文对基于IEC 61850 标准的智能变电站模型和调度中心模型的需求展开了研究,详细分析了实现源端维护过程中需要解决的几个问题,提出了一种实现源端维护的方法。 同时,通过仿真试验验证了该方法的可行性。

1 IEC 61850 标准的特点概述

IEC 61850 标准作为电力系统自动化领域重要的国际标准,具有三大技术特性。 第一,IEC 61850 将智能变电站划分为包含站控层、间隔层和过程层的三层体系结构。 相比常规变电站的“站控层+间隔层”两层系统,间隔层与过程层的分离更有利于采集主设备信号。 第二,IEC 61850 采用独立于网络的抽象通信服务接口(abstract communication service interface,ACSI),当确定需要特定的网络服务时,可以通过调用特定的通信服务映射(specific communication service mapping,SCSM)将ACSI 映射到特定的通信协议中,以完成网络通信。 第三,IEC 61850 采用面向对象的建模技术,具有良好的继承性和可重用性。 这三大技术特性,使IEC 61850 在多个领域中得到了应用,例如智能电网建设领域。

2 变电站配置描述文件结构及按需筛选

2.1 变电站配置描述文件结构分析

变电站配置描述(substation configuration description,SCD)模型文件是全站系统配置文件,具有唯一性的特点。 SCD 模型文件能够详细描述变电站大多数智能电子设备(intelligent electronic device,IED)的通信参数、实例配置以及参数间的联系等情况。 同时,该模型文件涵盖面极广,不但能披露一次设备的信息,还能揭示它们间的连接关系。 对SCD 文件而言,需要按需裁剪,通过分类上传的方式实现变电站自主系统源端维护。

SCD 文件结构如图1 所示。

图1 SCD 文件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of SCD file structure

从图1 可以看出,变电站内所有IED 模型和电压等级数据均为SCD 模型文件中重要的组成部分。

2.2 SCD 文件按需筛选流程

根据调度中心等级的不同,模型文件的需求也会有所不同。 调度中心等级越高,所监控的区域就越大,模型文件涵盖的电压等级就越高。 如今,大多数变电站涵盖的电压等级数据都不是单一的,通常含有两个或两个以上。 若直接将SCD 文件传输至各级调度中心,那么不但会导致数据冗余现象,还会浪费网络资源,加大变电站自主系统源端维护工作量。 因此,需要通过筛选环节对SCD 文件进行筛选处理,剔除掉与调度中心无关的数据,而后将新生成的SCD 文件传输至各级调度中心。 这样便能有效解决上述的问题。 SCD文件筛选流程如图2 所示。

图2 SCD 文件筛选流程Fig.2 SCD file filtering process

在对SCD 文件进行筛选前,首先要通过读取的方式对SCD 文件进行存储,其次通过筛选环节对存储至内存中的SCD 文件进行筛选,最后获取具有不同电压等级的新SCD 文件。 从图2 可以看出,通过文档对象模型(document object model,DOM)接口将具有不同电压等级的SCD 文件读取至内存中,而后构建出一个DOM 树;在DOM 树的作用下,可实现对SCD 文件的按需修改,同时亦可以按需存取。 SCD 文件在内存中以树形结构存在,并以父、子节点方式展开呈现。 其他文件的操作也是如此,需要根据文件的父、子节点方式来确定操作的顺序和切入点。 在明确节点名称和相关属性后,才能对节点展开下一环节的操作,即通过替换、插入以及删除等操作修改文件。 对SCD 文件进行比较分析和按需裁剪等操作,等同于对文件进行重构,能够获得满足需求的新结构树。 对调度中心而言,会涉及一些无用的数据模型,比如通信模型。 对此,可通过遍历的方式对SCD 文件进行处理,即输入相应的关键词,找到无关紧要的子节点并将其剔除。 而对于有用的节点元素,可将其复制粘贴到结构树中,以实现SCD文件的修改。 总体而言,在修改DOM 树以后,才能对输出文件进行筛选,并以不同电压等级作为拆分依据,实现SCD 文件的DOM 树拆分操作。 一个变电站的SCD 文件需要对应多个电压等级。 而对变电站部分电压等级的元素属性值而言,需要通过查询操作剔除无关元素,保留满足电压等级需求的元素。 需要注意的是,在剔除无关智能电子设备的同时,应将其对应的数据类型模板剔除,避免后续的干扰。 对于连接节点的查询也是如此。 通过查询操作将无关的通信部分剔除,保留有用的部分。 通过上述一系列按需筛选操作,生成最终的SCD 文件。 该文件具有相同电压等级的特点,能够满足后期源端维护所需。

3 流程及界面设计

在分析SCD 文件按需筛选流程的基础上,本文将重点阐述变电站自主系统源端维护流程及界面设计。

3.1 流程设计

变电站自主系统源端维护流程具体可分为八个步骤。 第一,构建变电站模型框架,为新变电站模块文件的填充作准备。 第二,对制造报文规范(manufacturing message specification,MMS)通道进行初始化处理,为后续的连接奠定基础。 第三,调度中心自主发起连接请求,与变电站建立传输控制协议(transmission control protocol,TCP)连接。 第四,调度中心将站内版本文件与变电站版本文件进行比对:当版本一致时,无需改动;若版本存在误差,则根据误差点查阅模型的更新概况。 第五,若模型文件在更新,则可开启源端维护流程,根据调度中心所需,提取适当的模型文件,并将其传输至变电站中,由变电站将模型文件上传。 第六,当SCD 文件被源端维护接收到并对信息校检无误后,将模板文件融入调度中心模板。 第七,调度中心模板信息和版本信息更新结束后,对调度中心服务进行关联。第八,源端维护完成后,关闭TCP 连接。

变电站配置流程具体可通过以下五个步骤实现。 第一,对运动通信信道的配置进行维护。 第二,维护变电站SCD 文件,确保模型文件的准确性、系统性以及可靠性。 第三,根据调度中心的需求,对SCD文件按需筛选,生成新的SCD 文件。 需要注意的是,该文件需要携带电压等级。 第四,接收调动中心源端维护发送的请求,根据需要将新的SCD 文件上传并处理。 第五,对模型的版本信息进行更新时,需要将更新的信息上传至调度中心,由调动中心作出响应及处理。

3.2 调度中心界面设计

本文在变电站自主系统源端维护流程分析的基础上,对调度中心界面进行了设计。 在对调度中心界面进行设计前,需要了解调度中心必须披露的功能,如源端维护请求、模型版本信息的查询、SCD 文件的接收与校检、站内模型文件信息的自主查阅、模型基本信息的披露、模型文件的远程操作等。 调度中心界面功能如图3 所示。

图3 调度中心界面功能图Fig.3 Function diagram of dispatch center interface

如图3 所示,菜单栏具备对文件编辑、校检以及检查等多项基础功能。 对窗口模块而言,可延伸出文件显示窗口、树形结构显示窗口以及接线图调出窗口。每个窗口披露的信息均能顺利通过校验和解析模块,通过读取的方式获得所需的SCD 文件。 文件管理模块可实现文件的编辑、读取以及保存等功能。 用户可浏览与导入上传至变电站的模型文件,同时能获取模型文件对应的结构信息。 对文件传输接口模块而言,实现模型文件和信息的传输,即通过建立一个连接口,实现智能电子设备与显示界面间报文的传输。 在完成调度中心界面设计后,会呈现出菜单栏、模型文件信息列表、模型文件名以及源端维护调度栏等按键标签。其中,菜单栏包含文件、编辑、格式、系统维护以及版本信息等按键内容。 源端维护调度栏包含启动维护程序和显示调度界面这两个按键标签,可通过单击这类按键查阅所需的内容。 单击显示调度主界面功能键,可预览变电站一次系统接线情况,为调度中心的仿真与维护提供基础。

3.3 变电站界面设计

在对变电站界面进行设计前,要对变电站所需的功能有所了解,例如SCD 模型文件的配置修改、变电站设备信息的自主查阅、版本信息的自主更新、源端维护请求、自主连接、SCD 文件的筛选、SCD 文件上传等。通过与调度中心的功能需求对比发现,调度中心与变电站仿真主界面存在一定的相似之处。 因此,需要对站内SCD 文件作出相应的解析,依照树形结构展开模型文件。 对站内智能电子设备信息进行查阅时,可直接单击智能电子设备的相关信息进行预览。 变电站界面同样具备SCD 的按需筛选功能,具体流程已进行了详细介绍。 因此,通过单击按键的方式可实现变电站对SCD 文件的筛选。 变电站图形显示界面功能如图4所示。

图4 变电站图形显示界面功能图Fig.4 Function diagram of substation graphical display interface

变电站要起到一定的维护作用,确保通信通道的安全性与通畅性。 从图4 可以看出,当无需进行信息交换时,变电站与调度中心不可完全断开连接,需要保持微弱的连接,以确保信息交换时连接通道启动的高效性。 变电站界面设计完成后,具有菜单栏、窗口模块、树形结构显示窗口、模型文件内容以及源端维护调度操作等按键。 其中,菜单栏包含文件、编辑、系统维护等操作按键。 源端维护调度操作栏包含通信通道测试、按需筛选、响应源端维护等按键。 若需要对通信通道进行测试,只需简单单击通信通道测试按键即可。

4 上传及维护效果分析

4.1 源端维护模型的上传

变电站在上传模型文件前,需要对通信连接进行测试,以确保连接的通畅性与安全性。 当变电站收到连接测试请求后,便能开启源端维护过程。 在开启源端维护过程前,要按需设置适当的电压等级,而后才能单击启动维护按键。 若调度中心未获得变电站的IP地址,则认为连接存在异常,无法实现后续的模型上传;反之,则能实现调度中心与变电站的连接。 调度中心的连接请求传输至变电站时,能得到相应的电压等级。 此时,可通过筛选功能对SCD 文件进行筛选。 在结束筛选流程后,通过对应的网络服务实现SCD 文件的传输。 在文件传输期间,通过改变SCD 文件格式,确保调度中心对文件的接收。 源端维护请求信息由调度中心发出后,要确保变电站与调度中心连接的通畅性与安全性。 当变电站将处理(筛选)过的SCD 文件上传至调度中心后,会自动存储至本地,并对该文件的Schema 语法情况进行自动检验。 若检验未发生异常,那么调度中心会指派软件对该文件进行解析,最后导入数据库中。 当文件导入无误后,便可关闭源端维护,断开文件的传输服务。 也就是说,调度中心在接收到变电站上传的文件后,断开文件传输连接服务与传输通道,并将源端维护信息发送至结束界面。

4.2 源端维护效果的分析

源端维护的实现需要满足两个条件:其一,调度中心能够顺利接收到变电站上传的模型,并存储至模型库;其二,在其一的基础上,与调度中心的一次连接线图产生关联。 在满足以上两个条件后,源端维护才得以实现,对应的图形才能够正确地展现与操作。 本文借助紫荆桥组态软件完成一次接线图显示画面的调度仿真。 在变电站SCD 文件中含有系统规格描述(system specificaton description,SSD)文件。 通过筛选操作后,对所需的一次设备属性、名称等信息进行描述与存储。 同时,本文为了检验源端维护效果,以A 变电站为例,对其子站进行了调度仿真,得到的A 变电站子站部分调度接线情况,如图5 所示。

图5 A 变电站子站部分调度接线情况Fig.5 Partial dispatching wiring of sub-stations in substation A

从图5 可以看出,模型与图形的配套是确保系统正常运行的关键所在。 而紫荆桥软件系统的正常运行,能够提供组态数据库功能,并为SCD 模型文件的导入提供渠道。 在结束模型与图形关联后,可查询图形设备的运行情况,以得到遥测信号、遥控信号、遥调信号和遥信信号。 其中,通过遥控信息可以明确变电站的电流、电压、有功功率等数据,通过遥控信号可控制隔离开关、断路器等设备的使用,通过遥调信号可调节变电站分接头情况,通过遥信信号可明确断路器等的报警信息和位置信息。 此处,本文以断路器22103的遥信信号为例,检验源端维护功能的可行性。 远方调度中心根据遥信信号明确断路器的状态信息,如位置信息和报警信息等,将断路器状态信息通过ACSI 服务发出。 当变电站接收到ACSI 服务发出的信息命令后,反馈断路器位置状态信息。 得到的报文表明,断路器22103 属于开路状态。 变电站内开关状态信息如表1 所示。

表1 变电站内开关状态信息表Tab.1 Switch state information in substation

由表1 可以看出,断路器22103 的状态位置信息与报文中的结果是相同的。 这说明本文系统遥信功能较为良好,同时也肯定了本文源端维护方法的有效性。

5 结论

本文首先对IEC 61850 标准的特点进行了阐述;然后,对SCD 文件结构及筛选流程进行了讲解,明确了SCD 文件按需筛选的具体流程。 在SCD 文件按需筛选的基础上,对变电站自主系统源端维护流程及界面进行了设计。 最后,对本文源端维护方法进行了试验,发现断路器22103 的状态位置信息与报文一致。该结果证明了本文源端维护方法的可行性。