ICD模型自适应辨识与一致性验证技术研究

陈胜，李颖杰，袁明军，刘晓放，胡绍勇

(1.贵州电网有限责任公司电力调度控制中心，贵州 贵阳 550002；2.长园深瑞继保自动化有限责任公司，广东 深圳 518057)

在集群测控系统[1-2]的应用中，虚测控[3-4]需兼容不同厂家、不同型号测控装置的智能电子装置配置描述(IED configuration description，ICD)模型[5]，实现对应实体装置的功能外特性。由于厂家未公开测控装置的过程层虚端子与间隔层制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)变量的对应关系，南方电网行业标准也未对此进行规定，因此需要研究这种对应关系的识别技术[6-7]。当虚端子与MMS变量建立对应的输入输出关系时，集群测控系统替代实体测控后，两者将具备一致的输入输出关系。此时，后台、远动系统、调度均无需修改，大大降低人工辨识与验证的工作量。

文献[8]构建了基于IEC 61850的变电站一体化监测装置主IED信息建模，解决目前变电站内主要设备信息模型的缺乏问题。文献[9]提出统一信息模型的时间同步在线监测整体解决方案，指导时间同步监测统一建设，实现标准化交互。文献[10]研究边缘计算在配电物联网中的计算架构，以及边缘计算的数据交互机制，阐述智能终端在交直流混合配电网信息物理系统中的典型应用场景。文献[11]根据IEC 61850规约对故障定位、电压控制以及配电网重构等重要功能进行说明，分析时间同步以及网络冗余量大通信问题。文献[12]提出了基于IEC 61850的变电站继电保护设备功能信息模型和设备公共信息模型(common information model，CIM)与二次设备量测体系之间的模型映射和源端维护。文献[13]基于向量和矩阵运算验证规则一致性的算法设计实现了软件定义网络(software defined network，SDN)控制平面与数据平面规则一致性验证系统。这些文献对IED建模方法、ICD建模应用、统一信息建模、智能终端通信、通信数据验证等问题分别进行了讨论，但尚未有涉及ICD模型的自适应辨识与一致性验证运用，更没有关于信息非公开性的测控装置建模应用的阐述。

本文针对以上问题，对虚测控进行面向间隔的独立性功能重构。研究ICD模型自动辨识技术，通过模型解析、数据仿真、自描述信息处理，建立过程层虚端子和间隔层MMS变量的映射关系，研制由ICD模型辨识主机、仿真合并单元、仿真智能终端和被辨识测控装置组成的ICD模型闭环辨识系统。基于该识别系统，提出通过仿真合并单元和智能终端的自动触发来进行数据和报文比对，实现装置状态量、模拟量、控制量等信息的一致性校验，结合差异表和人工变位等方法，实现信息的自适应辨识，并开发模型及配置一致性验证软件。最后，通过仿真测试对该系统性能进行验证。

1 集群测控系统的架构

集群测控装置作为智能变电站的IED设备，具备独立的模型及完备的通信服务功能,定位为现有间隔测控装置的集中备用装置。当某个间隔测控装置故障退出运行时，集群测控装置快速实现故障装置的备用，完成该间隔的数据监视和控制功能，实现与故障测控装置的完全等价。采用冗余备用集群测控装置的智能变电站自动化系统间隔层架构如图1所示。

SV—采样值，sampled value的缩写；GOOSE—面向通用对象的变电站事件，generic object oriented substation event的缩写。

集群测控系统采用面向间隔的信息建模和IEC 61850的服务思路。系统中虚测控单元的配置和输入输出与实际电气间隔保持一一对应关系，共享合并单元和智能终端的信息。虚测控单元涵盖需替代的所有实体测控装置信息容量和应用类型需求。站控层IEC 61850服务则面向间隔以虚装置的方式继承一体化监控标准所要求的测控装置配置原则。

2 间隔的独立性设计

图2为虚测控面向间隔模块化示意图，图3为间隔维护独立性设计示意图。本文设计虚测控装置间隔模块化和间隔维护独立性的软件实现方式。对于实时性要求不同的过程层SV报文和GOOSE报文的处理，采取模块独立设计策略。在间隔层，将过程层任务处理模块的结果，面向间隔进行整理。每个集群测控装置对外提供独立的运行界面、配置文件和模型文件。在此架构下，面向间隔的集群测控装置可以投退，并进行独立的维护。虚测控装置与实体测控装置在变电站自动化系统中所处的层次和位置相同，满足测控装置的相关标准和规范。虚测控装置采取面向电气间隔配置的原则，具有独立的ICD模型、IP地址和组播地址。虚测控装置与实体测控装置的一致性包含功能等价[14]、模型等价[15]和配置等价[16]3个方面。

图2 虚测控面向间隔模块化示意图

CID—设备的配置描述，IED configured description的缩写；GOCB—GOOSE控制块，GOOSE control block的缩写。

3 ICD模型自动辨识方案设计

作为冗余的虚测控装置所涵盖的信息[17]主要包括遥测[18]、遥信和遥控[19]，其运行参数和定值由一次系统决定，自动辨识方案根据全站系统配置(substation configuration description ，SCD)文件，使用实体测控装置的CID文件，建立相关的逻辑节点(logical nodes，LN)、数据对象(data object，DO)和GOOSE报文发送控制块，并从CID文件获取IP地址、组播地址、应用标识(application identification，APPID)等通信参数，以及虚端子联系表，通过变量映射转换为虚测控装置的CID文件，通过重新定义短地址(sAddr)描述方式并建立变量的统一化映射来完成映射地址的修改。

映射主要解决以下3个问题：①电网未完整规范测控装置过程层虚端子与间隔层MMS变量的对应关系，以及此对应关系的描述方式；②实体测控装置ICD模型内部变量的私有映射与虚测控装置的内存变量的对应关系；③厂家未公开测控装置的过程层虚端子与MMS变量的对应关系。

为了观察映射关系的相关结果，设计了通过触发数据变化来模拟实体测控装置输出数据变化的闭环辨识模型，以收集映射结果数据。采用仿真智能终端(模拟模型GOOSE虚回路发生信号)、仿真合并单元信号触发的方法，搭建能识别3类变量关系的闭环辨识系统，实现实体测控装置过程层虚端子与间隔层MMS变量对应关系的自动辨识。

3.1 ICD模型映射

3.1.1 ICD模型映射方案设计

测控装置ICD模型映射原理如图4所示。实现ICD模型映射的步骤如下：

a)输入SCD文件，分解出虚端子联系表。

b)模拟外部二次设备(如合并单元和智能终端)，触发变化的交流量和信号量，解析间隔层MMS变量和过程层变量的对应关系，如图4中环节①所示。

c)触发遥控分、合命令，解析间隔层数字对象唯一标识符(digital object unique identifier，DOI)和过程层变量的对应关系，如图4中环节②所示。

d)根据间隔层DOI变量的数据属性(单点、双点、整型等)和应用属性(遥测、遥信、遥控等)，选择对应的内存变量，并修改此DOI的sAddr内容，记录和保存此对应关系，如图4中环节③④⑤⑥所示。

图4 测控装置ICD模型映射原理

e)基于被后备测控装置的CID文件，完成间隔层DOI和内存变量映射关系sAddr的修改，输出后备测控装置的CID文件。

f)验证后备虚测控装置和被后备测控装置的一致性。

3.1.2 ICD映射关系建立

对于sAddr描述，不同供应商之间无共同语言，在此对sAddr进行定义，如图5所示，图中GOOSEPin_EN_KI_YX和RDYXKR_32_Y为虚测控装置自定义的2个映射函数，通过GOOSEPin_EN_KI_YX将外部虚端子单点开入001定义为SPCS01.stVal，并映射到内存变量001，通过RDYXKR_32_Y将过程层DOI：SPCS01.stVal映射到间隔层DOI：Ind01.stVal。

图5 映射关系的建立

3.2 ICD模型辨识

实体测控装置DL/T 860模型中G(过程层GOOSE)、M〔过程层采样测量值(sampled measured value，SMV)〕访问点下的变量与S(站控层)访问点下的变量之间的映射关系是非标准、非公开的；为了方便察看，设计模型自动辨识系统，辨别对应的映射关系。模型自动辨识闭环系统主要通过触发数据变化来引起测控装置输出数据[20]的变化，从而根据变化数据正确寻找变量之间的映射关系，辅助使用者正确建立模型。

系统可以自动辨识状态量、模拟量和控制量这3类映射关系。其应用场景包括：①G访问点下的GOOSE开关位置状态变量与S访问点下的遥信MMS变量对应关系；②M访问点下的SV变量与S访问点下的遥测MMS变量对应关系；③S访问点下的遥控MMS变量与G访问点下的分合闸GOOSE变量对应关系。以模拟量映射关系辨识为例，其实现关系原理如图6所示。

图6 模拟量映射关系辨识设计原理

实现步骤如下：

a)通过界面驱动软件管理单元下发模拟量辨识驱动指令，同时将对应SV虚回路发送端信息发送给仿真合并单元。

b)仿真合并单元依据发送数据集按照SMV协议的ASN.1编码规则进行报文组织，然后按照每周波80点采样的机制对测控装置发送SMV采样报文；软件根据设置的二次值及变比参数计算出每个通道的SV，对数字化测控装置连续发送20 s的SV报文。

c)仿真合并单元同时将待辨识的模拟量信息传给辨识结果处理单元，辨识结果处理单元接收IEC 61850客户端传送变化遥测数据信息。辨识结果处理单元通过比对仿真合并单元模拟量数据、IEC 61850客户端遥测数据，实现模拟量映射关系辨识。

3.3 ICD模型辨识系统

辨识系统软件运行于X86平台，基于QT4.6以上版本开发，包含了SCD模型文件解析、仿真智能终端、仿真合并单元、IEC 61850客户端GOOSE接收单元等子功能。功能模块的相互配合可以完成实体测控装置DL/T 860模型过程层虚端子与MMS变量对应关系的辨识工作，系统与实体测控装置的信息交互如图7所示。

图7 辨识系统软件与智能实体测控装置的信息交互

辨识系统同时接入站控层、过程层GOOSE网、过程层SV网。其工作模式为：导入SCD模型文件，通过仿真合并单元触发变化遥测，辨识SV虚端子和MMS遥测变量的对应关系；通过仿真智能终端触发变化遥信，辨识GOOSE虚端子和MMS遥信变量的对应关系；通过发送遥控命令，辨识开出虚端子与MMS遥控变量的对应关系。

辨识系统能够对SCD模型文件信息进行全面解析，包括数据集、控制块、遥控通道、虚回路信息、通信参数、变量类型、变量解析层次等。辨识系统软件解析SCD模型文件信息如图8所示。

图8 辨识系统软件解析SCD模型文件信息

4 一致性验证技术研究

4.1 一致性验证方案设计

虚测控装置配置完成后，在图2系统中同时接入实体测控装置和作为其后备的虚测控装置，基于数据比对和报文比对2种方法进行虚测控装置和实体测控装置的一致性验证[21]。基本步骤如下：

a)验证系统从工程SCD文件中提取虚端子联系表，将虚端子联系表下装到仿真合并单元，由仿真合并单元顺序触发变化遥测数据，实时比对2个装置的遥测数据[22]，出现较大偏差时，在差异表中实时显示并记录，供人工检查原因。

b)将虚端子联系表下装到仿真智能终端，由仿真智能终端触发变化遥信，实时比对2个装置的遥信状态，出现差异时，在差异表中实时显示并记录。

c)基于CID文件对实体测控装置和虚测控装置的相同遥控对象进行操作，比对2个装置的GOOSE发送报文，判断遥控操作的一致性。

d)联闭锁逻辑的一致性验证，通过仿真合并单元和智能终端的自动触发，结合人工置数和人工变位的方法进行验证。

4.2 一致性验证系统设计

验证系统软件基于QT4.6以上版本开发，具备SCD文件解析、仿真智能终端、仿真合并单元、IEC 61850客户端等功能，可以迅速完成实体测控装置IEC 61850模型一致性验证工作。相关软件界面如图9所示。区域1完整展示SCD文件中所包含的模例；区域2展示一致性验证的结果；区域3展示一致性验证过程中当前发送的GOOSE数据集、SMV数据集或遥控信息的相关情况；区域4为标准模型验证结果信息；区域5为待验证模型验证结果信息。

图9 验证系统软件模型信息显示界面

验证系统接入站控层网络、过程层GOOSE网络、过程层SV网络，同时把需要进行一致性验证的标准测控装置和待验证的测控装置都接入3个网络，如图10所示。验证系统软件导入SCD文件之后，通过仿真合并单元触发变化遥测，进行电流、电压等模拟量一致性验证[23]的工作；通过仿真智能终端触发变化遥信，进行单点遥信、双点遥信、整型遥信等状态量一致性验证的工作；通过IEC 61850客户端发送遥控命令，进行测控装置遥控量一致性验证的工作。

图10 验证系统软件与实体测控装置的信息交互

验证系统将标准装置及带验证装置的过程层GOOSE、SV以及站控层的MMS服务构建成一个闭环系统，通过触动数据变化[24]来激发标准测控装置与待验证测控装置输出变化数据(遥测、遥信、GOOSE出口)来获取模型相关信息，从而辅助使用者来检验待验证测控装置模型与标准测控装置模型是否一致。工具软件提供3类数据一致性验证的功能：①模型G访问点下的GOOSE开关位置状态变量触发的一致性验证；②模型M访问点下的SV变量触发的一致性验证；③模型S访问点下的遥控MMS变量触发的一致性验证。以模拟量一致性验证为例，闭环方案设计原理如图11所示。

图11 模拟量一致性验证设计原理

实现步骤如下：

a)标准测控装置和待验证测控装置在网采模式下对接收到的SMV报文进行一系列的计算处理，如果发送的采样报文符合标准测控装置和待验证测控装置的SV虚回路配置信息，标准测控装置和待验证测控装置则会将变化遥测值以MMS报告形式上送给已经建立通信连接的IEC 61850客户端。

b)IEC 61850客户端收到标准测控装置和待验证测控装置的变化遥测MMS报告后会检查报告的上送原因，如果上送报告的原因是数据突变、数据更新、周期上送，则IEC 61850客户端会把这个报告解析之后的遥测值发送给验证结果处理单元。

c)验证结果处理单元根据SV信息与标准测控装置和待验证测控装置的遥测数据经过处理及分析得到一致性验证结果。

4.3 信息辨识验证的应用测试

基于所开发软件系统，以某500 kV变电站相关信息为例进行辨识验证的测试检验，以观察系统的实际应用效果。测试中，采集各类信息19 080条，测试待验证模型与标准模型之间遥测、遥信、遥控信息的辨识验证情况，结果见表1。

表1 信息辨析验证情况

从结果可见，所研制系统对不同信息辨识验证的正确率均值达到98%以上，具有良好的应用效果。

5 结束语

集群测控装置虚测控单元的ICD模型与实体测控装置一致，但内部实现不同，人工辨识与验证的工作量和压力巨大。为此本文研制了由ICD模型辨识主机、仿真合并单元、仿真智能终端和被辨识测控装置组成的ICD模型闭环辨识与一致性验证系统，用于测控装置集中式冗余备用方案，实现更加可靠的变电站监视、控制和数据采集功能，有利于支撑智能电网运行，提升设备运维效率。