智能变电站工程配置镜像管控技术研究

李肖博，习 伟，周 柯，王晓明

(1.南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州 510670；2.广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西 南宁 530023)

智能变电站工程配置文件描述了智能变电站通信信息模型，是变电站内设备进行信息交换的基础[1-2]。智能变电站工程配置文件为整个智能变电站的运行提供了全站统一的数据源，配置文件的正确性直接影响变电站稳定运行。工程配置文件从变电站建设开始，贯穿了调试、竣工、扩建、改建整个过程，在此过程中，其由于系统的变化而处于动态变化之中。对变电站工程配置文件进行有效管控，能有效解决智能变电站中配置文件在多端应用中版本不统一、来源不一致导致的某些安全隐患，进而提高智能变电站的运维安全性和效率[3-5]。

为此，国内外研究人员开展了智能变电站配置文件管控技术研究。文献[6]通过智能电子设备(intelligent electronic device，IED)与智能变电站双层CRC校核智能变电站配置文件的一致性；文献[7]分析目前变电站配置描述文件(substation configuration description，SCD)管控存在的风险，基于二维码校验和虚回路可视化技术提出SCD管控策略；文献[8]通过对IED按照间隔和类型进行聚类比对，实现IED配置的差异及正确性分析；文献[9]提出一种改进的基于位置的文本文件比对算法，实现SCD的快速管控；文献[10]提出利用MMS、SV、GOOSE抓包通信技术在线校验SCD与保护装置中配置参数的一致性；并采用IED粒度进行新旧SCD比对，提高SCD管控效率；文献[11]提出一种基于中间模型文件的虚回路自动校验技术；文献[12]设计了配置文件可视化工具，实现了SCD配置信息的解析及可视化展示。

目前，智能变电站配置文件管控仍存在变电站投运后配置文件个人保存、集成商管理，配置文件规范性、正确性及唯一性无法保证，归档的配置文件与变电站现场装置内运行的配置文件一致性无法保证、智能变电站改扩建现场配置验证工作量大以及影响电网运行等问题。本文提出一种智能变电站工程配置的镜像管控方法，介绍智能变电站工程配置镜像管控的关键技术，设计开发智能变电站工程配置镜像管控系统，并介绍系统的实际应用效果。

1 总体架构设计

现阶段对智能变电站工程配置文件管控主要包括标准化校验和版本管理。本文提出一种智能变电站工程配置镜像管控方法，并结合在线运行的厂站端智能录波器及远程智能运维主站，搭建智能变电站工程配置镜像管控系统，打通站端二次设备监测系统、运维主站、配置文件管控系统及镜像调试系统的联系，实现变电站工程配置在线校核管控与离线调试管理的无缝衔接。系统架构如图1所示，系统包含部署在调度数据网Ⅰ区的智能录波器、Ⅱ区的智能运维主站、Ⅲ区的配置文件管控系统以及Ⅳ区的镜像调试系统。

图1 智能变电站工程配置镜像管控系统架构Figure 1 Architecture of the intelligent substation engineering configuration mirroring management and control system

智能录波器部署在各个变电站内，接入变电站站控层和过程层网络，读取变电站现场装置的报文和模型配置信息；通过报文解析、模型比对、CRC码校验验证现场装置运行的配置信息与站内SCD文件的一致性，并将校验结果及变电站配置文件通过MMS通信上送到智能运维主站；智能运维主站部署在调度端，对辖区内所有变电站的配置文件进行校验管控，接收区内变电站配置变化事件，并将信息上送配置文件管控系统；站端智能录波器与调度端智能运维主站实现变电站工程配置在线校核管控，并通过配置文件管控系统将现场配置镜像至镜像调试系统。

配置文件管控对实现变电站从基建到运维检修所有的文件及资料进行统一管理。镜像调试系统部署在检修工区，从配置文件管控系统迁出与实际运行变电站一致的配置文件，基于与现场一致的调试环境，对智能变电站改扩建进行虚连接IED子CRC码一致性校验、镜像模拟传动等测试，完成智能变电站配置排雷、改扩建工程配置及二次回路实时镜像验证，并将通过验证的智能变电站改扩建配置文件上传配置文件管控系统。配置文件管控系统与镜像调试系统实现变电站配置离线调试管理。整个系统实现变电站配置离线、在线无缝管理验证。

2 智能变电站工程配置文件全过程管理

为解决智能变电站中配置文件在多端应用中版本不统一、来源不一致导致的一些安全隐患。建立配置文件全过程管理流程，对从基建到运维检修所有的文件及资料进行全过程统一管理。 SCD全过程管理流程如图2所示，根据现场需求提出SCD变更申请，执行审批流程后迁出SCD，采用签出锁定、签入解锁的机制确保文件修改的唯一性。文件迁出后下载至移动工作站，现场修改SCD及配置，修改完成导入镜像调试系统进行镜像模拟传动、心跳报文比对、信号测试验证等必要的镜像调试。通过调试的配置描述文件上传至配置文件管控系统并执行迁入审批。在文件签入时，配置文件管控系统进行文件合法性及规则校验，给迁入审批工作提供参考，审批通过执行迁入变更结束。

图2 SCD管控流程Figure 2 SCD control process

以变电站二次设备台账列表为结构，对CID、交换机配置文件等装置实例化类文件进行全生命周期管理。自动检测语法、语义的正确性，并根据统一的命名规范归档。

3 智能变电站工程配置校验比对

3.1 智能变电站SCD文件虚回路校验

SCD中虚端子模型的不规范性导致无法直接实现虚回路的自动校核。本文利用Word2Vector进行虚端子描述文本的语义学习，利用循环神经网络(recurrent neural network，RNN)提取文本的深层语义特征，实现非标准到标准虚端子模型的自动映射，然后，基于标准的虚端子模型实现SCD文件虚回路的自动校验。使用Word2Vector中的连续词袋模型(continuous bag-of-word，CBOW)进行虚回路描述文本的向量化表示，模型如图3所示，模型的输入是某个词的上下文词向量，输出是中心词出现的概率， 以中心词出现的概率最大化为目标训练模型，可获得各词语的词向量。

图3 CBOW模型Figure 3 CBOW model

设词库的词汇量为V，模型隐藏层的维度为N，W1为输入层矩阵，W2为输出层矩阵，C个输入词汇用one-hot编码，则隐藏层词向量为

(1)

输出层的输入向量为

u=hW2

(2)

设ui为所求中心词的值，模型的输出值yi与中心词ui之间的关系为

(3)

模型等效损失函数为

E=-lg(p(w|Context(w)))=

(4)

利用随机梯度求解目标函数，获得各词汇的词向量。

采用RNN对向量化表征后的虚端子描述进行分类，依据分类结果实现非标准到标准虚端子模型的自动映射。基于RNN的分类模型结构如图4所示，t为时刻，x为输入层，s为隐藏层，o为输出层，U、V分别为输入、输出层权重矩阵，W表示隐藏层上一次的值作为下一次输入的权重。输出层、隐藏层计算公式分别为

ot=softmax(Vst)

(5)

st=tanh(Uxt+Wst-1)

(6)

图4 基于RNN的分类结构Figure 4 Classification structure diagram based on RNN

利用交叉熵误差函数作为优化目标，用y表示式(5)分类的结果，模型的损失函数为

(7)

使用梯度下降算法求损失函数的最小值，获得分类结果。

基于分类结果实现SCD非标准到标准虚端子模型的映射。通过此映射方式可将待校验SCD的虚端子模型标准化。根据变电站设计单位虚回路设计原则建立典型间隔的标准化虚回路校核模板，校验时根据需求集成为SCD虚回路校核模板，实现虚回路的自动校核。

3.2 基于模型及CRC码比对的工程配置一致性校验

智能录波器通过报文解析、模型比对、CRC码校验，验证现场IED的配置与SCD中配置的一致性。智能录波器接入变电站站控层和过程层网络，如图5所示，通过过程层网络读取装置报文，解析报文获取通信参数及IED的CRC码，与SCD比对校核现场IED过程层模型、虚回路配置与SCD的一致性。通过站控层网络读取现场保护、测控等装置的站控层模型，并将IED的站控层模型与SCD进行一致性比对，校核装置站控层模型与SCD的一致性，校验结果上送智能运维主站。当智能运维主站接收到子站的配置变化事件时，录入系统事件数据库，并上送配置文件管控系统。

图5 工程配置一致性校验Figure 5 Consistency check for the project configuration

配置文件管控系统对智能运维主站上送的SCD与配置文件管控系统中SCD进行一致性比对，进而实现现场装置内运行的配置与配置文件管控系统中归档的配置文件的一致性校验。智能变电站工程配置镜像管控系统通过在线报文解析、模型比对、CRC码校验以及配置文件离线比对，实现现场装置内运行的配置与归档配置文件的一致性校验。

3.3 智能变电站工程配置文件差异性比对

通过智能变电站工程配置文件差异性比对，直观了解变电站改扩建配置文件的变化及潜在的配置错误。本文将变电站改扩建间隔涉及的多台设备设置为一个断面，以断面为整体进行差异性比对。SCD中具有同间隔的IED连接紧密、不同间隔的IED连接稀疏的特点，采用马尔科夫聚类算法( the markov cluster algorithm，MCL)对IED按间隔聚类[8]。解析SCD中IED间的虚连接关系，建立IED间的连接矩阵：

L=[l1,l2,…,ln]T

(8)

其中，lk为一条带权重的连接，表示为

lk=[ijwij]

(9)

式中i、j分别为源、目标节点；wij为节点i、j连接的权重，对两节点属于同类间隔的连接赋高权重，不同类间隔的连接赋低权重，以防止母线保护等IED需要接收多间隔IED，干扰聚类结果。

利用连接矩阵L计算邻接矩阵A，其中

(10)

对邻接矩阵A进行MCL聚类得到转移概率矩阵，对转移概率矩阵进行DBSCAN密度聚类，采用欧式距离衡量节点间的相似性，并使用模块度Q评估聚类结果，Q计算公式为

(11)

式中n为网络中的连接数；ki、kj分别为节点i、j的度；Ci、Cj分别为节点i、j的聚类类别。

基于IED的间隔聚类结果比对同类型间隔配置的差异性，发现潜在的配置错误，并可按照断面的方式，图形化地展示智能变电站改扩建前、后虚回路和实回路的变化以及IED设备相互间的连接关系，如图6所示。

图6 基于断面及间隔的多IED外特性比对Figure 6 Comparison of external characteristics of multiple IEDs

基于CRC码的计算比对识别智能变电站改扩建测试边界，将SCD中改扩建直接关联IED与其每一个关联IED之间的SV、GOOSE发送和SV、GOOSE接收相关参数采用CRC32计算法则计算IED的子CRC码，如图7所示。

图7 IED子CRC组成Figure 7 IED sub-CRC composition

当IED间的SV、GOOSE发送和SV、GOOSE接收相关参数发生变化时，IED的子CRC码发生变化。通过比较改扩建前、后2个SCD中直接关联IED子CRC码，确定改扩建直接与间接关联IED之间的虚回路是否发生变化。若子CRC码一致，改扩建直接与间接关联IED间的虚回路没有发生变化，不需测试；若子CRC码不一致，表明改扩建前、后直接与间接关联IED间的虚回路发生了变化，需重新测试，改扩建前、后不一致的虚回路成为测试边界。

4 智能站工程配置文件镜像调试

由智能变电站工程配置镜像管控系统将变电站现场实际运行的配置描述文件镜像至镜像调试系统，基于与现场一致的调试环境进行智能变电站配置排雷、改扩建工程配置及二次回路实时镜像验证。

智能变电站建设早期相关规范不完善，智能变电站SCD不规范，虚回路配置存在漏接、错接等问题，SCD中隐藏的错误成为了智能变电站运行的安全隐患。此外，当智能变电站检修、改扩建涉及配置变更或新增间隔时，需要对SCD进行反复论证校验，确定现场停电传动调试范围[13-18]。

基于信号交互方式，镜像调试系统验证各设备之间虚回路及相关配置的正确性，如图8所示，虚拟测试设备依据模拟的设备下装相关配置，虚拟测试设备1、2依据模拟的设备间的虚回路进行报文交互，比对虚拟测试设备接收的报文与下装的配置相关参数是否一致，校核虚回路及相关配置的正确性。

图8 镜像模拟传动Figure 8 Mirror simulation transmission

智能变电站SCD排雷虚回路模拟传动：镜像调试系统依次选取SCD中的IED作为中心IED进行模拟传动，虚拟测试设备1、2分别模拟中心IED、与中心IED关联的IED，依据SCD中IED的Communication/PhysConn节点下的port元素设置对应模拟设备的光口号，并与虚拟测试设备的物理光口号对应，虚拟测试设备依据模拟的IED进行SV、GOOSE报文交互。

如图9所示，解析比对虚拟测试设备1、2接收的报文的APPID、MAC地址、goID、svID、gocbRef、dataSet和test标志位、数据类型、通道数量、光口等通讯参数与虚拟测试设备下装配置中相关参数是否一致，比对报文中各通道的值与虚拟测试设备模拟的IED对应通道的值是否一致。若相关参数一致，则对应的虚回路及相关配置正确；若不一致或没有收到相关报文以及存在多发收等情况，则说明对应的虚回路异常。通过镜像模拟传动可以排查SCD中虚回路配置问题，消除SCD虚回路问题引起的智能变电站运行的安全隐患。

图9 模型与报文比对Figure 9 Model and message comparison

智能变电站改扩建模拟传动：镜像调试系统虚拟测试设备1、2分别虚拟直接、间接关联域设备，虚拟测试设备1、2分别下装改扩建后、前的SCD中的相关配置，通过镜像模拟传动，验证智能变电站改扩建后原运行间隔二次回路是否变更和正确。

5 工程应用

在某500 kV智能变电站改扩建工程中，500 kV侧第2串新增边断路器和五寨I线线路，第3串新增边断路器和五寨II线线路。利用本文设计的智能变电站工程配置镜像管控系统，进行改扩建配置镜像调试。

从配置文件管控系统中迁出变电站改扩建前的SCD，比对改扩建前、后2个SCD中改扩建设备直接关联设备的子CRC码，PDL5022A 500 kV第2串DL2保护A子CRC码变化情况如图10所示，与此保护A关联的原运行间隔中MT5001A.1#主变高压侧合并单元A的子CRC码在改扩建前、后发生变化，需要测试，其余原运行间隔设备改扩建前、后子CRC码无变化，不需要测试。

图10 改扩建子CRC校验详情Figure 10 Details of sub-CRC check before and after the reconstruction

改扩建前、后子CRC码发生变化的IED成为测试边界，改扩建测试范围为新增、直接关联设备以及前、后子CRC码发生变化的间接关联设备。对需要测试的设备进行镜像模拟传动，虚拟测试设备1模拟改扩建直接关联设备PDL5022A 500 kV第2串DL2保护A，虚拟测试设备2模拟MT5001A.1#主变高压侧合并单元A；虚拟测试设备1、2分别下装改扩建后、前的SCD相关配置；虚拟测试设备1接收的虚拟测试设备2发送的SV报文的APPID、MAC地址、svID、dataSet和test标志位、数据类型、通道数量、光口等通讯参数，与虚拟测试设备1下装的PDL5022A 500 kV第2串DL2保护A的配置参数一致，报文的通道值与PDL5022A 500 kV第2串DL2保护A对应通道值一致，虚回路正确且改扩建前、后配置一致。完成调试后配置文件上传配置文件管控系统归档。

传统调试模式下需要将所有改扩建直接关联设备陪停，在更新配置后，与所有改扩建间接关联的运行间隔进行现场传动试验，停电测试范围大。智能变电站工程配置镜像管控系统将现场配置镜像到检修工区，在检修工区，通过镜像调试系统完成变电站改扩建配置变更验证，简化现场调试工作，并通过改扩建前、后子CRC码的一致性比对自动识别改扩建的测试边界，减少改扩建现场传动，缩小停电周期和范围。

6 结语

本文针对目前智能变电站配置管控存在的问题，以及智能变电站现有配置文件排雷、改扩建配置验证的测试需求，提出了一种智能变电站工程配置镜像管控技术，并搭建了支持多应用场景的智能变电站工程配置镜像管控系统，实现变电站配置离线、在线无缝管理验证，消除智能变电站中配置文件在多端应用中版本不统一、来源不一致导致的某些安全隐患；实现二次回路镜像传动验证，排查SCD中虚回路配置问题，消除SCD中隐藏的错误；基于与现场镜像一致的调试环境，实现智能变电站改扩建配置校验，自动识别测试边界，减少改扩建现场传动，缩小停电周期和范围，对电网的安全稳定运行意义重大。