智能變電站一體化信息支撐平臺構建分析

易 妍，范 輝，顧雪平

(1．華北電力大學，河北 保定 071003；2．河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

1 概述

智能電網是當今世界電力乃至能源產業發展變革的最新動向，代表著未來發展的方向和社會的進步，智能變電站是智能電網的重要基礎和支撐。智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站，對于建設堅強的智能電網具有重要意義[1-5]。

面向整個變電站系統的智能化，包括站域控制與保護、輔助運行管理與維護(設備狀態可視化、智能告警、故障信息綜合分析與決策)以及區域電網協調經濟運行等，要從整個系統角度實現上述智能化功能，需要建立在變電站各種數據的全景綜合視圖之上，對變電站各種數據進行集成和整合，即在所有數據綜合有效可用的前提下，才能真正面向整個變電站實現其智能化。

實現對變電站各種數據資源的綜合有效運用本身就是一個復雜的系統工程，最新的國際標準IEC 61850[6]、IEC 61970[7]為實現這個目標提供了相關標準和技術理念的支撐。為此開展變電站內源端數據整合方法的基礎性研究，建立智能變電站一體化信息支撐平臺。為實現該平臺，重點開展以下工作：

a. 基于IEC 61970 CIM、IEC 61850 SCL研究建立面向整個變電站系統的擴展的對象信息模型；

b. 以上述擴展的對象信息模型和IEC 61970 GID為標準，構建變電站綜合數據服務平臺；

c. 構建IEC 61850 ACSI / IEC 61970 GID通信網關系統。

2 模型的協調與擴展

實現變電站的數據整合，并建立標準化的一體化信息支撐平臺，首先需要建立變電站系統的對象信息模型，主要是IEC 61850 SCL模型[8-9]和IEC 61970 CIM[10-11]模型的建立。但是IEC 61850和IEC 61970標準所提供的模型均無法代表變電站的全部，二者之間需要進行協調，同時，針對狀態監測、環境狀態、視頻媒體等，又需要擴展。以下針對信息模型存在的不足進行協調與擴展。

2.1 模型的協調

子站上傳的信息格式是依據IEC 61850 SCL的，而主站系統的通信接口是遵循IEC 61970 CIM建模規范的，為實現變電站與調度中心之間的無縫通信[12]，實際工程中需要進行相互轉換映射。首先參考IEC 61970 CIM和IEC 61850標準分別對電力一次系統(變電站、線路、負荷等)和二次系統以及一二次關聯關系等數據模型實行統一建模。然后對二者進行協調，其中2個UML的關聯是關鍵。Equipment和IEC 61850 General Equipment的繼承關系允許使用IEC 61850設備信息擴展CIM。IEC 61970 Measurement和IEC 61850 Data Attribute 之間的關系允許將CIM量測量映射到IEC 61850對象模型的值。其模型協調步驟如下：

a. 基于CIM標準中已有的61850類包，進行適當擴展，把SCL模型轉化為CIM形式，分LNode、Data、DataAttribute處理;

b. 通過LNode下的LNode. Member Of_LNode Container把邏輯節點LNode與CIM中一次設備相關的Equipment關聯起來；

c. 通過配置的量測類型生成Measurement Type，1個Measurement Type下可以包含多個Measurement，1個Measurement對應1個Measurement Value；

d. 根據模型中每一個DataAttribute生成對應的一個Measurement，通過Measurement. Measurement Type與對應配置的Measurement Type關聯，通過Discrete. Contain_Measurement Values或Analog.Contain_Measurement Values關聯相對應的Measurement Value。

2.2 模型的擴展

面對整個變電站，其數據內容并未完全包含在當前的CIM中，需要進行擴展，比如：設備狀態監測數據、圖像或多媒體數據、環境監測數據等。擴展的原則應遵循IEC 61970 CIM的思想。IEC 61970 CIM基于UML(統一建模語言)標準和標準的對象建模方法，根據對象類描述數據結構以及定義數據間的關系。信息模型有2種方式描述：一種是UML，描述類、類屬性和類間關系；另一種是W3C開發的一種網絡本體語言OWL，是對XML語言的擴展，用來描述獨立于應用的信息描述方式。

進行模型擴展最好的方式是把2種語言相結合，具體步驟如下：

a. 用UML對擴展抽象運行時類建模，并添加到CIM；

b. 對SCL里的變電站擴展功能類和OWL的擴展運行時類結合建模；

c. 用OWL對IEC 61850擴展功能模型和CIM之間的關系進行建模；

d. 使用UML把IEC 61850擴展模型的抽象類中元素和CIM模型進行結合；

e. 使用OWL把IEC 61850運行時模型和CIM之間的關聯細節進行結合。

3 一體化信息支撐平臺關鍵技術及架構

綜合數據服務平臺是真正實現變電站智能化應用的基礎和前提，事實上，該平臺的作用是在“總線”式架構體系的支持下，以標準的GID接口向各種變電站綜合應用提供基于CIM模型標準的數據服務、系統集成服務、通用技術支撐服務。

3.1 關鍵技術

3.1.1 技術“總線”

數字化系統集成的概念要求實現在物理網絡空間上廣泛分布的不同系統之間的互聯互操作，而實現互操作的傳統方式是采用基于字節流的通信規約，這種低層次的通信規約，使不同系統之間實現互聯互操作造價高昂并且非常困難。

分布式系統技術所提供的基礎設施邏輯上就像一條“軟總線”，而且這條“總線”可以跨越整個基于TCP/IP網絡通信規約的網絡，伸展到網絡的任何一個計算機設備，分布在網絡任何位置的應用程序或對象組件均可掛在這條無形的“總線”之上，實現互相之間的數據交互操作。

3.1.2 通用接口定義

EPRI(美國電力科學研究院)的控制中心應用程序接口(CCAPI)項目的通用接口定義提供了一系列的API用于其它應用軟件獲取電力數據或相互之間交換電力數據。主要包含以下服務。

a. 公用數據訪問服務(GDA)：基于CIM信息組織的用來訪問公共數據所需要的API服務。

b. 高速數據訪問服務(HSDA)：簡單數據結構高速訪問所需的API服務，復雜的數據結構典型的是作為一個數據組來進行訪問的，并且需要被有效地映射為客戶端內存空間中的變量。

c. 通用的事件和訂閱服務(GES)：一個事件警告發布和訂閱的通用性能所需要的API服務。包括發布和訂閱主題的能力。也支持事件的“send and forget”數據交換模式。

d. 時序數據訪問服務(TSDA)：訪問時序數據所需的API服務。包括以請求/響應和發布/訂閱為對象進行交換的能力。

3.1.3 基于CORBA技術的GID

綜合數據服務平臺基于CORBA分布式系統技術構建，包括構建DAF接口服務器實現GID的GDA服務；構建HDAIS接口服務器實現GID的TSDA服務；構建DAIS接口服務器實現GID的HSDA服務和GES服務。

基于數據平臺之上的應用系統可以通過平臺提供的DAF接口、或HDAIS接口、或DAIS接口服務器，經分布式系統基礎設施提供的“軟總線”，訪問平臺提供的通用數據。

3.1.4 ACSI/GID網關

ACSI-GID網關主要進行變電站智能數據平臺通信服務和變電站自動化系統通信服務的映射，ACSI/GID網關置于被監測變電站內部，用以實現站內IEC 61850數據(包括模型和接口)向綜合數據服務平臺的IEC 61970數據之間的轉換，主要包括以下幾點。

a. 關聯服務映射：IEC 61970第五部分描述了在特定技術的上下文中創建網絡關聯的功能，IEC 61850服務可以映射到IEC 61970第五部分。

b. 獲取和設置數據服務映射：IEC 61970 HSDA(DAIS)提供了讀寫IEC 61850運行時模型對象的功能。

c. 控制服務映射：控制是通過一系列的IEC 61850 MMS和DAIS間的映射的讀寫來完成的。

d. 數據集服務映射：IEC 61970目前不支持在遠程設備上創建數據的功能。IEC 61970將創建一個新的第四部分內容來支持這個方法。

e. 報告服務映射：IEC 61970 HSDA支持客戶端接收未經請求的事件。為了完全支持IEC 61850的報告，HSDA客戶端必須支持復雜結構。

f. 日志服務映射：IEC 61850的日志可以通過IEC 61970 TSDA(HDAIS)訪問。

g. 高速端對端服務映射：GOOSE和SMV數據可以通過使用HSDA事件分發到O&M應用程序中。

h.自描述服務映射：HSDA支持瀏覽模型信息/裝置模型。

i. 設置組服務映射：HSDA支持向設備寫入數據，可以用它來完成對設置組的更改。需要HSDA客戶端和服務器支持復雜數據。

j. 取代服務映射：HSDA支持向遠程IEC 61850裝置寫數據。

k. 文件傳輸服務映射：IEC 61970目前不支持文件傳輸。將來會在IEC 61970的第四部分加入這種功能，目前可以用因特網文件傳輸服務(FTP)來完成文件傳輸。

ACSI/GID網關軟件結構示意見圖1。

圖1 ACSI/GID網關軟件結構示意

3.2 平臺系統架構

基于標準化的信息模型(CIM)和數據操作接口(IEC 61970 GID)，將變電站內所有的數據進行整合，并提供標準化的數據服務，即構建面向整個變電站的一體化信息支撐平臺。平臺將可向數據應用者高效提供變電站全景數據視圖，并向數據應用者提供標準的CIM/GID服務。IEC 61970 GID中的代理技術將所有物理上相對獨立的數據資源在邏輯上進行統一，并構成虛擬的變電站綜合數據服務中心，可以使應用軟件面對一個完整的數據視圖，從而可以綜合有效運用各種數據。

通過平臺內部的GID集成總線，可以將多個ACSI-GID網關(置于多個變電站內，適于集控站下屬多個變電站的情況)所提供的GID服務的數據源互聯，在邏輯上形成整體的CIM/GID數據服務平臺，向智能化應用提供綜合數據服務。

如圖2所示，整個系統由ACSI/GID網關、智能變電站綜合數據服務平臺、智能應用構成，綜合數據服務平臺和建立在其上的智能應用共同構成主站系統，該主站系統可置于大型變電站的監控中心或集控站的監控中心，也可置于遠程調度監控中心。

圖2 系統結構示意

4 一體化信息支撐平臺的應用

變電站內各類數據的集成是變電站智能應用實現的基礎。因此，智能一體化信息支撐平臺采用標準化的數據交換協議、面向全電網應用、建立全變電站信息交換標準化管理的數據管理機制，實現對變電站內外的各種數據進行集成和處理。變電站數據的完整性、一致性、正確性和標準化，將為智能變電站高級應用功能的實現奠定堅實完備的數據基礎。

在變電站能夠實現變電站級的狀態評估后，可以將傳統的由調度中心進行的一些功能拓展到變電站內，實現變電站內的不良數據檢測與辨識、接線拓撲辨識、狀態預測，也為全網提供更準確的數據源。

在變電站級狀態評估后，在以當前時刻狀態評估的結果預測短期后某一時刻(如15 min后)變電站的狀態，即以現在的數據預測未來的趨勢和狀態。短期預測結果使運行人員對未來可能出現的非正常狀態提前進行準備和采取控制措施，起到變電站安全預警作用。

智能變電站一體化信息平臺的建設還為設備的狀態檢修提供了數據基礎和實現手段，對一次設備進行在線數據分析和總結、狀態觀測，按照設備需要進行檢修，對二次設備進行狀態監測，對設備進行常規維護。利用IEC 61850提供的建模方法，建立設備狀態檢修的信息模型，通過構建可靠實用的狀態監測預警算法和機制，即可利用所獲的設備工作及狀態信息，實現對設備狀態的實時監測，并能夠根據判別結果，進行相應的告警、保護等措施，保證一次設備的可靠性。同時，利用IED本身具備的狀態檢修實施基礎，可以分析二次設備運行狀態，實現設備狀態檢修。

5 結束語

探討了基于IEC 1970 CIM和IEC 1850 SCL模型的變電站信息建模與協調方法，在此基礎上，提出以面向對象的思想和分布式系統技術構建面向整個變電站的高性能一體化信息支撐平臺的思路和實現技術。該平臺可實現變電站站內、站間以及與調度端的信息交互和信息共享，可將變電站內多套孤立系統集成為基于信息共享基礎上的業務應用。上述技術平臺不僅可以使部分智能化應用軟件以“即插即用”的方式接入智能變電站，而且可使所有外掛在技術平臺之上的系統實現高度的數據共享及互操作。該技術平臺的開發可以較好地解決智能變電站信息系統的一體化設計和全面整合問題，為變電站智能化提供了可靠的數據基礎。

參考文獻：

[1] 張文亮,劉壯志,王明俊，等.智能電網的研究進展及發展趨勢[J].電網技術,2009,33(13):1-11.

[2] 李興源,魏 巍,王渝紅,等.堅強智能電網發展技術的研究[J].電力系統保護與控制,2009,37(17):1-7.

[3] 謝 開,劉永奇,朱治中,等.面向未來的智能電網[J].中國電力,2008,41(6):19-22.

[4] 余貽鑫,欒文鵬.智能電網[J].電網與清潔能源,2009,25(1):7-11.

[5] 牛朋超,康積濤,李愛武,等.智能電網開啟電網運行新形式[J].電力系統保護與控制,2010,38(19): 240-244.

[6] IEC 61850—2004.Communication Networks and System in Substation[S].

[7] IEC 61970—2004.Energy management system application program interface(EMS-API)[S].

[8] 向珉江,高厚磊,史先好,等.基于IEC 61850標準的線路保護功能建模[J].電力系統保護與控制,2011,39(3):127-131.

[9] 韓法玲,黃潤長,張 華,等.基于IEC61850標準的IED建模分析[J].電力系統保護與控制,2010,38(19):219-222.

[10] 朱見偉,丁巧林,楊 宏，等.配電網CIM綜合模型的構建與應用[J].繼電器,2006,34(10):60-63，72.

[11] 毛 鵬,魏晉雁,茹 鋒.基于IEC 61970的電力系統二次設備CIM建模初探[J].繼電器,2007,35(11):65-68，78.

[12] 丁希亮,李建祥,孟祥軍,等.IEC 61850在數字化變電站直流電源系統中的應用[J].電力系統保護與控制,2010,38(23): 147-152.