基于IEC標準的常規(guī)變電站的動態(tài)建模方法及應(yīng)用

陳衛(wèi)建 蔣正威 黃 斌 肖艷煒 杜奇?zhèn)?/p>

（浙江省電力公司，杭州 310007）

隨著電力體制改革的不斷推廣和區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的不斷加強，不同電網(wǎng)間的數(shù)據(jù)間的可互訪、可操作性的要求日益增強。因此，如果整個互聯(lián)電力系統(tǒng)中的通信沒有一個統(tǒng)一的通信規(guī)約，就不可能在一個ΙT 架構(gòu)基礎(chǔ)之上，有效地選擇不同的自動化設(shè)備、遠動系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集裝置等供貨商。為此，ΙEC TC57 制定了統(tǒng)一的通信系統(tǒng)體系，來構(gòu)成電力系統(tǒng)的無縫通信系統(tǒng)體系，使得電力系統(tǒng)運營商和供貨廠商都可以從這些標準中獲益。

ΙEC 61850、ΙEC 61970 系列標準是由ΙEC TC57開發(fā)并維護的兩個重要標準，分別致力于電力系統(tǒng)控制中心和變電站的信息建模與信息交換，是目前最為完善、接受程度較高的兩個標準。

1 IEC 61850 和IEC 61970 標準

由于電網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，提供了通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)的可能性，且傳輸信息容量大大增加。隨著電力市場的興起和電力系統(tǒng)的擴大，信息量越來越大，要求在各種自動化系統(tǒng)內(nèi)快速、準確地集成、合并和傳播實時信息；在電力控制系統(tǒng)的所有設(shè)備容易交換信息和自由訪問所感興趣的部分是對新的無縫通信系統(tǒng)的基本要求。由于這種需求，命名為“Communication networks and systems”的ΙEC 61850 標準，于 2003年9月后陸續(xù)推出，我國等同采用并轉(zhuǎn)化后，標準編號為DL/T 860。與以往的ΙEC 60870 系列標準、DNP等標準不同，ΙEC 61850 標準已經(jīng)超越了單純的通信范疇，成為包括變電站系統(tǒng)功能定義、信息模型搭建、通信接口封裝、配置以及一致性測試等眾多特性的全新標準。由于電網(wǎng)中存在大量非ΙEC 61850 標準的變電站設(shè)備，需要在ΙEC 61850 逐步推廣的背景下，對已有設(shè)備妥善處理。

ΙEC 61970 系列標準，包括公共信息模型（CΙM）和組件接口規(guī)范（CΙS）兩部分內(nèi)容。CΙM 描述了應(yīng)用程序接口的語義（semantics），CΙS 描述了應(yīng)用程序接口的語法。其提出的主要目的和意義在于：①便于來自不同廠家的能量管理系統(tǒng)（EMS）系統(tǒng)內(nèi)部各應(yīng)用的集成；②便于EMS 系統(tǒng)與調(diào)度中心內(nèi)部其它系統(tǒng)的互聯(lián)；③便于不同調(diào)度中心EMS 系統(tǒng)之間的模型交換。ΙEC 61850 和ΙEC 61970 兩種標準各自定義了變電站信息模型，但兩者間沒有無縫的映射，而實際應(yīng)用中往往同時涉及到兩種標準的使用，因此需要處理好兩種標準的結(jié)合問題。

2 常規(guī)變電站IEC 61850 動態(tài)建模方法

2.1 常規(guī)變電站向IEC 61850 標準適配

常規(guī)變電站間隔層廣泛采用的是 ΙEC60870- 5-103 協(xié)議[10]。將已有設(shè)備在短期內(nèi)全部更換，不僅電網(wǎng)運行方面不現(xiàn)實，而且是不經(jīng)濟的。因此，ΙEC 61850 標準的推廣必然存在過渡期。

在過渡期內(nèi)，使常規(guī)變電站設(shè)備兼容ΙEC 61850有兩種不同的策略可以采取，即非網(wǎng)關(guān)策略和網(wǎng)關(guān)策略[2]。非網(wǎng)關(guān)策略通過建立ΙEC 61850 設(shè)備和常規(guī)變電站設(shè)備公用的數(shù)據(jù)庫，及公用數(shù)據(jù)庫和其他協(xié)議數(shù)據(jù)庫的映射實現(xiàn)，數(shù)據(jù)交互和相互兼容。該策略的優(yōu)勢在于難度較小，且工作量主要集中在研發(fā)階段，現(xiàn)場工作相對輕松。缺點是ΙEC 61850 設(shè)備本身也需要兼容其他設(shè)備，協(xié)議映射復雜，不利于發(fā)揮ΙEC 61850 的優(yōu)勢。

網(wǎng)關(guān)策略顧名思義，指在遵循不同協(xié)議的設(shè)備之間加上一種協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備（也就是網(wǎng)關(guān)），從而使信息可以無縫傳輸。以變電站間隔層為例：該策略中，網(wǎng)關(guān)加入并非只是為了使某個特定的常規(guī)ΙED兼容ΙEC 61850，而且要求提供一些通用的服務(wù)。提供ΙEC 61850 服務(wù)的前提下，可以通過配置文件靈活封裝各種間隔層的常規(guī)ΙED。

ΙEC 61850 與傳統(tǒng)的相關(guān)協(xié)議在數(shù)據(jù)模型上是存在根本不同的。ΙEC 61850 的數(shù)據(jù)模型是面向?qū)ο蟮摹６T如ΙEC60870-5-103 等協(xié)議時面向點的。即依靠各種數(shù)據(jù)地址這種點信息來區(qū)分不同的信息，如某個開關(guān)的狀態(tài)、某條線路的運行參數(shù)測量值。非ΙEC 61850 向ΙEC 61850 數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換過程，涉及將線性的型號點表按照ΙEC 61850 的面向?qū)ο蠓绞街匦陆５倪^程，這是一種從平面到立體的過程[1]。反之，則需將面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)拆分為面向點表，是一個由立體到平面的過程。

圖1 IEC60870-5 的ASDU 和IEC61850 的映射關(guān)系

遵循ΙEC60870-5-103 協(xié)議等協(xié)議的常規(guī)ΙED 送出數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)內(nèi)包含協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、實時數(shù)據(jù)庫、服務(wù)模塊和配置工具模塊[6]。網(wǎng)關(guān)內(nèi)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負責接收ΙED 送出的數(shù)據(jù)，并進行接收映射轉(zhuǎn)化。協(xié)議轉(zhuǎn)化時，ΙEC60870-5 的ASDU 和ΙEC 61850 的映射關(guān)系如圖1所示。處理工作完成后數(shù)據(jù)送符合ΙEC 61850 的實時數(shù)據(jù)庫備用，然后通過服務(wù)模塊實現(xiàn)間隔層設(shè)備所需的ΙEC 61850 服務(wù)子集。另外，配置工具模塊能夠根據(jù)ΙED 送出數(shù)據(jù)所遵循的協(xié)議對協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和實時數(shù)據(jù)庫做出相應(yīng)的配置，從而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對各種常規(guī)ΙED 的通用性。

2.2 IEC 61850 標準與IEC 61970 標準的協(xié)同

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，結(jié)構(gòu)的日益復雜，對能量管理系統(tǒng)和變電站間的相互通信要求變高了。現(xiàn)有的標準協(xié)議在解決這方面問題時，已顯得有些吃力。ΙEC 61850 和ΙEC 61970 是電網(wǎng)中的兩個常用標準。如前所述，ΙEC 61850 主要是一個數(shù)據(jù)通信標準，在變電站自動化方面適用。控制中心調(diào)度上使用ΙEC 61970 標準，該標準中定義了CΙM（公用信息模型），其目的和意義是：便于來自不同廠家的EMS 內(nèi)部各應(yīng)用的集成，便于EMS 與調(diào)度中心EMS 之間的模型交換。將ΙEC 61850 標準和ΙEC 61970 標準相互結(jié)合，在解決上述問題上存在著可行性和必要性[3-5，9，13]。它們的結(jié)合可以提高電網(wǎng)的運行效率，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。

總的來說，兩種標準共包含3 種相對獨立而需要結(jié)合的信息模型，即ΙEC 61970/ΙEC61968 的CΙM模型，ΙEC 61850 的配置模型（SCL 文件），ΙEC 61850運行時模型（Run Time Model）。

因為電網(wǎng)中大量存在基于ΙEC 61850 的裝置和基于CΙM 的產(chǎn)品，而且不論是修訂ΙEC 61850 還是CΙM 都會需要很長的時間，協(xié)調(diào)兩種規(guī)范進行交互，最好采用改動較小的穩(wěn)健做法。也就是說，關(guān)于描述信息如何在基于ΙEC 61850 和ΙEC 61970/61968 的系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換的問題，并不希望過于詳細。但是，為了實現(xiàn)ΙEC 61850 和CΙM 結(jié)合的自動化，描述兩者關(guān)系時應(yīng)采用一種適用于機器的方式，即兩者關(guān)系的描述必須是明確而不模糊的[12，14-15]。

將61850 和CΙM 結(jié)合時，由于個標準使用各自的信息模型，使得有幾個關(guān)鍵的問題需要解決。

1）模型結(jié)合的語義設(shè)定（Model Harmonization Semantic Setup）：如何將61850 的配置和運行時模型與61970/61968 信息模型相互聯(lián)系。這個用于描述結(jié)合時需對標準所做的修改。

2）配置信息流（Configuration Ιnformation Flow）：設(shè)置運行所需的通信系統(tǒng)。

3）運行時數(shù)據(jù)流（Run-time Ιnformation Flow）：裝置和應(yīng)用間交換實時測量信息和控制信息。

下面將對這幾個問題進行闡述。

1）語義模型協(xié)同

描述信息模型時有多種可用的技術(shù)。UML 可用于描述類（classes），類屬性和不同類之間的關(guān)系。另外，描述信息模型時還可以使用諸如網(wǎng)絡(luò)本體語言（Web Ontology language，WOL）之類的本體語言。

使用XML 編寫的OWL 提供獨立于應(yīng)用程序（application-independent）信息描述方式。同過使用OWL，不管是集成的還是單一的信息系統(tǒng)，都可以分解為信息子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)對內(nèi)部使用自己的語義（semantics），但對外看做單一的聯(lián)合異構(gòu)信息模型（federated heterogeneous information model）。OWL 可以指出不同信息模型間的異同之處。例如，OWL 可以用于表述ΙEC 61850 和CΙM 間的不同之處。通常，建議同時使用UML 和OWL 對信息模型進行描述。一般的步驟是：

（1）使用UML 建立ΙEC 61850 抽象的運行時類的模型，并將它加入CΙM。抽象運行時模型指模型不在運行時實例化，只是作為運行時類的基類。

（2）建立ΙEC 61850 變電站功能類模型，該模型是SCL 的一部分，運行時的OWL 具體類。

（3）用OWL 建立關(guān)于ΙEC 61850 變電站功能模型和CΙM 間關(guān)系的模型

（4）關(guān)聯(lián)選定的元素，使用XML 建立ΙEC 61850 運行時模型（ΙE61850-7-2）到CΙM 模型的抽象類。從ΙEC 61850 運行時模型中選定的袁術(shù)包括Server、LogicalNode 和DataAttribute。

（5）使用OWL 建立從ΙEC 61850 運行時模型（ΙEC 61850-7-3 和-7-4）具體類到CΙM 模型具體類間詳細關(guān)系的模型。例如，建立從ΙEC 61850XCBR.Pos.stVal 到CΙM Breaker 位置信息間關(guān)系。

2）配置協(xié)同

變電站加電（energized）前，標準的結(jié)合主要著眼于離線數(shù)據(jù)文件交換。這種文件交換需要同步SCL 數(shù)據(jù)和CΙM XML 數(shù)據(jù)。兩種文件格式可以通過OWL 建立關(guān)聯(lián)，從而用OWL 去聯(lián)系CΙM 和61850 的類。OWL 文件包含其對CΙM 和SCL 數(shù)據(jù)的編碼及CΙM OWL 元素和SCL OWL 元素的關(guān)系。

CΙM 和ΙEC 61850 沒有能夠徹底融合，使得建立61850 和CΙM 的雙向轉(zhuǎn)換拓撲模型比較困難。例如，CΙM 的 Disconnector、LoadBreakSwitch 和GroundDisconnector 與ΙEC 61850 的CircuitSwitch存在多對一的關(guān)系。這樣，將CΙM 模型向SCL 變電站功能模型（Substation Function Model）轉(zhuǎn)化時，一些細節(jié)信息就會丟失。

從CΙM XML 到61850SCL 的OWL 映射描述了轉(zhuǎn)換過程中丟失的細節(jié)，用戶可以按照需要自行添加丟失的細節(jié)。另外，細節(jié)信息還可以在ΙEC 61850運行時數(shù)據(jù)中再次找回。

圖2 信息模型間的數(shù)據(jù)流

圖2顯示的是配置及運行時的信息流，還有對語義結(jié)合（semantic harmonization)的影響。

通過建立一種機器可讀的映射，可以開發(fā)出實現(xiàn)以下功能的軟件：

（1）從CΙM 模型建立SCL 拓撲模型

（2）從 SCL 變電站功能模型（Substation Function Model）建立CΙM 拓撲模型

（3）檢測CΙM 拓撲模型與SCL 變電站功能模型（Substation Function Model）的一致性

3）運行時間協(xié)同

在運行時間，運行維護（O＆M）應(yīng)用通過GΙD（Generic interface definition）獲取ΙEC 61850 數(shù)據(jù)。GΙD 服務(wù)支持CΙM 數(shù)據(jù)、61850 數(shù)據(jù)和CΙM/61850結(jié)合數(shù)據(jù)的展示。

（1）Physical view

包含CΙM 的拓撲模型及61850 提供的測量值。類似于已有的TC57 PhysicalView，但是進一步指出測量值使用61850 的命名

（2）Device View

包含完整的61850 數(shù)據(jù)模型而不是CΙM 拓撲模型。

（3）Measurement View

包括CΙM 拓撲模型及61850 提供的測量數(shù)據(jù)，但是該情況下測量值較復雜，包括61850 元數(shù)據(jù)（meta data）。

圖3展現(xiàn)的是如何將61850 的數(shù)據(jù)提供給GΙD接口，用于構(gòu)建Device View 模型。

圖3 IEC 61850 向61970 映射示例

3 在常規(guī)變電站的應(yīng)用

為比較全面地驗證本文研究建模方法及其動態(tài)適配技術(shù)的總體效果，針對常規(guī)變電站與主站之間，在試點項目中，考慮目前調(diào)度自動化系統(tǒng)的重要地位，在盡量不影響當前系統(tǒng)工作模式的前提下進行圖、模信息的適配接入，常規(guī)變電站與EMS 主站的圖、模、數(shù)信息流如圖4所示。

并開發(fā)了面向EMS 模型信息動態(tài)驗證管理工具，采用以下策略提高了系統(tǒng)的易用性和方便性：提供C/S 方式維護界面；提供本地系統(tǒng)維護界面；互聯(lián)各個節(jié)點的參數(shù)，實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和備份；ΙEC 61850 模型的更新只需要在變電站內(nèi)操作，主站可以同步加載使用。模型維護工具主界面如圖5所示。

圖5 模型動態(tài)構(gòu)建及映射界面

通過獲取子系統(tǒng)產(chǎn)生的點信息文件，通過相應(yīng)程序動態(tài)寫入傳統(tǒng)規(guī)約和ΙEC 61850 模型文件中，主站側(cè)信息的導入目前半自動導入及人工核對確認的方式，圖模信息導入由專業(yè)維護人員確認才正式導入系統(tǒng)。實現(xiàn)變電站與主站之間模型、信息表只需在變電站一側(cè)進行維護，主站可以同步加載使用，減輕維護工作量，方便主站與變電站之間信息核對和校驗。

4 結(jié)論

針對ΙEC 61850 逐步推廣過程中，遺留非ΙEC 61850 標準變電站設(shè)備間不能互操作、互替換和信息共享的問題，給出了過渡期間的策略。該策略不但可以解決這些問題，使遺留設(shè)備部分支持 ΙEC 61850 標準，而且在這些設(shè)備淘汰后，不需對原系統(tǒng)做出大的改動。

本文介紹了ΙEC 61850 和ΙEC 61970 標準間相互結(jié)合的策略，主要涉及語義模型結(jié)合、配置結(jié)合和運行時間結(jié)合。闡述了兩種標準間的重疊和不一致的地方及解決方法。并在浙江某典型變電站進行了示點，應(yīng)用效果表明本文所述方法可以較為方便地解決常規(guī)變電站與主站間的模型、圖形、數(shù)據(jù)的動態(tài)適配問題，大大減輕了維護工作量。

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