變電站遠動數據模型升級功能的設計與實現

周奕帆， 顏友軍， 祁 忠，彭 闖

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著數字化、智能化變電站技術的研究和推廣以及變電站監控系統的發展，站控層信息融合、綜合利用、應用貫通的要求逐步提高，變電站需要具備數據的統一采集、處理、儲存、傳輸、信息校核以及圖模源端維護的能力[1-10]。

遠動機作為變電站和主站之間的信息接口，在子站全景數據采集、功能整合、應用貫通、消除信息孤島等方面的重要性不言而喻。而國內部分地區變電站監控系統[11-12]建設投運時間早，運行年限長，遠動機的性能無法滿足現有智能變電站的雙平面運行、安全防護等新要求。

為了解決這個矛盾，應對原有的站控層通信設備進行全面的技術升級改造，以適應當前電網的運行要求，消除系統安全運行隱患。今后較長的一段時間將處于傳統的變電站向智能化變電站過渡改造的時期[13]。僅2015—2016年，北京、浙江和福建地區就完成了大量變電站綜自系統的改造[14-15]。改造前后遠動數據建模方式差異很大，無法直接復用原先的組態。

在這種狀態下，如果人工重做數據組態，不僅工作量大，拉長實施工期，而且數據完整性和正確性難以保證，會造成潛在的電網運行隱患。為了解決這個矛盾，亟需研究和開發模型升級轉換功能。本文針對遠動數據模型的特點，提出了通用性的解決方案。該方案在運維人員較少干預的情況下，可以實現對遠動數據模型的升級和轉換。

1 方案概述

為實現遠動數據模型升級/轉換的功能，首先要對原有數據模型的版本進行校驗和核對。對于可識別的版本，啟動數據升級功能。反之，則提示錯誤后退出，基本流程如圖1所示。升級轉換有全自動和半自動兩種模式。

圖1 基本流程Fig.1 Flow chart of upgrade conversion

全自動模式：新舊型號遠動機的組態配置信息升級轉換由程序自動完成，整個過程不須人工干預。實施過程可通過新舊遠動機間的在線交換服務，也可依賴遠動機的離線配置工具完成。模式轉換的成功實施必須并至少滿足以下一個前提條件：

(1) 新遠動機可以直接使用舊遠動機的組態配置。

(2) 舊遠動機的組態包含新遠動機所需的全部配置信息并且無損轉換。

半自動模式：組態配置信息升級轉換的過程，需要一定程度的干預和再加工，整個轉換過程通常由遠動機的組態工具來實現。該模式雖然依賴人工干預，但是靈活性和彈性大，可適應性強，具有更強的適配性。

結合當前的實際情況，變電站遠動通信技術的發展經歷了總控、站控層組網、IEC 61850智能化等不同階段[13-15]?？偪仉A段(如圖2所示)的主要特征是：遠動機與二次設備以各種現場總線技術實現信息互通，通信規約多為私有協議。遠動機既為調度數據網轉發數據，也為變電站監控后臺提供數據。站控層組網階段(如圖3所示)：通信方式早期以串口RS485現場總線為主，后期則采用以太網絡為主要形式，通信規約一般為IEC 103規約及其各種擴展形式。這一時期，遠動機和監控后臺的數據采集功能開始獨立，遠動機只為調度數據網轉發數據。

圖2 總控型遠動機網絡結構Fig.2 Network topology for master-gateway

圖3 站控層組網遠動機網絡結構Fig.3 Network topology for substation layer-gateway

在當前的智能化變電站階段(如圖4所示)：基于IEC 61850框架的通信方式成為業內共識，遠動機與站內的智能設備(intelligent electronic device, IED)的通信方式為多媒體消息業務(maunfacturing messaging service, MMS)。除了完成傳統的數據轉發外，遠動機還需要為高級應用提供數據支撐和信道支持。

圖4 智能站遠動網絡結構Fig.4 Network topology for MMS-gateway

由于遠動機站內通信架構持續演化，導致遠動機程序架構和外部硬件結構(板卡插件、通信口數目不同)不斷變化，難以滿足全自動模式的前提條件。而半自動模式由于其靈活性，適用場景更加廣泛。

本文以半自動模式為基礎，對遠動模型的自動升級功能進行設計。

2 系統設計

2.1 組態模型分析

從遠動裝置的角色入手進行分析，遠動機可以看做變電站和調度系統之間的一個網關裝置，采集變電站二次信息并向調度數據網進行轉發。從數據角度分析，遠動數據分為站控層接入模型、站內二次信息模型、邏輯合成計算模型和轉發模型，如圖5所示。

圖5 遠動組態數據模型Fig.5 Data object model of gateway

二次信息模型：包含接入裝置和六遙測點信息。

合成計算模型：包含算數、邏輯運算等合成信號的信息。

站內接入模型：包含遠動機站內數據接入通道的信息，例如IEC 103通道、IEC 61850通道、Modbus通道。

轉發模型：包含遠動向調度數據網轉發的通道信息，例如IEC 101通道、IEC 104通道、循環遠動規約(central daylight time，CDT)通道。

不論遠動機廠家和具體型號的差別，數據模型必然符合上述特征[17-18]。

2.2 組態升級/轉換方案

根據組態模型的基本特征，新舊遠動機組態按照二次信息、合成計算、接入、轉發和規約參數的順序進行轉換。

二次信息模型轉換：遠動組態二次信息包括接入二次設備的六遙信息和遠動本體的六遙信息。接入設備信息在遠動裝置更新換代后并不會發生變化。IEC 103規約以組號/條目號標識信息點，而IEC 61850以reference來標識信息點，可以直接進行模型轉換，保存成新遠動組態的存儲格式(文件或數據庫)。遠動本體的六遙信息(各通道狀態、插件狀態等信息)，前后兩個版本不大可能完全相同。需要根據映射文件來完成轉換，無法轉換的六遙測點記入異常記錄。

合成計算模型轉換：對于每一個表達式，首先進行運算符類型的分析。如果原模型包含新遠動裝置無法支持的運算符類型，該表達式無法轉換，并計入異常記錄。反之，則對參與運算的六遙測點進行分析，如果全部的六遙測點都在新模型中檢索成功，則轉換成功。如果出現某些測點在新模型中不存在，則先用空點替代，并計入不完全轉換記錄。

接入模型轉換：首先分析新舊遠動模型中插件、端口的數目和分布關系。如果可以兼容，則由程序自動匹配，不能兼容，則提示人工匹配。例如舊遠動機插件有N個串口，新遠動機插件有M個串口，如果N>M，則舊遠動機的某些串口通道在新遠動機上可能需要配置到其他插件的不同端口上。端口配置完畢后，對端口的規約參數需要進行轉換(規約參數的轉換在后續段落描述)。

轉發模型轉換：將舊組態轉發表的所有六遙信息(包括接入的二次設備信息、遠動裝置本體信息、合成計算)提取出來，根據標識在轉換后二次信息、合成計算模型中檢索。如果檢索成功，則用檢索到的信息替換；如果檢索不到，則用占位點替換，以保持調度點號順序不變，并計入異常記錄。

規約參數轉換：需要新舊遠動機提供各主要規約參數的升級文件。升級文件描述了前后規約參數的映射關系。對于都存在和兼容的規約參數，轉換后仍采用舊組態的配置值；新增的規約參數采用默認值；刪除的規約參數直接移除，并計入告警記錄。

2.3 程序架構設計

根據上文的方案，本節以南瑞繼保電氣有限公司的遠動機升級為例，進行程序設計(如圖6所示)。

圖6 程序架構Fig.6 Program architecture diagram

程序架構采用開放式插件的平臺，由主程序、插件管理器和插件三部分構成。

其中主程序作為插件系統的宿主程序，是軟件應用進程載體。

插件管理器是插件平臺的核心部分，負責各功能插件的裝載及卸載，管理插件及其狀態，定義對象池，用于在各插件間傳遞對象，并定義接口，所有納入系統擴展層管理的功能插件必須從該接口派生。它能夠快速地使用提供的插件，通過組合這些插件并定義其交互，以搭積木的方式構件系統功能。

插件是實現模型升級功能的動態庫。由于工程現場遠動裝置型號種類繁多，因此模型升級必然牽涉到多個不同的升級組合方式，每一種升級組合可以定義成一個具體的插件。

2.4 插件接口設計

插件系統提供了插件接口類ConvertPlugin，如圖7所示。此類是插件開發的重要類，任何插件必須繼承該類。

ConvertPlugin是一個抽象類，它并沒有提供方法的實現，每個插件在繼承此類時，必須實現基類的虛函數。插件接口類的函數說明如下：

OpenPrj函數負責打開原組態，并將打開的結果和數據通知插件管理器。

ReadDevInfo函數負責讀取原組態的二次裝置信息，包括遠動裝置站內接入的保護裝置、測控裝置、保測一體裝置等信息以及遠動裝置的本體信息。

ReadPointSets函數負責讀取原組態二次裝置下對應的測點信息，包括裝置下所有的六遙測點信息。

ReadLogicInfos函數負責讀取原組態合成計算信息。

ReadPassage函數負責讀取原組態通道信息，包括對調度轉發通道或對站內接入通道信息。

ReadForeTables函數負責讀取原組態調度通道下轉發測點信息。

ConvertDevInfo函數負責轉換二次裝置信息。

ConvertPointSets函數負責轉換六遙測點信息。

ConvertLogicInfos函數負責轉換合成計算信息，包括新舊組態合成計算表達式格式，存儲格式的轉換。

ConvertPassage函數負責新舊組態通道參數的轉換，比如104通道參數。

ConvertForeTables函數負責新舊組態轉發表數據的轉換。

ConvertProtocolPara函數負責規約參數轉換。

圖7 插件接口設計Fig.7 Plug-in interface

3 應用實例

按照上文原則設計的遠動模型升級工具，首先在浙江省杭州地區110 kV昭慶變得到了實際應用，如圖8和圖9所示。圖8是轉換配置界面，圖9是轉換結果界面。

通過遠動機組態工具的轉換功能，先打開舊有遠動機的工程組態，再手動配置新舊組態的通信端口對應關系等，最后完成組態轉換。整個過程耗時不足1 h，大大提高了工程實施效率。

圖8 轉換配置界面Fig.8 Configuration UI

圖9 轉換結果界面Fig. 9 Conversion UI

根據浙江、福建等地前后23個變電站的反饋數據，遠動系統改造的平均時間由預期的7～10個工作日，縮短為3個工作日；遠動機新舊模型的轉換率達到96.3%，正確率達到92.7%，改造后的變電站運行情況良好。

4 結語

本文描述了一種基于遠動組態工具的、半自動的變電站遠動模型升級方案，設計了一種面向對象的通用遠動模型升級轉換框架。該方案在常規、智能變電站遠動裝置升級改造的過程中，能夠充分的利用變電站已有的資源(配置產物)，減輕遠動自動化信息錄入、轉發、核對的工作量。并且在技術上保證了遠動信息轉換后的完整性和準確性，降低了人為重做組態導致的風險，使整個改造過程更加合理和高效，值得進一步推廣。

[1] 黃 偉,陸玉軍. 傳統變電站向數字化變電站過渡研究[J]. 江蘇電機工程，2007, 26 (s1):23-25.

HUANG Wei，LU Yujun. The transition from traditional substation to digital substation[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2007, 26 (s1):23-25.

[2] 胡紹謙,胡 榮,張喜銘,等. 智能遠動機的研制[J].電力系統自動化,2014,38 (9):119-124.

HU Shaoqian，HU Rong，ZHANG Ximing，et al. Development of smart gateway for substation[J]. Automation of Electric Power Systems，2014,38 (9):119-124.

[3] 王文龍,胡 榮,張喜銘,等. 二次一體化框架下變電站站控層體系架構探[J].電力系統自動化,2013,37(14): 113-116.

WANG Wenlong，HU Rong，ZHANG Ximing，et al. Substation control layer architecture for secondary integration framework[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013,37(14): 113-116.

[4] 祁 忠,篤 峻,王開宇. 智能變電站數據源端維護技術方案探討[J]. 江蘇電機工程,2011,30 (3):48-50.

QI Zhong，DU Jun，WANG Kaiyu. Discussion on technical scheme of data terminal maintenance of smart substation[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2011, 30 (3):48-50.

[5] 黃 巍,黃春紅,張桂陽,等. 繼電保護信息與遠動系統的集成[J].電力自動化設備,2009,29(6):134-136.

HUANG Wei, HUANG Chunhong, ZHANG Guiyang, et al.Integration of relay protection information and telecontrol system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2009,29(6):134-136.

[6] 蘇永春，汪曉明． 智能變電站全景數據采集方案[J]． 電力系統保護與控制,2010,39(2):75-79.

SU Yongchun, WANG Xiaoming. Panorama data acquisition scheme for intelligent substation[J]. Power System Protection and Control, 2010,39(2):75-79.

[7] 王文龍，李友軍，胡紹謙． 基于IEC 61850的變電站自動化系統發展趨勢[C]∥2009年中國電機工程學會年會.中國,天津: 2009.

WANG Wenlong, LI Youjun, HU Shaoqian. The development trend of substation automation system based on IEC 61850[C]∥ 2009 Annual Meeting of China Society of Electrical Engineering. China, Tianjin: 2009.

[8] 周鄴飛, 徐石明. 智能變電站數據中心初探[J]. 電力系統自動化,2011,35(18): 57-61.

ZHOU Yefei, XU Shiming. A preliminary investigation on data center in smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems,2011,35(18): 57-61.

[9] 賈德順, 張 勇, 鄒國惠, 等. 基于 IEC 61850 標準的遠動保信一體化平臺開發與實踐[J]. 電力系統保護與控制，2014，42(18)：116-121.

JIA Deshun, ZHANG Yong, ZOU Guohui, et al. Development and practice of telecontrol & relay integration based on IEC 61850[J]. Power System Protection and Control,2014,42(18): 116-121.

[10] 陸承宇，阮黎翔，杜奇偉，等. 智能變電站遠動信息快速校核方法[J]. 電力系統保護與控制,2015,43(11): 128-133.

LU Chengyu，RUAN Lixiang，DU Qiwei，et al. A new method of quickly verifying the remote information of smart substation[J]. Power System Protection and Control,2015,43(11):128-133.

[11] 馬 健, 黃炳體. RCS9700變電站綜合自動化系統的現場應用[J]. 技術與市場,2012, 18(4):83-87.

MA Jian, HUANG Bingti. Field application of RCS9700 substation integrated automation system[J]. Technology and Mar-ket, 2012, 18(4):83-87.

[12] 李林靜. RCS9698A通信控制器在變電站綜合自動化通信系統中的應用[J]. 工礦自動化,2008(4): 125-128.

LI Linjing. Application of RCS9698A communication controller in integrated automation communication system of substation[J]. Industry and Mine Automation,2008(4): 125-128.

[13] 謝大為, 楊曉忠. 調度自動化系統中遠動技術網絡化的實現[J]. 電網技術,2004,28(8):34-37.

XIE Dawei，YANG Xiaozhong. Implementation of networking telecontrol technique in dispatching automation system[J]. Power System Technology, 2004, 28(8):34-37.

[14] 洪憲平.走向網絡化的遠動系統[J].電力系統自動化,2001,25(6):1-3.

HONG Xianping. Telecontrol system tending towards network[J]. Automation of Electric Power Systems,2001, 25(6):1-3.

[15] 樂光熠,陳 巖,魏宏俊,等. 福建電能替代潛力及政策建議[J].電力需求側管理，2017,19(3):43-46.

LE Guangyi, CHEN Yan, WEI Hongjun, et al. Potential and policy suggestions of electric energy substitutionin Fujian province[J]. Power Demand Side Management,2017,19(3):43-46.

[16] 吳 罡, 李 琳, 李 翔. 110 kV智能變電站設計方案初探[J]. 江蘇電機工程,2011, 30(2):31-35.

WU Gang, LI Lin, LI Xiang. Primary exploration on the design of 110 kV smart substation[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2011, 30(2):31-35.

[17] 王德文, 張長明, 李 源, 等. 基于ACSI/MMS網關的電力遠動通信的研究[J]. 華北電力大學學報, 2008, 35(4):18-22.

WANG Dewen，ZHANG Changming，LI Yuan，et al. Study on data communication of a power telecontrol system based on ACSI/MMS gateway[J]. Journal of North China Electric Power University, 2008, 35(4): 18-22.

[18] 朱永利, 王德文, 王 艷. 基于IEC61850的電力遠動通信建模方法[J]. 電力系統自動化, 2009，33(21): 72-76.

ZHU Yongli, WANG Dewen, WANG Yan. A telecontrol communication modeling method based on IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems，2009，33(21): 72-76.