基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法

侯先棟， 王邦惠， 劉 偉，周 進

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網煙臺供電公司，山東 煙臺 264000)

0 引言

隨著電力系統的不斷發展，電網的運行方式變化十分頻繁。為保證電網的安全穩定、可靠運行，繼電保護裝置的定值需要隨著運行方式的變化進行相應的調整[1]。由于無人值班變電站的廣泛推廣和自動化運行水平的提高，通過電力調度數據網及變電站站內網絡，由遠方定值管理模塊查看及修改繼電保護裝置定值的需求日益增加，通過理論研究和現場實踐已經形成了3種典型方案[2-14]。目前的典型方案分別通過繼電保護及故障信息管理系統、能量管理系統(energy management system, EMS)和遠程虛擬鏈路管理裝置，在各自現有規約框架內基于規約建模實現，有各自的優缺點[15]。保護裝置與主站之間的典型通信架構為分層組織結構，不同層級使用的通信規約不同，不同規約現有定值服務也存在差異，定值模型從繼電保護裝置映射到定值管理模塊需經過多層映射處理。

針對現有方案的缺點，本文從模型維護角度出發，提出一種基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法，簡化定值模型在各通信環節的映射工作，降低定值遠方操作系統的復雜度，提高可靠性，實現安全、高效的定值遠方操作效果。

1 繼電保護裝置定值遠方操作典型方案分析

繼電保護裝置定值遠方操作目前有3種典型方案，分別通過繼電保護及故障信息管理系統、EMS系統和遠程虛擬鏈路管理裝置實現。其中，前兩種方案分別通過嵌入在繼電保護及故障信息管理系統、EMS系統中的定值管理模塊完成相關功能。通過遠程虛擬鏈路管理裝置實現，首先需要變電站監控系統實現遠方操作，在此基礎上通過KVM over IP技術(即將鍵盤、視頻和鼠標數據數字化，并使用 IP 技術移動鍵盤、視頻和鼠標數據)搭建集中遠端管理系統，實現主站端遠方操作。

將上述3種方案涉及系統中的定值管理模塊統稱為定值管理客戶端，定值遠方操作系統可以抽象為定值管理客戶端通過網絡與繼電保護裝置通信。前兩種方案存在通信規約轉換，第三種方案無通信規約轉換，客戶端無法直接存取裝置定值信息。

繼電保護裝置定值遠方操作目前的做法可以抽象為如圖 1所示。

圖1 繼電保護定值遠方查看/修改典型方案流程Fig.1 Flow of typical schemes of setting remote operation

首先在繼電保護裝置側進行定值建模，以點表的形式提供給定值管理客戶端，然后在定值管理客戶端側通過關聯模型的方式將定值模型映射到定值管理客戶端。定值管理客戶端以所有定值信息點為操作對象，通過召喚或修改實際值服務完成查看和修改操作。

當繼電保護裝置與定值管理客戶端之間存在多級通信轉換環節時，定值模型從繼電保護裝置映射到定值管理客戶端需經過多層映射處理。以通過繼電保護及故障信息管理系統實現，站內通信規約使用IEC 61850規約為例：首先繼電保護裝置建立IEC 61850模型，然后在故障信息子站處由IE 61850模型映射為IEC 60870-5-103模型(以下簡稱為IEC 103模型)，最后在故障信息主站處由IEC 103模型映射為IEC 61970模型[16-18]。

定值模型的多層映射帶來了各通信環節映射工作的繁瑣和模型的兼容問題，導致定值遠方操作系統的復雜度增加，可靠性降低。

2 基于文件方式的定值遠程操作方法

由于基于規約建模的遠方操作方法不可避免的存在上述問題，本文提出一種基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法。

繼電保護裝置定值以文件方式在系統中流轉，定值管理客戶端通過文件方式獲取繼電保護裝置的定值模型，查看及修改繼電保護裝置定值的操作均以文件為操作對象。通過召喚原始定值文件讀取繼電保護裝置定值，通過下發更新定值文件修改繼電保護裝置定值。其中，召喚和下發傳輸環節采用加密傳輸和防錯校驗。

由于主站與繼電保護裝置之間需要通過站端網關機(遠動機或者保護信息子站，具體設備與通信構架相關)進行轉發通信，文件傳輸需要站端網關機進行轉發。各通信環節不具備文件傳輸服務的需要擴展相應的規約服務。

查看繼電保護裝置定值包括如下步驟：

(1) 定值管理客戶端響應查看定值請求，下發原始定值文件召喚命令。主站下發文件召喚命令到站端網關機，站端網關機轉發給繼電保護裝置。

(2) 繼電保護裝置響應原始定值文件召喚命令形成原始定值文件，通過啟用加密的文件傳輸命令將原始定值文件上送給站端網關機，站端網關機通過啟用加密的文件傳輸命令將接收到的定值文件轉發給定值管理客戶端。

(3) 繼電保護裝置將校驗碼上送站端網關機，站端網關機轉發給定值管理客戶端。

(4) 定值管理客戶端完成接收原始定值文件和校驗碼后，按照校驗規則校驗接收到的原始定值文件。驗證原始定值文件無誤后，通過界面對用戶展示原始定值文件，完成查看定值操作。

修改繼電保護裝置定值包括如下步驟：

(1) 定值管理客戶端以原始定值文件作為定值模板，修改實際值形成更新定值文件，通過啟用加密的文件傳輸命令將更新定值文件下發給站端網關機，站端網關機通過啟用加密的文件傳輸命令將接收到的定值文件轉發給繼電保護裝置。

(2) 定值管理客戶端將校驗碼下發給站端網關機，站端網關機轉發給繼電保護裝置。

(3) 繼電保護裝置完成接收更新定值文件和校驗碼后，按照校驗規則校驗接收到的更新定值文件。繼電保護裝置驗證更新定值文件無誤后，等待定值生效命令。

(4) 定值管理客戶端下發定值文件生效命令給站端網關機，站端網關機轉發給繼電保護裝置。

(5) 繼電保護裝置響應定值文件生效命令，執行更新定值文件。定值更新成功后上送定值更新成功應答幀給站端網關機，站端網關機轉發給定值管理客戶端。

(6) 定值管理客戶端接收定值更新成功應答幀，顯示修改定值成功，完成修改定值操作。

基于文件方式的繼電保護定值查看和修改的流程分別如圖 2、圖 3所示，與現有方案相比，主要有以下方面的差異。

圖2 繼電保護定值遠方查看基于文件方式流程Fig.2 Flow of approach of setting remote browse based on operating files

圖3 繼電保護定值遠方修改基于文件方式流程Fig.3 Flow of approach of setting remote modification based on operating files

(1) 采用基于文件方式的定值操作方法，定值模型與通信規約無關，僅與定值文件內容的組織方式有關。監控后臺、保信主站等不同的自動化系統客戶端無需通過ICD(IED capability description, ICD)或者組號條目號的點表方式獲取信息模型，直接通過召喚原始定值文件即可獲取定值模型。各通信環節無需模型映射工作，只需要在各通信環節支持文件傳輸服務即可。同時，由于各自動化系統從裝置側獲取的原始定值文件模型信息完全一致，也保證了不同系統中定值模型的一致性。因此，采用基于文件方式的定值操作方法簡化了定值模型在各通信環節的映射工作，降低了系統的復雜度，提高了系統的可靠性。

(2) 讀取和修改繼電保護裝置定值操作采用文件傳輸方式，而不是對定值信息點通過命令方式逐個操作，提高了遠方操作的效率。其中，讀取定值環節，裝置上送的原始定值文件應包含所有的定值信息。修改定值環節，可以考慮更新定值文件只包含修改的定值條目，減少傳輸內容。

(3) 文件傳輸采用防錯校驗，提高了遠方操作的可靠性。

總結以上差異如表 1所示。

3 定值文件模型

原始定值文件由繼電保護裝置形成并存儲在裝置內部，更新定值文件在原始定值文件的基礎上修改形成。原始定值文件和更新定值文件含有繼電保護裝置的定值模型信息，繼電保護裝置側和定值管理客戶端側對定值文件的解析規則一致。

表1 基于文件方式與目前方案的對比
Tab. 1 Comparison between new approach and typical schemes

方案模型處理操作效率可靠性基于文件方式文件自身包含模型信息，不需要額外映射工作文件傳輸一次寫入采用防錯校驗繼電保護及故障信息管理系統實現根據通信分層構架，逐級建模逐點操作沒有防錯校驗EMS系統實現根據通信分層構架，逐級建模逐點操作沒有防錯校驗遠程虛擬鏈路管理裝置實現站內根據通信分層構架，逐級建模；站間不需要建模，但主站無法獲取模型信息逐點操作沒有防錯校驗

定值文件應包含必要的模型信息，包括 “裝置信息”和 “定值組”信息元素。“定值組”信息元素包含“定值條目”信息子元素。

“裝置信息”信息元素包括“裝置型號名稱”、 “裝置版本”、“定值區號”和 “更新時間”屬性項。“裝置型號名稱”和“裝置版本”作為裝置描述信息，在定值管理客戶端管理界面展示。“定值區號”顯示定值文件的內容是裝置哪個區的定值內容。“更新時間”顯示定值文件形成的具體時間信息。

“定值組”信息元素包括“定值組描述”和 “是否允許修改”屬性項，以及定值條目子元素。“定值組描述”作為定值分組的信息，在定值管理客戶端管理界面展示。“是否允許修改”屬性標明了該組定值是否允許被修改。

“定值條目”信息子元素包括“定值條目名稱”、“關聯關鍵字”、“數據類型”、“定值范圍”、“單位”和“實際值”屬性項。“定值條目名稱”、“數據類型”、“定值范圍”和“單位”作為定值條目的基本信息，在定值管理客戶端管理界面展示。同時“定值范圍”又作為約束信息，在定值管理客戶端修改更新定值文件時防止輸入超范圍的整定值。“實際值”在原始定值文件中表明裝置當前定值實際值，在更新定值文件中表明整定定值目標值。“關聯關鍵字”屬性屬于裝置私有信息，用于定值條目和裝置內部存儲信息關聯。

在定值管理客戶端對原始定值文件修改形成更新定值文件時，僅“定值條目”的“實際值”可修改，其他屬性不可修改。

以可擴展標記語言(extensible markup language，XML)格式的定值文件為例，對定值文件的必要信息元素進行說明。但需要強調的是定值文件格式不僅限于XML文件，只要繼電保護裝置側和定值管理客戶端側協商一致即可。XML格式的定值文件Schema結構如圖4所示。

圖4 XML格式定值文件Schema結構示例Fig.4 Schema structure example of setting file in XML format

Schema結構圖中信息元素關鍵字對應的元素名稱及含義如表2所示。

表2 定值文件信息元素含義Tab. 2 Implications of informationelement in setting file

4 基于文件方式操作方法的可行性分析

基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法的實施應盡量結合目前已有典型方案與系統構架統籌考慮。方案具體應用的約束條件如下，部分相關條件現場基本已具備，部分相關條件不滿足的則需要進行改造和約定：

(1) 各通信環節的規約要擴展支持文件的雙向傳輸。目前，保護信息子站與主站之間的傳輸規約均是以IEC 60870-5-103協議為基礎擴展而來(以下簡稱保信主子站規約)，在擴展時均有文件上召和下裝的服務預留，不需要再擴展。遠動裝置與主站之間的IEC 104傳輸規約已具備文件上召和下裝服務。變電站內遵循IEC 60870-5-103的通信規約(包括采用IEC 60870-5-103應用層模型的基于以太網鏈路的各類網絡103規約，以下簡稱103規約)，不具備文件上召和下裝服務，需要擴展通信服務。IEC 61850通信規約已具備文件上召和下裝服務。詳細情況如表3。

(2) 裝置支持生成原始定值文件和執行更新定值文件。

(3) 文件生效命令的約定。

(4) 文件傳輸環節加密傳輸、防錯校驗的約定。

(5) 定值文件信息元素、格式和解析規則的約定。

表3 規約改造需求Tab. 3 Demand for transformation of protocol

如表 3所示，系統所涉及通信環節目前僅站內103規約需要擴展文件上召和下裝服務，為改造提供了實現的可能。需要特別指出的是，在通信規約具備文件雙向傳輸服務的情況下，站端網關機仍然需要考慮文件轉發等細節問題，需要做適應性改動。

評估繼電保護裝置是否具備文件相關處理能力，需要考慮硬件本身的處理能力，以及是否有文件系統支撐。國內目前新建變電站繼電保護裝置均采用高性能管理插件，基于linux或者vxworks等操作系統，具備形成和解析定值文件的能力，為方案實施提供了必要的軟硬件基礎。已經運行的存量繼電保護裝置，大部分具備軟硬件條件，可以通過升級程序支持該功能。少數沒有文件系統支撐的老裝置，采用以新裝置逐步替換老裝置的方式實現該功能。

文件生效命令應考慮和規約解耦，采用各通信規約兼容的方式實現。具體實現方法可以考慮采用裝置虛擬遙控點，當遠方客戶端在完成更新定值文件傳輸后，對該遙控點進行遙控執行，以遙控應答報文作為生效命令的應答幀。

文件傳輸環節加密傳輸、防錯校驗可以考慮采用已有的SM2(橢圓曲線公鑰密碼算法)、CRC-32-IEEE 802.3(32位循環冗余校驗算法，采用IEEE 802.3定義的生成多項式)等成熟方案，無需額外開發。

定值文件信息元素、格式和解析規則的約定。首先，信息元素的約定應符合應用需求，包含必要的信息元素。其次，格式和解析規則要考慮通用性和效率，可以考慮使用XML格式或者E格式等目前電力系統中信息文件交互過程中經常使用的格式。

5 結論

在分析了基于規約建模的遠方操作典型方案基礎上，針對傳統方案的缺點，提出了基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法。該方法直接通過召喚原始定值文件獲取定值模型，簡化了定值模型在各通信環節的映射工作。讀取和修改繼電保護裝置定值操作采用文件傳輸方式，而不是對定值信息點通過命令方式逐個操作，提高了遠方操作的效率。文件傳輸采用防錯校驗，提高了遠方操作的可靠性。

采用基于文件方式的遠方操作方法，降低了遠方定值操作系統的復雜度，提高了系統的可靠性，可以實現安全、高效的定值遠方操作效果。同時對該方法實現的細節進行了簡單的描述和構想，初步證明在目前已有技術條件下該方法的可行性。

[1] 林傳偉, 卓枕警, 周 健, 等. 福建電網遠方不停電修改及核查定值系統的設計[J]. 電力系統保護與控制, 2010, 38(5): 107-110.

LIN Chuanwei, ZHUO Zhenjing, ZHOU Jian, et al. The design of remote modification and verification system of the setting value without blackout in Fujian power grid[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(5): 107-110.

[2] 李德文, 劉 進, 劉 偉, 等. 繼電保護裝置遠方修改定值模式研究[J]. 江蘇電機工程, 2014, 33(2): 34-36.

LI Dewen, LIU Jin, LIU Wei, et al. Research on the modes of setting group remote modification in relay protection[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2014, 33(2): 34-36.

[3] 黃浩聲, 許小兵, 卜強生. 基于IEC 61850標準的定值模型應用與測試[J]. 江蘇電機工程, 2011, 30(1): 44-47.

HUANG Haosheng, XU Xiaobing, BU Qiangsheng. Application and testing of the setting model based on IEC 61850[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2011, 30(1): 44-47.

[4] 李 芳. 不停電修改保護定值的研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2013.

LI Fang.Uninterrupted power to modify the protection setting research[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2013.

[5] 宋海濤. 微機保護定值管理及遠方不停電整定技術和系統的研究[D]. 濟南: 山東大學, 2009.

SONG Haitao.Research on uninterrupted power to modify the protection setting system[D]. Jinan: Shandong University, 2009.

[6] 叢培杰. 電力系統繼電保護遠方在線操作的研究[D]. 廣州: 華南理工, 2012.

CONG Peijie. The study of power system protection distant online operation[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2012.

[7] 楊豐收, 張 凌, 黃滇生, 等. 繼電保護遠程定值在線修改研究[J]. 云南電力技術, 2010, 38(1): 84-86.

YANG Fengshou, ZHANG Ling, HUANG Diansheng, et al. Modifying fixed value on-line of relay protective[J]. Yunnan Electric Power, 2010, 38(1): 84-86.

[8] 陸圣芝, 薛鐘兵. 基于EMS一體化的保護定值遠方操作研究與應用[J]. 電力系統保護與控制 2014, 42(20): 150-154.

LU Shengzhi, XUE Zhongbing. Research and application on relay protection setting value remote operation based on EMS integration[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(20): 150-154.

[9] 叢培杰, 游 曄, 周 宇. 電力系統繼電保護裝置遠方在線操作的實現方法[J]. 大眾科技, 2012, 14(5): 108-110.

CONG Peijie, YOU Ye, ZHOU Yu. Power system protection devices realization of remote online operation[J]. Popular Science & Technology, 2012, 14(5): 108-110.

[10] 李 楓, 祁 忠, 曹 斌, 等. 江蘇省220 kV保護裝置定值自動校核系統的研究[J]. 江蘇電機工程, 2015, 34(5): 37-39.

LI Feng, QI Zhong, CAO Bin, et al. Jiangsu 220 kV relay settings automatic checking system [J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2015, 34(5): 37-39.

[11] 張 盛, 徐 寧, 余 璟. 江蘇地調一體化保護定值單管理系統的設計及實現[J]. 江蘇電機工程, 2009, 28(6): 22-23.

ZHANG Sheng, XU Ning, YU Jing, et al. The design and realization of protection setting management system for Jiangsu dispatching integration[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2009, 28(6): 22-23.

[12] 谷海彤, 潘 煒. 調度集控一體化系統在廣州電網中的應[J]. 電力自動化設備, 2009, 29(7): 109-112.

GU Haitong, PAN Wei. Application of integrated EMS in Guangzhou grid[J]. Electric Power Automation Equipment, 2009, 29(7): 109-112.

[13] 曹 重. 南方電網開展綜合能源服務的實踐及成效[J]. 電力需求側管理,2016,18(3):1-4.

CAO Zhong. The practice and results of the Southern Power Grid to carry out[J]. Power Demand Side Management,2016,18(3):1-4.

[14] 華煌圣, 劉育權, 王 莉, 等. 遠方修改繼電保護定值的控制模型及其應用[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(16): 1-6.

HUA Huangsheng, LIU Yuquan, WANG Li, et al. Control model for remote modification of relay protection setting group and its application [J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(16): 1-6.

[15] 林 青, 王文龍. 繼電保護定值遠程安全整定方案研究[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(16): 139-143.

LIN Qing, WANG Wenlong. Research on remote safety modification scheme of relay protection setting[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(16): 139-143.

[16] IEC 61850-7-2 Communication networks and system in substations: part 7-2 basic communication structure for substations and feeder equipment-abstract communication ser-vice interfaces (ACSI)[S].

[17] IEC 60870-5-103 Telecontrol equipment and system: part 5-103 transmission protocols-companion standard for the informative interface of protection equipment[S]. 1997.

[18] IEC 60970-301 Energy management system application program interface (EMS-API)-part 301: common information model (CIM) base [S].