智能變電站SCD模型解耦技術的研究與實現(xiàn)

張 義 魏 勇 鄭運召 溫東旭

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智能變電站SCD模型解耦技術的研究與實現(xiàn)

張 義 魏 勇 鄭運召 溫東旭

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

為提高智能變電站SCD模型管控水平，降低變電站運維風險，研究SCD模型解耦技術，并提出實現(xiàn)方案。①面向業(yè)務對模型文件進行邏輯解耦，根據(jù)業(yè)務分類規(guī)則提取出業(yè)務相關配置數(shù)據(jù)，以分類業(yè)務數(shù)據(jù)視圖展示模型文件，通過分配業(yè)務權限來管理業(yè)務數(shù)據(jù)的瀏覽與修改，滿足不同業(yè)務的管理需要；②面向間隔對模型文件進行物理解耦，根據(jù)間隔劃分規(guī)則拆分SCD模型，通過鎖定或開放不同間隔配置數(shù)據(jù)的方法，從人員可靠性因素方面考慮，降低傳統(tǒng)直接修改模型文件方式對已投運間隔模型可能造成的誤改或錯改風險。

SCD模型；文件解耦；業(yè)務解耦；間隔解耦；安全管控

智能變電站利用SCD（substation configuration description）模型文件實現(xiàn)了對變電站一次系統(tǒng)拓撲、功能拓撲和通信拓撲的完整描述，提高了工程配置的效率和標準化程度[1]。但是，SCD文件信息量大、專業(yè)性強，文件變動后必須重新進行校驗和調(diào)試，運維管理難度較大。近年來，模型文件的管控已成為智能變電站領域研究的熱點之一，也是有關各方關注的重點。為了規(guī)范和管控智能變電站模型，對模型文件校驗[2]、模型文件差異比較[3]、模型文件可視化管理[4-5]、信息建模標準化設計[6-8]、配置一體化[9-10]、模型文件管控[11-12]等方面進行了研究，部分成果已在實際工程中推行應用。國內(nèi)也制定了智能變電站模型配置及管理相關規(guī)范及標準，并組織了模型文件及配置工具的一致性測試。但仍有一些亟待解決的問題，例如：①SCD模型文件過于專業(yè)且不同業(yè)務配置信息混合在一起，變電站運維或專業(yè)管理人員無法快速定位所關注業(yè)務的信息，模型維護和管控只能依賴設備廠家或系統(tǒng)集成商進行，不利于變電站檢修管理、專業(yè)管理和監(jiān)督等工作；②變電站設備更換或者后期改擴建，模型文件必然需要更改，而改動風險不易控制，往往通過大范圍停電或全站停電來調(diào)試和確認功能的正確性，之后才能投運。

本文從面向業(yè)務和面向間隔兩方面把SCD模型文件進行解耦，簡化了智能變電站模型文件的修改編輯驗證流程，向不同的專業(yè)崗位直觀展示所需的修改過程和內(nèi)容，提高了智能變電站模型文件的管理水平及系統(tǒng)運行可靠性。

1 解耦技術及思路

SCD模型文件中包含了設備模型、數(shù)據(jù)信息、網(wǎng)絡信息等智能變電站全站設備及網(wǎng)絡信息，語法復雜、信息量大、專業(yè)性強[13]。文件主要由5個部分組成[14]，如圖1所示。

圖1 SCD模型文件結構

1）頭節(jié)點（Header）。主要包含歷史版本相關信息。

2）變電站節(jié)點（Substation）。包含間隔劃分信息及一二次設備關聯(lián)信息。

3）通信節(jié)點（Communication）。包含全站二次設備通信信息。

4）裝置節(jié)點（IED）。變電站二次設備模型信息，包含裝置實例化相關信息。一個間隔一般包含多個IED。

5）數(shù)據(jù)類型模板節(jié)點（data type templates）。包含全站數(shù)據(jù)類型模板信息。

在變電站工程中，為了保證變電站的安全運行，變電站有詳細的業(yè)務分工，運維人員對變電站業(yè)務進行分類管理，并不需要關心模型文件中的所有信息。從變電站運維管理角度出發(fā)，從SCD文件中提取出業(yè)務相關配置數(shù)據(jù)，以分類業(yè)務數(shù)據(jù)視圖展現(xiàn)文件內(nèi)容，實現(xiàn)業(yè)務配置信息的分類和基于業(yè)務權限的模型管理，不同業(yè)務具有不同的數(shù)據(jù)視圖，不同的專業(yè)管理人員看到不同的數(shù)據(jù)配置內(nèi)容。

另外，智能變電站投入運行以后，需要進行檢修管理、設備更換及后期改擴建。模型文件部分經(jīng)常需要改動，也許只是一個設備的更換導致SCD模型文件發(fā)生變化，但為了運行安全，往往需要整站停電全部調(diào)試再投運。實際上，變電站間隔內(nèi)相對獨立，間隔之間存在少量虛端子連線。變電站往往以間隔為單元進行改擴建，通過模型間隔解耦，把需要修改的目標間隔的配置信息從SCD文件中分割出來，采用間隔配置文件分解隔離、跨間隔配置關聯(lián)分析等技術手段，對不同間隔的配置信息進行區(qū)別化管控，降低傳統(tǒng)無防范地直接修改對已投運間隔模型造成誤改或錯改的潛在風險，并增加文件改動分析和影響評估功能，滿足智能變電站改擴建時模型文件變更的安全管控需求。

模型解耦功能在系統(tǒng)配置工具中承載和實現(xiàn)。系統(tǒng)配置工具增加業(yè)務管理模塊和間隔管理模塊來支持模型解耦功能。業(yè)務解耦功能模塊提供業(yè)務解耦配置和業(yè)務數(shù)據(jù)瀏覽等功能；間隔管理模塊提供間隔文件分解、編輯、合并等功能。

2 業(yè)務解耦

業(yè)務解耦是指面向智能變電站業(yè)務進行模型文件邏輯解耦，首先將智能變電站業(yè)務劃分為保護、測量與控制、在線監(jiān)測、安穩(wěn)、計量、公共等業(yè)務；其次，解析SCD文件，按照數(shù)據(jù)業(yè)務分類規(guī)則識別文件中配置數(shù)據(jù)的業(yè)務歸屬，提取業(yè)務相關配置數(shù)據(jù)；最后，采用分類業(yè)務數(shù)據(jù)視圖來組織和展現(xiàn)SCD文件內(nèi)容，滿足不同業(yè)務管理需要。

變電站系統(tǒng)配置工具按不同業(yè)務的關注范圍進行業(yè)務分類視圖瀏覽和管理，每個業(yè)務下的數(shù)據(jù)視圖按數(shù)據(jù)應用類型進行分類顯示。業(yè)務按照保護、自動化、在線監(jiān)測、計量、公共部分進行劃分。

2.1 數(shù)據(jù)的業(yè)務分類

根據(jù)業(yè)務解耦思路，實現(xiàn)業(yè)務分解關鍵是要尋找識別SCD配置數(shù)據(jù)的歸屬業(yè)務的規(guī)則。基于設備類型進行業(yè)務歸屬劃分，表1列出了變電站常用的二次設備及其所屬業(yè)務、所屬專業(yè)的關系。

表1 常見二次設備業(yè)務歸屬表

2.2 應用數(shù)據(jù)的分類

在明確每個數(shù)據(jù)業(yè)務歸屬的基礎上，針對保護、測量與控制、計量、在線監(jiān)測、安穩(wěn)等業(yè)務分類基礎進行每個業(yè)務應用數(shù)據(jù)分類定義。應用數(shù)據(jù)是指工程現(xiàn)場調(diào)試的應用數(shù)據(jù)，與模型中邏輯對象、GOOSE、SV、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象等原始分類數(shù)據(jù)區(qū)分開。應用數(shù)據(jù)包含遙信、遙測、遙控、保護事件、保護壓板、保護定值、二次回路、通信配置等應用分類數(shù)據(jù)，應用數(shù)據(jù)瀏覽分解是在業(yè)務解耦模型的基礎上進一步解耦。每個業(yè)務類型包含的應用數(shù)據(jù)見表2。

表2 業(yè)務應用數(shù)據(jù)

2.3 業(yè)務配置

目前，尚無標準對所有智能變電站二次設備所屬業(yè)務及業(yè)務應包含的應用數(shù)據(jù)給出詳細的分類，變電站系統(tǒng)配置工具可采用業(yè)務分類可配置的辦法來滿足不同工程化需求。本文依據(jù)IEC 61850標準和國網(wǎng)IEC 61850工程繼電保護應用模型[15]，對SCD模型文件與變電站業(yè)務及應用數(shù)據(jù)的映射提出以下兩種方案：

1）業(yè)務模型中配置的是邏輯設備（LD）和數(shù)據(jù)集（DataSet），不同業(yè)務配置不同的LD和DataSet，系統(tǒng)配置工具根據(jù)LD和DataSet分別顯示到不同的視圖中，遙控數(shù)據(jù)遍歷LD中所有控制對象（根據(jù)CDC類型）到簡單類型DO。這種配置方案適合變電站運維管理人員。

2）業(yè)務模型配置只配置LD，遍歷此LD下所有DO（根據(jù)CDC類型）分別顯示到不同視圖。如果是帶角度的量測數(shù)據(jù)對象，則將DO延伸到DA層并映射為兩個對象cVal.mag，cVal.ang，其他數(shù)據(jù)直接映射到簡單數(shù)據(jù)對象類型DO。這種配置方案適合專業(yè)的變電站設計人員或工程人員。用戶根據(jù)不同的需求，定制不同的業(yè)務視圖，從不同專業(yè)角度瀏覽變電站系統(tǒng)配置。

3 間隔解耦

間隔解耦把目標間隔的IED從SCD文件中分離出來，生成獨立的間隔文件（bay configuration description, BCD），根據(jù)需求對目標間隔文件進行修改編輯，剩余部分生成另外一個文件，稱之為鎖定文件（LOCK.BCD），該文件處于鎖定狀態(tài)，不允許編輯。目標間隔修改完成后，間隔文件與鎖定文件進行合并處理。

面向間隔解耦包括間隔文件分解、間隔文件編輯、間隔文件合并3個步驟。而文件合并需要進行文件合并、文件編輯、一致性驗證、文件差異比較和波及范圍統(tǒng)計分析處理，流程如圖2所示。

圖2 間隔解耦及合并處理流程

通過間隔解耦及嚴格的文件管理控制流程，把變電站部分間隔的改造對全站其他間隔的影響降到最小。下面依據(jù)SCD模型文件結構，分步驟說明間隔解耦實施方案，以滿足變電站改擴建對SCD模型變化的可靠性需求。

3.1 間隔文件分解

文件分解是間隔解耦的第一步。根據(jù)實際工程需求，把配置文件中需要改擴建間隔的設備與其他設備進行分離，拆分SCD文件為BCD文件和LOCK.BCD文件，BCD文件為目標間隔的模型文件，導出后進行編輯修改，滿足工程改擴建需求。其余部分保存到LOCK.BCD文件，禁止修改。

對SCD模型文件分解時針對不同的數(shù)據(jù)節(jié)點采取不同的處理方法，頭節(jié)點包含版本和歷史信息，而對BCD文件中不需要，通信節(jié)點和模板節(jié)點包含全站的信息采取冗余處理的方式，重復復制到BCD文件中，表3給出了具體分解方法。

表3 SCD文件節(jié)點分解方法

3.2 間隔文件編輯

間隔文件的編輯是根據(jù)需求對BCD文件進行編輯。工程改擴建主要包括：設備修改，設備增加、設備刪除幾個方面，對應BCD文件的操作：IED修改、IED增加、IED刪除；模型文件中需要處理通信、數(shù)據(jù)類型模板、虛端子連線相關節(jié)點信息。為盡量避免對其他間隔信息的誤修改，BCD文件編輯應滿足以下處理原則。

1）BCD文件中的IED節(jié)點和變電站節(jié)點只屬于本間隔。允許增加、修改、刪除間隔內(nèi)某個IED，并針對IED的變化修改變電站節(jié)點中的一、二次關聯(lián)信息。

2）BCD文件中通信節(jié)點和數(shù)據(jù)類型模板節(jié)點的編輯應該限制處理，本間隔對應的通信和數(shù)據(jù)類型模板信息允許編輯，非本間隔數(shù)據(jù)禁止編輯。

3）應禁止間隔間的虛端子連線（Inputs）編輯，IED刪除導致跨間隔的虛端子連線信息無效，應在間隔文件合并后進行檢查并處理。

表4列出了針對BCD文件中不同節(jié)點的處理方法。

表4 BCD文件編輯方法

LOCK.BCD文件在BCD文件合并之前，處于鎖定狀態(tài)，不允許任何修改。從管理角度考慮，LOCK.BCD對運維人員是不可見的。

3.3 間隔文件合并

間隔文件BCD編輯完成后，與LOCK.BCD合并完成生成新的SCD文件，新生成的SCD文件首先需要進一步完善間隔間的虛端子連線。另外，為了保證文件的正確性及一致性，需要進行驗證、差異比較、波及范圍分析，因此間隔文件合并又分為合并、編輯、驗證、比較和分析幾個步驟。下面分別給出實施方案。

1）合并

BCD文件的合并應保證LOCK.BCD文件中原有信息的完備性，導出的BCD文件包含Substation、Communication、IED、DataTypeTemplates四類節(jié)點信息，不同節(jié)點合并處理方法不同：

（1）Header節(jié)點。BCD文件中不存在Header節(jié)點，合并LOCK.BCD文件中的Header節(jié)點為新生成的SCD文件Header節(jié)點，并生成新的版本信息，記錄變化內(nèi)容。

（2）Substation節(jié)點。BCD文件中的Substation只包含對應間隔的變電站信息，導入時直接插入LOCK.BCD的Substation節(jié)點下相應信息即可。

（3）Communication節(jié)點。以BCD文件中的Communication節(jié)點為基準，展示與LOCK.BCD的差異并告警，BCD文件中的Communication節(jié)點覆蓋LOCK.BCD文件中的Communication節(jié)點。

（4）IED節(jié)點。BCD文件與LOCK.BCD合并時，檢查是否存在IED沖突，若存在沖突，則終止合并并告警。

（5）DataTypeTemplates節(jié)點。以BCD文件中的DataTypeTemplates節(jié)點為基準，展示與LOCK.BCD的差異并告警，BCD文件中的DataTypeTemplates節(jié)點覆蓋LOCK.BCD文件中相應節(jié)點。

合并時首先檢查是否存在IED沖突，若發(fā)現(xiàn)兩個文件IED存在沖突，則應立即終止合并文件，同時進行配置信息變化比較及告警。變電站系統(tǒng)配置工具以可視化圖形方式，直觀展示所有合并沖突及配置變化的信息。

2）編輯

這個步驟的編輯是針對合并后的SCD文件的編輯。首先，文件分解后，BCD文件禁止對間隔之間虛端子連線進行編輯，但BCD與LOCK.BCD實際存在間隔之間的虛端子連線配置需求，所以，合并后需要進一步進行間隔間虛端子連線配置，以完成間隔之間數(shù)據(jù)信息交互。其次，前面介紹BCD文件合并時DataTypeTemplates節(jié)點采取了完全覆蓋的冗余處理的方式，合并后的SCD文件中應該刪除這些冗余信息，避免冗余信息累加導致SCD文件越來越大。

3）驗證

BCD文件解耦合并，會產(chǎn)生虛端子連線信息無效、實例化對應的數(shù)據(jù)模板不存在等一致性問題，必須對合并所得SCD文件進行一致性驗證。若一致性驗證不能通過，則提示工程人員進行修改或者終止本次文件解耦操作。一致性驗證通過后，重新計算全站CRC并生成新的歷史版本號記錄到SCD文件[16]。一致性驗證與SCD編輯應該是一個迭代完善的過程。

為確保合并后新生成SCD文件滿足一致性驗證要求，本研究團隊在智能變電站配置工具軟件新增開發(fā)了一致性驗證模塊，該模塊包括兩部分內(nèi)容：IEC 61850語法一致性驗證、工程應用信息語義一致性驗證，語法驗證嚴格滿足IEC 61850第10部分的要求，并通過了Kema公司的A級認證測試；語義一致性測試嚴格遵照《IEC 61850工程繼電保護應用模型》、《智能變電站二次系統(tǒng)信息模型校驗規(guī)范》要求進行逐條驗證。這兩項內(nèi)容目前已通過開普檢測中心的入網(wǎng)測試。

4）差異比較和分析

為方便生產(chǎn)運行人員直觀了解、掌握版本的變更內(nèi)容，新生成的SCD文件需要與原版本的SCD文件比較，以圖形、屬性列表等直觀可視化方式展示兩個版本配置差異，并針對差異比較結果生成波及范圍分析報告，為運維人員判定配置文件的正確性提供支持。主要包括：

（1）通信子網(wǎng)差異比較。比較子網(wǎng)內(nèi)的訪問點、控制塊通信、IP地址、MAC地址等信息。

（2）控制塊差異比較。比較IED控制塊及其屬性信息。

（3）數(shù)據(jù)集差異比較。比較IED數(shù)據(jù)集屬性、成員個數(shù)、成員屬性信息。

（4）虛端子連線差異比較。比較IED虛端子連線信息。

波及范圍分析報告是根據(jù)差異比較結果，分析信息差異對變電站各個間隔產(chǎn)生的影響，生成本次操作的波及范圍分析報告。波及范圍分析報告應包含以下內(nèi)容：

（1）目標間隔中IED變化統(tǒng)計。包括刪除、修改、增加。

（2）目標間隔存在虛端子連線變化的IED統(tǒng)計。

（3）間隔間虛端子連線變化統(tǒng)計。

（4）目標間隔的改造對站控層數(shù)據(jù)流的影響。

4 文件解耦管理

從智能變電站文件管理角度考慮，文件解耦應滿足《智能變電站配置文件運行管理模塊技術規(guī)范》和《智能變電站配置文件管理規(guī)定》。配置文件解耦管理是智能變電站配置文件管理的一部分，應支持工程現(xiàn)場對配置文件的管理，保證配置文件數(shù)據(jù)安全性及數(shù)據(jù)同步。SCD文件的簽出流程應該嚴格按照智能變電站在線或者離線管理流程執(zhí)行，SCD文件解耦工作完成并通過調(diào)試后簽入配置管理服務器，差異比較結果和波及范圍分析報告需要一并簽入[17]，便于現(xiàn)場工程人員及后期運維人員瀏覽及使用。

5 應用分析

智能變電站常發(fā)生人為因素導致模型配置錯誤，出錯原因主要有：①模型文件中設備太多且設備的名稱相近；②模型文件修改流程缺乏嚴格的控制手段，工程人員沒有嚴格按照先間隔內(nèi)、后間隔間的順序修改。配置錯誤如果到現(xiàn)場運行或者集成調(diào)試階段才發(fā)現(xiàn)，將大幅增加智能變電站的調(diào)試 成本。

通過對公司工程技術服務信息管理系統(tǒng)在智能變電站調(diào)試服務數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到增加模型解耦功能前后智能變電站模型配置調(diào)試時間變化，見表5。

表5 模型文件SCD配置耗時比較

從表5數(shù)據(jù)可知，通過文件解耦，減少了模型配置時間，模型越復雜，效果越明顯。調(diào)試效率提升的原因可歸納為：①復雜模型分解為簡單模型，編輯操作相對簡單，不易出錯；②模型配置嚴格按照先間隔內(nèi)后間隔間的順序操作，降低錯誤概率；③通過解耦中的驗證、比較和分析功能及時發(fā)現(xiàn)配置錯誤，降低重新配置調(diào)試的幾率。

6 結論

本文按照不同的業(yè)務分類把SCD模型文件邏輯解耦，不同業(yè)務用戶獲取不同業(yè)務視圖，滿足了不同專業(yè)的需求。按照間隔把SCD模型文件物理解耦，只對目標間隔進行操作，規(guī)范了工程人員模型文件編輯流程，從人員可靠性因素方面考慮，降低傳統(tǒng)人為無防范地直接修改整個SCD，對模型造成誤改或錯改風險。智能變電站信息模型逐漸成為變電站運維管控的重要部分，國家電網(wǎng)公司組織了多次模型配置及工具相關會議，配置工具的易用性、模型文件易維護性成為用戶關注的重點。本文研究成果可以減少人為因素導致的模型配置錯誤，提升智能變電站運維效率。

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Research and implementation of SCD model decoupling technology for smart substation

Zhang Yi Wei Yong Zheng Yunzhao Wen Dongxu

(Xuji Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

To improve the SCD model management level of smart substation, and reduce the operation and maintenance risk, this paper researched on decoupling technology for SCD model, and also proposed implementation scheme. On one hand, the SCD model file can be decoupled logically based on substation operation job, and drop the related configuration data according to job rules, and show model file using classified job data view, and manage the browser & modify of job data by assigning rights to the jobs, so we can meet the requirements of different operation jobs; On the other hand, the SCD model file can also be decoupled physically based on different substation bays, splitter the SCD model based on bay rules, lock or open the configuration data of different bays, with human reliability factor considerations, compared with the traditional directly modification method, the accidental wrong change or mistaking error risk is reduced.

SCD model; file decoupling; job decoupling; bay decoupling; safety management

2017-12-21

張 義（1982-），男，本科，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化領域研究與開發(fā)工作。