基于IEC 61850 的變電站自主系統源端維護技術研究

李國號,張喜平,武天龍,張發忠

(廣東電網有限責任公司中山供電局,廣東 中山 528403)

0 引言

在智能電網中,IEC 61850 標準不但為變電站智能化與數字化的實現提供了支持,而且已成為電力自動化行業未來重要的技術標準[1-5]。 盡管我國在研究IEC 61850 方面起步較晚,但是其實踐與發展較為迅速,推動了國內變電站向IEC 61850 智能變電站的逐步轉型[6-8]。 當前,智能變電站的建模主要采用IEC 61850 標準,但調度中心模型是以IEC 61970 標準為基礎進行建模的,加之模型之間具有一定的差異性,難以達到互操作這一主要目標[9-10]。 因此,確保兩端數據模型的一致性,已成為當前智能電網發展研究的一個重要方向,也是亟待解決的問題。

本文對基于IEC 61850 標準的智能變電站模型和調度中心模型的需求展開了研究,詳細分析了實現源端維護過程中需要解決的幾個問題,提出了一種實現源端維護的方法。 同時,通過仿真試驗驗證了該方法的可行性。

1 IEC 61850 標準的特點概述

IEC 61850 標準作為電力系統自動化領域重要的國際標準,具有三大技術特性。 第一,IEC 61850 將智能變電站劃分為包含站控層、間隔層和過程層的三層體系結構。 相比常規變電站的“站控層+間隔層”兩層系統,間隔層與過程層的分離更有利于采集主設備信號。 第二,IEC 61850 采用獨立于網絡的抽象通信服務接口(abstract communication service interface,ACSI),當確定需要特定的網絡服務時,可以通過調用特定的通信服務映射(specific communication service mapping,SCSM)將ACSI 映射到特定的通信協議中,以完成網絡通信。 第三,IEC 61850 采用面向對象的建模技術,具有良好的繼承性和可重用性。 這三大技術特性,使IEC 61850 在多個領域中得到了應用,例如智能電網建設領域。

2 變電站配置描述文件結構及按需篩選

2.1 變電站配置描述文件結構分析

變電站配置描述(substation configuration description,SCD)模型文件是全站系統配置文件,具有唯一性的特點。 SCD 模型文件能夠詳細描述變電站大多數智能電子設備(intelligent electronic device,IED)的通信參數、實例配置以及參數間的聯系等情況。 同時,該模型文件涵蓋面極廣,不但能披露一次設備的信息,還能揭示它們間的連接關系。 對SCD 文件而言,需要按需裁剪,通過分類上傳的方式實現變電站自主系統源端維護。

SCD 文件結構如圖1 所示。

圖1 SCD 文件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCD file structure

從圖1 可以看出,變電站內所有IED 模型和電壓等級數據均為SCD 模型文件中重要的組成部分。

2.2 SCD 文件按需篩選流程

根據調度中心等級的不同,模型文件的需求也會有所不同。 調度中心等級越高,所監控的區域就越大,模型文件涵蓋的電壓等級就越高。 如今,大多數變電站涵蓋的電壓等級數據都不是單一的,通常含有兩個或兩個以上。 若直接將SCD 文件傳輸至各級調度中心,那么不但會導致數據冗余現象,還會浪費網絡資源,加大變電站自主系統源端維護工作量。 因此,需要通過篩選環節對SCD 文件進行篩選處理,剔除掉與調度中心無關的數據,而后將新生成的SCD 文件傳輸至各級調度中心。 這樣便能有效解決上述的問題。 SCD文件篩選流程如圖2 所示。

圖2 SCD 文件篩選流程Fig.2 SCD file filtering process

在對SCD 文件進行篩選前,首先要通過讀取的方式對SCD 文件進行存儲,其次通過篩選環節對存儲至內存中的SCD 文件進行篩選,最后獲取具有不同電壓等級的新SCD 文件。 從圖2 可以看出,通過文檔對象模型(document object model,DOM)接口將具有不同電壓等級的SCD 文件讀取至內存中,而后構建出一個DOM 樹;在DOM 樹的作用下,可實現對SCD 文件的按需修改,同時亦可以按需存取。 SCD 文件在內存中以樹形結構存在,并以父、子節點方式展開呈現。 其他文件的操作也是如此,需要根據文件的父、子節點方式來確定操作的順序和切入點。 在明確節點名稱和相關屬性后,才能對節點展開下一環節的操作,即通過替換、插入以及刪除等操作修改文件。 對SCD 文件進行比較分析和按需裁剪等操作,等同于對文件進行重構,能夠獲得滿足需求的新結構樹。 對調度中心而言,會涉及一些無用的數據模型,比如通信模型。 對此,可通過遍歷的方式對SCD 文件進行處理,即輸入相應的關鍵詞,找到無關緊要的子節點并將其剔除。 而對于有用的節點元素,可將其復制粘貼到結構樹中,以實現SCD文件的修改。 總體而言,在修改DOM 樹以后,才能對輸出文件進行篩選,并以不同電壓等級作為拆分依據,實現SCD 文件的DOM 樹拆分操作。 一個變電站的SCD 文件需要對應多個電壓等級。 而對變電站部分電壓等級的元素屬性值而言,需要通過查詢操作剔除無關元素,保留滿足電壓等級需求的元素。 需要注意的是,在剔除無關智能電子設備的同時,應將其對應的數據類型模板剔除,避免后續的干擾。 對于連接節點的查詢也是如此。 通過查詢操作將無關的通信部分剔除,保留有用的部分。 通過上述一系列按需篩選操作,生成最終的SCD 文件。 該文件具有相同電壓等級的特點,能夠滿足后期源端維護所需。

3 流程及界面設計

在分析SCD 文件按需篩選流程的基礎上,本文將重點闡述變電站自主系統源端維護流程及界面設計。

3.1 流程設計

變電站自主系統源端維護流程具體可分為八個步驟。 第一,構建變電站模型框架,為新變電站模塊文件的填充作準備。 第二,對制造報文規范(manufacturing message specification,MMS)通道進行初始化處理,為后續的連接奠定基礎。 第三,調度中心自主發起連接請求,與變電站建立傳輸控制協議(transmission control protocol,TCP)連接。 第四,調度中心將站內版本文件與變電站版本文件進行比對:當版本一致時,無需改動;若版本存在誤差,則根據誤差點查閱模型的更新概況。 第五,若模型文件在更新,則可開啟源端維護流程,根據調度中心所需,提取適當的模型文件,并將其傳輸至變電站中,由變電站將模型文件上傳。 第六,當SCD 文件被源端維護接收到并對信息校檢無誤后,將模板文件融入調度中心模板。 第七,調度中心模板信息和版本信息更新結束后,對調度中心服務進行關聯。第八,源端維護完成后,關閉TCP 連接。

變電站配置流程具體可通過以下五個步驟實現。 第一,對運動通信信道的配置進行維護。 第二,維護變電站SCD 文件,確保模型文件的準確性、系統性以及可靠性。 第三,根據調度中心的需求,對SCD文件按需篩選,生成新的SCD 文件。 需要注意的是,該文件需要攜帶電壓等級。 第四,接收調動中心源端維護發送的請求,根據需要將新的SCD 文件上傳并處理。 第五,對模型的版本信息進行更新時,需要將更新的信息上傳至調度中心,由調動中心作出響應及處理。

3.2 調度中心界面設計

本文在變電站自主系統源端維護流程分析的基礎上,對調度中心界面進行了設計。 在對調度中心界面進行設計前,需要了解調度中心必須披露的功能,如源端維護請求、模型版本信息的查詢、SCD 文件的接收與校檢、站內模型文件信息的自主查閱、模型基本信息的披露、模型文件的遠程操作等。 調度中心界面功能如圖3 所示。

圖3 調度中心界面功能圖Fig.3 Function diagram of dispatch center interface

如圖3 所示,菜單欄具備對文件編輯、校檢以及檢查等多項基礎功能。 對窗口模塊而言,可延伸出文件顯示窗口、樹形結構顯示窗口以及接線圖調出窗口。每個窗口披露的信息均能順利通過校驗和解析模塊,通過讀取的方式獲得所需的SCD 文件。 文件管理模塊可實現文件的編輯、讀取以及保存等功能。 用戶可瀏覽與導入上傳至變電站的模型文件,同時能獲取模型文件對應的結構信息。 對文件傳輸接口模塊而言,實現模型文件和信息的傳輸,即通過建立一個連接口,實現智能電子設備與顯示界面間報文的傳輸。 在完成調度中心界面設計后,會呈現出菜單欄、模型文件信息列表、模型文件名以及源端維護調度欄等按鍵標簽。其中,菜單欄包含文件、編輯、格式、系統維護以及版本信息等按鍵內容。 源端維護調度欄包含啟動維護程序和顯示調度界面這兩個按鍵標簽,可通過單擊這類按鍵查閱所需的內容。 單擊顯示調度主界面功能鍵,可預覽變電站一次系統接線情況,為調度中心的仿真與維護提供基礎。

3.3 變電站界面設計

在對變電站界面進行設計前,要對變電站所需的功能有所了解,例如SCD 模型文件的配置修改、變電站設備信息的自主查閱、版本信息的自主更新、源端維護請求、自主連接、SCD 文件的篩選、SCD 文件上傳等。通過與調度中心的功能需求對比發現,調度中心與變電站仿真主界面存在一定的相似之處。 因此,需要對站內SCD 文件作出相應的解析,依照樹形結構展開模型文件。 對站內智能電子設備信息進行查閱時,可直接單擊智能電子設備的相關信息進行預覽。 變電站界面同樣具備SCD 的按需篩選功能,具體流程已進行了詳細介紹。 因此,通過單擊按鍵的方式可實現變電站對SCD 文件的篩選。 變電站圖形顯示界面功能如圖4所示。

圖4 變電站圖形顯示界面功能圖Fig.4 Function diagram of substation graphical display interface

變電站要起到一定的維護作用,確保通信通道的安全性與通暢性。 從圖4 可以看出,當無需進行信息交換時,變電站與調度中心不可完全斷開連接,需要保持微弱的連接,以確保信息交換時連接通道啟動的高效性。 變電站界面設計完成后,具有菜單欄、窗口模塊、樹形結構顯示窗口、模型文件內容以及源端維護調度操作等按鍵。 其中,菜單欄包含文件、編輯、系統維護等操作按鍵。 源端維護調度操作欄包含通信通道測試、按需篩選、響應源端維護等按鍵。 若需要對通信通道進行測試,只需簡單單擊通信通道測試按鍵即可。

4 上傳及維護效果分析

4.1 源端維護模型的上傳

變電站在上傳模型文件前,需要對通信連接進行測試,以確保連接的通暢性與安全性。 當變電站收到連接測試請求后,便能開啟源端維護過程。 在開啟源端維護過程前,要按需設置適當的電壓等級,而后才能單擊啟動維護按鍵。 若調度中心未獲得變電站的IP地址,則認為連接存在異常,無法實現后續的模型上傳;反之,則能實現調度中心與變電站的連接。 調度中心的連接請求傳輸至變電站時,能得到相應的電壓等級。 此時,可通過篩選功能對SCD 文件進行篩選。 在結束篩選流程后,通過對應的網絡服務實現SCD 文件的傳輸。 在文件傳輸期間,通過改變SCD 文件格式,確保調度中心對文件的接收。 源端維護請求信息由調度中心發出后,要確保變電站與調度中心連接的通暢性與安全性。 當變電站將處理(篩選)過的SCD 文件上傳至調度中心后,會自動存儲至本地,并對該文件的Schema 語法情況進行自動檢驗。 若檢驗未發生異常,那么調度中心會指派軟件對該文件進行解析,最后導入數據庫中。 當文件導入無誤后,便可關閉源端維護,斷開文件的傳輸服務。 也就是說,調度中心在接收到變電站上傳的文件后,斷開文件傳輸連接服務與傳輸通道,并將源端維護信息發送至結束界面。

4.2 源端維護效果的分析

源端維護的實現需要滿足兩個條件:其一,調度中心能夠順利接收到變電站上傳的模型,并存儲至模型庫;其二,在其一的基礎上,與調度中心的一次連接線圖產生關聯。 在滿足以上兩個條件后,源端維護才得以實現,對應的圖形才能夠正確地展現與操作。 本文借助紫荊橋組態軟件完成一次接線圖顯示畫面的調度仿真。 在變電站SCD 文件中含有系統規格描述(system specificaton description,SSD)文件。 通過篩選操作后,對所需的一次設備屬性、名稱等信息進行描述與存儲。 同時,本文為了檢驗源端維護效果,以A 變電站為例,對其子站進行了調度仿真,得到的A 變電站子站部分調度接線情況,如圖5 所示。

圖5 A 變電站子站部分調度接線情況Fig.5 Partial dispatching wiring of sub-stations in substation A

從圖5 可以看出,模型與圖形的配套是確保系統正常運行的關鍵所在。 而紫荊橋軟件系統的正常運行,能夠提供組態數據庫功能,并為SCD 模型文件的導入提供渠道。 在結束模型與圖形關聯后,可查詢圖形設備的運行情況,以得到遙測信號、遙控信號、遙調信號和遙信信號。 其中,通過遙控信息可以明確變電站的電流、電壓、有功功率等數據,通過遙控信號可控制隔離開關、斷路器等設備的使用,通過遙調信號可調節變電站分接頭情況,通過遙信信號可明確斷路器等的報警信息和位置信息。 此處,本文以斷路器22103的遙信信號為例,檢驗源端維護功能的可行性。 遠方調度中心根據遙信信號明確斷路器的狀態信息,如位置信息和報警信息等,將斷路器狀態信息通過ACSI 服務發出。 當變電站接收到ACSI 服務發出的信息命令后,反饋斷路器位置狀態信息。 得到的報文表明,斷路器22103 屬于開路狀態。 變電站內開關狀態信息如表1 所示。

表1 變電站內開關狀態信息表Tab.1 Switch state information in substation

由表1 可以看出,斷路器22103 的狀態位置信息與報文中的結果是相同的。 這說明本文系統遙信功能較為良好,同時也肯定了本文源端維護方法的有效性。

5 結論

本文首先對IEC 61850 標準的特點進行了闡述;然后,對SCD 文件結構及篩選流程進行了講解,明確了SCD 文件按需篩選的具體流程。 在SCD 文件按需篩選的基礎上,對變電站自主系統源端維護流程及界面進行了設計。 最后,對本文源端維護方法進行了試驗,發現斷路器22103 的狀態位置信息與報文一致。該結果證明了本文源端維護方法的可行性。