基于IED信息的智能變電站管控可靠性分析

黃慶祥, 王堅(jiān), 陳江, 萬(wàn)文承

(武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司, 湖北, 武漢 430000)

0 引言

目前,在許多智能變電站中都需要使用智能電子設(shè)備(IED信息),為了確保這些設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行就必須正確搭配這些設(shè)備的硬件與軟件模塊并合理調(diào)整各項(xiàng)配置[1-3]。在現(xiàn)場(chǎng)中使用IED信息前應(yīng)先開展設(shè)備入網(wǎng)測(cè)試,有效保障設(shè)備能夠達(dá)到實(shí)際運(yùn)行條件,并對(duì)整套設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析,從而獲得合理的硬件、軟件與各項(xiàng)配置參數(shù)[4-6]。對(duì)IED信息軟硬件版本實(shí)施管控能夠明顯提高IED信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性、安全性并實(shí)現(xiàn)可追溯的效果,最終確保整個(gè)智能變電站的安全運(yùn)行[7-9]。當(dāng)前,對(duì)IED信息進(jìn)行管控的過(guò)程包括運(yùn)行程序的版本編號(hào)以及利用校驗(yàn)碼(CRC)對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行校驗(yàn)分析,基本都是通過(guò)人工記錄的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在變電站完全調(diào)試后和投運(yùn)使用前,需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的IED信息進(jìn)行記錄,同時(shí)下載程序的數(shù)量和類型,利用設(shè)備提供的人機(jī)接口記錄CRC校驗(yàn)碼與系統(tǒng)版本[10-12]。同時(shí)要求使用廠商在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程也選擇同樣的記錄方法,做好現(xiàn)場(chǎng)文件數(shù)據(jù)的備份并準(zhǔn)確記錄相關(guān)參數(shù)[13]。

1 IED信息總體架構(gòu)

本文構(gòu)建的IED信息管控系統(tǒng)需同時(shí)服務(wù)變電站與區(qū)域主站的各個(gè)應(yīng)用。其中,IED信息負(fù)責(zé)站內(nèi)的運(yùn)維管理,在主站中,IED信息是對(duì)文件備份管理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。從圖1可以看到,管控主子站系統(tǒng)的具體架構(gòu)。其中,SCADA代表數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控,EMS屬于能量管理系統(tǒng)。主站端系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、訪問(wèn)終端、運(yùn)行管控系統(tǒng)服務(wù)器等。將其布置在信息安全Ⅲ區(qū);把變電站管控系統(tǒng)配置在變電站控制平臺(tái)的應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)(屬于信息安全Ⅱ區(qū)),利用綜合應(yīng)用服務(wù)器與站控層網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IED信息管控信息與備份文件的訪問(wèn)并完成入庫(kù)過(guò)程。當(dāng)綜合應(yīng)用服務(wù)器接收到整個(gè)系統(tǒng)站的IED信息更新之后的版本時(shí),再利用文件傳輸協(xié)議對(duì)經(jīng)過(guò)隔離的版本與備份文件由非生產(chǎn)控制區(qū)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)傳輸?shù)街髡竟芸叵到y(tǒng),此時(shí)進(jìn)入信息安全Ⅲ區(qū)。主站版本系統(tǒng)根據(jù)不同的區(qū)域、站、電壓等級(jí)等不同條目構(gòu)建得到IED信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 IED信息架構(gòu)

利用Linux操作系統(tǒng)建立版本控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu),并通過(guò)HTML5、Angular2與BootStrap來(lái)處理人機(jī)接口;選擇當(dāng)前使用最廣泛的非關(guān)系型MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)作為本文的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng);需要使用的應(yīng)用程序包括C語(yǔ)言、MongoDBDriver與RESTfulAPI。為主站構(gòu)建了專門的服務(wù)器,并配備了獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)。在綜合應(yīng)用服務(wù)器上布置應(yīng)用程序和各個(gè)子站端數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 IED信息管控方法

2.1 IED信息管控設(shè)計(jì)思路

對(duì)于文件管控而言,其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括數(shù)據(jù)備份以及管控各類配置文件。當(dāng)系統(tǒng)含有眾多數(shù)量的文件時(shí),需要文件版本對(duì)大量?jī)?nèi)容進(jìn)行管控,無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)不同文件的相互組合關(guān)系。以構(gòu)件作為依據(jù)的管控能夠有效克服文件管控方面的缺陷。構(gòu)件版本屬于由構(gòu)件構(gòu)成的文件版本集合。當(dāng)文件版本出現(xiàn)改變、被刪除或新增之后都將獲得不同的構(gòu)件版本。構(gòu)件組成文件需根據(jù)目錄結(jié)構(gòu)來(lái)組織。在構(gòu)件版本中包含了各項(xiàng)文件內(nèi)容的編輯、增刪等數(shù)據(jù)。

通過(guò)管控系統(tǒng)為變電站各IED信息設(shè)計(jì)相應(yīng)的構(gòu)件,得到的組成文件由圖2的版本描述文件和各類軟件、硬件與配置備份共同組成。

圖2 基于構(gòu)件的管控方法

版本描述文件記錄了與現(xiàn)有設(shè)備版本有關(guān)的硬件、軟件程序與配置信息文件數(shù)和文件描述信息。利用版本描述文件來(lái)描述備份文件的數(shù)據(jù)信息,再利用各類智能IED信息根據(jù)設(shè)備管控備份需求來(lái)合理設(shè)置管控內(nèi)容。根據(jù)表1可知,智能通信網(wǎng)關(guān)機(jī)和智能測(cè)控設(shè)施描述文件給出了具體的管控信息內(nèi)容。

表1 2種不同類型IED信息版本描述文件比較

通過(guò)版本描述文件來(lái)確定IED信息管控信息能夠有效克服該管控系統(tǒng)對(duì)各類廠商IED信息文件不易兼容的難題。利用版本描述文件為各管控系統(tǒng)的IED信息構(gòu)件建立文件系統(tǒng)和目錄。由此得到各個(gè)電壓等級(jí)、設(shè)備類型、應(yīng)用場(chǎng)景和不同廠家IED信息以實(shí)際產(chǎn)品特點(diǎn)與應(yīng)用要求對(duì)應(yīng)的管控備份數(shù)據(jù),也可以適當(dāng)改造變電站現(xiàn)有設(shè)備,從而更加靈活地接入管控系統(tǒng)。

在管控系統(tǒng)內(nèi),各IED信息都可以被看成是版本庫(kù)中的一個(gè)構(gòu)件,對(duì)IED信息管控范圍中的文件進(jìn)行升級(jí)、編輯、新增等操作都可以在版本描述文件內(nèi)完成,提交管控系統(tǒng)后將生成新的構(gòu)件版本。由于生成新版本的時(shí)候?qū)⑼瑫r(shí)更新備份內(nèi)容,這使得構(gòu)件版本號(hào)與版本描述文件形成同樣的版本號(hào),其余管控備份文件版本需結(jié)合實(shí)際新增與更改的結(jié)果來(lái)完成遞增。所有IED信息中的構(gòu)件版本樹對(duì)應(yīng)的縱向構(gòu)件版本樹節(jié)點(diǎn)按照實(shí)際測(cè)試得到的成熟運(yùn)行版本來(lái)構(gòu)建,確保版本編號(hào)和描述文件生成相同的版本,具體見圖2。其他備份文件應(yīng)結(jié)合工程的新增與更改要求,也可能引起文件數(shù)量及其內(nèi)容的變化,各備份文件版本可以根據(jù)自身的更改情況以遞增方式得到,對(duì)于未更改備份文件,則繼續(xù)使用之前版本的備份文件,并把現(xiàn)有構(gòu)件版本的文件刪除。

在管控系統(tǒng)中的最核心內(nèi)容是各IED信息描述文件,該文件主要用于描述廠家的設(shè)備特性與各項(xiàng)私有版本,從而為主站管控系統(tǒng)提供更可靠的分析統(tǒng)計(jì)功能。

2.2 IED信息管控流程

通過(guò)解析SCD文件可以得到管控系統(tǒng)包含的IED信息名稱、數(shù)量、類型與地址,有效防止因?yàn)槿藶橐蛩厥构芸叵到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模型產(chǎn)生錯(cuò)誤。但應(yīng)注意進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí),對(duì)SCD文件進(jìn)行修改后引起的內(nèi)容改變將會(huì)影響到數(shù)據(jù)庫(kù)的模型。這種情況下應(yīng)利用SCD文件比較方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)模型的增量更新目標(biāo),確保運(yùn)行過(guò)程中IED信息能夠和版本庫(kù)的IED信息形成相同的信息。

從圖3可以看到以版本描述文件為基礎(chǔ)的IED信息管控流程。在管控系統(tǒng)中,可以根據(jù)變電站SCD文件解析結(jié)果得到站內(nèi)的IED信息類型、數(shù)量、名稱、地址各項(xiàng)信息,構(gòu)建不同的IED信息庫(kù)模型。

圖3 管控流程圖

完成IED信息的產(chǎn)品階段性調(diào)試驗(yàn)收工作后,應(yīng)先結(jié)合實(shí)際調(diào)試更新情況對(duì)IED信息內(nèi)的版本描述文件進(jìn)行修訂;之后對(duì)管控備份文件進(jìn)行更新;接著設(shè)定IED信息的版本更新狀態(tài);管控系統(tǒng)再利用文件服務(wù)功能來(lái)得到版本。管控系統(tǒng)利用站控層網(wǎng)絡(luò)得到IED信息的更新數(shù)據(jù),從更新后的IED信息中獲得實(shí)時(shí)版本描述和文件備份內(nèi)容。

對(duì)于智能變電站和軟件工程使用的管控系統(tǒng)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)這2個(gè)系統(tǒng)具有各自不同的側(cè)重點(diǎn)。其中,在軟件工程中應(yīng)用的管控是進(jìn)行目錄的存儲(chǔ)與追蹤并記錄文件編輯歷史數(shù)據(jù);在智能設(shè)備中使用的管控是為了記錄處于成熟運(yùn)行狀態(tài)下的版本備份數(shù)據(jù),因此更加重視版本修改之后形成的備份數(shù)據(jù)完整性與準(zhǔn)確性,但無(wú)須注意實(shí)際修改期間的具體細(xì)節(jié)。

3 設(shè)備版本描述文件

本文構(gòu)建的IED信息描述方案把版本描述文件分成了2個(gè)不同部分。其中,第一部分是描述管控信息,涉及管控IED信息的各項(xiàng)共性信息,第二部分是對(duì)管控信息的描述內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展,包括IED信息軟件、硬件版本與各項(xiàng)內(nèi)部參數(shù)的特征。

3.1 版本

IED信息包含設(shè)備信息、模型版本、程序版本、參數(shù)版本等。其中,版本號(hào)的生成規(guī)則是按照實(shí)際軟件情況來(lái)生成,由此獲得一個(gè)統(tǒng)一的軟件版本。校驗(yàn)碼的生成規(guī)則是使用基礎(chǔ)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合校驗(yàn)的過(guò)程,也可以選擇數(shù)字簽名的方法來(lái)完成軟件特征信息的校驗(yàn)。

3.2 擴(kuò)展版本

為了滿足IED信息個(gè)性化管控的要求,本系統(tǒng)專門設(shè)置了IED信息擴(kuò)展版本的管控信息內(nèi)容。擴(kuò)展版本的管控信息以管控信息為基礎(chǔ),加入了多種靈活的管控備份信息,包含了各種配置模型的版本號(hào)、軟件模塊版本、硬件插件版本、參數(shù)文件版本等。擴(kuò)展版本可結(jié)合各類設(shè)備的特征選擇不同的描述方法,從而使各個(gè)IED信息管控表現(xiàn)出明顯的區(qū)別,增加各類不同管控內(nèi)容的兼容性,增加多種不同的版本為各IED信息提供描述自身的管控備份文件。此類擴(kuò)展版本包括信息模型、硬件、參數(shù)與軟件共4種。

3.3 管控系統(tǒng)性能指標(biāo)

管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司各個(gè)電力部門的智能電子設(shè)備,將管控系統(tǒng)容量設(shè)定在5萬(wàn)臺(tái)IED信息,可以包含50萬(wàn)個(gè)文件,各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

表2 管控指標(biāo)

通過(guò)分析表2可以看到在實(shí)驗(yàn)室條件下管控系統(tǒng)的IED信息,之后把IED信息軟硬件版本和各項(xiàng)配置文件信息在系統(tǒng)庫(kù)內(nèi)做好備份。本文管控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管控結(jié)果達(dá)到響應(yīng)時(shí)間在1 s以內(nèi),適用于其他的真實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的管控。

4 總結(jié)

本文構(gòu)建的IED信息管控系統(tǒng)需同時(shí)服務(wù)變電站與區(qū)域主站的各個(gè)應(yīng)用。完成IED信息的產(chǎn)品階段性調(diào)試驗(yàn)收工作后,對(duì)管控備份文件進(jìn)行更新,接著設(shè)定IED信息的版本更新狀態(tài),管控系統(tǒng)再利用文件服務(wù)功能來(lái)得到版本。本文構(gòu)建的IED信息描述方案把版本描述文件分成了2個(gè)不同部分。其中,第一部分是描述管控信息,涉及管控IED信息的各項(xiàng)共性信息,第二部分是對(duì)管控信息的描述內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。記錄實(shí)驗(yàn)室條件下管控系統(tǒng)的IED信息,并對(duì)信息版本在系統(tǒng)庫(kù)中備份。