智能變電站數(shù)據(jù)源端維護(hù)技術(shù)方案探討

祁 忠 ，篤 峻 ，王開宇

(1.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110006)

目前，智能電網(wǎng)是我國電網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢，已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略的高度，智能變電站是這一戰(zhàn)略的重要一環(huán)。變電站實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)二次裝置和一次設(shè)備屬性、能力及行為的統(tǒng)一描述，這樣才能使不同智能電氣設(shè)備之間的信息共享和互操作成為可能，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化變電站。IEC 61850為全站數(shù)據(jù)提供了完整的建模規(guī)范，它規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、屬性及行為。采用IEC 61850實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模使數(shù)據(jù)源端維護(hù)成為可能。目前，大量的數(shù)字化變電站都采用IEC 61850統(tǒng)一描述全站數(shù)據(jù)模型，為數(shù)據(jù)源端維護(hù)技術(shù)的發(fā)展奠定了工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)源端維護(hù)的概念

國家電網(wǎng)公司制定的 《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中對數(shù)據(jù)源端維護(hù)做了如下描述：變電站作為調(diào)度/集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的源端，應(yīng)提供各種可自描述的配置參量，維護(hù)時(shí)僅需在變電站利用統(tǒng)一配置工具進(jìn)行配置，生成標(biāo)準(zhǔn)配置文件，包括變電站主接線圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞葏?shù)及數(shù)據(jù)模型。變電站監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度/集控系統(tǒng)可自動獲得變電站的標(biāo)準(zhǔn)配置文件，并自動導(dǎo)入到自身系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。源端維護(hù)中的“源端”是指在變電站端統(tǒng)一配置和維護(hù)數(shù)據(jù)。源端維護(hù)的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、接線圖等。源端維護(hù)的目標(biāo)是調(diào)度/集控系統(tǒng)可以直接導(dǎo)入和使用變電站端維護(hù)的數(shù)據(jù)模型。源端維護(hù)的意義在于數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一在變電站端進(jìn)行配置和維護(hù)，調(diào)度/集控端不需要重復(fù)建立數(shù)據(jù)模型，而是導(dǎo)入源端數(shù)據(jù)模型直接使用，這樣減少了調(diào)度/集控端的維護(hù)工作量，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度/集控端數(shù)據(jù)免維護(hù)。更重要的是，保證了變電站端與調(diào)度/集控端數(shù)據(jù)模型的一致性，消除因兩端數(shù)據(jù)模型不一致對系統(tǒng)運(yùn)行帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2 數(shù)據(jù)源端維護(hù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，隨著數(shù)字化變電站的普及和推廣，IEC 61850規(guī)范被廣泛應(yīng)用于變電站的數(shù)據(jù)建模和維護(hù)，利用符合IEC 61850-6標(biāo)準(zhǔn)的變電站配置工具可以生成變電站標(biāo)準(zhǔn)配置文件——SCD文件。SCD文件不僅描述了變電站二次裝置的測點(diǎn)信息、通信配置、動作行為等信息，還描述了變電站一次設(shè)備的數(shù)據(jù)模型以及一次設(shè)備與二次裝置之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。SCD文件所包含的豐富的模型和配置信息能夠很好地滿足數(shù)據(jù)源端維護(hù)的需要，更為變電站內(nèi)各類應(yīng)用系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持[1-3]。但在調(diào)度端如何利用變電站形成的這些數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)模型拼接及數(shù)據(jù)免維護(hù)是值得探討的問題。

首先，調(diào)度與變電站的業(yè)務(wù)特點(diǎn)有所不同，變電站關(guān)注的是裝置-測點(diǎn)信息，一般按照裝置-測點(diǎn)來建模，如IEC 61850模型；調(diào)度則更加關(guān)注一次設(shè)備狀態(tài)信息，一般按照一次設(shè)備來建模，如IEC 61970模型。上述差異導(dǎo)致要實(shí)現(xiàn)變電站端與調(diào)度端的數(shù)據(jù)模型的無縫拼接還存在難度。其次，變電站端與調(diào)度端之間通過遠(yuǎn)動規(guī)約進(jìn)行通信，如目前廣泛應(yīng)用的IEC 101/104規(guī)約，變電站端按點(diǎn)表發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)度端則按點(diǎn)表一一對應(yīng)接收數(shù)據(jù)，通信模型與站內(nèi)數(shù)據(jù)模型不一致，需要遠(yuǎn)動機(jī)來實(shí)現(xiàn)2種模型的轉(zhuǎn)換，存在大量的工程配置和調(diào)試對點(diǎn)的工作，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)調(diào)度端數(shù)據(jù)免維護(hù)的目標(biāo)。上述工程應(yīng)用現(xiàn)狀決定了需要探索出一套在變電站端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源端維護(hù)，而在調(diào)度端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的技術(shù)方案，否則將影響和制約智能變電站技術(shù)的發(fā)展。

3 2種技術(shù)方案

要實(shí)現(xiàn)變電站端與調(diào)度端的數(shù)據(jù)模型的無縫拼接，無非存在2種思路，一是將變電站端數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成調(diào)度端數(shù)據(jù)模型IEC 61970，另一則是將調(diào)度端數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成變電站端數(shù)據(jù)模型IEC 61850。

3.1 基于IEC 61970的技術(shù)方案

在變電站端將61850模型轉(zhuǎn)換成61970模型，具體就是利用變電站配置工具將SCD文件轉(zhuǎn)換生成CIM XML格式的文件，將該文件上傳至調(diào)度端。調(diào)度端導(dǎo)入該文件后可直接生成關(guān)于該變電站的數(shù)據(jù)模型。變電站端與調(diào)度端之間的通信仍然采用傳統(tǒng)的IEC 101/104規(guī)約。該方案基于現(xiàn)有的技術(shù)條件實(shí)現(xiàn)，較為簡單。首先，61850模型中關(guān)于一次設(shè)備模型的描述與61970模型中的相關(guān)描述基本一致，就一次設(shè)備模型來說61850完全可以無縫轉(zhuǎn)換到61970。其次，遠(yuǎn)動規(guī)約保持不變，仍然采用被廣泛認(rèn)可的IEC 101/104規(guī)約，現(xiàn)有變電站內(nèi)遠(yuǎn)動機(jī)及調(diào)度端前置機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)都不需要進(jìn)行大的改變，這也是廣大EMS系統(tǒng)廠家推崇該方案的原因。另外，模型轉(zhuǎn)換工作分散到各個(gè)變電站工程中進(jìn)行，模型維護(hù)的工作量與保證模型一致性的責(zé)任也由變電站自動化系統(tǒng)集成商及變電站用戶來承擔(dān)，所以調(diào)度用戶也樂意接受該方案。

但是該方案存在明顯的缺陷。首先，常規(guī)的IEC 101/104規(guī)約只能上送數(shù)據(jù)，不能上送模型，沒有模型的支持，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自描述，需要手工配置變電站端數(shù)據(jù)上送與調(diào)度端數(shù)據(jù)接收之間的對應(yīng)關(guān)系，兩端還需要相互配合進(jìn)行實(shí)際的傳動試驗(yàn)以驗(yàn)證數(shù)據(jù)配置的正確性。對于不同的調(diào)度端，需要多次配置多次傳動，工程實(shí)施和維護(hù)的工作量巨大，無法實(shí)現(xiàn)調(diào)度端數(shù)據(jù)免維護(hù)的目標(biāo)。其次，IEC 61970的CIM模型以描述電網(wǎng)一次設(shè)備為主，基本沒有涉及保護(hù)功能、故障錄波、在線監(jiān)測等智能二次裝置的建模信息，也沒有電網(wǎng)一次設(shè)備與智能二次裝置之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的相關(guān)描述。對于傳統(tǒng)的調(diào)度端EMS系統(tǒng)業(yè)務(wù)來說，CIM模型簡單實(shí)用，能夠滿足常規(guī)的業(yè)務(wù)需求。但是，隨著智能調(diào)度電網(wǎng)二次一體化技術(shù)的發(fā)展，調(diào)度端EMS系統(tǒng)越來越強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)集成。典型的應(yīng)用如要求保護(hù)信息系統(tǒng)與EMS系統(tǒng)一體化，EMS系統(tǒng)可以利用保護(hù)裝置動作信息和故障錄波文件來對一次開關(guān)跳閘進(jìn)行智能化的分析與推理，給出該次電網(wǎng)故障發(fā)生的原因、過程及處理方案，沒有二次裝置數(shù)據(jù)模型的支持，僅僅依靠CIM模型可能就不能滿足未來智能調(diào)度的發(fā)展需要了。

3.2 基于IEC 61850的技術(shù)方案

變電站端直接將描述全站61850模型的SCD文件上送至調(diào)度端，調(diào)度端導(dǎo)入該文件轉(zhuǎn)換成61970模型形成關(guān)于該變電站的數(shù)據(jù)模型。變電站端與調(diào)度端之間的通信采用IEC 61850規(guī)范。該方案最大的優(yōu)勢是調(diào)度端能夠充分利用變電站SCD文件所包含的豐富信息，包括變電站二次裝置的數(shù)據(jù)模型、一次設(shè)備的數(shù)據(jù)模型以及兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。隨著IEC 61850規(guī)范將來在狀態(tài)監(jiān)測、風(fēng)機(jī)控制、水利發(fā)電等領(lǐng)域的不斷擴(kuò)充及發(fā)展，豐富的數(shù)據(jù)模型為調(diào)度EMS系統(tǒng)擴(kuò)展新的高級應(yīng)用奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。遠(yuǎn)動規(guī)約也采用IEC 61850規(guī)約，使得通信模型與站內(nèi)數(shù)據(jù)模型保持一致，避免了模型轉(zhuǎn)換、二次配置、傳動試驗(yàn)等一系列的工程實(shí)施與維護(hù)問題，較完美地實(shí)現(xiàn)了調(diào)度端數(shù)據(jù)免維護(hù)的目標(biāo)[4]。

該方案也存在以下問題。相對于基于IEC 61970的技術(shù)方案，模型維護(hù)和轉(zhuǎn)換的工作放在了調(diào)度端進(jìn)行，對于一個(gè)包含很多變電站的較大規(guī)模的調(diào)度中心來說，每個(gè)變電站的工程實(shí)施和維護(hù)都會帶來數(shù)據(jù)模型的變化，調(diào)度端也需要作相應(yīng)的改變和調(diào)整，其模型維護(hù)的工作量無疑是巨大的，這是調(diào)度用戶無法接受的。更為重要的是，對于調(diào)度端業(yè)務(wù)來說，IEC 61850過于詳盡地描述了變電站的數(shù)據(jù)模型，最為典型的是SCD文件包含了各個(gè)電壓等級的完整的數(shù)據(jù)，而不同級別的調(diào)度中心所關(guān)心的內(nèi)容又是不一樣的，如市調(diào)關(guān)心的是110 kV及以下電壓等級的數(shù)據(jù)，省調(diào)關(guān)心的是220 kV電壓等級的數(shù)據(jù)，而網(wǎng)調(diào)可能只關(guān)心500 kV電壓等級的數(shù)據(jù)。如果把描述全站模型的SCD文件整個(gè)上傳至各級調(diào)度中心，要求他們從各個(gè)電壓等級的海量數(shù)據(jù)中挑選出自己所需要的數(shù)據(jù)，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。同樣，在通信環(huán)節(jié)，如果把全站各個(gè)電壓等級的數(shù)據(jù)全部上傳至各級調(diào)度中心，在當(dāng)前普遍采用2 M帶寬的通信條件下，顯然也是不現(xiàn)實(shí)的。另外，相比較IEC 101/104規(guī)約，IEC 61850作為通信規(guī)約沒有優(yōu)先級的控制，數(shù)據(jù)不劃分一級數(shù)據(jù)和二級數(shù)據(jù)，不能保證重要數(shù)據(jù)快速傳輸，如正在周期上送大量遙測數(shù)據(jù)的同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)開關(guān)變位信息，那么很可能因?yàn)橥ㄓ崕捲蚨荒芸焖偕纤椭琳{(diào)度[5]。

針對上述變電站上送的SCD文件大而全的問題，可以通過變電站配置工具將SCD文件按照不同級別調(diào)度中心所需信息內(nèi)容進(jìn)行提取，如針對網(wǎng)調(diào)，可以輸入“500 kV”或者調(diào)度編號等關(guān)鍵字將XXX站.scd文件內(nèi)容進(jìn)行過濾和篩選，篩選出網(wǎng)調(diào)所需要的500 kV電壓等級的相關(guān)信息，形成諸如XXX站_500 kV.scd形式的SCD文件上傳至網(wǎng)調(diào)用于數(shù)據(jù)建模。在通信環(huán)節(jié)上，要求遠(yuǎn)動機(jī)更加智能化，遠(yuǎn)動機(jī)對上不再是僅實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)的通信網(wǎng)關(guān)機(jī)，而是承擔(dān)數(shù)據(jù)篩選與重組的服務(wù)器，對下將采集到的智能裝置的數(shù)據(jù)根據(jù)不同級別調(diào)度中心所需信息內(nèi)容的不同，重新經(jīng)過過濾、篩選、分組，形成新的上送數(shù)據(jù)集[6]。如分為500 kV數(shù)據(jù)集、220 kV數(shù)據(jù)集及10 kV數(shù)據(jù)集等，或者分為網(wǎng)調(diào)數(shù)據(jù)集、省調(diào)數(shù)據(jù)集、市調(diào)數(shù)據(jù)集等，向不同級別調(diào)度中心發(fā)送。針對61850沒有優(yōu)先級控制的問題，目前還沒有完美的解決方案，可能的解決思路可以考慮修改目前MMS所提供服務(wù)的機(jī)制，目標(biāo)是可以打斷正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)插入優(yōu)先級更高的數(shù)據(jù)。

另外，是否可以考慮通過增加通信鏈路的質(zhì)量控制或者分通道傳輸來解決，將重要的開關(guān)變位等信息與大量的遙測周期上送等信息分開傳輸，從而保證重要信息的時(shí)效性。這些解決思路都需要通過研發(fā)實(shí)踐來進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

綜上所述，結(jié)合目前數(shù)字化變電站的工程應(yīng)用實(shí)踐，針對目前變電站數(shù)據(jù)源端維護(hù)存在的問題，詳細(xì)介紹了2種數(shù)據(jù)源端維護(hù)的技術(shù)方案及相關(guān)細(xì)節(jié)，比較與分析了各種方案的利弊，給出了每種方案的適用條件?？紤]到目前調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的通信條件，基于IEC 61970的技術(shù)方案被廣大用戶和廠商所接受。而基于IEC 61850的技術(shù)方案也正在被越來越多地應(yīng)用于保護(hù)信息系統(tǒng)主子站的建設(shè)，如浙江金華500 kV芝堰變，紹興110 kV大侶變等。關(guān)于變電站與調(diào)度之間61850通信的國際標(biāo)準(zhǔn)也正在制定中。隨著變電站與調(diào)度之間通信技術(shù)條件的不斷改善，隨著智能變電站及智能調(diào)度二次一體化信息系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，基于IEC 61850的技術(shù)方案應(yīng)該是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。

[1]IEC 61850-7-2.Communication Networks and Systems in Substations Part 7-2:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Abstract Communication Service Interface(ACSI)[S].2003.

[2]IEC 61850-7-3.Communication Networks and Systems in Substations Part 7-3:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Common Data Classes[S].2003.

[3]IEC 61850-7-4.Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Compatible Logic Node Classes and Dataclasses[S].2003.

[4]張 結(jié).應(yīng)用IEC 61850實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品互操作性的思考[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(3)：90-94.

[5]IEC 61850-8-1.Communication Networks and Systems in Substations Part 8-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Mappings to MMS(ISO 9506-1 and ISO 9506-2)and to ISO/IEC 8802-3[S].2004.

[6]易永輝，曹一家，郭創(chuàng)新，等.基于XML Schema技術(shù)的IEC 61850通用網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(2)：60-63.