基于正確性檢查的SCD管理方案

鮑 偉高 翔涂 琦沈 冰宋 杰

（1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2. 上海毅昊自動化有限公司，上海 201204；3. 國家電網(wǎng)公司上海市電力公司，上海 200122）

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基于正確性檢查的SCD管理方案

鮑 偉1高 翔2涂 琦3沈 冰1宋 杰1

（1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2. 上海毅昊自動化有限公司，上海 201204；3. 國家電網(wǎng)公司上海市電力公司，上海 200122）

智能變電站 SCD文件構成了二次系統(tǒng)的核心組成部分，本文探索了基于 SCD正確性檢查的智能變電站SCD管理技術，為有效控制智能變電站二次系統(tǒng)風險提供了可借鑒的技術路徑。

智能變電站；繼電保護；SCD；可視化

自 2009年國家電網(wǎng)公司組織推進智能電網(wǎng)戰(zhàn)略以來，基于IEC 61850標準的智能變電站自動化技術獲得了快速發(fā)展。國家電網(wǎng)公司自2013年起組織開展新一代智能變電站試點，2014年度有六個新一代智能變電站投運，2015年將增加到 50個站。迄今已經(jīng)有3000座以上的智能變電站投入運行，我國已成為智能變電站投運數(shù)量最多的國家[1-2]。

智能變電站有別于常規(guī)站的最大差異在于工程實施基于變電站配置文件 SCD[3]，通過工程配置工具（System Configurator）及 IED配置工具（IED Configurator），完成二次系統(tǒng)信號關聯(lián)的配置。由此，SCD構成了智能變電站的核心要素。然而，在實際工程應用中 SCD文件的應用和管理出現(xiàn)了諸多問題和困難，由此增加了智能變電站二次系統(tǒng)運行風險。

本文通過分析SCD的特征，實際工程SCD應用狀況，探索有效的 SCD管理模式，以便為基于SCD的智能變電站工程應用提供可靠的技術支撐。

1　智能變電站工程實踐分析

1.1二次系統(tǒng)基于SCD展開

作為智能變電站的核心要素SCD文件描述了：①變電站一次設備模型與電氣拓撲信息；②功能視圖：自動化功能在各間隔內的分配；③IED視圖：IED能力描述；④通信視圖：通信配置信息；⑤產(chǎn)品視圖：IED視圖中的LN與功能視圖中的LN的映射；⑥數(shù)據(jù)流：IED之間的水平通信與垂直通信，如圖1所示[4]。

圖1　SCD信息示意圖

由此可見，對于SCD的應用構成了智能變電站運行維護的關鍵。

1.2SCD工程應用存在的主要問題

SCD文件基于IEC 61850標準體系，IEC 61850體系極為龐大，架構設計上又極其靈活，如變壓器模型 PowerTransformer對象可以建在 Substation、VoltageLevel或Bay對象下面[5]，如圖2所示。

圖2　SCD文件中一次設備模型

這樣，對于實現(xiàn)互操作就需要有滿足工程實例化需求的細節(jié)要求。國家電網(wǎng)公司2008年起開始組織編寫《IEC 61850工程繼電保護應用模型》[6]，從繼電保護專業(yè)領域規(guī)范了 IED相關模型的應用要求，滿足了“互操作”要求。因此，對于IEC 61850標準的實例化要求是推進智能變電站“互操作”及互換性的關鍵環(huán)節(jié)。

1.3現(xiàn)階段SCD管理模式

現(xiàn)階段作為智能變電站二次系統(tǒng)的承載體SCD，與以往常規(guī)綜自系統(tǒng)的二次回路圖有很差異。工程初期基本由集成商“代管”，沒有建立規(guī)范的管理機制和體系。

由此，國網(wǎng)系統(tǒng)組織編寫了“智能變電站配置文件管理規(guī)定”，及企業(yè)標準《智能變電站配置文件運行管理系統(tǒng)技術規(guī)范》，以期從管理規(guī)范、流程上控制智能變電站運行風險。

2　SCD工程應用難點分析

2.1耦合度高、直觀性差[7]

IEC 61850標準支持用信息流描述變電站一次拓撲關系，一、二次設備關聯(lián)關系、數(shù)據(jù)通信關系，涵蓋繼電保護二次功能回路信息，自動化聯(lián)閉鎖信息等。光纜代替電纜，“數(shù)據(jù)包”代替了硬接線聯(lián)接，以往常規(guī)端子排為界面的管理邊界不復存在。工程實施一般是多個專業(yè)一起調試，有可能發(fā)生某專業(yè)因配置需要修改SCD文件，造成其它專業(yè)二次聯(lián)接關系異常。

作為智能變電站二次系統(tǒng)載體 SCD文件通過XML格式描述智能變電站二次系統(tǒng)之間的聯(lián)接關系，其展現(xiàn)模式與常規(guī)綜自保護二次回路圖形態(tài)上差異很大，專業(yè)人員很難直觀上依據(jù)保護專業(yè)技術領域知識把握SCD文件的核心要素。

2.2工程設計與現(xiàn)場實施一致性困難

在變電站整個生命周期過程中，SCD是核心環(huán)節(jié)，即工程設計、現(xiàn)場配置、檢修操作、運維測試、事故分析等均應基于SCD展開。嚴格意義上講，每個不同的環(huán)節(jié)均以SCD作為工作依據(jù)，即實現(xiàn)“設計、配置、運行”一體化[8]。然而，目前并沒有建立基于流程的 SCD應用機制，設計產(chǎn)出物依舊是CAD圖紙，網(wǎng)絡結構圖、設計光纜清冊等嚴重依賴于集成商，缺乏設計過程的獨立性，設計過程的產(chǎn)出物不是SCD。由集成商根據(jù)設計單位提供的資料形成SCD。這樣，工程設計的產(chǎn)出物與現(xiàn)場配置的輸入要求是隔離的。尤其，現(xiàn)場施工過程中經(jīng)常修改SCD，這種修改結果并不反饋給設計單位，出現(xiàn)了工程實施過程中的管理“真空”地帶。由此，無法實現(xiàn)設計要求與施工結果的一致性，對于日后變電站二次系統(tǒng)的運行維護帶來了安全隱患。

2.3二次系統(tǒng)可維護性差

IEC 61850標準體系強調通信邏輯聯(lián)系，弱化物理通信介質和網(wǎng)絡設備描述。由于現(xiàn)階段SCD文件中模型不完整，如沒有SSD、缺乏一、二次關聯(lián)模型、沒有過程層交換機模型等，無法實現(xiàn)基于物理對象的信息描述。不能建立通信物理連接與邏輯鏈路映射，及鏈路與功能回路映射。

現(xiàn)階段整個二次系統(tǒng)呈現(xiàn)為“黑匣子”特征，無法建立基于物理維護對象的模型描述機制。給現(xiàn)場運行、檢修及故障判別帶來極大困難。運行風險增加，已經(jīng)出現(xiàn)了因運行檢修人員無法準確判斷信號，造成甘肅330kV永登變全停等事件。

3　SCD管理模式分析

3.1基于責任主體管理模式

“智能變電站配置文件管理規(guī)定”，主要從全過程管理的視角，明確各個責任主體在SCD管理過程中的要求。提出 SCD管理包含：系統(tǒng)配置文件（SCD）、IED能力描述文件（ICD）、IED實例配置描述文件（CID）、IED回路實例配置文件（CCD）、過程層交換機配置文件等。提出“源端修改，過程受控”的原則，智能變電站裝置應采用具有相應資質的檢測機構發(fā)布的ICD文件。明確相關設計、制造、安裝調試、建設管理、運行維護、調控等單位和部門相關職責。以期保證SCD文件的正確性、完整性以及與現(xiàn)場的一致性。這個規(guī)定基本上側重于管理機制，并不能從技術上解決第2部分提出的問題。

3.2基于流程化管理機制

“智能變電站配置文件運行管理系統(tǒng)技術規(guī)范”提出了基于流程管控SCD的思路。基本上是從文檔管理的思路提出SCD管理要求，如體現(xiàn)權限管理的“簽入/簽出”要求；體現(xiàn)版本管理的配置一致性、CRC要求；體現(xiàn)語義語法規(guī)范性管理的 SCD合法性要求；體現(xiàn)流程化管理的過程控制要求等。這對于規(guī)范SCD應用具有積極作用，但仍然沒有解決第2部分所提出的關鍵問題。

3.3SCD管理需解決的關鍵問題

綜上所述，SCD管理需要解決以下關鍵問題。

1）模型的完整描述機制

IEC 61850標準的核心思想是面向對象建模，如圖3所示。

圖3　面向對象的建模

現(xiàn)階段SCD文件模型的不完整，遠沒有實現(xiàn)基于“源端數(shù)據(jù)維護”的應用，技術方案基本是將IEC 61850標準作為通信規(guī)約來處理，等同于完成了103效果的變電站二次系統(tǒng)。因此，對于SCD的管理首先需要從模型完整性入手，否則，無法支撐基于完整模型的信息應用。

2）基于業(yè)務特征的可視化

基于 SCD的智能變電站實現(xiàn)方案并沒有改變變電站業(yè)務特征，卻使變電站二次系統(tǒng)呈現(xiàn)為“黑匣子”。由此，需要在SCD模型完整性基礎上，基于圖模映射技術，實現(xiàn)基于業(yè)務的可視化展示，在業(yè)務層面屏蔽IEC 61850標準的復雜性。使得一線技術人員仍然能夠依據(jù)所掌握的專業(yè)技能，進行智能變電站的運行維護。

3）二次回路的正確性檢查

需要注意SCD僅僅是二次系統(tǒng)的功能載體，業(yè)務管理的對象應該是二次功能回路。因此，對于SCD的管理重點應該是二次系統(tǒng)功能回路的正確性檢查，而不僅僅停留在文檔管理的層面。如通過具有可視化功能的在線監(jiān)測裝置，驗證現(xiàn)場配置的正確性等。唯有這樣，才有可能實現(xiàn)SCD管理的最終目標，確保二次系統(tǒng)功能的正確性。

4　SCD檢查技術方案

4.1基于通用設計規(guī)則的檢查

變電站二次系統(tǒng)設計有規(guī)范的設計要求，如“變電站通用設計規(guī)范”等，這些規(guī)范規(guī)定了二次系統(tǒng)的配置原則，結合變電站一次典型接線方式，可以大體確定SCD所包含的二次虛回路的聯(lián)接要求，并可構成二次系統(tǒng)檢查的規(guī)則庫。

結合變電站過程層組網(wǎng)方案，檢查的內容包括：①IED之間的功能回路連接，驗證基本的功能回路是否完整；②功能回路的網(wǎng)絡路由，驗證是否存在網(wǎng)絡寄生回路；③二次虛回路組網(wǎng)方案的“直采直跳”或“直采網(wǎng)跳”，是否符合規(guī)范要求等。

4.2基于功能的回路檢查

IEC 61850標準定義的邏輯節(jié)點 LN（Logical Node）本身并不實現(xiàn)功能，但LN可以讓與功能實現(xiàn)相關的輸入、輸出、定值、參數(shù)等在通信上是可見的，即邏輯節(jié)點使得：①“功能”的所有輸入和定值都是可控、可設置的；②“功能”的所有輸出都是可測量的，如圖4所示。

圖4　邏輯接點示意圖

因此，對于二次系統(tǒng)功能回路的檢查可以通過逐層遞進方式，間隔、裝置、功能進行正確性檢查。

結合二次系統(tǒng)檢查規(guī)則庫，基于功能的回路正確性檢查可涵蓋下列內容。

1）功能回路邏輯閉環(huán)的完整性：以線路保護為例，完整的邏輯閉環(huán)包括模擬量和開關量采樣、保護跳閘動作出口等回路。

2）具體回路連接的正確性：根據(jù)SCD文件中配置的二次虛回路的模型和描述等信息提取回路的類型特征，與規(guī)則庫進行匹配和比較，檢查回路連接是否完整和正確。

4.3基于通信描述機制的檢查

IEC 61850標準對于IED之間的信息關聯(lián)通過GOOSE描述，因此，需要針對SCD的特征，結合數(shù)據(jù)集、APPID、Mac地址等通信要素，進行正確性及規(guī)范性檢查。

檢查的內容包括：①GOOSE和SMV控制塊的地址配置是否一一對應，是否存在地址沖突；②APPID、Mac地址格式和范圍是否符合規(guī)范；③IP地址的分配是否合理以及是否存在沖突。

5　上海地區(qū)SCD管理應用分析

5.1SCD管理平臺方案

方案采用在上海電科院搭建服務器平臺，實現(xiàn)上海地區(qū)SCD的統(tǒng)一管理，要求設計產(chǎn)出物為SCD文件，實現(xiàn)嚴格的 SCD簽入/簽出制度，現(xiàn)場配置的SCD與設計結果SCD進行一致性比對，由此實現(xiàn)SCD的閉環(huán)管理。

以變電站為單位建立SCD管理機制，實現(xiàn)對于變電站所有歷史SCD文件管理。

1）對每個版本的 SCD文件進行檢查，并將檢查的結果以可視化的方式展示。

2）每次導入新的 SCD文件，比較它與之前版本的SCD文件的差異并可視化展示，如圖6所示。

圖5　SCD檢查結果可視化展示

圖6　SCD版本管理示意圖

5.2以保護裝置為核心管理

SCD管理以保護裝置為核心展開，SCD文件的差異重點關注IED的變化及其對功能的影響：如①新增、刪除的IED；②IED的CRC碼的變化，如圖7所示；③IED所對應的ICD的變化及功能的變化，④IED站控層和過程層通信參數(shù)的變化，以及參數(shù)變化對其他IED的影響，如圖8所示；⑤IED中二次虛回路連接的變化；⑥ED中定值、軟壓板等的變化；⑦IED中保護事件數(shù)據(jù)集的變化，以及其他MMS數(shù)據(jù)集的變化，如圖9所示。

圖7　SCD變化范疇示意圖

圖8　通信參數(shù)變化示意圖

圖9　二次聯(lián)接變化示意圖

SCD和IED的變化內容通過可視化的方式直觀地展示，并通過所檢測到的變化內容提示哪些 IED需要重新下裝配置、哪些IED需要重新進行保護試驗。

5.3效用分析

具有 SCD正確性檢查功能的管理平臺應用規(guī)范了上海地區(qū)智能變電站SCD文件管理，由于平臺具有SCD正確性檢查功能，較之于“智能變電站配置文件運行管理系統(tǒng)技術規(guī)范”的方案可確保進入管理平臺SCD文件的正確性。由此，可以大大弱化建設過程對于SCD版本遞交的管理要求，極大地提高管理效率。

6　結論

本文針對智能變電站SCD應用現(xiàn)狀，及不同管理模式的特點。闡述了SCD管理的核心要素，分析了SCD管理的關鍵要素。提出了上海地區(qū)SCD管理平臺方案，對于有效實現(xiàn)SCD管理提出了可借鑒的模式。

[1] 張沛超, 高翔. 智能變電站[J]. 電氣技術, 2010(8): 4-10.

[2] 高翔. 智能變電站技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

[3] 胡道徐, 沃建棟. 基于IEC 61850的智能變電站虛回路體系[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010(17): 78-82.

[4] 高翔. 智能變電站應用技術探討[J]. 供用電, 2014(2): 54-59.

[5] IEC 61850. Communication networks and systems in substations[S]. 2009.

[6] DW 1396—2012. IEC 61850工程繼電保護應用模型[S]. 北京: 2012.

[7] 張沛超, 姜健寧, 楊漪俊, 等. 智能變電站配置信息的全生命周期管理[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014(10): 85-89, 131.

[8] 高翔, 楊漪俊, 姜健寧, 等. 基于 SCD的二次回路監(jiān)測主要技術方案介紹與分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014(15): 149-154.

[9] 楊毅, 高翔, 朱海兵, 等. 智能變電站 SCD應用模型實例化研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015(22): 107-113.

[10] 國調中心調繼〔2014〕80號文. 繼電保護設備在線監(jiān)視與分析提升方案.

[11] Q/GDW 11361—2014. 智能變電站二次設備在線監(jiān)視和智能診斷技術規(guī)范[S].

The Development of SCD Management Method based on Correct Checking

Bao Wei1Gao Xiang2Tu Qi3Shen Bing1Song Jie1
(1. Electrical Science Research Institute of Shanghai Municipal Power Company of State Grid, Shanghai 200437; 2. Shanghai Yihao Automation Co., Ltd, Shanghai 201204；3. State Grid Corporation of Shanghai Municipal Electric Power Company, shanghai 200122)

SCD consists of key components of secondary circuits in a smart substation, this paper develops the management technology of SCD based on correct checking, and proposes possible technical scheme for a risk management of secondary circuit in a smart substation.

smart substation; relay; SCD; visualization

鮑 偉（1969-），男，高級工程師，研究方向為繼電保護。