智能變電站配置文件自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法研究

顏宏文，洪峰

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司常德分公司，湖南常德415000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004)

智能變電站配置文件自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法研究

顏宏文1，洪峰2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司常德分公司，湖南常德415000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004)

在國家電網(wǎng)公司已有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出按智能變電站屬性分類，整理并固化內(nèi)在的二次電氣量連接關(guān)系。通過對軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)，開展虛端子自動(dòng)提取、虛回路自動(dòng)連接和通訊信息自動(dòng)劃分等關(guān)鍵工作，實(shí)現(xiàn)配置文件的自動(dòng)化配置。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠，可顯著提高智能變電站的設(shè)計(jì)效率。

智能變電站；配置文件；動(dòng)態(tài)識別；分配策略；自動(dòng)化配置

近年來，智能變電站已經(jīng)大規(guī)模投運(yùn)，在堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)中發(fā)揮著骨干作用。作為變電站全生命周期的重要和關(guān)鍵階段，如何在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)合理、高效地實(shí)現(xiàn)全站配置文件的自動(dòng)化配置已成為亟需解決的問題。目前，設(shè)計(jì)單位在實(shí)際工作開展中主要表現(xiàn)為:1)缺乏集成工具，設(shè)計(jì)深度不滿足，不能出具配置文件；2)采用部分設(shè)備商工具進(jìn)行集成，使用不便捷，效率低下。針對上述問題，有必要設(shè)計(jì)開發(fā)一套從設(shè)計(jì)人員使用角度出發(fā)，方便易用的自動(dòng)化配置方案。方案依托現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過變電站基本屬性配置完成二次設(shè)備自動(dòng)創(chuàng)建；結(jié)合相應(yīng)的電氣量傳遞關(guān)系，自動(dòng)完成虛端子提取、識別和連接工作。同時(shí)，二次設(shè)備關(guān)鍵通訊參數(shù) (IP/MAC/VLAN)基于規(guī)則自動(dòng)分配。將設(shè)計(jì)結(jié)果按照IEC61850技術(shù)體系和國家電網(wǎng)公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)集成為智能變電站配置文件 (SCD文件)，可有效解決當(dāng)前設(shè)計(jì)效率低下，設(shè)計(jì)水平參差不起的問題，具備很好的借鑒和推廣價(jià)值。

1 自動(dòng)化配置方案簡介

由于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、二次設(shè)備與一次設(shè)備的連接方式與傳統(tǒng)變電站均發(fā)生了較大變化。智能變電站在功能邏輯上采用分層、開放布局，分為站控層、間隔層和過程層。其二次系統(tǒng)功能邏輯和信息傳遞絕大部分依賴IEC61850和光纜實(shí)現(xiàn)，通過各類配置文件 (SCD，CID，ICD)完成各類裝置和系統(tǒng)信息交互。其中SCD文件作為變電站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，包含一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息、間隔屬性和配置、裝置屬性和配置和通信配置屬性等。由此可見，二次系統(tǒng)設(shè)備的虛擬回路連接和參數(shù)配置已成為智能變電站二次設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。通過對已頒布的設(shè)計(jì)規(guī)范的梳理，整理不同電壓等級下典型設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的詳細(xì)信息，歸納二次設(shè)備虛端子信息檢索及提取規(guī)則，提煉二次設(shè)備之間電氣量傳遞內(nèi)容和關(guān)系，形成虛回路自動(dòng)連接方法，總結(jié)通訊參數(shù)自動(dòng)分配原則，從而實(shí)現(xiàn)智能變電站配置文件自動(dòng)化配置。

2 自動(dòng)化配置方案實(shí)現(xiàn)

2.1 自動(dòng)化配置方案體系結(jié)構(gòu)

本配置方案采用分層分布式設(shè)計(jì)原則，其核心是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)方案。利用該方案，設(shè)計(jì)時(shí)可即時(shí)、便捷的提取二次設(shè)備基本信息，通過內(nèi)置規(guī)則自動(dòng)化完成對應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，如集成配置文件、輸出虛回路表、光纜清冊等。方案共包含4層，從下往上分別為:硬件層、操作系統(tǒng)層、通用中間件層 (支撐平臺)和應(yīng)用軟件層，如圖1所示。

圖1 方案體系結(jié)構(gòu)

2.2 體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)面向設(shè)計(jì)人員開發(fā)，視角準(zhǔn)確。應(yīng)用層設(shè)計(jì)充分考慮實(shí)際設(shè)計(jì)工作需求，將業(yè)務(wù)邏輯和日常應(yīng)用按需設(shè)置，具備較高的易用性。同時(shí)支持按照用戶實(shí)際，在客戶端定制化部署不同的應(yīng)用，減少了對服務(wù)器的壓力。

2)分布式的支撐平臺。通過分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)多客戶端同時(shí)間斷面的數(shù)據(jù)和任務(wù)管理，便于高電壓等級變電站設(shè)計(jì)的并行開展。

3)跨平臺應(yīng)用。通過對主流操作系統(tǒng)的支持，可實(shí)現(xiàn)最廣泛的服務(wù)支持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在不同操作系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的銜接和替換，便于用戶跨平臺應(yīng)用。

4)安全穩(wěn)定性。采用組件化思路的應(yīng)用設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)配置時(shí)不需要考慮非常高配置的服務(wù)器，符合當(dāng)前設(shè)計(jì)單位現(xiàn)狀。方案采用主備、雙網(wǎng)等冗余配置，以保證系統(tǒng)安全可靠。

2.3 自動(dòng)化配置實(shí)現(xiàn)流程

智能變電站配置文件自動(dòng)化配置的技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程

步驟一:根據(jù)各電壓等級下典型設(shè)計(jì)方案，梳理出各設(shè)計(jì)方案對應(yīng)的一次系統(tǒng)主接線形式，二次設(shè)備的種類和數(shù)量，固化進(jìn)入方案。

步驟二:根據(jù)設(shè)備之間的電氣連接關(guān)系，梳理二次設(shè)備之間的信息流內(nèi)容和走向，固化進(jìn)入方案。

步驟三:歸納IED能力描述文件中虛端子檢索及提取規(guī)則。

步驟四:梳理二次設(shè)備之間虛端子的連接規(guī)則，固化進(jìn)入方案，但保留人工修改入口。

步驟五:實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過選擇一次參數(shù)，通過步驟一可實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備種類和數(shù)量的自動(dòng)設(shè)計(jì)。

步驟六:設(shè)計(jì)人員將待設(shè)計(jì)變電站實(shí)際裝置的ICD文件導(dǎo)入至系統(tǒng)中。

步驟七:步驟六完成后，基于步驟二，三固化的內(nèi)容，系統(tǒng)索引實(shí)際ICD文件中

步驟八:虛端子的各類信息，實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備之間虛端子的自動(dòng)化連接。同時(shí)保留人工連接虛端子的界面。

步驟九:步驟八完成后，通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊參數(shù)的自動(dòng)分配。

步驟十:上述步驟完成后，完成全站配置文件的自動(dòng)化集成。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)闡述

2.4.1 ICD文件虛端子提取技術(shù)

解析IED能力描述文件，按照智能裝置IED，訪問點(diǎn)AccessPoint，服務(wù)器server，邏輯設(shè)備LD，邏輯節(jié)點(diǎn)LN的順序逐層展開，將輸入虛端子映射為數(shù)據(jù)庫中已定義的InSignal模型類，輸出端子映射為輸出信號OutSignal模型類。同時(shí)將外部信號引用ExtRef映射為數(shù)據(jù)庫中已定義Link模型類，描述的是從某IED的輸出虛端子到另一IED的輸入虛端子的通信關(guān)系 (即虛回路)。

考慮到后續(xù)環(huán)節(jié)需要，展示時(shí)將ICD模型文件中的信息元素及關(guān)鍵字符進(jìn)行標(biāo)注 (數(shù)據(jù)引用、中文描述、信號類型等)，為下一階段虛回路的自動(dòng)連接提供可檢索和判別的關(guān)鍵依據(jù)。虛端子提取流程如圖3所示。

圖3 虛端子提取流程

2.4.2 二次設(shè)備電氣量傳遞描述技術(shù)

在智能變電站中，不論是過程層與間隔層之間的數(shù)據(jù)交互，還是間隔層與站控層之間的數(shù)據(jù)交互，電氣量傳遞內(nèi)容和關(guān)系均具有明確的來源及去向，信息流向傳輸?shù)穆窂酱_定，信息流與實(shí)體物理設(shè)備存在一一對應(yīng)的關(guān)系。

通過已經(jīng)生成的二次設(shè)備配置及二次設(shè)備之間確定的電氣量流向路徑，通過對間隔、設(shè)備模型的建立，關(guān)聯(lián)模型之間數(shù)據(jù)的交互形成電氣量流向數(shù)據(jù)通道，自動(dòng)生成典型方案的電氣量流向圖。生成的電氣量流向圖包含單間隔內(nèi)的電氣量流向圖、多間隔間電氣量流向圖、整個(gè)典型方案的電氣量流向圖。所提取的電氣量流向規(guī)則展示如下:同間隔內(nèi)過程層設(shè)備向間隔層設(shè)備上送SV采樣信息；同間隔內(nèi)過程層設(shè)備向間隔層設(shè)備上送GOOSE狀態(tài)信息；同間隔內(nèi)間隔層設(shè)備向過程層設(shè)備下送GOOSE跳閘信息；同間隔內(nèi)間隔層設(shè)備向過程層設(shè)備下送GOOSE遙控信息；多間隔向公共間隔上送采樣信息；公共間隔向多間隔下送跳閘信息。

2.4.3 虛回路連接識別技術(shù)

結(jié)合確定的電氣量傳遞內(nèi)容和關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)虛回路的程序化設(shè)計(jì)。以750 kV智能變電站線路間隔為例，通過對設(shè)備代碼、回路號和虛端子名稱三個(gè)標(biāo)識的聯(lián)合鎖定，實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)與線路合并單元的虛回路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)已經(jīng)形成的電氣量流量圖中標(biāo)示的數(shù)據(jù)流向確定兩端二次設(shè)備的輸入端與輸出端，分類確定SV或者GOOSE信號，同時(shí)兼具不同類型信號相連接的禁止功能，即GOOSE信號只能與GOOSE信號自動(dòng)連接，SV信號只能與SV信號自動(dòng)連接。

根據(jù)流量圖包含的信息及信號類型信息確定設(shè)備的虛端子路徑的LN及DO屬性，自動(dòng)尋找對側(cè)裝置相匹配的LN及DO屬性，另根據(jù)關(guān)鍵字符的篩選，自動(dòng)完成典型方案虛回路的設(shè)計(jì)；同時(shí)考慮到部分信號的特殊性，保留人工配置界面完成虛回路配置的適當(dāng)調(diào)整。

2.4.4 通信自動(dòng)化配置

通信自動(dòng)化配置主要包括三方面內(nèi)容:IP地址自動(dòng)配置；組播MAC地址自動(dòng)配置；Vlan劃分。

1)IP地址自動(dòng)配置。IP地址分配可以根據(jù)需要選擇B類預(yù)留地址 (172.16.?.?——172.31.?.?)或C類預(yù)留地址 (192.168.?.?)，按照國內(nèi)工程實(shí)踐習(xí)慣，采用B類地址作為預(yù)留地址。在子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0的前提下，根據(jù)子網(wǎng)掩碼可以推算，IP地址中的第二段 (16－31)區(qū)分了不同的子網(wǎng)。IP地址的劃分過程通過子網(wǎng)開始，要保證接入同一子網(wǎng)的網(wǎng)口分配屬于同一網(wǎng)絡(luò)段的IP地址 (即IP地址第二段相同的地址)。由子網(wǎng)找到與其相關(guān)聯(lián)的所有的網(wǎng)口，分配連續(xù)的IP地址。

對于雙網(wǎng)獨(dú)立IP地址的分配，雙重化的網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)、B網(wǎng)分屬不同的網(wǎng)段，即不同的子網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)號分別是192.168.0.0和193.168.0.0。對于同一個(gè)裝置的兩個(gè)端口的冗余方案，采用網(wǎng)段不同，低位IP地址相同的分配方式，以智能裝置1為例，兩個(gè)端口的 IP地址 192.168.0.1，193.168.0.1，低位IP地址相同，如圖4所示。

圖4 裝置雙網(wǎng)配置示意

2)組播MAC地址自動(dòng)配置。IEC 61850中明確定義了采樣值傳輸 (SV)模型和通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?(GOOSE)模型應(yīng)用于這兩種報(bào)文的建模，并提供了相關(guān)的抽象通信服務(wù)。參照IEC 61850-8-1中建議的多播地址范圍，見表1。

表1 地址范圍表

系統(tǒng)中多播地址按照裝置的控制塊進(jìn)行劃分，每個(gè)控制塊對應(yīng)一個(gè)多播地址。

3)Vlan劃分。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中各種服務(wù)類型的報(bào)文均使用多播MAC地址。交換機(jī)在缺省的情況下會(huì)將多播報(bào)文全網(wǎng)廣播，這雖然能保證報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，也能保證報(bào)文能夠送達(dá)目的裝置，但也造成裝置收到大量與自身無關(guān)的報(bào)文，特別是網(wǎng)絡(luò)中有采樣報(bào)文時(shí)，往往會(huì)造成裝置CPU過載。需要多播報(bào)文過濾，即從大量的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中接收需要的報(bào)文，丟棄不需要的報(bào)文。目前常用的多播報(bào)文技術(shù)是虛擬局域網(wǎng) (VLAN)、GMRP，而變電站多采用基于交換機(jī)端口VLAN劃分技術(shù)，如圖5所示。

圖5 交換機(jī)VLAN劃分

3 自動(dòng)化配置實(shí)際應(yīng)用效果

基于本方案開發(fā)的設(shè)計(jì)軟件自投入使用后，取得良好的效果。以典型220 kV變電站和110 kV變電站二次部分配置文件設(shè)計(jì)為例，采用前后的對比見表2。

表2 自動(dòng)化配置前后工時(shí)對比

方案實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化集成智能變電站系統(tǒng)配置文件 (SCD)，將設(shè)計(jì)人員從繁瑣的拼接、對應(yīng)和校對的重復(fù)性工作中釋放出來，顯著提高工作效率。設(shè)計(jì)成品可直接供給智能設(shè)備廠家導(dǎo)入智能設(shè)備，使設(shè)計(jì)深度達(dá)到可全面指導(dǎo)智能變電站二次設(shè)備的安裝調(diào)試，改變了目前由于設(shè)計(jì)深度不足導(dǎo)致的邊調(diào)試邊修改的現(xiàn)狀，理順了前后環(huán)節(jié)的配合關(guān)系，縮短建設(shè)工期，便于建設(shè)、運(yùn)維工作的開展，實(shí)現(xiàn)“最大化工廠工作量，最小化現(xiàn)場工作量”。

4 結(jié)論

智能變電站配置文件自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法具有如下優(yōu)勢:

1)基于國家電網(wǎng)公司變電站設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化智能裝置開展虛回路設(shè)計(jì)和配置文件集成，有利于逐步引導(dǎo)各廠家智能裝置虛端子定義貼近國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2)可脫離實(shí)際的智能裝置，實(shí)現(xiàn)變電站整體虛回路預(yù)定制。

3)避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，有利于保證智能變電站配置文件的準(zhǔn)確性和完整性。

4)設(shè)計(jì)工作更加主動(dòng)，有利于提高智能變電站設(shè)計(jì)效率，大大減輕設(shè)計(jì)工作量。

該方法已在不同電壓等級多個(gè)智能變電站開展實(shí)際設(shè)計(jì)，均取得了良好的實(shí)際效果。

〔1〕曹楠，李剛，王冬青.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方式的探討 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(5):63-68.

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Research on Automatic Design Method of Configuration Files for Smart Substation

YAN Hongwen1，HONG Feng2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changde Power Supply Company， Changde 415000， China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation， Changsha 410004， China)

Based on the standard of state Grid corporation，this paper presents attributing the intelligent substation，sorting and curing the internal secondary electrical quantity connection relationship.Through the development of software，automatic extraction of virtual terminals， automatic connection of virtual loop， automatic division of communication information and other critical works， it achieves the configuration file automation configuration.This design of system is practical， stable and reliable.And it can significantly improve the design effectiveness of the configuration files for smart substation.

smart substation； configuration file； dynamic identification； allocation strategy； automation configuration

TM76

B

1008-0198(2017)05-0060-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.05.015

2017-07-27 改回日期:2017-08-21

洪峰(1984)，男，博士，工程師，從事電氣工程管理、電力系統(tǒng)自動(dòng)化分析工作。

吳小忠(1974)，男，碩士，高級工程師，從事電氣工程管理工作。