基于CIM/E語言的穩(wěn)定控制離線策略文件自動生成和工程應用

忽浩然，張孜銘，湯偉，李雪明

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司調度控制中心，安徽合肥 230022；2.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇南京 211106）

隨著電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置在電網(wǎng)中的大量應用，穩(wěn)控裝置已成為電網(wǎng)安全運行不可或缺的重要設備。為了便于對大量穩(wěn)控裝置的運行管理，各網(wǎng)省公司都建設了與（energy management system，EMS）系統(tǒng)一體化的穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)（stabilitycontrol centralized management system，SCMS）功能，初步實現(xiàn)了對穩(wěn)控裝置運行狀態(tài)的遠方監(jiān)視、裝置定值的定時比對、動作報告的實時上傳等功能，提升了對穩(wěn)控裝置的運行管理水平[1-2]。隨著應用的進一步深入，在D5000等EMS系統(tǒng)高級應用中，逐步開展了對穩(wěn)控當值控制策略的在線實時校核和預警功能的開發(fā)工作[3-4]，通過實時的對當前電網(wǎng)運行方式下穩(wěn)控策略進行實時分析和評估，對提高穩(wěn)控裝置的當值控制策略對電網(wǎng)的適應性、及時發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定裝置控制量的不足具有重要意義[5-6]。

EMS系統(tǒng)對安控策略的在線分析和評估，依賴于穩(wěn)控裝置的離線策略。目前，穩(wěn)控裝置的離線策略庫普遍采用手動維護的方式進行，即先在EMS中根據(jù)穩(wěn)控裝置的全部控制策略，手動生成包含控制策略表格式描述和定值描述的CIM/E格式離線策略描述文件。EMS中在線實時校核和預警軟件，再根據(jù)此描述文件和當前電網(wǎng)的運行方式對穩(wěn)控裝置的當值運行控制策略進行校核和分析。這種方法對及時發(fā)現(xiàn)穩(wěn)控裝置當值策略的不足起到了十分重要的作用。但同時也存在2個問題：第一，由于穩(wěn)控裝置的控制策略是根據(jù)當前電網(wǎng)運行方式進行定制化研制的，一旦電網(wǎng)運行方式發(fā)生變化，導致穩(wěn)控裝置的邏輯程序被修改后，需要手動更新EMS系統(tǒng)中對應的裝置離線策略文件；第二，隨著電網(wǎng)運行方式或季節(jié)的變化，一旦調整穩(wěn)控裝置內控制策略表中的定值，就需要手動更新EMS系統(tǒng)中對應的裝置離線策略文件。當穩(wěn)控系統(tǒng)的裝置數(shù)量較少時，手工維護足以滿足需求。但當穩(wěn)控系統(tǒng)中的裝置數(shù)量級達到上百套時（如跨區(qū)電網(wǎng)的系統(tǒng)保護），一旦進行升級改造，手動維護控制策略的工作量巨大。此外，由于CIM/E格式的離線策略文件的手動生成需要極其專業(yè)的工程技術人員才能完成，對技術人員的業(yè)務水平要求較高，手動維護容易出錯。因此，在穩(wěn)控裝置上實現(xiàn)離線策略文件的源端自動生成維護，再通過調度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行實時上傳到EMS系統(tǒng)，有著迫切的需求。這樣不僅能提高維護的效率，有效防止文件出錯，還可以提高整個穩(wěn)控系統(tǒng)離線控制策略文件的實時性和可維護性。

1 離線策略描述

1臺穩(wěn)控裝置完整的離線策略包含多條相關或無關的離線策略條目[7-9]，每條離線策略可簡化為3個部分描述：當前狀態(tài)、觸發(fā)條件和輸出結果。

當前狀態(tài)包括裝置自己采集計算或利用遠方通信收集的電氣量、開入信號。觸發(fā)條件包括電氣量變化、開入信號變化、故障事件發(fā)生、狀態(tài)持續(xù)時間等。輸出結果則包括切負荷、切機組、直流調制以及向站間通道發(fā)送命令報文等[10-14]。

通過表格可以將同類或關聯(lián)性較強的離線策略條目組織在1張表格中形成一個離線策略組，對裝置的離線策略進行清晰的描述。表1—表3分別列舉了常見切機切負荷策略表示例。

表1 基于組態(tài)的低頻減載離線策略表Tab.1 Low-frequency load-reducing offline scheme based on configuration

表2 基于斷面的過載切負荷離線策略表Tab.2 Overload load-reducing offline scheme based on power section

表3 基于故障的的切機策略表Tab.3 Generator cutting off offline scheme based on faults

在對穩(wěn)控裝置離線策略進行設計時，與離線策略相關的當前狀態(tài)和輸出結果的數(shù)量是有限多的，兩者組合后受觸發(fā)條件約束、具備工程實際意義的離線策略數(shù)量也是有限多的。這使得利用機器識別代替人工識別、并生成機器可以理解的離線穩(wěn)控策略文件具備了理論上的可行性。

由于離線策略相關的當前狀態(tài)、觸發(fā)條件和輸出結果的描述，都具備可被機器識別的關鍵詞特征。因此利用程序對這3類信息進行機器識別，再根據(jù)程序內設定的規(guī)則，在沒有人工干預的情況下，輸出可供機器理解的離線策略描述文件在工程實施上也是可行的。

“源端維護，全局共享”是進行智能電網(wǎng)統(tǒng)一信息建模的重要原則[15]。依據(jù)這一原則，在生成穩(wěn)定控制離線策略文件時，利用軟件程序在裝置側按照IEC 61970-301定義的通用管理信息模型（common information model，CIM）生成穩(wěn)定控制離線策略文件。IEC 61970-552 CIM XMLModel Exchange Format（簡稱CIM/XML）是國際標準，電力系統(tǒng)的大多數(shù)應用都是基于CIM/XML進行離線模型交換的。電網(wǎng)通用模型描述規(guī)范（CIM/E）是國家標準，且于2011年10月獲國際電工委員會（IEC）新國際標準立項[16]。CIM/E在智能調度技術支持系統(tǒng)研發(fā)過程中制定模型交換格式，主要用于在線模型交換[17]。穩(wěn)控裝置的離線策略也采用CIM/E語言來進行描述，便于統(tǒng)一和標準化，有利于多個決策輔助系統(tǒng)間的信息共享[18]。

CIM/E是一種標記語言格式，具有標記語言的基本特點和優(yōu)點，其所形成的實例數(shù)據(jù)是一種標記化的純文本數(shù)據(jù)[19]?；贑IM/E格式，通過少量的幾個標記符號和描述語法，就可以簡潔高效地描述離線策略包含的各種簡單和復雜的數(shù)據(jù)模型。而且數(shù)據(jù)量越大，效率越高，同時更符合人們使用的自然習慣，計算機處理也更簡單[20]。

圖1給出了一段根據(jù)CIM/E模型建立的離線策略的模型文件示例。建模時，采用了縱表式結構，簡潔高效的描述了穩(wěn)控裝置的當值離線策略。

一個離線策略描述文件需要至少包含裝置狀態(tài)、判斷條件、控制措施3列信息。每行描述一條完整的離線策略，至少包含狀態(tài)、條件、控制措施3類信息。這3類信息可以是裝置的原始信息，也可以由多條原始信息的按邏輯關系組成，通過“＜”（小于）、“&&”（邏輯與）等邏輯符號相連。

圖1 CIM/E格式的離線策略文件片段Fig.1 A block of CIM/E based offline stability control scheme

綜上，通過用E語言描述的離線策略文件可以方便的將穩(wěn)控裝置復雜的離線策略轉化為一條條供程序使用和識別的程序描述語言。

2 離線策略文件自動生成的軟件架構

穩(wěn)控裝置中離線策略文件的實時自動生成，在軟件邏輯上可分為3大模塊，即裝置元數(shù)據(jù)采集、離線策略組數(shù)據(jù)生成、CIM/E模型文件發(fā)布，三者關系如圖2所示。

2.1 裝置元數(shù)據(jù)采集

軟件首先通過各類通信接口和通信協(xié)議，將穩(wěn)控裝置的遙測、遙信、定值等信息收集至內存數(shù)據(jù)庫中，完成裝置元數(shù)據(jù)的采集。與裝置間的通信可以采用現(xiàn)有IEC61850、IEC60870-103/104等標準規(guī)約或從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫獲取。

獲得數(shù)據(jù)后，需要將這些原始數(shù)據(jù)暫存?zhèn)溆??？紤]到轉換所需的數(shù)據(jù)不需要保存歷史庫，同時為了適應嵌入式平臺的內存和硬件架構，提高讀寫訪問速度，沒有選用常見的磁盤數(shù)據(jù)庫，而是搭建了內存數(shù)據(jù)庫。

當緩存的數(shù)據(jù)發(fā)生變化并觸發(fā)離線策略模型的更新條件后，立即對當前緩存的數(shù)據(jù)進行封包，生成快照，并發(fā)送至下一個模塊進行識別和處理。

圖2 離線策略文件的生成流程Fig.2 Offline stability control scheme generating process

2.2 離線策略組的生成

當離線策略分析模塊收到數(shù)據(jù)庫發(fā)來的處理請求后，需要對接收到的數(shù)據(jù)快照進行解析。

程序采取了基于字符串匹配和基于統(tǒng)計相結合的分詞算法[21]，首先根據(jù)檢測到的策略關鍵字，建立裝置可能包含的離線策略列表。其次針對功能列表中的每一條實際功能，可以根據(jù)元件名和信息中的關鍵字的相關性進行歸類。將與功能強相關的遙測和遙信歸類到該條離線策略的當前狀態(tài)；將與功能強相關的變位、事件和定值歸類到觸發(fā)條件；將與措施類報文歸類到輸出結果。在內存庫中建立起描述一條離線策略功能所需要的全部信息關系圖。最后結合程序中配置的特定策略下的狀態(tài)之間的邏輯關系，組合形成離線策略文件策略描述中結合了狀態(tài)和觸發(fā)條件的策略判斷條件。結合裝置送出的標志位，修改每條策略的狀態(tài)。遍歷所有數(shù)據(jù)后，完成離線策略組的數(shù)據(jù)生成。

2.3 CIM/E模型文件發(fā)布

當所有的離線策略組生成完畢后，軟件最后一個模塊按照CIM/E格式將離線策略條目逐條寫入文件，并向與其有連接的主站發(fā)布。

在實際測試中，程序從檢測到穩(wěn)控裝置的數(shù)據(jù)變化，到重新生成新的離線策略文件，其整組周期不超過1 s。因此離線策略文件反應裝置實際狀態(tài)的實時程度，更多的取決于從穩(wěn)控裝置獲取遙測、遙信等數(shù)據(jù)的周期的長短，以及向穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)上送該離線策略文件所消耗的時間。

3 工程應用

3.1 工程背景

安徽在運的穩(wěn)控裝置與安徽省調的原有的SCMS3000穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)以基于IEC-60870-5-103的網(wǎng)絡103規(guī)約進行通信，并把有關數(shù)據(jù)發(fā)送給在生產(chǎn)管理3區(qū)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定及控制限額實時監(jiān)視和運行管理系統(tǒng)，他們之間存在緊密的聯(lián)系，已經(jīng)一直穩(wěn)定運行多年。為了在安徽省調EMS系統(tǒng)上實現(xiàn)對當值安控系統(tǒng)的控制策略實現(xiàn)在線校核和評估及預警功能，并能對CIM/E格式穩(wěn)控離線策略文件進行源端自動維護和自動更新，需要對原有的系統(tǒng)進行升級改造。

為了不影響現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)3區(qū)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定及控制限額實時監(jiān)視和運行管理系統(tǒng)運行，減少直接切換至新穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)運行可能帶來的不確定性，項目設計階段就提出了將穩(wěn)控裝置同時接入新舊2套系統(tǒng)，現(xiàn)有的各項業(yè)務可以平滑切換至基于D5000的新穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)，同時針對在運穩(wěn)控裝置不支持實時上送離線策略文件的實際情況，提出了在不修改其運行程序的情況下，通過新增加通信規(guī)約轉換設備使之具備生成、并向新穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)上送離線策略文件功能的需求，同時也不影響原有系統(tǒng)的功能，如圖3所示。

圖3 經(jīng)轉換裝置與雙套EMS系統(tǒng)通信圖Fig.3 Communication diagram to dual EMS via protocol converter

3.2 實施方法

為了應對實際應用中的需求，不改動在運穩(wěn)控設備的程序，設計并開發(fā)了一套基于嵌入式平臺的規(guī)約轉換裝置SCS-591。該轉換裝置安裝在廠站端，能夠以2種不同的規(guī)約同時向新舊2套穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)上送遙測、遙信數(shù)據(jù)。

圖4 至原EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig.4 Dataflow of the former EMS system

圖4顯示了與原穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)通信時的數(shù)據(jù)流。規(guī)約轉換器在收到穩(wěn)控裝置和集中管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包時直接轉發(fā)，不做任何處理。

圖5顯示了與新穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)通信時的數(shù)據(jù)流。規(guī)約轉換器除了完成不同規(guī)約下數(shù)據(jù)的解析、轉換和轉發(fā)外，同時按照已配置定時或按照數(shù)據(jù)變位對離線策略E文件進行更新并上送，保證EMS系統(tǒng)中的在線分析和評估軟件使用的裝置當值離線策略始終為最新，提高了實時性和可靠性。

圖5 經(jīng)規(guī)約轉換器至新EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig.5 Dataflow via protocol converter to the new EMS system

規(guī)約轉換裝置安裝在廠站端，可以最大程度地降低由于通信的延時導致的離線策略文件生成的滯后。并且該設備在接入調度數(shù)據(jù)網(wǎng)時，可以直接使用已經(jīng)開通的IP和端口，無需重新分配，不額外占用調度數(shù)據(jù)網(wǎng)的IP資源，最大程度地減小了從舊穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)向新穩(wěn)控集中管理系統(tǒng)遷移及整合過程中，系統(tǒng)遷移和整合操作對在運穩(wěn)控裝置和在運集中管理系統(tǒng)的影響。

4 結語

對穩(wěn)控系統(tǒng)的離線策略進行在線校核是提高在運穩(wěn)控系統(tǒng)當值策略可靠運行的有效手段，該功能的正確預警依賴于穩(wěn)控裝置提供的CIM/E格式的離線策略文件。通過在裝置側利用程序生成CIM/E格式的離線策略文件，大大減小了人工編輯離線策略文件的滯后性，可以更加及時準確地反映穩(wěn)控裝置的實際狀態(tài)，使在線校核和預警軟件能夠更好地為調度運行提供決策支持。在站端部署規(guī)約轉換裝置，可以減少數(shù)據(jù)采集中的延時，減少離線策略文件生成的滯后，實現(xiàn)源端自動維護和上送，提高了穩(wěn)控策略校核的實時性，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行風險，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

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