基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法

侯先棟， 王邦惠， 劉 偉，周 進

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網(wǎng)煙臺供電公司，山東 煙臺 264000)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的運行方式變化十分頻繁。為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、可靠運行，繼電保護裝置的定值需要隨著運行方式的變化進行相應的調(diào)整[1]。由于無人值班變電站的廣泛推廣和自動化運行水平的提高，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)及變電站站內(nèi)網(wǎng)絡，由遠方定值管理模塊查看及修改繼電保護裝置定值的需求日益增加，通過理論研究和現(xiàn)場實踐已經(jīng)形成了3種典型方案[2-14]。目前的典型方案分別通過繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)和遠程虛擬鏈路管理裝置，在各自現(xiàn)有規(guī)約框架內(nèi)基于規(guī)約建模實現(xiàn)，有各自的優(yōu)缺點[15]。保護裝置與主站之間的典型通信架構為分層組織結(jié)構，不同層級使用的通信規(guī)約不同，不同規(guī)約現(xiàn)有定值服務也存在差異，定值模型從繼電保護裝置映射到定值管理模塊需經(jīng)過多層映射處理。

針對現(xiàn)有方案的缺點，本文從模型維護角度出發(fā)，提出一種基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法，簡化定值模型在各通信環(huán)節(jié)的映射工作，降低定值遠方操作系統(tǒng)的復雜度，提高可靠性，實現(xiàn)安全、高效的定值遠方操作效果。

1 繼電保護裝置定值遠方操作典型方案分析

繼電保護裝置定值遠方操作目前有3種典型方案，分別通過繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)和遠程虛擬鏈路管理裝置實現(xiàn)。其中，前兩種方案分別通過嵌入在繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)、EMS系統(tǒng)中的定值管理模塊完成相關功能。通過遠程虛擬鏈路管理裝置實現(xiàn)，首先需要變電站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠方操作，在此基礎上通過KVM over IP技術(即將鍵盤、視頻和鼠標數(shù)據(jù)數(shù)字化，并使用 IP 技術移動鍵盤、視頻和鼠標數(shù)據(jù))搭建集中遠端管理系統(tǒng)，實現(xiàn)主站端遠方操作。

將上述3種方案涉及系統(tǒng)中的定值管理模塊統(tǒng)稱為定值管理客戶端，定值遠方操作系統(tǒng)可以抽象為定值管理客戶端通過網(wǎng)絡與繼電保護裝置通信。前兩種方案存在通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，第三種方案無通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，客戶端無法直接存取裝置定值信息。

繼電保護裝置定值遠方操作目前的做法可以抽象為如圖 1所示。

圖1 繼電保護定值遠方查看/修改典型方案流程Fig.1 Flow of typical schemes of setting remote operation

首先在繼電保護裝置側(cè)進行定值建模，以點表的形式提供給定值管理客戶端，然后在定值管理客戶端側(cè)通過關聯(lián)模型的方式將定值模型映射到定值管理客戶端。定值管理客戶端以所有定值信息點為操作對象，通過召喚或修改實際值服務完成查看和修改操作。

當繼電保護裝置與定值管理客戶端之間存在多級通信轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)時，定值模型從繼電保護裝置映射到定值管理客戶端需經(jīng)過多層映射處理。以通過繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)，站內(nèi)通信規(guī)約使用IEC 61850規(guī)約為例：首先繼電保護裝置建立IEC 61850模型，然后在故障信息子站處由IE 61850模型映射為IEC 60870-5-103模型(以下簡稱為IEC 103模型)，最后在故障信息主站處由IEC 103模型映射為IEC 61970模型[16-18]。

定值模型的多層映射帶來了各通信環(huán)節(jié)映射工作的繁瑣和模型的兼容問題，導致定值遠方操作系統(tǒng)的復雜度增加，可靠性降低。

2 基于文件方式的定值遠程操作方法

由于基于規(guī)約建模的遠方操作方法不可避免的存在上述問題，本文提出一種基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法。

繼電保護裝置定值以文件方式在系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)，定值管理客戶端通過文件方式獲取繼電保護裝置的定值模型，查看及修改繼電保護裝置定值的操作均以文件為操作對象。通過召喚原始定值文件讀取繼電保護裝置定值，通過下發(fā)更新定值文件修改繼電保護裝置定值。其中，召喚和下發(fā)傳輸環(huán)節(jié)采用加密傳輸和防錯校驗。

由于主站與繼電保護裝置之間需要通過站端網(wǎng)關機(遠動機或者保護信息子站，具體設備與通信構架相關)進行轉(zhuǎn)發(fā)通信，文件傳輸需要站端網(wǎng)關機進行轉(zhuǎn)發(fā)。各通信環(huán)節(jié)不具備文件傳輸服務的需要擴展相應的規(guī)約服務。

查看繼電保護裝置定值包括如下步驟：

(1) 定值管理客戶端響應查看定值請求，下發(fā)原始定值文件召喚命令。主站下發(fā)文件召喚命令到站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機轉(zhuǎn)發(fā)給繼電保護裝置。

(2) 繼電保護裝置響應原始定值文件召喚命令形成原始定值文件，通過啟用加密的文件傳輸命令將原始定值文件上送給站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機通過啟用加密的文件傳輸命令將接收到的定值文件轉(zhuǎn)發(fā)給定值管理客戶端。

(3) 繼電保護裝置將校驗碼上送站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機轉(zhuǎn)發(fā)給定值管理客戶端。

(4) 定值管理客戶端完成接收原始定值文件和校驗碼后，按照校驗規(guī)則校驗接收到的原始定值文件。驗證原始定值文件無誤后，通過界面對用戶展示原始定值文件，完成查看定值操作。

修改繼電保護裝置定值包括如下步驟：

(1) 定值管理客戶端以原始定值文件作為定值模板，修改實際值形成更新定值文件，通過啟用加密的文件傳輸命令將更新定值文件下發(fā)給站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機通過啟用加密的文件傳輸命令將接收到的定值文件轉(zhuǎn)發(fā)給繼電保護裝置。

(2) 定值管理客戶端將校驗碼下發(fā)給站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機轉(zhuǎn)發(fā)給繼電保護裝置。

(3) 繼電保護裝置完成接收更新定值文件和校驗碼后，按照校驗規(guī)則校驗接收到的更新定值文件。繼電保護裝置驗證更新定值文件無誤后，等待定值生效命令。

(4) 定值管理客戶端下發(fā)定值文件生效命令給站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機轉(zhuǎn)發(fā)給繼電保護裝置。

(5) 繼電保護裝置響應定值文件生效命令，執(zhí)行更新定值文件。定值更新成功后上送定值更新成功應答幀給站端網(wǎng)關機，站端網(wǎng)關機轉(zhuǎn)發(fā)給定值管理客戶端。

(6) 定值管理客戶端接收定值更新成功應答幀，顯示修改定值成功，完成修改定值操作。

基于文件方式的繼電保護定值查看和修改的流程分別如圖 2、圖 3所示，與現(xiàn)有方案相比，主要有以下方面的差異。

圖2 繼電保護定值遠方查看基于文件方式流程Fig.2 Flow of approach of setting remote browse based on operating files

圖3 繼電保護定值遠方修改基于文件方式流程Fig.3 Flow of approach of setting remote modification based on operating files

(1) 采用基于文件方式的定值操作方法，定值模型與通信規(guī)約無關，僅與定值文件內(nèi)容的組織方式有關。監(jiān)控后臺、保信主站等不同的自動化系統(tǒng)客戶端無需通過ICD(IED capability description, ICD)或者組號條目號的點表方式獲取信息模型，直接通過召喚原始定值文件即可獲取定值模型。各通信環(huán)節(jié)無需模型映射工作，只需要在各通信環(huán)節(jié)支持文件傳輸服務即可。同時，由于各自動化系統(tǒng)從裝置側(cè)獲取的原始定值文件模型信息完全一致，也保證了不同系統(tǒng)中定值模型的一致性。因此，采用基于文件方式的定值操作方法簡化了定值模型在各通信環(huán)節(jié)的映射工作，降低了系統(tǒng)的復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

(2) 讀取和修改繼電保護裝置定值操作采用文件傳輸方式，而不是對定值信息點通過命令方式逐個操作，提高了遠方操作的效率。其中，讀取定值環(huán)節(jié)，裝置上送的原始定值文件應包含所有的定值信息。修改定值環(huán)節(jié)，可以考慮更新定值文件只包含修改的定值條目，減少傳輸內(nèi)容。

(3) 文件傳輸采用防錯校驗，提高了遠方操作的可靠性。

總結(jié)以上差異如表 1所示。

3 定值文件模型

原始定值文件由繼電保護裝置形成并存儲在裝置內(nèi)部，更新定值文件在原始定值文件的基礎上修改形成。原始定值文件和更新定值文件含有繼電保護裝置的定值模型信息，繼電保護裝置側(cè)和定值管理客戶端側(cè)對定值文件的解析規(guī)則一致。

表1 基于文件方式與目前方案的對比
Tab. 1 Comparison between new approach and typical schemes

方案模型處理操作效率可靠性基于文件方式文件自身包含模型信息，不需要額外映射工作文件傳輸一次寫入采用防錯校驗繼電保護及故障信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)根據(jù)通信分層構架，逐級建模逐點操作沒有防錯校驗EMS系統(tǒng)實現(xiàn)根據(jù)通信分層構架，逐級建模逐點操作沒有防錯校驗遠程虛擬鏈路管理裝置實現(xiàn)站內(nèi)根據(jù)通信分層構架，逐級建模；站間不需要建模，但主站無法獲取模型信息逐點操作沒有防錯校驗

定值文件應包含必要的模型信息，包括 “裝置信息”和 “定值組”信息元素?！岸ㄖ到M”信息元素包含“定值條目”信息子元素。

“裝置信息”信息元素包括“裝置型號名稱”、 “裝置版本”、“定值區(qū)號”和 “更新時間”屬性項。“裝置型號名稱”和“裝置版本”作為裝置描述信息，在定值管理客戶端管理界面展示。“定值區(qū)號”顯示定值文件的內(nèi)容是裝置哪個區(qū)的定值內(nèi)容?！案聲r間”顯示定值文件形成的具體時間信息。

“定值組”信息元素包括“定值組描述”和 “是否允許修改”屬性項，以及定值條目子元素?！岸ㄖ到M描述”作為定值分組的信息，在定值管理客戶端管理界面展示?！笆欠裨试S修改”屬性標明了該組定值是否允許被修改。

“定值條目”信息子元素包括“定值條目名稱”、“關聯(lián)關鍵字”、“數(shù)據(jù)類型”、“定值范圍”、“單位”和“實際值”屬性項?！岸ㄖ禇l目名稱”、“數(shù)據(jù)類型”、“定值范圍”和“單位”作為定值條目的基本信息，在定值管理客戶端管理界面展示。同時“定值范圍”又作為約束信息，在定值管理客戶端修改更新定值文件時防止輸入超范圍的整定值。“實際值”在原始定值文件中表明裝置當前定值實際值，在更新定值文件中表明整定定值目標值?！瓣P聯(lián)關鍵字”屬性屬于裝置私有信息，用于定值條目和裝置內(nèi)部存儲信息關聯(lián)。

在定值管理客戶端對原始定值文件修改形成更新定值文件時，僅“定值條目”的“實際值”可修改，其他屬性不可修改。

以可擴展標記語言(extensible markup language，XML)格式的定值文件為例，對定值文件的必要信息元素進行說明。但需要強調(diào)的是定值文件格式不僅限于XML文件，只要繼電保護裝置側(cè)和定值管理客戶端側(cè)協(xié)商一致即可。XML格式的定值文件Schema結(jié)構如圖4所示。

圖4 XML格式定值文件Schema結(jié)構示例Fig.4 Schema structure example of setting file in XML format

Schema結(jié)構圖中信息元素關鍵字對應的元素名稱及含義如表2所示。

表2 定值文件信息元素含義Tab. 2 Implications of informationelement in setting file

4 基于文件方式操作方法的可行性分析

基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法的實施應盡量結(jié)合目前已有典型方案與系統(tǒng)構架統(tǒng)籌考慮。方案具體應用的約束條件如下，部分相關條件現(xiàn)場基本已具備，部分相關條件不滿足的則需要進行改造和約定：

(1) 各通信環(huán)節(jié)的規(guī)約要擴展支持文件的雙向傳輸。目前，保護信息子站與主站之間的傳輸規(guī)約均是以IEC 60870-5-103協(xié)議為基礎擴展而來(以下簡稱保信主子站規(guī)約)，在擴展時均有文件上召和下裝的服務預留，不需要再擴展。遠動裝置與主站之間的IEC 104傳輸規(guī)約已具備文件上召和下裝服務。變電站內(nèi)遵循IEC 60870-5-103的通信規(guī)約(包括采用IEC 60870-5-103應用層模型的基于以太網(wǎng)鏈路的各類網(wǎng)絡103規(guī)約，以下簡稱103規(guī)約)，不具備文件上召和下裝服務，需要擴展通信服務。IEC 61850通信規(guī)約已具備文件上召和下裝服務。詳細情況如表3。

(2) 裝置支持生成原始定值文件和執(zhí)行更新定值文件。

(3) 文件生效命令的約定。

(4) 文件傳輸環(huán)節(jié)加密傳輸、防錯校驗的約定。

(5) 定值文件信息元素、格式和解析規(guī)則的約定。

表3 規(guī)約改造需求Tab. 3 Demand for transformation of protocol

如表 3所示，系統(tǒng)所涉及通信環(huán)節(jié)目前僅站內(nèi)103規(guī)約需要擴展文件上召和下裝服務，為改造提供了實現(xiàn)的可能。需要特別指出的是，在通信規(guī)約具備文件雙向傳輸服務的情況下，站端網(wǎng)關機仍然需要考慮文件轉(zhuǎn)發(fā)等細節(jié)問題，需要做適應性改動。

評估繼電保護裝置是否具備文件相關處理能力，需要考慮硬件本身的處理能力，以及是否有文件系統(tǒng)支撐。國內(nèi)目前新建變電站繼電保護裝置均采用高性能管理插件，基于linux或者vxworks等操作系統(tǒng)，具備形成和解析定值文件的能力，為方案實施提供了必要的軟硬件基礎。已經(jīng)運行的存量繼電保護裝置，大部分具備軟硬件條件，可以通過升級程序支持該功能。少數(shù)沒有文件系統(tǒng)支撐的老裝置，采用以新裝置逐步替換老裝置的方式實現(xiàn)該功能。

文件生效命令應考慮和規(guī)約解耦，采用各通信規(guī)約兼容的方式實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法可以考慮采用裝置虛擬遙控點，當遠方客戶端在完成更新定值文件傳輸后，對該遙控點進行遙控執(zhí)行，以遙控應答報文作為生效命令的應答幀。

文件傳輸環(huán)節(jié)加密傳輸、防錯校驗可以考慮采用已有的SM2(橢圓曲線公鑰密碼算法)、CRC-32-IEEE 802.3(32位循環(huán)冗余校驗算法，采用IEEE 802.3定義的生成多項式)等成熟方案，無需額外開發(fā)。

定值文件信息元素、格式和解析規(guī)則的約定。首先，信息元素的約定應符合應用需求，包含必要的信息元素。其次，格式和解析規(guī)則要考慮通用性和效率，可以考慮使用XML格式或者E格式等目前電力系統(tǒng)中信息文件交互過程中經(jīng)常使用的格式。

5 結(jié)論

在分析了基于規(guī)約建模的遠方操作典型方案基礎上，針對傳統(tǒng)方案的缺點，提出了基于文件方式的繼電保護裝置定值遠方操作方法。該方法直接通過召喚原始定值文件獲取定值模型，簡化了定值模型在各通信環(huán)節(jié)的映射工作。讀取和修改繼電保護裝置定值操作采用文件傳輸方式，而不是對定值信息點通過命令方式逐個操作，提高了遠方操作的效率。文件傳輸采用防錯校驗，提高了遠方操作的可靠性。

采用基于文件方式的遠方操作方法，降低了遠方定值操作系統(tǒng)的復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性，可以實現(xiàn)安全、高效的定值遠方操作效果。同時對該方法實現(xiàn)的細節(jié)進行了簡單的描述和構想，初步證明在目前已有技術條件下該方法的可行性。

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