智能變電站IEC 61850 Ed 2.0工程配置應(yīng)用方案

李 金, 胡 榮, 王麗華, 王志華

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市 510530; 2. 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司, 北京市 100085)

0 引言

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在變電站的工程應(yīng)用已有十多年歷史,標(biāo)準(zhǔn)所具備的信息自描述、互操作友好、模型信息豐富等優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮了巨大作用。

目前IEC 61850在工程中廣泛應(yīng)用的版本是第1版(Ed 1.0),由于Ed 1.0在系統(tǒng)集成配置過程中存在一定的局限性,配置效率較低[1]。隨著智能變電站的大量實(shí)踐,系統(tǒng)集成配置工作的要求越來越高,提升工程配置效率的需求也愈加緊迫,國(guó)內(nèi)正積極開展相關(guān)研究。在管理上,加強(qiáng)模型的標(biāo)準(zhǔn)化和模型檢測(cè)工作,從源頭避免現(xiàn)場(chǎng)智能電子設(shè)備(IED)模型頻繁變化;在技術(shù)上,采取模型重載,例如文獻(xiàn)[2]提出了變電站配置語言(SCL)文件差異化比較方法:基于文件比對(duì)識(shí)別變化部分。文獻(xiàn)[3]提出了二次系統(tǒng)全過程管控平臺(tái)的技術(shù)方案,文獻(xiàn)[4]對(duì)比分析了當(dāng)前變電站采用的各種基于變電站配置描述(SCD)的二次回路監(jiān)測(cè)方案,文獻(xiàn)[5]中介紹了智能變電站設(shè)計(jì)配置一體化技術(shù)方案。綜合上述文獻(xiàn)提出的各種改進(jìn)措施,目前IEC 61850工程集成配置效率較早期已有很大程度的提升,但與工程的實(shí)際需求仍有差距。

IEC 61850 第2版(Ed 2.0)對(duì)系統(tǒng)集成的配置過程進(jìn)行了重大改進(jìn),提出了分項(xiàng)目管理的方法,新增了實(shí)例化IED描述(IID)文件和系統(tǒng)交換描述(SED)文件,加強(qiáng)了對(duì)配置工具的約束[6-7]。目前國(guó)內(nèi)外IEC 61850 Ed 2.0的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比較匱乏,有必要深入探討IEC 61850 Ed 2.0新增技術(shù)方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用 。

本文結(jié)合IEC 61850 Ed 2.0的配置過程,以及智能變電站的工程需求,提出了基于IEC 61850 Ed 2.0系統(tǒng)集成的配置過程應(yīng)用方案。

1 IEC 61850 Ed 2.0的工程配置過程

1.1 工程配置過程改進(jìn)分析

如圖1所示,IEC 61850 Ed 2.0中提出的工程配置過程簡(jiǎn)化為5個(gè)主要環(huán)節(jié):①系統(tǒng)配置工具導(dǎo)入IED配置工具導(dǎo)出的智能電子設(shè)備性能描述(ICD)文件;②系統(tǒng)配置工具集成系統(tǒng)規(guī)范描述(SSD)文件,實(shí)例化配置生成SCD文件;③IED配置工具基于此版本SCD文件,生成本IED實(shí)例化IED實(shí)例配置(CID)文件;④IED實(shí)例化模型更改以IID文件提交系統(tǒng)配置工具,系統(tǒng)配置工具依據(jù)IID文件完成實(shí)例化模型重新導(dǎo)入并升級(jí)配置;⑤SCD文件重新配置后,系統(tǒng)配置工具導(dǎo)出只包含更改IED的SCD文件提交給相關(guān)的IED配置工具,完成實(shí)例化模型更改。

IEC 61850 Ed 1.0中,系統(tǒng)集成的配置調(diào)試過程由步驟①②③循環(huán)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)。IEC 61850 Ed 2.0中,首次集成配置時(shí)執(zhí)行步驟①②③,實(shí)例化模型更改由步驟④⑤循環(huán)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)。

IEC 61850 Ed 1.0配置過程中,實(shí)例化模型更改后,系統(tǒng)配置工具導(dǎo)入新版ICD文件,通常采用SCL比對(duì)的方法,識(shí)別出變更內(nèi)容并進(jìn)一步確定對(duì)系統(tǒng)的影響范圍[2]。SCL比對(duì)后只需要把新版SCD發(fā)布給受影響的IED,重新導(dǎo)出CID,在工程聯(lián)調(diào)結(jié)束后再將最終版的SCD文件發(fā)布給所有IED,以保證IED運(yùn)行的CID與SCD版本一致。SCL比對(duì)方法很大程度提高了工程配置效率,但仍存在以下不足:①IED模型更改后需提交ICD文件,ICD文件中IEDName是TEMPLATE,需手動(dòng)輸入實(shí)例化IEDName來確定待替換的目標(biāo)IED,容易引入人為錯(cuò)誤;②ICD文件中已實(shí)例化的配置信息全部丟失。

圖1 IEC 61850 Ed 2.0的工程配置過程Fig.1 Configuration process based on IEC 61850 Ed 2

在IEC 61850 Ed 2.0配置過程中,實(shí)例化IED模型更改采用IID文件,IID文件中保留全部實(shí)例化信息,并且更改內(nèi)容的波及范圍明確,可以克服SCL比對(duì)方法的不足,有效提升系統(tǒng)集成配置效率。

1.2 工程配置過程改進(jìn)應(yīng)用方案

IID實(shí)例化模型更改不能影響其他IED的數(shù)據(jù)流通信,這一點(diǎn)由配置工具來保證。本文基于IID文件和SCL文件比對(duì)兩種方法,提出圖2所示的工程應(yīng)用配置過程。

圖2 SCD配置過程改進(jìn)Fig.2 Improvement of SCD configuration process

SCD配置過程包括3個(gè)步驟:①第一次配置時(shí),基于項(xiàng)目(全站)ICD文件進(jìn)行系統(tǒng)集成配置,生成項(xiàng)目(全站)SCD并提供給所有IED用于導(dǎo)出實(shí)例化模型文件CID。②完成實(shí)例化配置后,如果某個(gè)IED的實(shí)例化模型文件需要更改且更改內(nèi)容不影響與其他IED數(shù)據(jù)流通信時(shí),更改后的模型采用IID文件提交給系統(tǒng)配置工具,系統(tǒng)配置工具直接采用IID文件與原SCD中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行SCL文件比對(duì),以圖形的方式展示給工程配置人員進(jìn)行二次確認(rèn)。此過程因IID中的實(shí)例化信息未丟失,可避免實(shí)例化信息的重復(fù)配置。此情況下導(dǎo)出的SCD只需包含更改波及的IED。③如果某個(gè)IED模型需要更改且更改內(nèi)容影響到了與其他IED數(shù)據(jù)流通信,例如刪除了其他IED的引用數(shù)據(jù),需通過SCL比對(duì)方法,導(dǎo)出包含所有受影響IED的SCD文件,并發(fā)給相關(guān)的IED配置工具。

步驟②適用于現(xiàn)階段工程實(shí)踐中遇到的模型更改場(chǎng)景,IID文件的使用可有效提升工程配置效率。步驟③所述的情況在工程上較少遇到。

2 IEC 61850 Ed 2.0配置工具

2.1 Ed 2.0配置工具的約束

IEC 61850工程配置過程很大程度上依賴于配置工具,配置工具的行為可以影響到IED的互操作性和工程配置效率[6]。IEC 61850 Ed 2.0對(duì)配置工具功能進(jìn)行了擴(kuò)展,同時(shí)對(duì)配置工具的作用范圍進(jìn)行強(qiáng)化約束,可避免系統(tǒng)集成配置過程中由配置工具引入模型一致性問題。

IEC 61850 Ed 2.0中規(guī)定了IED配置工具和系統(tǒng)配置工具的必備功能和可選功能。配置工具通過SCL實(shí)現(xiàn)一致性聲明(SICS)文件聲明所支持的功能。IEC 61850 Ed 2.0中對(duì)工具功能要求很多是可選功能,為了在工程實(shí)施中發(fā)揮出IEC 61850 Ed 2.0的技術(shù)優(yōu)勢(shì),工程實(shí)踐中應(yīng)要求配置工具必須支持IEC 61850 Ed 2.0定義的6類模型文件以及語法規(guī)則中的新增內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)配置工具

在IEC 61850 Ed 2.0的系統(tǒng)配置過程中,系統(tǒng)配置工具負(fù)責(zé)全站集成配置,包括IED實(shí)例化配置、設(shè)備間數(shù)據(jù)流配置、全站通信參數(shù)配置、一次設(shè)備配置以及系統(tǒng)集成配置。擴(kuò)展功能包括對(duì)IID和SED文件的支持,作用范圍需遵守的主要約束如下。

1)系統(tǒng)配置工具不允許增加和刪除IED模型中的邏輯設(shè)備(LD)、邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)。

2)如果系統(tǒng)配置工具修改了配置值和參數(shù)值,應(yīng)體現(xiàn)在paramRev和valRev中。

2.3 IED配置工具

IED配置工具負(fù)責(zé)IED模型文件配置,包括生成ICD文件和CID文件。擴(kuò)展功能包括對(duì)IID文件的支持,作用范圍需遵守的主要約束[7]如下。

1)CID中的實(shí)例化信息應(yīng)與SCD文件保持一致,IED配置工具不允許直接修改SCD文件。

2)IID文件可更改的內(nèi)容包括:在模型中增加LD、LN、數(shù)據(jù)對(duì)象(DO);刪除沒有被引用或未與其他IED關(guān)聯(lián)的LD、LN、DO;增加數(shù)據(jù)集和控制塊。更改內(nèi)容應(yīng)在IID文件的LLN0.NamPlt.configRev中體現(xiàn)出變化,當(dāng)FC=CF的配置參數(shù)變化應(yīng)體現(xiàn)在valRev中,當(dāng)FC=SP或FC=SE的參數(shù)變化應(yīng)體現(xiàn)在paramRev中。

3)IED配置工具不允許修改實(shí)例化模型中影響其他IED數(shù)據(jù)流通信的內(nèi)容,不允許刪除被其他IED引用的對(duì)象。

3 分項(xiàng)目管理方法

3.1 分項(xiàng)目劃分策略

IEC 61850 Ed 1.0系統(tǒng)集成的配置過程,采用一個(gè)SCD文件管理系統(tǒng)中的全部信息,造成SCD文件龐大,模型復(fù)雜不易管理且容易衍生其他問題[8-9]。

IEC 61850 Ed 2.0提出把一個(gè)實(shí)際工程的二次系統(tǒng)劃分成若干項(xiàng)目進(jìn)行管理的方法,每個(gè)項(xiàng)目用一個(gè)獨(dú)立的SCD文件描述。比如智能變電站二次系統(tǒng)中的高壓部分、中壓部分和變壓器相關(guān)部分都可以劃分為一個(gè)獨(dú)立的責(zé)任區(qū)域,該區(qū)域所包含的全部IED稱為一個(gè)項(xiàng)目(project)。合理地采用分項(xiàng)目管理方法可以減小SCD規(guī)模和IED間的關(guān)聯(lián)性,從而提高集成配置的效率。當(dāng)所有項(xiàng)目完成最終配置后,再集成為系統(tǒng)SCD文件。

圖3以一個(gè)典型的采用常規(guī)采樣和通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)跳閘的智能變電站配置為例,分析了站內(nèi)典型IED間的數(shù)據(jù)流耦合關(guān)系。從圖中可以看出,按功能類型可以劃分為線路間隔、母線間隔、變壓器間隔、母聯(lián)間隔和變壓器本體間隔。不同類型間隔之間共用過程層智能終端數(shù)據(jù),例如線路間隔和母線間隔共用線路智能終端,母線間隔和變壓器間隔共用變壓器智能終端等。間隔之間有保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)和測(cè)控五防信號(hào)需要交換。從圖3可見,不同間隔之間數(shù)據(jù)流既包含了間隔層IED與過程層IED之間的數(shù)據(jù)流,也包含了間隔層IED之間的數(shù)據(jù)流,各類間隔之間數(shù)據(jù)流耦合緊密。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以將每類功能間隔劃分為一個(gè)項(xiàng)目,也可以將若干功能間隔劃分為一個(gè)項(xiàng)目。

圖3 變電站保護(hù)測(cè)控裝置的典型數(shù)據(jù)流圖Fig.3 Typical dataflow for IED in substation

分項(xiàng)目管理的另一個(gè)典型場(chǎng)合是站間通信,例如變電站間線路縱聯(lián)距離保護(hù)裝置采用GOOSE傳輸閉鎖或跳閘信號(hào),距離保護(hù)裝置之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)流配置,但需要交互的數(shù)據(jù)并不多,屬于松耦合。將每個(gè)變電站作為一個(gè)項(xiàng)目,項(xiàng)目間利用SED交換數(shù)據(jù),可以把影響范圍縮小到有關(guān)聯(lián)的IED,避免波及系統(tǒng)中與站間數(shù)據(jù)通信不相干部分。

本文基于上述分析, 建議分項(xiàng)目管理方法遵循如下原則:①系統(tǒng)規(guī)模大、復(fù)雜度高時(shí)需要采用分項(xiàng)目管理;②數(shù)據(jù)流耦合緊密的IED應(yīng)劃分到同一個(gè)項(xiàng)目中;③項(xiàng)目間采用SED交換配置數(shù)據(jù)。

3.2 項(xiàng)目間數(shù)據(jù)交換過程

采用分項(xiàng)目管理方法時(shí),項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)交換通過SED文件實(shí)現(xiàn)。SED文件在語法規(guī)則上與SCD文件相同,但SED中只包含需要交換數(shù)據(jù)的IED及與其有數(shù)據(jù)交互的IED。項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)交換需要避免同一個(gè)IED在多個(gè)項(xiàng)目中被同時(shí)修改。IEC 61850 Ed 2.0提出了基于IED工程權(quán)限的項(xiàng)目間數(shù)據(jù)交換過程。標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種工程權(quán)限(engineering rights):full,fix,dataflow。full:可以修改模型中可修改的信息;fix:模型中的任何信息都不能被修改;dataflow:配置訂閱關(guān)系,增加數(shù)據(jù)集和控制塊、給控制塊分配客戶端。

SED中明確了每個(gè)IED的工程權(quán)限和權(quán)限所有者。項(xiàng)目間工程權(quán)限交換過程如圖4所示。

3.3 項(xiàng)目間數(shù)據(jù)交換的工程應(yīng)用

當(dāng)項(xiàng)目間需要采用SED完成數(shù)據(jù)交換時(shí),除需遵循圖4所示的權(quán)限交換規(guī)則和權(quán)限修改范圍的規(guī)定外,還需要補(bǔ)充管理規(guī)則以確保數(shù)據(jù)交換過程中模型的正確性。建議補(bǔ)充的規(guī)則如下。

1)如圖4所示,當(dāng)一個(gè)IED以fix權(quán)限被檢出后,IED在宿主項(xiàng)目中仍是full狀態(tài),理論上宿主項(xiàng)目仍可以對(duì)該IED進(jìn)行修改。如果宿主確實(shí)進(jìn)行了修改,修改后宿主項(xiàng)目應(yīng)該再次提交SED文件給相關(guān)項(xiàng)目,以保證項(xiàng)目間數(shù)據(jù)統(tǒng)一?；蛘咭?guī)定對(duì)于宿主項(xiàng)目中被檢出的IED,宿主不應(yīng)該再次修改該IED的任何內(nèi)容,避免交叉更改產(chǎn)生的模型不一致問題。

圖4 項(xiàng)目間工程權(quán)限交換Fig.4 Engineering authority exchange between projects

2)IED的數(shù)據(jù)流權(quán)限遞交給其他項(xiàng)目后在宿主項(xiàng)目中變?yōu)閒ix狀態(tài),此時(shí)宿主項(xiàng)目再提供SCD或其他SED文件時(shí),IED也應(yīng)保持fix狀態(tài),以免不同項(xiàng)目同時(shí)更改IED的數(shù)據(jù)流內(nèi)容。

3)一個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)使用多個(gè)配置工具同步項(xiàng)目SCD,需要由配置工程師或者配置工具保證各工具導(dǎo)出的SCD中實(shí)例化信息的統(tǒng)一。

4 IEC 61850 Ed 2.0的配置管理方案

4.1 新建變電站分項(xiàng)目管理策略

變電站二次系統(tǒng)調(diào)試過程中通常是以間隔為單位展開,按間隔劃分項(xiàng)目符合工程實(shí)際需要。根據(jù)每個(gè)工程的特點(diǎn),可以將每個(gè)間隔作為一個(gè)項(xiàng)目管理,也可以將若干個(gè)間隔劃分為一個(gè)項(xiàng)目。本文提出的新建變電站工程分項(xiàng)目配置調(diào)試過程如圖5所示,包括3個(gè)主要步驟。

步驟1:項(xiàng)目?jī)?nèi)配置調(diào)試。本過程不影響其他項(xiàng)目的更改可采用IID文件,只更改本項(xiàng)目SCD文件,其他項(xiàng)目SCD無需更改。

步驟2:項(xiàng)目間配置調(diào)試。本過程初次配置時(shí)用SED文件交換數(shù)據(jù)流信息。項(xiàng)目?jī)?nèi)有IED需要更改ICD文件,并且此IED更改內(nèi)容影響到其他項(xiàng)目IED數(shù)據(jù)流配置時(shí),更新SED文件并提交給受影響的項(xiàng)目?？紤]到目前工程實(shí)踐中對(duì)模型和IED功能測(cè)試及版本管控逐步加強(qiáng),發(fā)生IED需要更改ICD文件的情況逐漸減少?，F(xiàn)場(chǎng)遇到的模型問題主要集中在訂閱信號(hào)不完整、訂閱信號(hào)與內(nèi)部信號(hào)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤或配置參數(shù)需要更改等方面,因此步驟1在工程實(shí)際并不常見。

步驟3:每個(gè)項(xiàng)目完成項(xiàng)目?jī)?nèi)和項(xiàng)目間功能調(diào)試后,提交本項(xiàng)目SCD文件,全站SCD文件由各項(xiàng)目SCD和SSD文件集成得到。

圖5 多項(xiàng)目配置過程Fig.5 Configuration process of multiple projects

當(dāng)變電站冗余配置A,B套設(shè)備時(shí),冗余設(shè)備之間數(shù)據(jù)流交互較少,可以采用兩個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目管理,如圖6(a)所示。

如果出現(xiàn)間隔層IED冗余配置而過程層IED單套配置的情況,可將過程層IED與 A套IED劃分為一個(gè)項(xiàng)目,如圖6(b)所示。

圖6 含冗余裝置的項(xiàng)目配置過程Fig.6 Configuration process of projects with redundant IED

圖6中項(xiàng)目1包含的A套全部設(shè)備,可以按圖5的方法進(jìn)一步劃分項(xiàng)目后完成工程配置過程。

4.2 擴(kuò)建變電站分項(xiàng)目管理方法

在擴(kuò)建工程中,如果擴(kuò)建部分和原有工程的關(guān)聯(lián)關(guān)系緊密時(shí),可采用分項(xiàng)目管理方法。項(xiàng)目如何劃分需要根據(jù)工程實(shí)際情況確定,本文提出了兩種方案。

方案(1):二期工程用一個(gè)獨(dú)立的二期SCD文件管理,以SED的方式與一期SCD交換新增數(shù)據(jù)流配置,此方案兩個(gè)SCD中無數(shù)據(jù)流交換的IED不會(huì)被另外的項(xiàng)目更改。工程聯(lián)調(diào)完成后,將兩個(gè)SCD集成為一個(gè)全站SCD存儲(chǔ)全站信息。

方案(2):二期工程分為兩個(gè)項(xiàng)目,二期SCD1中包含與一期SCD有數(shù)據(jù)流交換的IED,二期SCD2中包含與一期SCD無數(shù)據(jù)流交換的IED。只有二期SCD1需要與一期SCD用SED交換模型信息,二期SCD2與一期SCD不需要交換模型信息,進(jìn)一步縮小了SCD間的耦合度。工程聯(lián)調(diào)完成后,將各SCD集成為一個(gè)全站SCD存儲(chǔ)全站信息。

如果新建工程和原工程存在多個(gè)IED關(guān)聯(lián)緊密的情況,可以按照關(guān)聯(lián)關(guān)系劃分為多個(gè)項(xiàng)目,并采用圖5所示的多項(xiàng)目配置方法完成工程的配置和調(diào)試。

5 結(jié)語

IEC 61850 Ed 2.0的配置過程提出了旨在改進(jìn)系統(tǒng)集成配置效率的新技術(shù)方法[10]。本文從SCD配置過程改進(jìn)、配置工具和分項(xiàng)目管理3個(gè)方面深入分析新技術(shù)方法的工程實(shí)用價(jià)值。IEC 61850 Ed 2.0工程配置方法離不開配置工具的支撐,建議進(jìn)行配置工具測(cè)試時(shí),借鑒IEC 61850 Ed 2.0工具測(cè)試用例[11-12],增加反向測(cè)試用例,確保工具不會(huì)引入新增錯(cuò)誤。

本文提出了IEC 61850 Ed 2.0工程配置方案,在穩(wěn)步推進(jìn)IEC 61850 Ed 2.0工程配置方案的應(yīng)用過程中,通過未來的工程實(shí)踐不斷完善,并通過互操作測(cè)試[13]及試點(diǎn)工程積累經(jīng)驗(yàn)。

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