基于主站的分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)配置方法研究

嵇文路， 應(yīng)俊， 梅軍， 張明， 劉明祥， 封士永

(1.南京供電公司，江蘇 南京 210019；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.東南大學(xué) 江蘇 南京 210096)

0 引 言

近年來(lái)，通信、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化等技術(shù)在電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)電力技術(shù)有機(jī)融合，極大地提升了電網(wǎng)的智能化水平，智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，配電系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，得到眾多高校及電力企業(yè)的關(guān)注。目前，分布式饋線自動(dòng)化(Feeder Automation, FA)技術(shù)因其在故障處理方面定位準(zhǔn)確、動(dòng)作迅速等特點(diǎn)而逐漸成為配電自動(dòng)化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。其中，合理的配置方法能夠減少分布式FA系統(tǒng)的運(yùn)維工作量，有利于配電終端實(shí)現(xiàn)即插即用和快速適應(yīng)配電線路的拓?fù)渥兏?。因此，研究分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的配置內(nèi)容及方法對(duì)促進(jìn)配電網(wǎng)的智能化水平的提升具有重大意義。

目前，針對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的配置研究比較多，并取得較多成果[6-10]。而針對(duì)配電網(wǎng)中分布式FA系統(tǒng)的配置研究處于起步階段。文獻(xiàn)[11]論述了工程配置的前提是要解決配電終端的自動(dòng)識(shí)別、文件模板重新定義等問題。文獻(xiàn)[12]介紹了配電終端向主站注冊(cè)和配電主站自發(fā)現(xiàn)配電終端的過程。文獻(xiàn)[13]提出了一種配電終端的注銷機(jī)制。文獻(xiàn)[14]提出了支持分布式控制應(yīng)用的配電終端需要預(yù)先配置一次設(shè)備及其相鄰設(shè)備的局部拓?fù)湫畔?。文獻(xiàn)[15]結(jié)合IEC61850 Ed 1.0，從數(shù)據(jù)模型、工程配置語(yǔ)言和一致性測(cè)試3個(gè)方面，對(duì)IEC61850 Ed 2.0的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

本文針對(duì)分布式FA系統(tǒng)配置問題，提出了一種基于主站的分布式FA的系統(tǒng)配置方法，其中，主站一方面負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母戮S護(hù)，另一方面當(dāng)分布式FA系統(tǒng)出現(xiàn)故障或無(wú)法實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的供電恢復(fù)時(shí)，由主站接管故障處理的工作。借鑒變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的配置方法，分析分布式FA配置內(nèi)容、方式，設(shè)計(jì)終端鄰接關(guān)系的校驗(yàn)方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

1 變電站配置語(yǔ)言文件

1.1 變電站配置語(yǔ)言對(duì)象模型

IEC61850定義了變電站配置描述語(yǔ)言(Substation Configuration Description Language, SCL)文件，用于描述變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信系統(tǒng)、終端和數(shù)據(jù)對(duì)象等可識(shí)別的電力對(duì)象信息模型，SCL文件用特定的方法來(lái)描述模型實(shí)例，但其語(yǔ)義只有被引用到模型本身才能被充分理解。SCL語(yǔ)言亦可引入配網(wǎng)領(lǐng)域用以描述配電網(wǎng)對(duì)象。如圖1所示，給出了采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言標(biāo)記的配電網(wǎng)SCL對(duì)象模型，圖中擴(kuò)充了饋線模型。

圖1 配電網(wǎng)SCL對(duì)象模型

1.2 SCL文件

IEC61850第一版提出4種不同類型的SCL文件，分別為智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device, IED)的功能描述(Configured IED Description, CID)文件、自描述(IED Capability Description, ICD)文件、系統(tǒng)規(guī)范描述(System Specification Description, SSD)文件以及系統(tǒng)配置(System Configuration Description, SCD)文件，為了完善配置流程，IEC61850第二版增加了實(shí)例化IED描述(Instantiated IED Description, IID)文件和系統(tǒng)交互描述(System Exchange Description, SED)文件。

(1)ICD文件：該文件是描述IED功能的模板文件，通常是產(chǎn)品出廠時(shí)自帶的預(yù)配置文件，ICD文件不能直接下載到IED中，可以在其基礎(chǔ)上派生出具體的配置文件，下載到IED裝置中使用。

(2)CID文件：該文件是IED裝置在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)所需的具體配置文件，其詳細(xì)描述了該IED中功能參數(shù)的具體配置。

(3)SSD文件：該文件用于描述整個(gè)變電站系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(eXtensible Markup Language, XML)語(yǔ)言描述變電站系統(tǒng)一次接線圖。

(4)SCD文件：該文件是在SSD文件的基礎(chǔ)上，集成系統(tǒng)中所有裝置的配置信息與功能信息之后所形成的，可被視為所有配置文件的一個(gè)集合，可以利用裝置配置工具提取單個(gè)裝置的CID 文件。

(5)IID文件：該文件是工程配置的實(shí)例文件，實(shí)例化IED具體的名稱、地址、數(shù)據(jù)集；依據(jù)系統(tǒng)接線或其他IED應(yīng)用的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)從IED配置工具到系統(tǒng)配置工具的數(shù)據(jù)交換。

(6)SED文件：該文件描述一個(gè)工程與另一個(gè)工程的輸入輸出接口信息，滿足不同工程系統(tǒng)配置工具的數(shù)據(jù)交換需要。

2 配置方案比較與選擇

2.1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)配置流程

在變電站系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)集成商提供系統(tǒng)配置工具，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和用戶需求負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置，生成SCD文件。裝置廠商提供裝置配置工具，從SCD文件中導(dǎo)出本裝置的CID文件，如圖2所示。

(1)首先，將設(shè)備制造商提供的ICD文件，與描述變電站系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SSD文件一同導(dǎo)入系統(tǒng)配置工具，生成新的SCD文件。

(2)接著，將SCD文件導(dǎo)入裝置配置工具并上傳至監(jiān)控后臺(tái)，生成各個(gè)終端的CID文件。

(3)最后，各終端下載對(duì)應(yīng)的CID文件，配置結(jié)束。

圖2 變電站系統(tǒng)配置流程

2.2 分布式FA系統(tǒng)配置構(gòu)思

與變電站相比，將IEC61850應(yīng)用于配電網(wǎng)中，系統(tǒng)的配置流程和方法有所不同，在文件方面，原先的SCD文件對(duì)應(yīng)饋線配置(Feeder Configuration Description, FCD)文件，原先的SSD文件對(duì)應(yīng)饋線規(guī)范描述(Feeder Specification Description, FSD)文件。在配電網(wǎng)中，饋線數(shù)量眾多，為了方便管理，每條饋線皆擁有一個(gè)獨(dú)立的FCD和FSD文件，而整個(gè)變電站系統(tǒng)僅一個(gè)SCD文件和SSD文件。在配置方面，由于新增IID與SED兩類文件，使得配置方式更加靈活多樣，合理選擇配置方式能夠減少配置工作量。

解決分布式FA系統(tǒng)的配置問題有兩個(gè)思路，一個(gè)是基于無(wú)主站式的配置思路，另一個(gè)是基于主站式的配置思路。

(1)從拓?fù)渑渲玫慕嵌葋?lái)看，在前一種方式中，需要從配電規(guī)劃部門獲取饋線一次接線圖，之后利用Kalkitech SCL Manager等工具生成FSD文件，其拓?fù)淠Ｐ臀幢嘏c主站拓?fù)淠Ｐ鸵恢拢€需進(jìn)行拓?fù)淠Ｐ托ｒ?yàn)，否則不利于主站發(fā)揮后備保護(hù)作用。而在后一種方式中，主站管理整個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，可隨時(shí)獲取任何一條饋線的基于公共信息模型(Common Information Model, CIM)描述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，之后經(jīng)過CIM/SCL轉(zhuǎn)換等操作即可生成FSD文件，能夠保證主站與終端的拓?fù)湟恢滦?，省略了拓?fù)湫ｒ?yàn)過程。

(2)從配置內(nèi)容的角度來(lái)看，在前一種方式中，配電終端所提供的功能服務(wù)是完全由人工設(shè)置完成的，而在后一種方式中，終端在進(jìn)行入網(wǎng)注冊(cè)的過程中，主站能夠?qū)K端的功能服務(wù)進(jìn)行選擇/訂閱，并且在正常通信過程中，主站亦可與配電終端進(jìn)行協(xié)商，隨時(shí)申請(qǐng)變更配電終端提供的服務(wù)項(xiàng)目。

因此，基于主站的分布式FA系統(tǒng)配置方案更加靈活、可靠。

3 基于主站的分布式FA系統(tǒng)配置

智能配電終端(Smart Distribution Terminal Unit, STU)的配置發(fā)生改變的前提條件是:一是饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變;二是STU自身參數(shù)發(fā)生改變。前者主要涉及線路的連接關(guān)系和終端的相鄰關(guān)系。后者主要表現(xiàn)在配電終端提供的功能服務(wù)或者通信參數(shù)的變化。為方便敘述配置流程，采用了如圖3所示的典型配電線路。

圖3 典型配電線路

3.1 初始化配置

如圖3所示，若新增一條饋線F1，則需要對(duì)該饋線進(jìn)行初始化配置，配置流程如圖4所示。

(1)將饋線F1上所有STU的ICD文件上傳至主站。

(2)主站檢測(cè)到其內(nèi)部的終端IP表不包含由ICD文件提供的IP地址，立即更新終端IP表。同時(shí)根據(jù)ICD文件提供的功能服務(wù)，進(jìn)行選擇/訂閱。

(3)主站將所有選擇/訂閱后的ICD文件和描述饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的FSD文件一同導(dǎo)入饋線配置工具中，生成新的FCD文件。

(4)主站將FCD文件導(dǎo)入裝置配置工具、上傳至監(jiān)控后臺(tái)以及導(dǎo)入配置數(shù)據(jù)庫(kù)備份。

(5)各STU從裝置配置工具下載獲取CID文件，CID文件包含了靜態(tài)局部拓?fù)?、相鄰STU的IP地址以及主站訂閱的服務(wù)等信息，配置結(jié)束。

圖4 初始化配置流程

3.2 STU參數(shù)變化的配置方案

某個(gè)STU的功能升級(jí)或者通信接口發(fā)生變化的實(shí)質(zhì)上是單個(gè)ICD文件發(fā)生變化，并不涉及饋線拓?fù)溥B接關(guān)系的配置，故配置過程無(wú)需FSD文件的參與。當(dāng)STU功能升級(jí)時(shí)，主站需要重新選擇訂閱，鄰接STU的CID不發(fā)生變化，而當(dāng)通信接口發(fā)生變化時(shí)，主站無(wú)需重新選擇訂閱，鄰接STU的CID發(fā)生變化。此時(shí)，可采取由局部到整體的方式，修改配置信息，如圖5所示。

圖5 STU參數(shù)變化的配置

(1)STU功能升級(jí)或者通信接口發(fā)生變化，將新的ICD文件上傳至主站。

(2)主站檢測(cè)到其內(nèi)部已存在該STU的IP地址，故無(wú)需更新其內(nèi)部的終端IP表，之后主站將ICD文件導(dǎo)入裝置配置工具中，生成IID文件。若是功能升級(jí)，則主站還需重新選擇/訂閱。

(3)主站將IID文件導(dǎo)入饋線配置工具，從配置數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用原來(lái)的FCD文件，對(duì)原來(lái)的FCD文件進(jìn)行修改，生成新的FCD文件。

(4)主站將新的FCD文件導(dǎo)入裝置配置工具、上傳至監(jiān)控后臺(tái)以及在配置數(shù)據(jù)庫(kù)中備份。

(5)STU從裝置配置工具處下載對(duì)應(yīng)的CID文件。若是通信接口發(fā)生變化，則該STU及其鄰接的STU需要下載對(duì)應(yīng)的CID文件，配置結(jié)束。

3.3 饋線拓?fù)鋮?shù)變化的配置方案

當(dāng)某饋線結(jié)構(gòu)變化較小，譬如新增或刪除一組STU，依舊可采取由局部到整體的修改配置信息的方式，相比STU的功能升級(jí)或通信接口變化，其既要更改功能服務(wù)和通信接口的配置，又要更改靜態(tài)局部拓?fù)湫畔⒌呐渲?，如圖3所示，以新增一個(gè)STU8及開關(guān)K8為例加以說(shuō)明，配置流程如圖6所示。

圖6 饋線拓?fù)鋮?shù)變化的配置

(1)STU8進(jìn)行注冊(cè)，將新的ICD文件上傳至主站。

(2)主站檢測(cè)到其內(nèi)部的終端IP表不包含由ICD文件提供的IP地址，立即更新，同時(shí)根據(jù)ICD文件提供的功能服務(wù)，進(jìn)行選擇/訂閱。

(3)主站開始從配置數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用描述該饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的FSD文件和SED文件，并與訂閱后的ICD文件一同導(dǎo)入饋線配置工具，生成一個(gè)饋線的差異配置文件。

(4)該饋線的差異配置文件與原來(lái)的FCD文件進(jìn)行融合，生成新的FCD文件。

(5)將新的FCD文件導(dǎo)入裝置配置工具、上傳至監(jiān)控后臺(tái)以及在配置數(shù)據(jù)庫(kù)備份。

(6)STU8與其相鄰的 STU3、STU4分別下載對(duì)應(yīng)的CID文件，配置結(jié)束。

3.4 STU鄰接關(guān)系校驗(yàn)方案

在實(shí)際工程中，STU的鄰接關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤類型一般分為三類：第一類是某STU內(nèi)部關(guān)于其鄰接STU的IP地址信息不正確；第二類是STU接入位置發(fā)生錯(cuò)誤；第三類是上述的混合類型。為了便于敘述STU鄰接關(guān)系的錯(cuò)誤類型以及校驗(yàn)流程，可從拓?fù)涞囊韵?個(gè)角度進(jìn)行分析：

(1)主站下發(fā)的靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

(2)STU相互通信而獲取的靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

(3)STU內(nèi)部實(shí)際管理的靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

第一類錯(cuò)誤的校驗(yàn)方案：STU根據(jù)主站下發(fā)的鄰接STU的IP地址信息，與相鄰的STU通信，查詢拓?fù)淠Ｐ褪欠衿ヅ?。?2)與(1)相同，則IP地址信息配置無(wú)誤，若(2)與(1)不同，則該STU內(nèi)部關(guān)于鄰接STU的IP地址信息需重新配置。

第二類錯(cuò)誤的校驗(yàn)方案：由于主站根據(jù)IP地址將拓?fù)湫畔⑾掳l(fā)給STU，且無(wú)法感知STU的上下游關(guān)系，以致各STU獲取的靜態(tài)局部拓?fù)湫畔⒑袜徑覵TU的IP地址不變。在反接情況下，雖然(2)與(1)相同，但(3)與(1)是不同的，如圖7(b)和圖7(c)所示。因此， STU之間可相互通信，以交互所監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)電流、電壓和功率等信息，來(lái)間接判斷STU的鄰接關(guān)系是否有誤。

圖7 直線型反接

圖8 支路型反接

①直線型校驗(yàn)：如圖7(a)所示，新增STU2與STU3，當(dāng)STU2與STU3反接后，分別與其周圍的STU交互電流、電壓和功率等信息。STU3比STU2監(jiān)測(cè)到的節(jié)點(diǎn)功率大，STU2與STU3發(fā)出警報(bào)。②支路型校驗(yàn)：如圖8(a)與圖8(b)所示，新增STU2與STU5，當(dāng)STU2與STU5反接后，分別與其周圍的STU交互電流、電壓和功率等信息。STU5監(jiān)測(cè)到的電流向量幅值和節(jié)點(diǎn)功率均比STU2監(jiān)測(cè)到的值大，STU2與STU5發(fā)出警報(bào)，其他支路型反接情況，可依照類似方法處理。

第三類錯(cuò)誤的校驗(yàn)方案：將上述兩種校驗(yàn)方案合并處理即可。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提方案有效性，在南瑞的靜態(tài)模擬系統(tǒng)上建立了配電線路測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)可以模擬分布式FA正常運(yùn)行、故障處理。主站系統(tǒng)采用南瑞自主研發(fā)的D5200和 PDZ900終端，可以手動(dòng)控制配電線路開關(guān)的分合狀態(tài)，每個(gè)開關(guān)或者配電站處安裝一個(gè)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備。將所有的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備接入統(tǒng)一對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)，配電線路測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示，STU為智能配電終端， Ring Main Unit簡(jiǎn)稱RMU，表示環(huán)網(wǎng)柜。

圖9 配電線路測(cè)試系統(tǒng)示意圖

首先是將STU5的功能升級(jí)，即新導(dǎo)入一個(gè)ICD文件，按照3.2的流程，STU5重新進(jìn)行了配置。之后在K5、K7間增加了一個(gè)干線開關(guān)K6以及STU6，按照3.3的流程，STU5、STU6、STU7重新進(jìn)行了配置，主站將對(duì)應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系下發(fā)給各STU。最后將STU5與STU6反接，STU6與STU5通信后發(fā)現(xiàn)STU6監(jiān)測(cè)到的節(jié)點(diǎn)功率更大，STU5與STU6共同發(fā)出了警報(bào)，試驗(yàn)結(jié)果表明了本文所提方法的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文借鑒IEC61850應(yīng)用于變電站系統(tǒng)的配置流程，給出了一種適用于基于主站的分布式FA的系統(tǒng)配置方案，由于配電線路中存在終端鄰接關(guān)系不正確，導(dǎo)致拓?fù)溥B接關(guān)系混亂的結(jié)果，給出了一種適當(dāng)?shù)募m正方案，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，避免分布式FA系統(tǒng)定位錯(cuò)誤的情況。