基于智能變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信的自動(dòng)對(duì)點(diǎn)調(diào)試系統(tǒng)

王添樂 李永光 南東亮 劉 冉 韓 偉

基于智能變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信的自動(dòng)對(duì)點(diǎn)調(diào)試系統(tǒng)

王添樂1李永光2南東亮1劉 冉2韓 偉3

（1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011； 2. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830011； 3. 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052）

基于遠(yuǎn)動(dòng)通信框架，采用模塊化思想，以四遙、圖像及告警信息為對(duì)象，本文將廠站仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、調(diào)度主站平臺(tái)的功能分成不同的模塊，可直觀體現(xiàn)出自動(dòng)對(duì)點(diǎn)的行為邏輯。其中，每一個(gè)模塊獨(dú)立開發(fā)且互不干擾，相互之間具有可借鑒性，在很大程度上降低了開發(fā)難度。在校驗(yàn)檢測中，本文采用循環(huán)冗余算法，其與和校驗(yàn)法相比略復(fù)雜，但準(zhǔn)確度更高。由此構(gòu)建出一套智能變電站遠(yuǎn)動(dòng)快速自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，以保證智能變電站的可靠運(yùn)行。

智能變電站；自動(dòng)對(duì)點(diǎn)；仿真；校驗(yàn)算法

0 引言

在智能變電站投運(yùn)前，要核對(duì)變電站設(shè)備實(shí)際發(fā)出的信號(hào)與調(diào)度端接收到的信號(hào)是否一致，找出點(diǎn)表中的錯(cuò)誤，這就是“遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)”。

當(dāng)前遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)需要耗費(fèi)大量的人力及時(shí)間。對(duì)點(diǎn)前，需要明確核對(duì)信息并制作點(diǎn)表；對(duì)點(diǎn)時(shí)，主站與變電站調(diào)試人員電話聯(lián)系，人工校對(duì)主站接收數(shù)據(jù)與變電站實(shí)際數(shù)據(jù)[1]，變電站調(diào)試人員還需借助調(diào)試工具，操縱開關(guān)、刀開關(guān)的分合和對(duì)電壓、電流加量。電話對(duì)點(diǎn)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)點(diǎn)準(zhǔn)確性也難以保障。尤其近幾年新能源廠站快速發(fā)展，每年都有新能源廠站并網(wǎng)的高峰期，電話對(duì)點(diǎn)給調(diào)試人員造成了很大的困擾，因而研發(fā)智能變電站自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)具有重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

目前智能變電站自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的研究仍然處于探索階段。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建了一個(gè)自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，它包含模擬智能變電站運(yùn)行的仿真系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)方面檢驗(yàn)變電站與調(diào)度之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，但未對(duì)系統(tǒng)的工程實(shí)踐加以描述。文獻(xiàn)[3-4]側(cè)重對(duì)點(diǎn)采樣值的傳輸協(xié)議及采樣延遲研究，提議用IEC—61850—9—2替代FT3。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一套完整的遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，包含四遙、告警信號(hào)和圖形信息，但仍要人工參與圖形信息的比對(duì)。文獻(xiàn)[6]利用事件順序記錄（sequence of event, SOE）的部分時(shí)間數(shù)據(jù)作為上送信息所對(duì)應(yīng)主站調(diào)控信息點(diǎn)的地址，由遠(yuǎn)動(dòng)裝置自動(dòng)匹配信息和地址，再上送至主站觀察時(shí)間數(shù)據(jù)和信息地址是否一致，完成信息校核，更偏重于理論研究。

本文基于模塊化設(shè)計(jì)，將四遙、告警信號(hào)、圖形信息進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，互不干擾，最終匯總成一套完整的自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，致力于高效、準(zhǔn)確地自動(dòng)對(duì)點(diǎn)。

2 自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)

對(duì)點(diǎn)信息分為兩類，一類是四遙，另一類是圖形及告警。

2.1 四遙遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)

四遙遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)如圖1所示，對(duì)于仿真平臺(tái)的建模，可以借助全站系統(tǒng)配置文件（substation configuration description, SCD）自動(dòng)構(gòu)建一個(gè)滿足測試所需的網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)環(huán)境，確保變電站配置的可 靠性[7]。

圖1 四遙遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)

仿真平臺(tái)利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（supervi- sory control and data acquisition, SCADA）系統(tǒng)[8]采集變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，匯集到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，再通過遠(yuǎn)動(dòng)裝置將數(shù)據(jù)上送[9]。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬調(diào)度中心，上送的數(shù)據(jù)將在這里被分析匯總及存儲(chǔ)。最終，利用自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)自動(dòng)校對(duì)主站及變電站的點(diǎn)表，并將結(jié)果反饋到調(diào)度主站。

1）仿真平臺(tái)構(gòu)成及工作過程

四遙仿真平臺(tái)如圖2所示，仿真平臺(tái)由三部分構(gòu)成：①通信模塊，負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)動(dòng)裝置建立TCP/IP連接；②報(bào)文處理模塊，負(fù)責(zé)獲取、儲(chǔ)存變電站信息并且分析處理；③人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)顯示報(bào)文信息，方便更好的篩選。對(duì)點(diǎn)工作開展時(shí)，先是由制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）報(bào)文獲取模塊接收變電站站控層的實(shí)時(shí)信息，再由MMS報(bào)文存儲(chǔ)模塊與解析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份及分類解析，將解析后的結(jié)果展示在人機(jī)交互界面上，對(duì)于變電站有效信息，通過通信模塊與遠(yuǎn)動(dòng)裝置建立的TCP/IP協(xié)議，發(fā)送至主站，完成 上送。

圖2 四遙仿真平臺(tái)

當(dāng)提取出關(guān)于變電站設(shè)備信息的有效報(bào)文后，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生站端點(diǎn)表進(jìn)行點(diǎn)號(hào)映射，并傳送至自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)，遙信點(diǎn)表生成過程如圖3所示，值為綠燈表示開關(guān)分位，值為紅燈表示開關(guān)合位。

圖3 遙信點(diǎn)表生成過程

2）模擬調(diào)度主站構(gòu)成及工作過程

四遙模擬調(diào)度主站如圖4所示，模擬調(diào)度主站也是由三部分構(gòu)成：通信模塊、報(bào)文處理模塊及人機(jī)交互模塊。通信模塊與遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)建立TCP連接，獲取遠(yuǎn)動(dòng)裝置上送的數(shù)據(jù)信息。報(bào)文處理模塊中，IEC報(bào)文發(fā)送模塊用于主站對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)裝置發(fā)送對(duì)時(shí)、總召、遙控等命令；IEC報(bào)文接收模塊是接收遠(yuǎn)動(dòng)裝置上送的IEC報(bào)文；IEC報(bào)文存儲(chǔ)模塊是將報(bào)文存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中；IEC報(bào)文解析模塊是對(duì)報(bào)文進(jìn)行重組分類，提取關(guān)于變電站設(shè)備狀態(tài)的有效信息，顯示在人機(jī)交互界面。

圖4 四遙模擬調(diào)度主站

調(diào)度主站的工作過程參考圖4邏輯關(guān)系。首先在主站與遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)之間建立TCP連接，保證主站與遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)通信正常；發(fā)送模塊向遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)送啟動(dòng)命令，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)再向主站發(fā)送確認(rèn)啟動(dòng)的反饋；發(fā)送模塊再向遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)送總召請(qǐng)求，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)上傳遙信遙測信息；再經(jīng)過IEC報(bào)文解析模塊進(jìn)行篩選，提取出有效信息。

IEC報(bào)文中發(fā)送的數(shù)據(jù)包含變電站所有單點(diǎn)信息，進(jìn)行解析后，提取其中的點(diǎn)號(hào)和值，并點(diǎn)號(hào)映射，形成主站對(duì)點(diǎn)表，發(fā)送至自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)。

3）自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)

變電站及主站將生成的點(diǎn)表與值輸入到自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)，平臺(tái)經(jīng)過校驗(yàn)算法判斷各個(gè)單點(diǎn)是否一致，再將判斷結(jié)果反饋至主站，新疆750kV五彩灣變電站自動(dòng)對(duì)點(diǎn)反饋情況如圖5所示，當(dāng)上送的信息與變電站實(shí)際信息一致時(shí)，表示驗(yàn)收通過，反之，則驗(yàn)收不通過。

圖5 新疆750kV五彩灣變電站自動(dòng)對(duì)點(diǎn)反饋情況

2.2 圖形及告警信號(hào)遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)

圖形及告警信號(hào)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)如圖6所示，其與四遙系統(tǒng)相似，僅在實(shí)現(xiàn)過程中的通信協(xié)議和裝置略有差別，包含仿真平臺(tái)、調(diào)度主站、網(wǎng)關(guān)裝置及自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)。

圖6 圖形及告警信號(hào)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)

1）告警模擬調(diào)度主站平臺(tái)構(gòu)成及工作過程

告警仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)和工作流程與四遙一致，獲取MMS告警報(bào)文，將含有有效信息的MMS報(bào)文上送至網(wǎng)關(guān)機(jī)。對(duì)于其調(diào)度主站，告警系統(tǒng)模擬調(diào)度主站平臺(tái)如圖7所示。通信模塊建立告警網(wǎng)關(guān)機(jī)和調(diào)度主站的連接；報(bào)文處理模塊用于接收并儲(chǔ)存上送DL 476報(bào)文，再將其分析歸類；人機(jī)交互界面是將提取的有效信息進(jìn)行展示篩選。

圖7 告警系統(tǒng)模擬調(diào)度主站平臺(tái)

調(diào)度主站工作過程如圖7所示。首先網(wǎng)關(guān)機(jī)與主站通過TCP進(jìn)行連接，在主站的總召下，告警信息以DL 476報(bào)文形式[10]發(fā)送至主站接收模塊，并且對(duì)報(bào)文信息進(jìn)行歸類解析，儲(chǔ)存在存儲(chǔ)模塊中。解析模塊對(duì)DL 476報(bào)文進(jìn)行解析，提取相關(guān)變電站告警信息，并且將解析后生成的點(diǎn)表傳送至自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，與變電站傳送的告警點(diǎn)表進(jìn)行校驗(yàn)。

2）圖形對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程

本文采用圖計(jì)算方法分析圖形數(shù)據(jù)，建立圖數(shù)據(jù)庫（屬性圖）。圖中頂點(diǎn)（V）表示對(duì)象，邊（E）表示頂點(diǎn)之間的關(guān)系。工程中常用的圖數(shù)據(jù)庫Huge Graph用CPU作為計(jì)算資源時(shí)算法相悖，故本文采用將HugeGraph和圖形處理器GPU相結(jié)合的新圖數(shù)據(jù)管理和計(jì)算系統(tǒng)RockGraph[11]。

對(duì)于智能變電站圖形對(duì)點(diǎn)，將變電站中各元件及接線用頂點(diǎn)和邊表述出來，形成圖形數(shù)據(jù)。將這些圖形數(shù)據(jù)壓縮成MMS報(bào)文，上送至圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)，網(wǎng)關(guān)機(jī)收到主站發(fā)送的上傳圖形數(shù)據(jù)的請(qǐng)求后，通過DL 476報(bào)文上送G語言圖形數(shù)據(jù)，主站將圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，傳送至自動(dòng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)，將變電站和上送至主站的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，完成自動(dòng)對(duì)點(diǎn)，再將結(jié)果返回主站，如圖6所示。當(dāng)對(duì)點(diǎn)平臺(tái)出現(xiàn)故障，基于圖數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的變電站接線圖還可以通過G語言自動(dòng)繪制，顯示在主站的人機(jī)交互界面上，不利條件下可以由操作人員進(jìn)行人工比對(duì)。

（1）仿真平臺(tái)

圖形信息仿真平臺(tái)如圖8所示，變電站圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過在線事務(wù)處理（on-line transaction processing, OLTP）及在線分析計(jì)算（on-line analytical processing, OLAP）傳至圖數(shù)據(jù)庫[12]。其中OLTP主要是對(duì)所儲(chǔ)存的實(shí)體、實(shí)體屬性及它們之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行改動(dòng)，當(dāng)變電站結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，通過OLTP便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的改動(dòng)，省去了大量人工改圖的時(shí)間。OLAP是對(duì)圖數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，目前基本采用佩奇排序（PageRank）算法[13]。對(duì)于圖形對(duì)點(diǎn)，不需要計(jì)算網(wǎng)絡(luò)潮流等，只需將圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行解析儲(chǔ)存，形成變電站接線數(shù)據(jù)庫，發(fā)送至通信模塊，余下操作與四遙仿真平臺(tái)工作過程相同。

圖8 圖形信息仿真平臺(tái)

（2）圖形模擬調(diào)度主站

圖形信息調(diào)度主站如圖9所示，主站通過通信模塊接收到DL 476報(bào)文，向圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)請(qǐng)求G語言圖形數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過圖分析計(jì)算，最終形成圖形呈現(xiàn)在人機(jī)交互界面上，并將解析后的圖形數(shù)據(jù)傳送至自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，完成圖形對(duì)點(diǎn)任務(wù)。

圖9 圖形信息調(diào)度主站

3 自動(dòng)對(duì)點(diǎn)算法

目前在校驗(yàn)檢測中，常用的算法有奇偶校驗(yàn)法、和校驗(yàn)法（CheckSum）和循環(huán)冗余檢驗(yàn)法（cyclic redundancy check, CRC）。奇偶校驗(yàn)法比較簡單，但存在檢測風(fēng)險(xiǎn)，只有當(dāng)錯(cuò)誤個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，才能檢測發(fā)現(xiàn)；為偶數(shù)時(shí)，錯(cuò)誤相互抵消無法識(shí)別。和校驗(yàn)法應(yīng)用較廣，但它仍有缺陷，當(dāng)數(shù)據(jù)編碼中一位1→0，另一位0→1時(shí)，則無法檢測識(shí)別。所以，本文采用更為精確的循環(huán)冗余檢驗(yàn)法。

輸入端輸入數(shù)據(jù)是由位信息碼及位校驗(yàn)碼構(gòu)成，數(shù)據(jù)總長度為。因此，這種編碼也叫(，)碼，單點(diǎn)值信息碼組成如圖10所示。數(shù)據(jù)編碼中，每一個(gè)數(shù)據(jù)都會(huì)有一個(gè)多項(xiàng)式與之對(duì)應(yīng)。CRC生成多項(xiàng)式由規(guī)范給定的()表示；原始數(shù)據(jù)多項(xiàng)式()與對(duì)應(yīng)；()多項(xiàng)式代表校驗(yàn)碼，與對(duì)應(yīng)。開始校驗(yàn)碼還未計(jì)算出來時(shí)，校驗(yàn)碼補(bǔ)0，進(jìn)行模2除法，其中是()位數(shù)減1。位數(shù)據(jù)作為被除數(shù)，()編碼作為除數(shù)，首位為1，則商為1；余數(shù)首位為1，則除數(shù)為()，余數(shù)首位為0，則除數(shù)為0。這個(gè)“除”不是數(shù)學(xué)意義上的除法，而是邏輯運(yùn)算中的異或。最終，當(dāng)余數(shù)個(gè)數(shù)少于()個(gè)數(shù)時(shí)，則為CRC校驗(yàn)碼，不足位補(bǔ)0。

圖10 單點(diǎn)值信息碼組成

最終，發(fā)送方輸入包含CRC校驗(yàn)的信息碼，接收方對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的計(jì)算，應(yīng)得到相同的結(jié)果。反之，則發(fā)送過程有誤，應(yīng)重新發(fā)送。

4 結(jié)論

對(duì)于智能變電站遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)對(duì)點(diǎn)，目前國內(nèi)外研究比較少，仍有很大的進(jìn)步空間。本文主要是在遠(yuǎn)動(dòng)通信的基礎(chǔ)上，采用模塊化方式，設(shè)計(jì)了一套較為完整的對(duì)點(diǎn)方案，得到如下結(jié)論：

1）與傳統(tǒng)的人工對(duì)點(diǎn)相比，自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)通信傳輸裝置對(duì)點(diǎn)，大大降低了對(duì)點(diǎn)代價(jià)，還提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

2）對(duì)于變電站接線圖，采用了圖形計(jì)算的方法進(jìn)行分析，對(duì)點(diǎn)只需要將變電站圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，不再需要人工進(jìn)行比對(duì)。

3）對(duì)于對(duì)點(diǎn)算法，則采用了循環(huán)冗余算法（CRC），它的校驗(yàn)精度比和校驗(yàn)法等要高很多，更能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕┮坏牟蛔闶撬惴晕?fù)雜。

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Automatic point to point debugging system based on telecontrol communication of smart substation

WANG Tianle1LI Yongguang2NAN Dongliang1LIU Ran2HAN Wei3

(1. State Grid Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830011; 2. Xinjiang Electric Power Dispatching and Communication Center, Urumqi 830011; 3. State Grid He’nan Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052)

Based on the framework of telecontrol communication, this paper adopts the idea of modularization, taking four remotes, graphic and alarm information as objects, and divides the functions of the substation simulation experiment platform and dispatching master station platform into different modules, which can intuitively reflect the logic of automatic point to point behavior. Each module is developed independently and does not interfere with each other. It can be used for reference between each other, which can greatly reduce the difficulty of development. For the check algorithm, this paper adopts the cyclic redundancy check (CRC), which is slightly more complicated than the checksum method, but with higher accuracy. As a result, a set of smart substation telecontrol and fast automatic point to point system is constructed to ensure the reliable operation of smart substations.

smart substation; automatic point to point; simulation; check algorithm

2021-02-01

2021-02-24

王添樂（1998—），男，新疆精河縣人，本科，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化工作。