ICD模型自適應(yīng)辨識與一致性驗(yàn)證技術(shù)研究

陳勝，李穎杰，袁明軍，劉曉放，胡紹勇

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，貴州 貴陽 550002；2.長園深瑞繼保自動(dòng)化有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518057)

在集群測控系統(tǒng)[1-2]的應(yīng)用中，虛測控[3-4]需兼容不同廠家、不同型號測控裝置的智能電子裝置配置描述(IED configuration description，ICD)模型[5]，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)實(shí)體裝置的功能外特性。由于廠家未公開測控裝置的過程層虛端子與間隔層制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)變量的對應(yīng)關(guān)系，南方電網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也未對此進(jìn)行規(guī)定，因此需要研究這種對應(yīng)關(guān)系的識別技術(shù)[6-7]。當(dāng)虛端子與MMS變量建立對應(yīng)的輸入輸出關(guān)系時(shí)，集群測控系統(tǒng)替代實(shí)體測控后，兩者將具備一致的輸入輸出關(guān)系。此時(shí)，后臺、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)度均無需修改，大大降低人工辨識與驗(yàn)證的工作量。

文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了基于IEC 61850的變電站一體化監(jiān)測裝置主IED信息建模，解決目前變電站內(nèi)主要設(shè)備信息模型的缺乏問題。文獻(xiàn)[9]提出統(tǒng)一信息模型的時(shí)間同步在線監(jiān)測整體解決方案，指導(dǎo)時(shí)間同步監(jiān)測統(tǒng)一建設(shè)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化交互。文獻(xiàn)[10]研究邊緣計(jì)算在配電物聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算架構(gòu)，以及邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，闡述智能終端在交直流混合配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)中的典型應(yīng)用場景。文獻(xiàn)[11]根據(jù)IEC 61850規(guī)約對故障定位、電壓控制以及配電網(wǎng)重構(gòu)等重要功能進(jìn)行說明，分析時(shí)間同步以及網(wǎng)絡(luò)冗余量大通信問題。文獻(xiàn)[12]提出了基于IEC 61850的變電站繼電保護(hù)設(shè)備功能信息模型和設(shè)備公共信息模型(common information model，CIM)與二次設(shè)備量測體系之間的模型映射和源端維護(hù)。文獻(xiàn)[13]基于向量和矩陣運(yùn)算驗(yàn)證規(guī)則一致性的算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network，SDN)控制平面與數(shù)據(jù)平面規(guī)則一致性驗(yàn)證系統(tǒng)。這些文獻(xiàn)對IED建模方法、ICD建模應(yīng)用、統(tǒng)一信息建模、智能終端通信、通信數(shù)據(jù)驗(yàn)證等問題分別進(jìn)行了討論，但尚未有涉及ICD模型的自適應(yīng)辨識與一致性驗(yàn)證運(yùn)用，更沒有關(guān)于信息非公開性的測控裝置建模應(yīng)用的闡述。

本文針對以上問題，對虛測控進(jìn)行面向間隔的獨(dú)立性功能重構(gòu)。研究ICD模型自動(dòng)辨識技術(shù)，通過模型解析、數(shù)據(jù)仿真、自描述信息處理，建立過程層虛端子和間隔層MMS變量的映射關(guān)系，研制由ICD模型辨識主機(jī)、仿真合并單元、仿真智能終端和被辨識測控裝置組成的ICD模型閉環(huán)辨識系統(tǒng)?；谠撟R別系統(tǒng)，提出通過仿真合并單元和智能終端的自動(dòng)觸發(fā)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和報(bào)文比對，實(shí)現(xiàn)裝置狀態(tài)量、模擬量、控制量等信息的一致性校驗(yàn)，結(jié)合差異表和人工變位等方法，實(shí)現(xiàn)信息的自適應(yīng)辨識，并開發(fā)模型及配置一致性驗(yàn)證軟件。最后，通過仿真測試對該系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 集群測控系統(tǒng)的架構(gòu)

集群測控裝置作為智能變電站的IED設(shè)備，具備獨(dú)立的模型及完備的通信服務(wù)功能,定位為現(xiàn)有間隔測控裝置的集中備用裝置。當(dāng)某個(gè)間隔測控裝置故障退出運(yùn)行時(shí)，集群測控裝置快速實(shí)現(xiàn)故障裝置的備用，完成該間隔的數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制功能，實(shí)現(xiàn)與故障測控裝置的完全等價(jià)。采用冗余備用集群測控裝置的智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層架構(gòu)如圖1所示。

SV—采樣值，sampled value的縮寫；GOOSE—面向通用對象的變電站事件，generic object oriented substation event的縮寫。

集群測控系統(tǒng)采用面向間隔的信息建模和IEC 61850的服務(wù)思路。系統(tǒng)中虛測控單元的配置和輸入輸出與實(shí)際電氣間隔保持一一對應(yīng)關(guān)系，共享合并單元和智能終端的信息。虛測控單元涵蓋需替代的所有實(shí)體測控裝置信息容量和應(yīng)用類型需求。站控層IEC 61850服務(wù)則面向間隔以虛裝置的方式繼承一體化監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)所要求的測控裝置配置原則。

2 間隔的獨(dú)立性設(shè)計(jì)

圖2為虛測控面向間隔模塊化示意圖，圖3為間隔維護(hù)獨(dú)立性設(shè)計(jì)示意圖。本文設(shè)計(jì)虛測控裝置間隔模塊化和間隔維護(hù)獨(dú)立性的軟件實(shí)現(xiàn)方式。對于實(shí)時(shí)性要求不同的過程層SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的處理，采取模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)策略。在間隔層，將過程層任務(wù)處理模塊的結(jié)果，面向間隔進(jìn)行整理。每個(gè)集群測控裝置對外提供獨(dú)立的運(yùn)行界面、配置文件和模型文件。在此架構(gòu)下，面向間隔的集群測控裝置可以投退，并進(jìn)行獨(dú)立的維護(hù)。虛測控裝置與實(shí)體測控裝置在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中所處的層次和位置相同，滿足測控裝置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。虛測控裝置采取面向電氣間隔配置的原則，具有獨(dú)立的ICD模型、IP地址和組播地址。虛測控裝置與實(shí)體測控裝置的一致性包含功能等價(jià)[14]、模型等價(jià)[15]和配置等價(jià)[16]3個(gè)方面。

圖2 虛測控面向間隔模塊化示意圖

CID—設(shè)備的配置描述，IED configured description的縮寫；GOCB—GOOSE控制塊，GOOSE control block的縮寫。

3 ICD模型自動(dòng)辨識方案設(shè)計(jì)

作為冗余的虛測控裝置所涵蓋的信息[17]主要包括遙測[18]、遙信和遙控[19]，其運(yùn)行參數(shù)和定值由一次系統(tǒng)決定，自動(dòng)辨識方案根據(jù)全站系統(tǒng)配置(substation configuration description ，SCD)文件，使用實(shí)體測控裝置的CID文件，建立相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)(logical nodes，LN)、數(shù)據(jù)對象(data object，DO)和GOOSE報(bào)文發(fā)送控制塊，并從CID文件獲取IP地址、組播地址、應(yīng)用標(biāo)識(application identification，APPID)等通信參數(shù)，以及虛端子聯(lián)系表，通過變量映射轉(zhuǎn)換為虛測控裝置的CID文件，通過重新定義短地址(sAddr)描述方式并建立變量的統(tǒng)一化映射來完成映射地址的修改。

映射主要解決以下3個(gè)問題：①電網(wǎng)未完整規(guī)范測控裝置過程層虛端子與間隔層MMS變量的對應(yīng)關(guān)系，以及此對應(yīng)關(guān)系的描述方式；②實(shí)體測控裝置ICD模型內(nèi)部變量的私有映射與虛測控裝置的內(nèi)存變量的對應(yīng)關(guān)系；③廠家未公開測控裝置的過程層虛端子與MMS變量的對應(yīng)關(guān)系。

為了觀察映射關(guān)系的相關(guān)結(jié)果，設(shè)計(jì)了通過觸發(fā)數(shù)據(jù)變化來模擬實(shí)體測控裝置輸出數(shù)據(jù)變化的閉環(huán)辨識模型，以收集映射結(jié)果數(shù)據(jù)。采用仿真智能終端(模擬模型GOOSE虛回路發(fā)生信號)、仿真合并單元信號觸發(fā)的方法，搭建能識別3類變量關(guān)系的閉環(huán)辨識系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體測控裝置過程層虛端子與間隔層MMS變量對應(yīng)關(guān)系的自動(dòng)辨識。

3.1 ICD模型映射

3.1.1 ICD模型映射方案設(shè)計(jì)

測控裝置ICD模型映射原理如圖4所示。實(shí)現(xiàn)ICD模型映射的步驟如下：

a)輸入SCD文件，分解出虛端子聯(lián)系表。

b)模擬外部二次設(shè)備(如合并單元和智能終端)，觸發(fā)變化的交流量和信號量，解析間隔層MMS變量和過程層變量的對應(yīng)關(guān)系，如圖4中環(huán)節(jié)①所示。

c)觸發(fā)遙控分、合命令，解析間隔層數(shù)字對象唯一標(biāo)識符(digital object unique identifier，DOI)和過程層變量的對應(yīng)關(guān)系，如圖4中環(huán)節(jié)②所示。

d)根據(jù)間隔層DOI變量的數(shù)據(jù)屬性(單點(diǎn)、雙點(diǎn)、整型等)和應(yīng)用屬性(遙測、遙信、遙控等)，選擇對應(yīng)的內(nèi)存變量，并修改此DOI的sAddr內(nèi)容，記錄和保存此對應(yīng)關(guān)系，如圖4中環(huán)節(jié)③④⑤⑥所示。

圖4 測控裝置ICD模型映射原理

e)基于被后備測控裝置的CID文件，完成間隔層DOI和內(nèi)存變量映射關(guān)系sAddr的修改，輸出后備測控裝置的CID文件。

f)驗(yàn)證后備虛測控裝置和被后備測控裝置的一致性。

3.1.2 ICD映射關(guān)系建立

對于sAddr描述，不同供應(yīng)商之間無共同語言，在此對sAddr進(jìn)行定義，如圖5所示，圖中GOOSEPin_EN_KI_YX和RDYXKR_32_Y為虛測控裝置自定義的2個(gè)映射函數(shù)，通過GOOSEPin_EN_KI_YX將外部虛端子單點(diǎn)開入001定義為SPCS01.stVal，并映射到內(nèi)存變量001，通過RDYXKR_32_Y將過程層DOI：SPCS01.stVal映射到間隔層DOI：Ind01.stVal。

圖5 映射關(guān)系的建立

3.2 ICD模型辨識

實(shí)體測控裝置DL/T 860模型中G(過程層GOOSE)、M〔過程層采樣測量值(sampled measured value，SMV)〕訪問點(diǎn)下的變量與S(站控層)訪問點(diǎn)下的變量之間的映射關(guān)系是非標(biāo)準(zhǔn)、非公開的；為了方便察看，設(shè)計(jì)模型自動(dòng)辨識系統(tǒng)，辨別對應(yīng)的映射關(guān)系。模型自動(dòng)辨識閉環(huán)系統(tǒng)主要通過觸發(fā)數(shù)據(jù)變化來引起測控裝置輸出數(shù)據(jù)[20]的變化，從而根據(jù)變化數(shù)據(jù)正確尋找變量之間的映射關(guān)系，輔助使用者正確建立模型。

系統(tǒng)可以自動(dòng)辨識狀態(tài)量、模擬量和控制量這3類映射關(guān)系。其應(yīng)用場景包括：①G訪問點(diǎn)下的GOOSE開關(guān)位置狀態(tài)變量與S訪問點(diǎn)下的遙信MMS變量對應(yīng)關(guān)系；②M訪問點(diǎn)下的SV變量與S訪問點(diǎn)下的遙測MMS變量對應(yīng)關(guān)系；③S訪問點(diǎn)下的遙控MMS變量與G訪問點(diǎn)下的分合閘GOOSE變量對應(yīng)關(guān)系。以模擬量映射關(guān)系辨識為例，其實(shí)現(xiàn)關(guān)系原理如圖6所示。

圖6 模擬量映射關(guān)系辨識設(shè)計(jì)原理

實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a)通過界面驅(qū)動(dòng)軟件管理單元下發(fā)模擬量辨識驅(qū)動(dòng)指令，同時(shí)將對應(yīng)SV虛回路發(fā)送端信息發(fā)送給仿真合并單元。

b)仿真合并單元依據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)集按照SMV協(xié)議的ASN.1編碼規(guī)則進(jìn)行報(bào)文組織，然后按照每周波80點(diǎn)采樣的機(jī)制對測控裝置發(fā)送SMV采樣報(bào)文；軟件根據(jù)設(shè)置的二次值及變比參數(shù)計(jì)算出每個(gè)通道的SV，對數(shù)字化測控裝置連續(xù)發(fā)送20 s的SV報(bào)文。

c)仿真合并單元同時(shí)將待辨識的模擬量信息傳給辨識結(jié)果處理單元，辨識結(jié)果處理單元接收IEC 61850客戶端傳送變化遙測數(shù)據(jù)信息。辨識結(jié)果處理單元通過比對仿真合并單元模擬量數(shù)據(jù)、IEC 61850客戶端遙測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模擬量映射關(guān)系辨識。

3.3 ICD模型辨識系統(tǒng)

辨識系統(tǒng)軟件運(yùn)行于X86平臺，基于QT4.6以上版本開發(fā)，包含了SCD模型文件解析、仿真智能終端、仿真合并單元、IEC 61850客戶端GOOSE接收單元等子功能。功能模塊的相互配合可以完成實(shí)體測控裝置DL/T 860模型過程層虛端子與MMS變量對應(yīng)關(guān)系的辨識工作，系統(tǒng)與實(shí)體測控裝置的信息交互如圖7所示。

圖7 辨識系統(tǒng)軟件與智能實(shí)體測控裝置的信息交互

辨識系統(tǒng)同時(shí)接入站控層、過程層GOOSE網(wǎng)、過程層SV網(wǎng)。其工作模式為：導(dǎo)入SCD模型文件，通過仿真合并單元觸發(fā)變化遙測，辨識SV虛端子和MMS遙測變量的對應(yīng)關(guān)系；通過仿真智能終端觸發(fā)變化遙信，辨識GOOSE虛端子和MMS遙信變量的對應(yīng)關(guān)系；通過發(fā)送遙控命令，辨識開出虛端子與MMS遙控變量的對應(yīng)關(guān)系。

辨識系統(tǒng)能夠?qū)CD模型文件信息進(jìn)行全面解析，包括數(shù)據(jù)集、控制塊、遙控通道、虛回路信息、通信參數(shù)、變量類型、變量解析層次等。辨識系統(tǒng)軟件解析SCD模型文件信息如圖8所示。

圖8 辨識系統(tǒng)軟件解析SCD模型文件信息

4 一致性驗(yàn)證技術(shù)研究

4.1 一致性驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

虛測控裝置配置完成后，在圖2系統(tǒng)中同時(shí)接入實(shí)體測控裝置和作為其后備的虛測控裝置，基于數(shù)據(jù)比對和報(bào)文比對2種方法進(jìn)行虛測控裝置和實(shí)體測控裝置的一致性驗(yàn)證[21]?；静襟E如下：

a)驗(yàn)證系統(tǒng)從工程SCD文件中提取虛端子聯(lián)系表，將虛端子聯(lián)系表下裝到仿真合并單元，由仿真合并單元順序觸發(fā)變化遙測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)比對2個(gè)裝置的遙測數(shù)據(jù)[22]，出現(xiàn)較大偏差時(shí)，在差異表中實(shí)時(shí)顯示并記錄，供人工檢查原因。

b)將虛端子聯(lián)系表下裝到仿真智能終端，由仿真智能終端觸發(fā)變化遙信，實(shí)時(shí)比對2個(gè)裝置的遙信狀態(tài)，出現(xiàn)差異時(shí)，在差異表中實(shí)時(shí)顯示并記錄。

c)基于CID文件對實(shí)體測控裝置和虛測控裝置的相同遙控對象進(jìn)行操作，比對2個(gè)裝置的GOOSE發(fā)送報(bào)文，判斷遙控操作的一致性。

d)聯(lián)閉鎖邏輯的一致性驗(yàn)證，通過仿真合并單元和智能終端的自動(dòng)觸發(fā)，結(jié)合人工置數(shù)和人工變位的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 一致性驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驗(yàn)證系統(tǒng)軟件基于QT4.6以上版本開發(fā)，具備SCD文件解析、仿真智能終端、仿真合并單元、IEC 61850客戶端等功能，可以迅速完成實(shí)體測控裝置IEC 61850模型一致性驗(yàn)證工作。相關(guān)軟件界面如圖9所示。區(qū)域1完整展示SCD文件中所包含的模例；區(qū)域2展示一致性驗(yàn)證的結(jié)果；區(qū)域3展示一致性驗(yàn)證過程中當(dāng)前發(fā)送的GOOSE數(shù)據(jù)集、SMV數(shù)據(jù)集或遙控信息的相關(guān)情況；區(qū)域4為標(biāo)準(zhǔn)模型驗(yàn)證結(jié)果信息；區(qū)域5為待驗(yàn)證模型驗(yàn)證結(jié)果信息。

圖9 驗(yàn)證系統(tǒng)軟件模型信息顯示界面

驗(yàn)證系統(tǒng)接入站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)、過程層SV網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)把需要進(jìn)行一致性驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)測控裝置和待驗(yàn)證的測控裝置都接入3個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如圖10所示。驗(yàn)證系統(tǒng)軟件導(dǎo)入SCD文件之后，通過仿真合并單元觸發(fā)變化遙測，進(jìn)行電流、電壓等模擬量一致性驗(yàn)證[23]的工作；通過仿真智能終端觸發(fā)變化遙信，進(jìn)行單點(diǎn)遙信、雙點(diǎn)遙信、整型遙信等狀態(tài)量一致性驗(yàn)證的工作；通過IEC 61850客戶端發(fā)送遙控命令，進(jìn)行測控裝置遙控量一致性驗(yàn)證的工作。

圖10 驗(yàn)證系統(tǒng)軟件與實(shí)體測控裝置的信息交互

驗(yàn)證系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)裝置及帶驗(yàn)證裝置的過程層GOOSE、SV以及站控層的MMS服務(wù)構(gòu)建成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過觸動(dòng)數(shù)據(jù)變化[24]來激發(fā)標(biāo)準(zhǔn)測控裝置與待驗(yàn)證測控裝置輸出變化數(shù)據(jù)(遙測、遙信、GOOSE出口)來獲取模型相關(guān)信息，從而輔助使用者來檢驗(yàn)待驗(yàn)證測控裝置模型與標(biāo)準(zhǔn)測控裝置模型是否一致。工具軟件提供3類數(shù)據(jù)一致性驗(yàn)證的功能：①模型G訪問點(diǎn)下的GOOSE開關(guān)位置狀態(tài)變量觸發(fā)的一致性驗(yàn)證；②模型M訪問點(diǎn)下的SV變量觸發(fā)的一致性驗(yàn)證；③模型S訪問點(diǎn)下的遙控MMS變量觸發(fā)的一致性驗(yàn)證。以模擬量一致性驗(yàn)證為例，閉環(huán)方案設(shè)計(jì)原理如圖11所示。

圖11 模擬量一致性驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理

實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a)標(biāo)準(zhǔn)測控裝置和待驗(yàn)證測控裝置在網(wǎng)采模式下對接收到的SMV報(bào)文進(jìn)行一系列的計(jì)算處理，如果發(fā)送的采樣報(bào)文符合標(biāo)準(zhǔn)測控裝置和待驗(yàn)證測控裝置的SV虛回路配置信息，標(biāo)準(zhǔn)測控裝置和待驗(yàn)證測控裝置則會將變化遙測值以MMS報(bào)告形式上送給已經(jīng)建立通信連接的IEC 61850客戶端。

b)IEC 61850客戶端收到標(biāo)準(zhǔn)測控裝置和待驗(yàn)證測控裝置的變化遙測MMS報(bào)告后會檢查報(bào)告的上送原因，如果上送報(bào)告的原因是數(shù)據(jù)突變、數(shù)據(jù)更新、周期上送，則IEC 61850客戶端會把這個(gè)報(bào)告解析之后的遙測值發(fā)送給驗(yàn)證結(jié)果處理單元。

c)驗(yàn)證結(jié)果處理單元根據(jù)SV信息與標(biāo)準(zhǔn)測控裝置和待驗(yàn)證測控裝置的遙測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理及分析得到一致性驗(yàn)證結(jié)果。

4.3 信息辨識驗(yàn)證的應(yīng)用測試

基于所開發(fā)軟件系統(tǒng)，以某500 kV變電站相關(guān)信息為例進(jìn)行辨識驗(yàn)證的測試檢驗(yàn)，以觀察系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。測試中，采集各類信息19 080條，測試待驗(yàn)證模型與標(biāo)準(zhǔn)模型之間遙測、遙信、遙控信息的辨識驗(yàn)證情況，結(jié)果見表1。

表1 信息辨析驗(yàn)證情況

從結(jié)果可見，所研制系統(tǒng)對不同信息辨識驗(yàn)證的正確率均值達(dá)到98%以上，具有良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

集群測控裝置虛測控單元的ICD模型與實(shí)體測控裝置一致，但內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同，人工辨識與驗(yàn)證的工作量和壓力巨大。為此本文研制了由ICD模型辨識主機(jī)、仿真合并單元、仿真智能終端和被辨識測控裝置組成的ICD模型閉環(huán)辨識與一致性驗(yàn)證系統(tǒng)，用于測控裝置集中式冗余備用方案，實(shí)現(xiàn)更加可靠的變電站監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集功能，有利于支撐智能電網(wǎng)運(yùn)行，提升設(shè)備運(yùn)維效率。