智能變電站一體化信息支撐平臺構(gòu)建分析

易 妍，范 輝，顧雪平

(1．華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2．河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

1 概述

智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力乃至能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的最新動向，代表著未來發(fā)展的方向和社會的進步，智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站，對于建設(shè)堅強的智能電網(wǎng)具有重要意義[1-5]。

面向整個變電站系統(tǒng)的智能化，包括站域控制與保護、輔助運行管理與維護(設(shè)備狀態(tài)可視化、智能告警、故障信息綜合分析與決策)以及區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)經(jīng)濟運行等，要從整個系統(tǒng)角度實現(xiàn)上述智能化功能，需要建立在變電站各種數(shù)據(jù)的全景綜合視圖之上，對變電站各種數(shù)據(jù)進行集成和整合，即在所有數(shù)據(jù)綜合有效可用的前提下，才能真正面向整個變電站實現(xiàn)其智能化。

實現(xiàn)對變電站各種數(shù)據(jù)資源的綜合有效運用本身就是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，最新的國際標準IEC 61850[6]、IEC 61970[7]為實現(xiàn)這個目標提供了相關(guān)標準和技術(shù)理念的支撐。為此開展變電站內(nèi)源端數(shù)據(jù)整合方法的基礎(chǔ)性研究，建立智能變電站一體化信息支撐平臺。為實現(xiàn)該平臺，重點開展以下工作：

a. 基于IEC 61970 CIM、IEC 61850 SCL研究建立面向整個變電站系統(tǒng)的擴展的對象信息模型；

b. 以上述擴展的對象信息模型和IEC 61970 GID為標準，構(gòu)建變電站綜合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺；

c. 構(gòu)建IEC 61850 ACSI / IEC 61970 GID通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

2 模型的協(xié)調(diào)與擴展

實現(xiàn)變電站的數(shù)據(jù)整合，并建立標準化的一體化信息支撐平臺，首先需要建立變電站系統(tǒng)的對象信息模型，主要是IEC 61850 SCL模型[8-9]和IEC 61970 CIM[10-11]模型的建立。但是IEC 61850和IEC 61970標準所提供的模型均無法代表變電站的全部，二者之間需要進行協(xié)調(diào)，同時，針對狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境狀態(tài)、視頻媒體等，又需要擴展。以下針對信息模型存在的不足進行協(xié)調(diào)與擴展。

2.1 模型的協(xié)調(diào)

子站上傳的信息格式是依據(jù)IEC 61850 SCL的，而主站系統(tǒng)的通信接口是遵循IEC 61970 CIM建模規(guī)范的，為實現(xiàn)變電站與調(diào)度中心之間的無縫通信[12]，實際工程中需要進行相互轉(zhuǎn)換映射。首先參考IEC 61970 CIM和IEC 61850標準分別對電力一次系統(tǒng)(變電站、線路、負荷等)和二次系統(tǒng)以及一二次關(guān)聯(lián)關(guān)系等數(shù)據(jù)模型實行統(tǒng)一建模。然后對二者進行協(xié)調(diào)，其中2個UML的關(guān)聯(lián)是關(guān)鍵。Equipment和IEC 61850 General Equipment的繼承關(guān)系允許使用IEC 61850設(shè)備信息擴展CIM。IEC 61970 Measurement和IEC 61850 Data Attribute 之間的關(guān)系允許將CIM量測量映射到IEC 61850對象模型的值。其模型協(xié)調(diào)步驟如下：

a. 基于CIM標準中已有的61850類包，進行適當(dāng)擴展，把SCL模型轉(zhuǎn)化為CIM形式，分LNode、Data、DataAttribute處理;

b. 通過LNode下的LNode. Member Of_LNode Container把邏輯節(jié)點LNode與CIM中一次設(shè)備相關(guān)的Equipment關(guān)聯(lián)起來；

c. 通過配置的量測類型生成Measurement Type，1個Measurement Type下可以包含多個Measurement，1個Measurement對應(yīng)1個Measurement Value；

d. 根據(jù)模型中每一個DataAttribute生成對應(yīng)的一個Measurement，通過Measurement. Measurement Type與對應(yīng)配置的Measurement Type關(guān)聯(lián)，通過Discrete. Contain_Measurement Values或Analog.Contain_Measurement Values關(guān)聯(lián)相對應(yīng)的Measurement Value。

2.2 模型的擴展

面對整個變電站，其數(shù)據(jù)內(nèi)容并未完全包含在當(dāng)前的CIM中，需要進行擴展，比如：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像或多媒體數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等。擴展的原則應(yīng)遵循IEC 61970 CIM的思想。IEC 61970 CIM基于UML(統(tǒng)一建模語言)標準和標準的對象建模方法，根據(jù)對象類描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及定義數(shù)據(jù)間的關(guān)系。信息模型有2種方式描述：一種是UML，描述類、類屬性和類間關(guān)系；另一種是W3C開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)本體語言O(shè)WL，是對XML語言的擴展，用來描述獨立于應(yīng)用的信息描述方式。

進行模型擴展最好的方式是把2種語言相結(jié)合，具體步驟如下：

a. 用UML對擴展抽象運行時類建模，并添加到CIM；

b. 對SCL里的變電站擴展功能類和OWL的擴展運行時類結(jié)合建模；

c. 用OWL對IEC 61850擴展功能模型和CIM之間的關(guān)系進行建模；

d. 使用UML把IEC 61850擴展模型的抽象類中元素和CIM模型進行結(jié)合；

e. 使用OWL把IEC 61850運行時模型和CIM之間的關(guān)聯(lián)細節(jié)進行結(jié)合。

3 一體化信息支撐平臺關(guān)鍵技術(shù)及架構(gòu)

綜合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺是真正實現(xiàn)變電站智能化應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，事實上，該平臺的作用是在“總線”式架構(gòu)體系的支持下，以標準的GID接口向各種變電站綜合應(yīng)用提供基于CIM模型標準的數(shù)據(jù)服務(wù)、系統(tǒng)集成服務(wù)、通用技術(shù)支撐服務(wù)。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 技術(shù)“總線”

數(shù)字化系統(tǒng)集成的概念要求實現(xiàn)在物理網(wǎng)絡(luò)空間上廣泛分布的不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互操作，而實現(xiàn)互操作的傳統(tǒng)方式是采用基于字節(jié)流的通信規(guī)約，這種低層次的通信規(guī)約，使不同系統(tǒng)之間實現(xiàn)互聯(lián)互操作造價高昂并且非常困難。

分布式系統(tǒng)技術(shù)所提供的基礎(chǔ)設(shè)施邏輯上就像一條“軟總線”，而且這條“總線”可以跨越整個基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約的網(wǎng)絡(luò)，伸展到網(wǎng)絡(luò)的任何一個計算機設(shè)備，分布在網(wǎng)絡(luò)任何位置的應(yīng)用程序或?qū)ο蠼M件均可掛在這條無形的“總線”之上，實現(xiàn)互相之間的數(shù)據(jù)交互操作。

3.1.2 通用接口定義

EPRI(美國電力科學(xué)研究院)的控制中心應(yīng)用程序接口(CCAPI)項目的通用接口定義提供了一系列的API用于其它應(yīng)用軟件獲取電力數(shù)據(jù)或相互之間交換電力數(shù)據(jù)。主要包含以下服務(wù)。

a. 公用數(shù)據(jù)訪問服務(wù)(GDA)：基于CIM信息組織的用來訪問公共數(shù)據(jù)所需要的API服務(wù)。

b. 高速數(shù)據(jù)訪問服務(wù)(HSDA)：簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)高速訪問所需的API服務(wù)，復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)典型的是作為一個數(shù)據(jù)組來進行訪問的，并且需要被有效地映射為客戶端內(nèi)存空間中的變量。

c. 通用的事件和訂閱服務(wù)(GES)：一個事件警告發(fā)布和訂閱的通用性能所需要的API服務(wù)。包括發(fā)布和訂閱主題的能力。也支持事件的“send and forget”數(shù)據(jù)交換模式。

d. 時序數(shù)據(jù)訪問服務(wù)(TSDA)：訪問時序數(shù)據(jù)所需的API服務(wù)。包括以請求/響應(yīng)和發(fā)布/訂閱為對象進行交換的能力。

3.1.3 基于CORBA技術(shù)的GID

綜合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺基于CORBA分布式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建，包括構(gòu)建DAF接口服務(wù)器實現(xiàn)GID的GDA服務(wù)；構(gòu)建HDAIS接口服務(wù)器實現(xiàn)GID的TSDA服務(wù)；構(gòu)建DAIS接口服務(wù)器實現(xiàn)GID的HSDA服務(wù)和GES服務(wù)。

基于數(shù)據(jù)平臺之上的應(yīng)用系統(tǒng)可以通過平臺提供的DAF接口、或HDAIS接口、或DAIS接口服務(wù)器，經(jīng)分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施提供的“軟總線”，訪問平臺提供的通用數(shù)據(jù)。

3.1.4 ACSI/GID網(wǎng)關(guān)

ACSI-GID網(wǎng)關(guān)主要進行變電站智能數(shù)據(jù)平臺通信服務(wù)和變電站自動化系統(tǒng)通信服務(wù)的映射，ACSI/GID網(wǎng)關(guān)置于被監(jiān)測變電站內(nèi)部，用以實現(xiàn)站內(nèi)IEC 61850數(shù)據(jù)(包括模型和接口)向綜合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的IEC 61970數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，主要包括以下幾點。

a. 關(guān)聯(lián)服務(wù)映射：IEC 61970第五部分描述了在特定技術(shù)的上下文中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的功能，IEC 61850服務(wù)可以映射到IEC 61970第五部分。

b. 獲取和設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)映射：IEC 61970 HSDA(DAIS)提供了讀寫IEC 61850運行時模型對象的功能。

c. 控制服務(wù)映射：控制是通過一系列的IEC 61850 MMS和DAIS間的映射的讀寫來完成的。

d. 數(shù)據(jù)集服務(wù)映射：IEC 61970目前不支持在遠程設(shè)備上創(chuàng)建數(shù)據(jù)的功能。IEC 61970將創(chuàng)建一個新的第四部分內(nèi)容來支持這個方法。

e. 報告服務(wù)映射：IEC 61970 HSDA支持客戶端接收未經(jīng)請求的事件。為了完全支持IEC 61850的報告，HSDA客戶端必須支持復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

f. 日志服務(wù)映射：IEC 61850的日志可以通過IEC 61970 TSDA(HDAIS)訪問。

g. 高速端對端服務(wù)映射：GOOSE和SMV數(shù)據(jù)可以通過使用HSDA事件分發(fā)到O&M應(yīng)用程序中。

h.自描述服務(wù)映射：HSDA支持瀏覽模型信息/裝置模型。

i. 設(shè)置組服務(wù)映射：HSDA支持向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，可以用它來完成對設(shè)置組的更改。需要HSDA客戶端和服務(wù)器支持復(fù)雜數(shù)據(jù)。

j. 取代服務(wù)映射：HSDA支持向遠程IEC 61850裝置寫數(shù)據(jù)。

k. 文件傳輸服務(wù)映射：IEC 61970目前不支持文件傳輸。將來會在IEC 61970的第四部分加入這種功能，目前可以用因特網(wǎng)文件傳輸服務(wù)(FTP)來完成文件傳輸。

ACSI/GID網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 ACSI/GID網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)示意

3.2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

基于標準化的信息模型(CIM)和數(shù)據(jù)操作接口(IEC 61970 GID)，將變電站內(nèi)所有的數(shù)據(jù)進行整合，并提供標準化的數(shù)據(jù)服務(wù)，即構(gòu)建面向整個變電站的一體化信息支撐平臺。平臺將可向數(shù)據(jù)應(yīng)用者高效提供變電站全景數(shù)據(jù)視圖，并向數(shù)據(jù)應(yīng)用者提供標準的CIM/GID服務(wù)。IEC 61970 GID中的代理技術(shù)將所有物理上相對獨立的數(shù)據(jù)資源在邏輯上進行統(tǒng)一，并構(gòu)成虛擬的變電站綜合數(shù)據(jù)服務(wù)中心，可以使應(yīng)用軟件面對一個完整的數(shù)據(jù)視圖，從而可以綜合有效運用各種數(shù)據(jù)。

通過平臺內(nèi)部的GID集成總線，可以將多個ACSI-GID網(wǎng)關(guān)(置于多個變電站內(nèi)，適于集控站下屬多個變電站的情況)所提供的GID服務(wù)的數(shù)據(jù)源互聯(lián)，在邏輯上形成整體的CIM/GID數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，向智能化應(yīng)用提供綜合數(shù)據(jù)服務(wù)。

如圖2所示，整個系統(tǒng)由ACSI/GID網(wǎng)關(guān)、智能變電站綜合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、智能應(yīng)用構(gòu)成，綜合數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和建立在其上的智能應(yīng)用共同構(gòu)成主站系統(tǒng)，該主站系統(tǒng)可置于大型變電站的監(jiān)控中心或集控站的監(jiān)控中心，也可置于遠程調(diào)度監(jiān)控中心。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 一體化信息支撐平臺的應(yīng)用

變電站內(nèi)各類數(shù)據(jù)的集成是變電站智能應(yīng)用實現(xiàn)的基礎(chǔ)。因此，智能一體化信息支撐平臺采用標準化的數(shù)據(jù)交換協(xié)議、面向全電網(wǎng)應(yīng)用、建立全變電站信息交換標準化管理的數(shù)據(jù)管理機制，實現(xiàn)對變電站內(nèi)外的各種數(shù)據(jù)進行集成和處理。變電站數(shù)據(jù)的完整性、一致性、正確性和標準化，將為智能變電站高級應(yīng)用功能的實現(xiàn)奠定堅實完備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在變電站能夠?qū)崿F(xiàn)變電站級的狀態(tài)評估后，可以將傳統(tǒng)的由調(diào)度中心進行的一些功能拓展到變電站內(nèi)，實現(xiàn)變電站內(nèi)的不良數(shù)據(jù)檢測與辨識、接線拓撲辨識、狀態(tài)預(yù)測，也為全網(wǎng)提供更準確的數(shù)據(jù)源。

在變電站級狀態(tài)評估后，在以當(dāng)前時刻狀態(tài)評估的結(jié)果預(yù)測短期后某一時刻(如15 min后)變電站的狀態(tài)，即以現(xiàn)在的數(shù)據(jù)預(yù)測未來的趨勢和狀態(tài)。短期預(yù)測結(jié)果使運行人員對未來可能出現(xiàn)的非正常狀態(tài)提前進行準備和采取控制措施，起到變電站安全預(yù)警作用。

智能變電站一體化信息平臺的建設(shè)還為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和實現(xiàn)手段，對一次設(shè)備進行在線數(shù)據(jù)分析和總結(jié)、狀態(tài)觀測，按照設(shè)備需要進行檢修，對二次設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，對設(shè)備進行常規(guī)維護。利用IEC 61850提供的建模方法，建立設(shè)備狀態(tài)檢修的信息模型，通過構(gòu)建可靠實用的狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警算法和機制，即可利用所獲的設(shè)備工作及狀態(tài)信息，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測，并能夠根據(jù)判別結(jié)果，進行相應(yīng)的告警、保護等措施，保證一次設(shè)備的可靠性。同時，利用IED本身具備的狀態(tài)檢修實施基礎(chǔ)，可以分析二次設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修。

5 結(jié)束語

探討了基于IEC 1970 CIM和IEC 1850 SCL模型的變電站信息建模與協(xié)調(diào)方法，在此基礎(chǔ)上，提出以面向?qū)ο蟮乃枷牒头植际较到y(tǒng)技術(shù)構(gòu)建面向整個變電站的高性能一體化信息支撐平臺的思路和實現(xiàn)技術(shù)。該平臺可實現(xiàn)變電站站內(nèi)、站間以及與調(diào)度端的信息交互和信息共享，可將變電站內(nèi)多套孤立系統(tǒng)集成為基于信息共享基礎(chǔ)上的業(yè)務(wù)應(yīng)用。上述技術(shù)平臺不僅可以使部分智能化應(yīng)用軟件以“即插即用”的方式接入智能變電站，而且可使所有外掛在技術(shù)平臺之上的系統(tǒng)實現(xiàn)高度的數(shù)據(jù)共享及互操作。該技術(shù)平臺的開發(fā)可以較好地解決智能變電站信息系統(tǒng)的一體化設(shè)計和全面整合問題，為變電站智能化提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 張文亮,劉壯志,王明俊，等.智能電網(wǎng)的研究進展及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):1-11.

[2] 李興源,魏 巍,王渝紅,等.堅強智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(17):1-7.

[3] 謝 開,劉永奇,朱治中,等.面向未來的智能電網(wǎng)[J].中國電力,2008,41(6):19-22.

[4] 余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(1):7-11.

[5] 牛朋超,康積濤,李愛武,等.智能電網(wǎng)開啟電網(wǎng)運行新形式[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(19): 240-244.

[6] IEC 61850—2004.Communication Networks and System in Substation[S].

[7] IEC 61970—2004.Energy management system application program interface(EMS-API)[S].

[8] 向珉江,高厚磊,史先好,等.基于IEC 61850標準的線路保護功能建模[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(3):127-131.

[9] 韓法玲,黃潤長,張 華,等.基于IEC61850標準的IED建模分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(19):219-222.

[10] 朱見偉,丁巧林,楊 宏，等.配電網(wǎng)CIM綜合模型的構(gòu)建與應(yīng)用[J].繼電器,2006,34(10):60-63，72.

[11] 毛 鵬,魏晉雁,茹 鋒.基于IEC 61970的電力系統(tǒng)二次設(shè)備CIM建模初探[J].繼電器,2007,35(11):65-68，78.

[12] 丁希亮,李建祥,孟祥軍,等.IEC 61850在數(shù)字化變電站直流電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(23): 147-152.