智能變電站二次虛回路對象化信息模型描述方法研究

紀(jì)陵，李忠明，蔣衍君，裘愉濤，仇群輝，江偉建

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003；2.浙江電力調(diào)度控制中心，杭州 310007；3.浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

智能變電站二次虛回路對象化信息模型描述方法研究

紀(jì)陵1，李忠明1，蔣衍君1，裘愉濤2，仇群輝3，江偉建3

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003；2.浙江電力調(diào)度控制中心，杭州 310007；3.浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

介紹了智能變電站二次虛回路的構(gòu)成狀況，參照變電站一次拓?fù)涞拿枋龇椒?，論述了二次設(shè)備虛擬二次回路對象及其回路連接關(guān)系，構(gòu)建了一套智能變電站二次虛回路對象化信息模型描述方法，為智能變電站二次虛回路的可視化狀態(tài)監(jiān)測和各類高級應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)建立了模型基礎(chǔ)。

智能變電站；二次虛回路；虛導(dǎo)線；虛端子；有向圖；鄰接矩陣；二次回路組；信息模型

0 引言

隨著變電站的智能化水平越來越高，其系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，變電站二次設(shè)備在整個系統(tǒng)中的作用顯得日益重要。智能變電站實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，并以通信網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的二次回路，以網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)字信息取代了傳統(tǒng)物理上的電氣信號。智能變電站中包括采樣、保護(hù)跳合閘及五防聯(lián)閉鎖等在內(nèi)的大量二次應(yīng)用功能都是基于網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)的。用傳輸看不見、摸不著的通信報(bào)文的二次虛回路取代傳統(tǒng)二次回路，使得變電站二次回路的狀態(tài)檢測和運(yùn)行維護(hù)方式都發(fā)生了巨大變化［1-5］。

當(dāng)前智能變電站二次虛回路的狀態(tài)監(jiān)測主要依靠專業(yè)技術(shù)人員通過通信報(bào)文輔助分析故障原因，沒有簡單和直觀的手段，以方便運(yùn)行維修人員對全站二次虛回路的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，輔助運(yùn)行維修人員快速分析原因、準(zhǔn)確定位故障，并對二次虛回路異?？赡茉斐傻难b置誤動（或應(yīng)用功能失效）及時發(fā)現(xiàn)隱患，提前預(yù)警并進(jìn)行相關(guān)處理［6-7］。此外，隨著新一代智能變電站應(yīng)用的不斷深入，系統(tǒng)集成的要求也越來越高，站域保護(hù)等集成化應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)也是基于全站二次網(wǎng)絡(luò)虛回路來實(shí)現(xiàn)的。而智能變電站二次虛回路的對象化建模是實(shí)現(xiàn)智能變電站二次虛擬回路狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)，也是為變電站各類應(yīng)用功能提供統(tǒng)一的全站二次虛回路配置描述的技術(shù)支撐。因此，有必要開展智能變電站二次虛回路對象化信息建模技術(shù)的研究，建立符合變電站二次回路運(yùn)行維修和檢修習(xí)慣的智能變電站虛回路對象模型體系。

1 智能變電站二次虛回路的構(gòu)成

常規(guī)變電站二次回路主要由開關(guān)量輸入（輸出）回路、控制和保護(hù)跳閘信號輸出回路、交流采樣回路組成。常規(guī)變電站通過二次電纜實(shí)現(xiàn)交流量采樣和開關(guān)量輸入（輸出）二次回路連接和信號傳輸。在常規(guī)變電站二次設(shè)備中，各應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的二次回路連接關(guān)系，二次回路輸入端、二次回路輸出端及連接電纜是3個關(guān)鍵要素。在常規(guī)變電站中，通常是通過檢測裝置輸入端采樣和開關(guān)量信號來確認(rèn)實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備功能的外部輸入是否正確，通過檢測裝置輸出端開出信號來確認(rèn)該裝置二次功能的動作行為和信號輸出是否正確，通過二次電纜實(shí)現(xiàn)各二次設(shè)備和外部設(shè)備輸入、輸出端相連。常規(guī)變電站二次回路構(gòu)成如圖1所示。

與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站的交流采樣（SV）及開關(guān)量輸入／輸出信號回路均采用網(wǎng)絡(luò)通信方式。間隔層設(shè)備之間、間隔層與過程層設(shè)備之間通過點(diǎn)對點(diǎn)或交換機(jī)組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)交流采樣和開關(guān)量輸入、輸出面向通用變電站事件（GOOSE）信號的信息傳輸。智能變電站二次設(shè)備SV及開關(guān)量輸入、輸出回路的連接也由常規(guī)的二次電纜變?yōu)橥ㄐ烹娎|，并通過傳輸SV和GOOSE報(bào)文，實(shí)現(xiàn)交流量采樣和開關(guān)量輸入、輸出信號的傳輸，各二次設(shè)備之間通過“發(fā)布／訂閱”方式實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的交互。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站通過監(jiān)測和分析接收到的SV和GOOSE報(bào)文，來檢查實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備保護(hù)或測控等功能的外部輸入量是否正確，通過監(jiān)測和分析開關(guān)量輸出信號和控制及跳閘命令出口的GOOSE報(bào)文，來檢查二次設(shè)備各功能的動作行為和信號輸出是否正確。

圖1 常規(guī)變電站二次回路構(gòu)成

此外，傳統(tǒng)變電站交流采樣和開關(guān)量信號傳輸電纜的兩端對應(yīng)信號傳輸?shù)脑炊撕湍康亩?，每端和每路信號回路的接入或接出物理端子相連，每根二次電纜形成了每個信號的傳輸導(dǎo)線。而智能變電站的交流采樣和開關(guān)量輸入、輸出是基于通信電纜實(shí)現(xiàn)信號傳輸，每根通信電纜中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能包括了多組GOOSE數(shù)據(jù)或SV數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)集中的每個傳輸數(shù)據(jù)對應(yīng)了一個開關(guān)量信號或一路交流采樣。因此，智能變電站每個開關(guān)量信號或交流采樣的傳輸實(shí)際上是基于數(shù)據(jù)集的二進(jìn)制狀態(tài)量或者是浮點(diǎn)型或整型模擬量的數(shù)據(jù)信息交互。智能變電站配置描述（SCD）文件中描述了所有二次設(shè)備可以發(fā)布的GOOSE或SV數(shù)據(jù)集，并通過定義二次設(shè)備所包含各功能邏輯設(shè)備下邏輯節(jié)點(diǎn)（LN0）所屬的Inputs／ExtRef元素來描述各二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)各功能所需的采樣或信號輸入，通過外部接入數(shù)據(jù)對象參引和內(nèi)部數(shù)據(jù)對象屬性之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)外部信號的輸入，這種映射關(guān)系也形成了數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)布的每路采樣或每個開關(guān)量信號和信號接收端接收到的每路采樣或接入信號之間的虛連接關(guān)系，可將各二次設(shè)備每路信號發(fā)布端和接收端之間形成的虛連接稱作虛導(dǎo)線。

智能變電站二次設(shè)備含有一個或多個物理鏈路端口，一般用不同的物理端口實(shí)現(xiàn)SV或GOOSE信號的傳輸。為了區(qū)分信號傳輸?shù)姆较?，可將二次設(shè)備的物理端口分為物理上的發(fā)送端和接收端。為了區(qū)分信號的不同來源，還可將一個物理發(fā)送端口分為邏輯上的多個不同的數(shù)據(jù)發(fā)布端。因此，一個物理端口可能包括多個邏輯發(fā)布端和一個接收端，通過區(qū)分不同的邏輯端口，可以清晰地表達(dá)各二次設(shè)備之間存在的一發(fā)多收或多發(fā)一收的信號傳輸關(guān)系。

因此，與常規(guī)變電站二次回路相比，智能變電站虛擬二次回路由開關(guān)量信號或交流采樣的物理發(fā)送端口、接收端口以及通信連接光纜等組成。每個物理發(fā)送端口可能包含多個邏輯上的數(shù)據(jù)發(fā)布端，對于同一個二次設(shè)備，其GOOSE發(fā)送端和GOOSE接收端也可能采用相同的物理端口。各發(fā)送端口和接收端口之間通過傳輸SV和GOOSE報(bào)文，實(shí)現(xiàn)采樣值數(shù)據(jù)和開關(guān)量信號的傳輸，各二次設(shè)備根據(jù)二次功能實(shí)現(xiàn)的需要訂閱所需要接入的外部數(shù)據(jù)。二次設(shè)備內(nèi)部訂閱數(shù)據(jù)和外部裝置發(fā)布數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，形成了連接智能變電站各二次設(shè)備之間的虛導(dǎo)線，發(fā)布端數(shù)據(jù)對象以及各二次設(shè)備Inputs／ExtRef中訂閱的數(shù)據(jù)元素構(gòu)成了智能變電站二次設(shè)備發(fā)布端和接收端的虛端子，數(shù)據(jù)對象在發(fā)布數(shù)據(jù)集中的順序或在訂閱數(shù)據(jù)元素中的順序，形成了在虛端子中的位置。

虛端子和虛導(dǎo)線是為了和傳統(tǒng)變電站二次信號電纜和信號端子相對應(yīng)而設(shè)置的虛擬邏輯概念，在物理上是看不見摸不著的。因此，將包含多個邏輯發(fā)布端口的物理鏈路發(fā)送端和物理鏈路接收端以及虛導(dǎo)線、虛端子所組成的智能變電站各二次設(shè)備之間的二次回路稱為智能變電站二次虛回路。智能變電站二次虛回路的構(gòu)成如圖2所示。

2 智能變電站二次回路連接關(guān)系的表示

目前智能變電站配置描述語言（SCL）文件中僅對智能變電站各通信子網(wǎng)、接入子網(wǎng)的各智能電子設(shè)備（IED）網(wǎng)絡(luò)地址以及IED各數(shù)據(jù)發(fā)布端組播地址等配置信息進(jìn)行描述，而智能變電站中各二次設(shè)備間的二次回路（即通信鏈路）的連接關(guān)系以及基于二次回路傳輸?shù)母餍盘栔g的輸入、輸出關(guān)系，在SCL中均沒有清晰的描述。

圖2 智能變電站二次虛回路構(gòu)成

圖3 二次設(shè)備間二次回路連接示意

對比常規(guī)變電站的二次回路，開關(guān)量或交流采樣信號總是從信號的發(fā)送端發(fā)往信號的接收端，控制命令或跳閘命令也是從出口信號的發(fā)送端發(fā)往命令的接收端，因此，基于二次回路傳輸?shù)母餍盘柨偸谴嬖诠潭ǖ牧飨?。為了能夠表達(dá)智能變電站各二次設(shè)備之間基于二次回路傳輸?shù)男畔⒘飨?，可?根由發(fā)送端指向接收端的有向連接線來表示各二次設(shè)備之間二次回路的連接關(guān)系。2組二次設(shè)備之間如果僅通過1根物理連接鏈路實(shí)現(xiàn)通信連接，但彼此之間都存在信息的輸入、輸出關(guān)系，則可用2根有向連接線表示2組二次設(shè)備之間二次回路的連接關(guān)系。因此，智能變電站二次回路可以用一個有向圖表示，包含發(fā)送端或接收端的各二次設(shè)備對應(yīng)該有向圖的頂點(diǎn)，二次設(shè)備之間的有向連接線對應(yīng)有向圖的弧。為了能夠區(qū)分SV和GOOSE信號回路，通常將SV回路和GOOSE信號回路分開表示，對于同一組二次設(shè)備可用2張有向圖，分別表示該設(shè)備SV二次回路和GOOSE信號二次回路的連接關(guān)系，圖3描繪了1組二次設(shè)備之間的二次回路連接關(guān)系。

用G1頂點(diǎn)表示圖3中包含發(fā)送和接收GOOSE信號端口的IED2，用G2頂點(diǎn)表示包含發(fā)送和接收GOOSE信號端口的IED3，用G3頂點(diǎn)表示包含發(fā)送和接收GOOSE信號端口的IED4，用G4頂點(diǎn)表示包含發(fā)送和接收GOOSE信號端口的IED5，用G5頂點(diǎn)表示包含發(fā)送和接收GOOSE信號端口的IED6，并用M1頂點(diǎn)表示僅包含發(fā)送SV信號端口的IED1，用M2頂點(diǎn)表示包含接收SV采樣信號端口的IED1。則圖3所示的IED1～I(xiàn)ED6之間的二次回路連接關(guān)系可用圖4所示的有向圖表示?？梢酝ㄟ^鄰接矩陣來描述二次回路的有向圖，圖5用一個鄰接矩陣描述了圖4所示的有向圖中代表IED的各頂點(diǎn)及其之間存在的GOOOSE鏈路連接和GOOSE信號輸入輸出關(guān)系的有向弧。

圖4 二次回路連接有向圖表示示意

圖5 二次回路連接鄰接矩陣

對于鄰接矩陣中的任意頂點(diǎn)Vij，鄰接矩陣第i行中所有非0元素對應(yīng)的頂點(diǎn)，表示從頂點(diǎn)Vij出發(fā)的直接后繼節(jié)點(diǎn)，鄰接矩陣第j列中所有非0元素對應(yīng)的頂點(diǎn)，表示流向頂點(diǎn)Vij的所有直接前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，頂點(diǎn)Vij和其所有直接前驅(qū)節(jié)點(diǎn)和直接后繼節(jié)點(diǎn)之間的有向弧，組合在一起構(gòu)成一個二次設(shè)備的二次回路組，該二次回路組表達(dá)了所有和頂點(diǎn)Vij所代表的IED相關(guān)聯(lián)的所有輸入、輸出二次回路的連接關(guān)系，并通過各頂點(diǎn)之間的前驅(qū)和后繼關(guān)系清晰地描述了各二次設(shè)備之間信息的流向。

因此，通過有向圖和鄰接矩陣可清晰地表示智能變電站各二次設(shè)備之間存在物理通信鏈路連接的二次回路連接關(guān)系，同時通過有向弧或鄰接矩陣中前驅(qū)和后繼節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系還能清晰地反映出各二次設(shè)備之間信息流的流向，并能表示出在二次回路中和某個二次設(shè)備存在直接回路連接的所有的二次設(shè)備及其之間的連接關(guān)系。

3 智能變電站二次回路對象建模

為了能夠描述智能變電站各二次設(shè)備之間二次回路的連接關(guān)系和信息流向，并能描述各二次設(shè)備之間存在的虛導(dǎo)線以及各二次設(shè)備發(fā)送端或接收端所對應(yīng)的虛端子，應(yīng)采用面向?qū)ο蟮男畔⒔７绞絹砻枋鋈径翁摶芈芳捌溥B接關(guān)系，并能為全站各類應(yīng)用功能提供統(tǒng)一的全站二次虛回路描述信息，通過建立全站二次虛回路信息資源的共享機(jī)制，為全站各類應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)提供必要的技術(shù)支撐。

智能變電站二次虛回路的連接關(guān)系描述了智能變電站內(nèi)各二次設(shè)備之間通過物理通信鏈路實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的二次回路的連接。由于二次回路連接的描述內(nèi)容和變電站一次拓?fù)漭^為接近，因此，可以參考變電站一次拓?fù)涞拿枋龇椒?，來描述二次設(shè)備的回路連接關(guān)系［8］。圖6所示為智能變電站二次回路連接關(guān)系對象層次結(jié)構(gòu)。

圖6 二次回路對象層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)交流采樣和開關(guān)量輸入、輸出信息不同的數(shù)據(jù)類型，可將智能變電站分為邏輯上相互獨(dú)立的3個通信子網(wǎng)，即SV通信子網(wǎng)、GOOSE通信子網(wǎng)及制造報(bào)文規(guī)范（MMS）通信子網(wǎng)。將邏輯上存在數(shù)據(jù)信息交互的1組二次設(shè)備及其之間的連接鏈路看作彼此間存在二次回路直接連接關(guān)系的設(shè)備二次回路組，1個設(shè)備二次回路組通常以某一設(shè)備為中心，將和該二次設(shè)備之間存在直接二次回路連接關(guān)系的所有二次設(shè)備之間的二次連接回路組合在一起，構(gòu)成1個二次設(shè)備回路組。變電站內(nèi)可能存在多個二次設(shè)備回路組，1個二次設(shè)備也可能屬于多個二次回路組，每個二次設(shè)備還對應(yīng)包含一個或多個物理鏈路端口。為了清晰地描述各二次設(shè)備之間信息流的流向，可將二次設(shè)備物理鏈路端口分為邏輯上的數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端，并且用發(fā)送端指向接收端的有向鏈接表示二次設(shè)備之間存在的物理鏈路連接，因此如果2個設(shè)備相互之間存在信息的輸入、輸出關(guān)系，并且僅通過1條物理鏈路傳輸2個設(shè)備之間交互的數(shù)據(jù)，則可以用2條邏輯上相互獨(dú)立的有向鏈接來表示二次設(shè)備之間存在的信息交互，并通過有向鏈接實(shí)現(xiàn)和各二次設(shè)備接收端和發(fā)送端的相連。對應(yīng)到有向圖中，該有向鏈接可以用有向圖中的弧表示，發(fā)送端和接收端的二次設(shè)備可以用有向圖中的頂點(diǎn)表示。

由于二次設(shè)備之間的每條鏈路連接中可能包含了一組或多組數(shù)據(jù)集信息傳輸，接收端的每個接入數(shù)據(jù)對象傳輸信息中包含了發(fā)送端數(shù)據(jù)對象參引和接收端內(nèi)部數(shù)據(jù)對象屬性，外部數(shù)據(jù)對象參引和接收端內(nèi)部數(shù)據(jù)對象屬性之間的映射關(guān)系又形成了各二次設(shè)備之間的虛導(dǎo)線，因此，每條數(shù)據(jù)鏈路下可能包含了多條虛導(dǎo)線，二次設(shè)備對應(yīng)的每個發(fā)送端和接收端也包含了多個虛端子，虛導(dǎo)線的方向應(yīng)由發(fā)布端的虛端子指向接收端的虛端子。

智能變電站二次虛擬回路對象信息模型可參照SCL文件中對通信網(wǎng)絡(luò)配置已有的描述方法，同時參考變電站一次拓?fù)涞拿枋龇椒?，來描述二次設(shè)備虛擬二次回路對象及其回路連接關(guān)系［9-10］。通過增加帶方向的物理連接鏈路對象和虛導(dǎo)線對象，并在二次設(shè)備物理鏈路端口下增加所對應(yīng)的邏輯發(fā)送端和接收端對象，通過鏈路連接及虛導(dǎo)線與對應(yīng)端口或虛端子的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次虛回路的描述。

在智能變電站SCL通信網(wǎng)絡(luò)配置中，已描述了各裝置的無線訪問接入點(diǎn)（AP）以及每個訪問點(diǎn)下的對應(yīng)的通用變電站事件（GSE）和采樣值（SMV）邏輯發(fā)送端的配置信息，并在Inputs／ExtRef中定義了各二次設(shè)備接收端所訂閱的數(shù)據(jù)。在一般情況下，每個二次設(shè)備的訪問點(diǎn)和一個物理鏈路端口或一組邏輯鏈路端口相對應(yīng)，因此，通過導(dǎo)入變電站SCD文件，可以自動生成變電站各二次設(shè)備所包含的物理端口以及其所對應(yīng)的邏輯鏈路端口對象，同時根據(jù)SCD文件各二次設(shè)備發(fā)送端的數(shù)據(jù)集對象和接收端引入數(shù)據(jù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)元素對象，實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端虛端子的自動生成。通過圖、模、庫一體化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)變電站二次虛回路連接的圖形化配置，通過連接鏈路實(shí)現(xiàn)邏輯上的發(fā)布端虛端子及接收端虛端子的相連，并可自動完成各二次設(shè)備之間虛導(dǎo)線的連接，同時生成各二次設(shè)備之間的虛導(dǎo)線對象，從而完成變電站整個二次虛回路的完整描述。

4 結(jié)束語

智能變電站二次虛回路對象化信息模型描述是開展智能變電站二次虛回路狀態(tài)監(jiān)測，并進(jìn)行二次回路運(yùn)行維修的重要基礎(chǔ)。本文通過對比傳統(tǒng)變電站二次回路，研究了智能變電站二次虛回路對象化信息模型表示的方法，基于傳統(tǒng)二次回路的描述和運(yùn)行維修模式，提出了一套智能變電站二次虛回路的描述和分析方法，該方法符合變電站二次回路傳統(tǒng)運(yùn)行、維修和檢修的習(xí)慣，為智能變電站二次虛回路的狀態(tài)監(jiān)測和二次虛回路運(yùn)行維修技術(shù)的進(jìn)一步深化奠定了基礎(chǔ)。本文提出的智能變電站二次虛回路描述方法，能夠清晰地反映智能變電站全站各二次設(shè)備之間二次虛回路的連接關(guān)系、基于二次通信鏈路傳輸數(shù)據(jù)信息流的流向以及基于二次通信鏈路傳輸?shù)母髀凡蓸又岛烷_關(guān)量信號傳輸虛導(dǎo)線及其連接關(guān)系，為站域保護(hù)、站域控制等新一代智能變電站新功能、新需求的實(shí)現(xiàn)提供了模型基礎(chǔ)。本文所建立的智能變電站二次虛回路的表示方法，還有許多有待改進(jìn)的地方，需要在實(shí)踐中不斷補(bǔ)充、完善。本文所探索研究的智能變電站虛擬二次回路描述方法，希望能為實(shí)現(xiàn)變電站虛擬二次回路狀態(tài)監(jiān)測和提高智能變電站虛擬二次回路運(yùn)行、維修效率提供一種技術(shù)思路。

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（本文責(zé)編：王書平）

TM 41

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：1674-1951（2015）02-0004-05

紀(jì)陵（1982—），男，江蘇泰州人，工程師，工程碩士，從事智能變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)方面的研究工作（E-mail：sacjl＠126.com）。

李忠明（1972—），男，江蘇丹陽人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事電力監(jiān)控及調(diào)度自動化方面的研究工作。

蔣衍君（1975—），男，黑龍江尚志人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事電力監(jiān)控及調(diào)度自動化方面的研究工作。

裘愉濤（1967—），男，浙江嵊州人，高級工程師，工程碩士，從事繼電保護(hù)管理與智能變電站技術(shù)方面的研究工作。

2014-06-10；

2014-11-06