智能變電站配置文件技術(shù)與管控方案

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(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.國(guó)網(wǎng)上海電力公司，上海 200122)

0 引 言

智能變電站是基于先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED)，以變電站信息數(shù)字化、通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線(xiàn)分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的新型變電站[1]。與常規(guī)變電站相比，智能變電站用光信號(hào)代替電信號(hào)，通過(guò)配置文件的形式描述了各智能電子設(shè)備之間信息的流向。傳統(tǒng)的采樣信號(hào)、跳閘出口、啟動(dòng)失靈等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)而通過(guò)GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)報(bào)文的形式進(jìn)行傳送，傳統(tǒng)二次圖紙變成配置文件的形式，這對(duì)變電站運(yùn)維檢修工作提出了新的要求。

智能變電站配置文件定義了全體智能電子設(shè)備的配置情況、信息通信等信息，是智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行的依據(jù)，也是現(xiàn)階段電網(wǎng)運(yùn)維單位研究的重要內(nèi)容。

1 智能變電站配置文件體系

1.1 IED功能描述文件

智能電子設(shè)備功能描述文件(IED Capability Description, ICD)是智能電子設(shè)備的功能描述文件。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)ICD文件進(jìn)行了描述，ICD文件用于在設(shè)備配置工具和智能電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其主要是對(duì)智能電子設(shè)備進(jìn)行功能描述[2]。

1.2 IED實(shí)例配置文件

IED實(shí)例配置文件(Configured IED Description file, CID)詳細(xì)描述了如何對(duì)智能電子設(shè)備進(jìn)行功能配置，它的文件內(nèi)容與ICD文件類(lèi)似，是智能電子設(shè)備在不同工程中的實(shí)例化描述。

1.3 系統(tǒng)規(guī)范描述文件

變電站系統(tǒng)規(guī)范描述文件(System Specification Description, SSD)主要用于描述變電站開(kāi)關(guān)場(chǎng)一次系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及相關(guān)聯(lián)的邏輯設(shè)備和邏輯節(jié)點(diǎn)。SSD文件通常包含在變電站功能配置文件(SCD)中，為SCD文件提供變電站一次接線(xiàn)等信息[3]。

1.4 變電站功能配置文件

變電站功能配置文件(System Configuration Description, SCD)是智能變電站功能配置文件，它將孤立的智能電子設(shè)備與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)銜接起來(lái)，在智能變電站配置文件體系中占據(jù)核心地位。SCD文件包含了智能變電站所有設(shè)備的結(jié)構(gòu)和布局，是智能變電站配置文件管控的關(guān)鍵，也是研究的主要內(nèi)容。

1.5 配置文件流轉(zhuǎn)過(guò)程

在工程實(shí)例中，智能變電站配置文件流轉(zhuǎn)過(guò)程如圖1所示。設(shè)備制造廠(chǎng)商向工程集成商提供智能電子設(shè)備的ICD文件；設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)根據(jù)變電站一次接線(xiàn)圖等實(shí)際需求生成初始SSD文件；集成商通過(guò)讀取各智能電子裝置的ICD文件，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)全站通訊信息進(jìn)行配置，生成系統(tǒng)配置描述文件SCD；各產(chǎn)品制造商拿到統(tǒng)一的SCD文件，從中導(dǎo)出本工程實(shí)例化的CID文件，下發(fā)到設(shè)備中。

圖1 智能變電站配置文件流轉(zhuǎn)過(guò)程圖

2 智能變電站SCD文件解析

鑒于SCD文件在智能變電站配置文件體系中的重要地位，現(xiàn)有的智能變電站配置文件管控系統(tǒng)主要以SCD文件為管控對(duì)象。和其他配置文件一樣，SCD文件本質(zhì)上是通過(guò)變電站配置描述語(yǔ)言(Substation Configuration description Language，SCL)編譯的XML格式文件。

IEC 61850-6中對(duì)其格式作出了詳細(xì)的規(guī)定，SCD文件以一個(gè)XML-EBNF元素開(kāi)始，接著定義了智能變電站二次系統(tǒng)配置和版本信息、變電站描述、智能電子設(shè)備描述、通信系統(tǒng)描述等元素。

2.1 配置版本信息

SCD文件頭文件部分用于標(biāo)識(shí)一個(gè)SCD文件的配置和版本信息，規(guī)定了有關(guān)名稱(chēng)與信號(hào)之間的映射關(guān)系。IEC 61850-7中規(guī)定了四個(gè)版本參數(shù)用于SCD文件的版本追蹤，分別是配置(CF)屬性變量版本參數(shù)valRev、定值參數(shù)版本參數(shù)paramRev、模型配置版本參數(shù)configRev和通信配置版本參數(shù)confRev[4]，當(dāng)SCD文件內(nèi)容發(fā)生變更時(shí)，對(duì)應(yīng)版本參數(shù)將發(fā)生改變。

2.2 變電站描述

變電站部分用于描述一個(gè)變電站的功能和結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)一次設(shè)備和它們彼此的電氣連接關(guān)系進(jìn)行標(biāo)注，一般包含其邏輯接點(diǎn)、電壓等級(jí)、一次設(shè)備等元素內(nèi)容。

2.3 智能電子設(shè)備描述

智能電子設(shè)備部分對(duì)智能電子設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)、邏輯設(shè)備模型以及邏輯節(jié)點(diǎn)等內(nèi)容進(jìn)行了定義，實(shí)際工程中SCD文件的智能電子設(shè)備描述與站內(nèi)設(shè)備一一對(duì)應(yīng)[5]。

與其他字段相比，智能電子設(shè)備部分增加了路由功能。智能電子設(shè)備通過(guò)路由功能將不同子網(wǎng)連接起來(lái)，時(shí)間同步報(bào)文、GOOSE報(bào)文、SV報(bào)文等實(shí)時(shí)報(bào)文可在子網(wǎng)內(nèi)傳播，其他報(bào)文可以通過(guò)跨網(wǎng)傳播的過(guò)程中可能會(huì)增加時(shí)延。

2.4 通信系統(tǒng)描述

通信系統(tǒng)描述的是智能電子設(shè)備連接至公共子網(wǎng)絡(luò)的配置情況，同時(shí)還對(duì)變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義。

3 虛端子技術(shù)

3.1 虛端子概念

在傳統(tǒng)變電站中，保護(hù)裝置上的各采樣值、開(kāi)關(guān)量、跳合閘出口都與保護(hù)屏柜內(nèi)的電流、電壓、開(kāi)入開(kāi)出等端子排一一對(duì)應(yīng)。保護(hù)裝置與一次設(shè)備之間的采樣、跳合閘出口都是通過(guò)端對(duì)端的電纜實(shí)現(xiàn)的。在智能變電站中，合并單元、智能終端的應(yīng)用使得各智能電子設(shè)備的通信轉(zhuǎn)而采用GOOSE、SV報(bào)文通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)形式傳輸，在一根光纖內(nèi)同時(shí)傳輸多路數(shù)字信號(hào)，原有傳統(tǒng)的實(shí)體端子不復(fù)存在。

為了便于形象地理解智能變電站信息交互情況，國(guó)內(nèi)在智能變電站工程實(shí)例中引入虛端子的概念[6]。虛端子技術(shù)用于標(biāo)識(shí)智能電子設(shè)備二次信息的傳輸路徑，是GOOSE/SV輸入輸出信號(hào)及連接點(diǎn)的總稱(chēng)，等同于傳統(tǒng)變電站的端子排。

3.2 虛端子與IED模型

在SCD文件中，每個(gè)智能電子設(shè)備應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)IED模型，智能站二次系統(tǒng)采用組播通信，因此每個(gè)IED對(duì)象應(yīng)至少包含一個(gè)服務(wù)器(server)對(duì)象，每個(gè)服務(wù)器對(duì)象至少包含一個(gè)邏輯設(shè)備(LD)對(duì)象，每個(gè)邏輯設(shè)備對(duì)象包含LLN0、LPHD、其他應(yīng)用節(jié)點(diǎn)等至少三個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)對(duì)象。

在通信時(shí)，GOOSE虛端子連接至數(shù)據(jù)屬性(DA)一級(jí)，引用路徑為L(zhǎng)D/LN**.DO**.DA；SV虛端子連接至數(shù)據(jù)對(duì)象(DO)級(jí)，其引用路徑為L(zhǎng)D/LN**.DO**[7]。系統(tǒng)配置時(shí)，在邏輯設(shè)備對(duì)象的LLN0節(jié)點(diǎn)中定義該設(shè)備GOOSE/SV接線(xiàn)，每條接線(xiàn)包含該邏輯設(shè)備內(nèi)部輸入虛端子信號(hào)和外部裝置的輸出信號(hào)，兩者一一對(duì)應(yīng)。

由于智能變電站只是改變了信息傳輸?shù)姆绞?，并沒(méi)有改變保護(hù)設(shè)備原理，所以每臺(tái)保護(hù)裝置的GOOSE/SV傳輸通道與傳統(tǒng)保護(hù)之間仍然存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)《IEC 61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》，GOOSE/SV報(bào)文引用路徑應(yīng)與兩個(gè)IED對(duì)象對(duì)應(yīng)，每個(gè)IED對(duì)象至少應(yīng)包含一個(gè)邏輯設(shè)備對(duì)象[8]。

3.3 虛端子應(yīng)用實(shí)例

圖2所示為上海某智能變電站220千伏閔北一線(xiàn)線(xiàn)路保護(hù)部分虛端子信息，線(xiàn)路保護(hù)為間隔層設(shè)備，既需要接收SV采樣報(bào)文，又需要收發(fā)GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)報(bào)文，因此線(xiàn)路保護(hù)有PIGO和PISV兩種邏輯設(shè)備。PIGO內(nèi)包含保護(hù)裝置GOOSE網(wǎng)過(guò)程層接口，用于接收智能終端上傳的開(kāi)關(guān)、閘刀的位置信息，PISV內(nèi)含過(guò)程層SV網(wǎng)接口，用于接收合并單元輸出的電流電壓等采樣信息。

圖2 上海某智能變電站220千伏線(xiàn)路保護(hù)單元虛端子信息

4 智能變電站配置文件管控方案

4.1 配置文件管控現(xiàn)狀

智能站配置文件對(duì)智能變電站安全運(yùn)行至關(guān)重要，然而在實(shí)際智能變電站工程中，需要頻繁對(duì)SCD文件進(jìn)行修改，往往造成SCD版本與實(shí)際運(yùn)行版本不一致等問(wèn)題，對(duì)SCD文件管理造成很大不便。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前智能變電站配置文件管控主要存在以下問(wèn)題：

1) 缺乏統(tǒng)一存儲(chǔ)。工程中配置文件普遍存在存放混亂現(xiàn)象，個(gè)別工程甚至出現(xiàn)資料丟失等情況；

2) 缺少作業(yè)手段。過(guò)分依賴(lài)廠(chǎng)商，缺少對(duì)配置文件進(jìn)行查閱、修改等技術(shù)手段；

3) 缺乏安全保障。惡意攻擊、意外刪除、硬盤(pán)損壞等問(wèn)題都有可能造成文件無(wú)法恢復(fù)；

4) 多人協(xié)作困難。文件的提交、審核等環(huán)節(jié)缺少規(guī)范化的流轉(zhuǎn)，多人協(xié)作缺乏沖突機(jī)制；

5) 檢索效率低下。缺乏有效檢索手段，隨著文件的增多，文件的查詢(xún)、調(diào)閱需要花費(fèi)大量的時(shí)間，工作效率低下；

6) 版本管理混亂。配置文件經(jīng)常通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流轉(zhuǎn)，極易引起混亂，版本唯一性得不到保障。

4.2 配置文件管控要求

隨著智能站的大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行，配置文件管控變得迫在眉睫。2015年5月，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布《智能變電站配置文件管理規(guī)定》，對(duì)各種配置文件的管理方式進(jìn)行了規(guī)范。其中要求運(yùn)維單位應(yīng)對(duì)修改人員、時(shí)間、目的及修改內(nèi)容等信息進(jìn)行記錄，修改后的配置文件應(yīng)通過(guò)校驗(yàn)及審核后方能歸檔，配置文件下裝時(shí),應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證,并履行相關(guān)手續(xù)等[9]。

4.3 基于虛端子技術(shù)的配置文件校驗(yàn)

前文已經(jīng)介紹了智能變電站虛端子技術(shù)，基于虛端子技術(shù)的配置文件校驗(yàn)通過(guò)對(duì)虛端子生成CRC校驗(yàn)碼，進(jìn)而判斷不同配置文件的虛端子變化情況。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)是利用循環(huán)碼的誤碼檢測(cè)特性進(jìn)行誤碼檢測(cè)的一種檢測(cè)技術(shù)[10]。CRC技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信和數(shù)據(jù)處理軟件中，其特點(diǎn)是檢錯(cuò)能力強(qiáng)、消耗資源少。通過(guò)對(duì)虛端子進(jìn)行CRC驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)不同文件中虛端子變化情況。

根據(jù)智能站自動(dòng)化分層分區(qū)概念，虛端子配置CRC碼分為IED CRC編碼和全站SCD CRC編碼，分別用于智能電子設(shè)備配置管理和SCD文件配置管理，其關(guān)系如圖3所示。每個(gè)智能電子設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)IED CRC碼，該CRC碼只與裝置虛端子連接和參數(shù)配置有關(guān)，當(dāng)其他不相連設(shè)備虛端子發(fā)生變化時(shí)，本裝置CRC碼不發(fā)生變化。全站CRC碼反應(yīng)全站智能設(shè)備虛端子配置，當(dāng)站內(nèi)任何設(shè)備虛端子發(fā)生變化時(shí)，該CRC碼就會(huì)發(fā)生改變，從而保證智能站配置文件前后一致性。

圖3 智能變電站CRC校驗(yàn)碼關(guān)系圖

利用CRC技術(shù)生成虛端子循環(huán)冗余校驗(yàn)碼可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站配置文件虛端子的離線(xiàn)管理，其中虛端子循環(huán)冗余校驗(yàn)碼只與虛端子配置有關(guān)，其他修改不會(huì)影響虛端子CRC碼。其具體操作方式如圖4所示。

圖4 SCD文件CRC校驗(yàn)流程圖

首先，運(yùn)維人員將初始版本SCD文件上傳至管理模塊，管理模塊對(duì)SCD文件進(jìn)行解析，并完成完整性分析、語(yǔ)義、語(yǔ)法校驗(yàn)等工作，然后將SCD文件中虛端子信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式；

其次，選擇CRC生成多項(xiàng)式及對(duì)應(yīng)算法。多項(xiàng)式可選擇標(biāo)準(zhǔn)32位多項(xiàng)式，如x32+x26+x23+…+x2+x+1等，將CRC生成多項(xiàng)式與二進(jìn)制信息應(yīng)用到算法中，得到對(duì)應(yīng)的CRC校驗(yàn)碼。與系統(tǒng)中原IED中的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比對(duì)；

最后，實(shí)現(xiàn)CRC結(jié)果入庫(kù)和SCD文件上傳保存。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于虛端子技術(shù)的配置文件管控方案實(shí)現(xiàn)了智能變電站配置文件的靜態(tài)管理，但是當(dāng)智能電子設(shè)備配置信息發(fā)生變化時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。IEC 61850第二版中對(duì)裝置輸出配置文件等功能進(jìn)行了規(guī)定，未來(lái)智能變電站MMS網(wǎng)可以在站控層實(shí)時(shí)查看裝置配置信息，隨著規(guī)范的應(yīng)用和更新，未來(lái)智能變電站的配置文件管理將更加透明和可控。

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