變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)的二次設(shè)備建模技術(shù)研究

徐雄高

（國電南瑞科技股份有限公司，浙江 紹興 211000）

0 引 言

現(xiàn)階段，我國電網(wǎng)發(fā)展越來越智能化，變電站的建設(shè)速度也在不斷加快，逐漸朝著數(shù)字化方向發(fā)展。在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)過程中，二次設(shè)備也不斷朝著智能化的方向發(fā)展，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二次設(shè)備建模技術(shù)的不足。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，二次設(shè)備建模技術(shù)相對(duì)來說比較新穎，在部分環(huán)節(jié)仍然有待優(yōu)化。

1 數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站是一種能夠?qū)崿F(xiàn)站控層信息交換的智能變電站。在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)過程中，其通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一采用的是IEC61850通信規(guī)約，不用重新轉(zhuǎn)換為其他網(wǎng)絡(luò)規(guī)約，這在一定程度上簡化了通信的速度，也降低了通信系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)備調(diào)試維護(hù)的難度，從而使通信系統(tǒng)具有更高的性能。在互感器的采用方面，數(shù)字化變電站所采用的是電子式互感器，不再采用以往的電磁式互感器。電子式互感器包括有源式和無源式，都能夠極大地降低模擬信號(hào)傳輸時(shí)受到不定因素干擾的概率。除此之外，數(shù)字化變電站引用了GOOSE，取代了傳統(tǒng)的開入與開出，變電站系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一切信息數(shù)據(jù)只需通過普通的網(wǎng)絡(luò)就能傳播。當(dāng)需要對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行增加或更改時(shí)，工作過程變得更加容易與便捷，改變了以往只能通過1個(gè)電纜傳輸1個(gè)信號(hào)的局面，不需要再使用大量電纜，變電站開入與開出配置更具靈活性。在對(duì)其進(jìn)行裝置時(shí)，也只需使用1根通信光纜進(jìn)行傳輸或與交換機(jī)建立聯(lián)系，變電站系統(tǒng)能夠直接與站內(nèi)一切裝置進(jìn)行交互操作，極大地減少了建設(shè)變電站所消耗的二次電纜數(shù)量[1]。

2 數(shù)字化變電站二次設(shè)備建模的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國數(shù)字化變電站的二次設(shè)備建模技術(shù)相對(duì)于發(fā)達(dá)國家來說基礎(chǔ)較為薄弱，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 GGI0 LN的大量應(yīng)用導(dǎo)致信號(hào)語義缺失

IEC61850對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)（Logical Node，LN）給出了定義，表明具有特定物理含義的LN可以用于承載設(shè)備信息，并大力支持各部門根據(jù)實(shí)際需求不斷拓展LN的用途。如果只從實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)男枨筮@一方面來看，現(xiàn)階段我國IEC61850工程的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)功能類的LN進(jìn)行保護(hù)與調(diào)控外，在二次設(shè)備的自檢、開入以及軟硬壓板中對(duì)GGI0的使用較多，導(dǎo)致相關(guān)人員難以從模型的角度去對(duì)信號(hào)的物理意義進(jìn)行理解和思考。目前，雖然我國國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的中文信息描述進(jìn)行了一定的規(guī)范，但這種規(guī)范沒有對(duì)語義進(jìn)行實(shí)際的定義，在具體應(yīng)用中只能根據(jù)中文名稱自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的語義匹配，難以滿足系統(tǒng)中圖像、模型以及數(shù)據(jù)方面的關(guān)聯(lián)需求。

2.2 模型中相關(guān)信號(hào)邏輯關(guān)聯(lián)性不足

二次設(shè)備接口控制文件（Interface Control Document，ICD）模型中的信號(hào)并不是集中存在，而是分布于多個(gè)LN中，這一特點(diǎn)不利于高級(jí)應(yīng)用程序搜尋和發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)信息。例如，對(duì)于規(guī)范的保護(hù)功能LN，包括差動(dòng)保護(hù)LN和過流保護(hù)LN等，缺乏與該元件功能相關(guān)的信息。除此之外，二次設(shè)備ICD模型站控層中的信號(hào)與過程層中的信號(hào)沒有建立聯(lián)系，系統(tǒng)難以通過站控層開入遙控信號(hào)，也不能與過程層建立聯(lián)系，從而導(dǎo)致在進(jìn)行二次回路診斷等應(yīng)用軟件配置時(shí)的工作量更多[2]。

3 二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)需求

不論是常規(guī)變電站還是智能變電站，二次設(shè)計(jì)都需要通過專業(yè)的設(shè)備制造廠和設(shè)計(jì)院共同進(jìn)行，如圖1所示。

在進(jìn)行數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備制造商需要提供相關(guān)設(shè)備屏柜設(shè)計(jì)圖紙，并且還需要給出關(guān)于智能電子設(shè)備的ICD文件。設(shè)計(jì)院需要完成二次回路原理圖的設(shè)計(jì)，并使屏柜與屏柜之間具有一定的聯(lián)系，同時(shí)將這些設(shè)計(jì)和屏柜間的聯(lián)系關(guān)系保存在變電站配置描述（Substation Configuration Description，SCD）文件內(nèi)，只有少數(shù)通過圖紙展示出來，包括直流電源和此設(shè)備到智能終端的連接等內(nèi)容。數(shù)字化變電站的SCD文件同樣也是數(shù)字化文件，在后續(xù)的運(yùn)維過程中有著重要作用。

3.2 圖模一體化技術(shù)

在變電站二次設(shè)備建模數(shù)字化設(shè)計(jì)中，圖模一體化技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。運(yùn)用圖模一體化技術(shù)時(shí)，需要將圖形和數(shù)據(jù)看成一個(gè)整體，從而對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，并在圖形與數(shù)據(jù)之間建立關(guān)聯(lián)性，用數(shù)據(jù)來反映圖形。該技術(shù)常用的方法是對(duì)圖形的屬性進(jìn)行定義，再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和圖形可以導(dǎo)出成文件的形式，以方便用于其他地方。圖模一體化技術(shù)能夠很好地將模型、圖形與數(shù)據(jù)結(jié)合起來，所采用的圖形一般為可伸縮矢量圖形（Scalable Vector Graphics，SVG）。矢量圖形是一種以可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）為基礎(chǔ)對(duì)二維圖形進(jìn)行描述的格式，在電力系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用。SVG圖像的構(gòu)成主要分為2個(gè)部分，即對(duì)圖形進(jìn)行定義和渲染[3]。SVG圖像可以設(shè)為開放性的文件格式，該格式對(duì)處理工具要求不高，各種文字處理工具都能將其打開。

3.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

Inter@ctive Pager Backup/Restore（IPD）文件描述了智能電子設(shè)備的物理能力描述文件，包括設(shè)備的裝置本體、板卡以及端口等。設(shè)備制造廠家在此基礎(chǔ)上對(duì)一次、二次設(shè)備進(jìn)行建模，并生成IPD文件，然后再將這些文件傳至負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)屏柜的單位，由這些單位進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行屏柜設(shè)計(jì)時(shí)，需要完成CANdela診斷描述（CANdela Diagnostic Descriptions，CDD）文件整理。CDD文件描述了屏柜內(nèi)部的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信息，包括其內(nèi)部一切設(shè)備與端子的屬性、設(shè)備與端子之間的連接關(guān)系等。依靠圖模一體化技術(shù)的幫助，屏柜、端口、端子排等變得更加數(shù)字化，將屏柜的空開、把手等部件進(jìn)行連接，形成完整的回路，從而生成CDD文件。之后再由設(shè)計(jì)單位完成屏柜間的設(shè)計(jì)，生成軟件設(shè)計(jì)文件（Software Design Document，SDD）。SDD文件是對(duì)整個(gè)變電站電氣二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的描述，包括通信與監(jiān)控系統(tǒng)、屏柜間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。在交付工程時(shí)，需要在地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）系統(tǒng)上完成。同時(shí)，相關(guān)運(yùn)維單位可以通過該系統(tǒng)提取二次設(shè)計(jì)文件，并在運(yùn)維管控平臺(tái)完成后續(xù)的變更和維護(hù)工作。

4 二次設(shè)備建模技術(shù)

4.1 范圍定義

從設(shè)計(jì)的角度來看，二次設(shè)備建模技術(shù)涉及設(shè)備對(duì)象圖形化和設(shè)備對(duì)象應(yīng)用屬性建模。就繼電保護(hù)設(shè)備來說，二次設(shè)備的應(yīng)用屬性定義如表1所示。建模范圍包括建模設(shè)備的名稱、裝置的種類、構(gòu)件的生產(chǎn)商以及裝置的尺寸等，只要是生產(chǎn)商與使用者關(guān)心的應(yīng)用屬性都應(yīng)該定義。

表1 二次設(shè)備屬性定義

設(shè)備板卡屬性表定義了組成二次設(shè)備對(duì)象的板卡建模，包括板卡的名稱、說明以及插槽號(hào)等信息，如表2所示。

表2 設(shè)備板卡屬性定義

對(duì)繼電保護(hù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)時(shí)，均要使用到這些板件信息。在定義時(shí)需要對(duì)一些特殊情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，例如在相同的板件中所采用的裝置雖然是同一個(gè)制造商，但其類型可能不同，一個(gè)板件出現(xiàn)問題將對(duì)多個(gè)裝置產(chǎn)生影響，需要對(duì)這些信息進(jìn)行分析與梳理并統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)維護(hù)提供便利。

4.2 建模對(duì)象

在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)過程中，關(guān)于變電站主接線和間隔接線方面的建模技術(shù)也取得了一定的成效，不僅可以用于設(shè)計(jì)數(shù)字化變電站，同樣也能用于普通的變電站設(shè)計(jì)。目前，二次設(shè)備的建模對(duì)象包括變電站、拼柜以及板件等。根據(jù)設(shè)計(jì)主體的差異特征來看，建模對(duì)象又可分為3種類型，分別是設(shè)計(jì)院建模對(duì)象、廠家設(shè)計(jì)單位建模對(duì)象以及設(shè)備供應(yīng)單位建模對(duì)象[4]。

4.3 建模語言

二次設(shè)備智能建模采用的語言為變電站自定義設(shè)計(jì)說明語言，即規(guī)范與描述語言（Specification and Description Language，SDL）。SDL是在XML的基礎(chǔ)上形成，在SDL圖形化的定義方面，延續(xù)了SVG的語法定義與規(guī)定。SDL模型的統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）構(gòu)成如圖3所示。

4.4 建模工具

建模工具是進(jìn)行設(shè)備建模和設(shè)計(jì)的重要手段，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容和建模對(duì)象，二次設(shè)備建模工具通常可以分為3種類型[5]。一是設(shè)備建模工具，由設(shè)備供應(yīng)商用來對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行建模，以生成IPD文件；二是屏柜設(shè)計(jì)工具，由集成廠家用來對(duì)屏柜進(jìn)行設(shè)計(jì)；三是電氣二次設(shè)計(jì)配置工具，由設(shè)計(jì)院用來完成電氣二次設(shè)計(jì)的配置業(yè)務(wù)。

5 結(jié) 論

綜上所述，隨著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，變電站的建設(shè)不斷與先進(jìn)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)與發(fā)展。與傳統(tǒng)的變電站相比，數(shù)字化變電站能夠提供更加智能、高效的服務(wù)。二次設(shè)備建模是變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其更加先進(jìn)與高效，在使用時(shí)需要明確范圍定義、建模對(duì)象、建模語言以及建模工具等。