首页 > 技术应用 > 资讯详情

智能变电站SCD模型多维度信息断面解耦技术研究

2018-04-19 09:22:32
作者: 黄树帮 倪益民 张海东等
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
导读

本文分析了目前智能变电站全站配置描述(SCD)文件应用中存在的主要问题,为实现SCD配置文件的简化应用和优化管控,提出SCD模型多维度信息断面解耦思路,探讨物理解耦和逻辑解耦两种方式,分别阐述了面向通信访问点、间隔和业务等3种SCD解耦方案;重点分析通过系统配置描述模型(SSD)实现IED按间隔自动分组方法和跨间隔配置管控方法,实现SCD文件解耦形成多个间隔配置视图或间隔配置文件(BCD)。通过合理设计模型数据的业务识别规则来实现SCD文件按自动化、保护、电能量等不同业务解耦和分业务视图管理。本文还分别详细探讨了上述3种SCD模型解耦方案的实现和应用方式,用于指导厂家系统配置工具中模型解耦功能的开发和工程实施。

中国电力科学研究院 黄树帮 倪益民 张海东

国家电网公司 常乃超

国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 于同伟

国电南瑞科技股份有限公司 梅德冬

1 引言

随着IEC 61850标准[1]在智能变电站的全面推广应用,智能变电站SCD文件的重要性日益凸显,如何更好地应用SCD文件受到越来越多的关注。SCD文件全称“Substation Configuration Description”,简称:变电站配置描述文件,它囊括全站二次系统所有配置信息,其配置正确性直接会影响到变电站设备或系统的功能。SCD文件由工程集成配置形成,对自动化系统的集成和设备互操作起到积极作用。随着工程应用的深入,SCD文件应用方式的弊端也逐渐呈现[2-6],主要体现在:

(1)SCD文件大而全,浏览不方便,各种应用或业务信息耦合在一起,局部改动往往影响全局,造成集成调试或改扩建时难以定位SCD文件改动影响范围,需以扩大停电范围为代价开展调试。

(2)SCD文件各IED相互关系离散,模型结构层次多,配置复杂度高,完全依赖厂家来配置和维护存在较大风险,调试或运维人员在使用和操作SCD文件存在较大困难,专业管理人员缺乏SCD文件有效管控手段。

(3)SCD文件应用方式过于单一,当前主要应用于站内设备或系统的配置下装,在变电站对主站数据源端维护和业务对接等方面的应用价值没有被充分挖掘[7]。

以上问题在一定程度上制约了智能变电站的规模化发展和智能化水平,影响到智能变电站业务管理水平的提升。

近几年,已有多篇文献针对上述问题进行了研究。文献[2]提出了一种新的SCD文件版本管理、变更管控、配置信息在线监视方法,建立基于流程可控的SCD文件全生命周期管理系统。文献[3]分析了虚端子连接配置特点,提出虚端子连接配置循环冗余校验码(CRC)的生成方法,提出了配置文件及虚端子配置管理方案。文献[4]提出虚回路配置管控策略,建立SCD文件管控系统,采用多个虚回路CRC信息比对及在线监视来管控SCD配置变更影响范围。以上研究中,文献[3,4]解决了虚端子配置管控问题,但未涉及不同阶段及人员访问SCD时有区别的配置视图、分业务管理等需求;文献[2]采用基于角色的权限管控方法可实现SCD访问控制,但所述配置权限定义略显单一且受限于SCD文件结构,未能结合实际工程中业务场景来定义和拓展数据维度,进而对SCD中物理上耦合、逻辑上独立的配置内容加以提炼、分类和隔离。

本文结合变电站工程实际应用需求,以SCD文件简化应用与优化管控为目标,从通信访问点、间隔、业务等三个维度对SCD文件进行解耦,提供了通信网络分层、间隔逻辑明确、业务关系清晰的信息断面,形成了若干个逻辑上相对独立的专门数据视图或局部配置文件,降低SCD文件应用复杂度和配置误改动风险,简化智能变电站SCD文件应用复杂度,为智能变电站分层分区配置和调试、模型分业务管理、运维或改扩建模型变更管控、SCD多人并行配置等提供新的技术手段。

2 SCD模型解耦总体思路

SCD模型解耦可分为逻辑解耦和物理解耦两种方式。前者仍视SCD文件为一个整体,但从SCD文件中提取和过滤不同逻辑的配置信息并进行分区视图展示和管控;后者将SCD文件物理拆分为多个逻辑上相对独立的配置文件。

逻辑解耦是基础,它提供用户视图的配置信息解耦。在逻辑解耦的基础上,是否需要进行物理解耦,视配置耦合程度、解耦用途来决定。物理解耦由于从配置文件上对不同配置信息实现物理隔离,可更好地防范对指定SCD配置信息未经授权的改动风险。物理隔离形成的局部配置文件也有利于该配置信息与外部系统共享且能适应多人并行配置的场合。但当物理解耦无法做到完全解耦时,需付出额外代价来维护不同配置文件关联信息一致性。

综上分析,SCD文件多维度信息断面解耦总体思路为:针对通信访问点和间隔维度,首先进行SCD逻辑解耦,形成不同通信子网、不同间隔的配置视图。然后,视需要进行物理解耦,将逻辑解耦形成的局部模型以SCD文件子集的方式导出为配置文件,满足配置共享和并发配置等需求。针对业务维度,考虑到SCD文件中不同业务信息耦合大,而当前迫切需要解决的是分业务模型管控问题,暂无分业务配置文件直接应用需求,故只进行逻辑解耦,形成不同业务的配置视图。

3 SCD文件按通信访问点解耦

智能变电站二次设备通信网络通常采用“三层两网”、“三层一网”等体系架构,逻辑上可划分为MMS、GOOSE、SV等不同的通信子网。二次设备一般通过三个通信访问点来连接到各个通信子网中,分别是站控层MMS(含间隔层GOOSE)的通信访问点S1、过程层GOOSE通信访问点G1和过程层SV通信访问点M1。SCD文件通过通信访问点AP(Access Point)模型来区分不同通信访问点下的IED配置信息,不同通信访问点的配置模型相互独立。因此,根据配置和调试需要,可按照通信访问点来分解SCD模型来实现不同通信访问点的配置信息解耦,其解耦方案示意图如图1所示。

1.jpg

图1 SCD文件按通信访问点解耦方案

首先进行逻辑解耦,提取和过滤SCD文件中命名为S1、G1、M1这3个通信访问点对应的通信配置、下配置,以及下该通信访问点模型所引用的LNodeType、DOType、DAType、EnumType等数据模板,对以上内容进行分区可视化形成不同通信访问点的配置视图。

在逻辑解耦基础上,若需要实现多人配置或将某一子网配置与外部系统共享,进一步实施物理解耦。将逻辑解耦后的3个通信访问点模型以SCD文件子集方式分别导出Station.scd,ProcessG.scd,ProcessM.scd等3个SCL文件,对应站控层配置文件、过程层GOOSE配置文件和过程层SV配置文件,实现物理上完全解耦的配置模型。

SCD文件按通信访问点解耦主要应用于配置人员在新建变电站调试时针对不同的通信子网分层独立开展配置和调试,避免不同调试人员配置工作相互影响或重复调试。

4 SCD文件按间隔维度解耦

4.1 解耦方案

考虑到SCD文件不同IED之间绝大多数的虚端子配置信息主要存在于本间隔内多个IED(如一个间隔内的保护、测控、智能终端、合并单元等IED)之间。因此,SCD文件按间隔维度解耦有利于简化设备虚端子配置信息的管理,实现以间隔为单位对IED模型进行配置管控,尤其适合于以间隔为单位进行变电站改扩建时SCD配置模型的变更管控。

SCD文件间隔划分方式如下:所有间隔划分为主变间隔(含高、中、低三侧及本体)、母线间隔、母联间隔、若干个线路间隔、公共间隔等,根据需要,这些间隔也可进一步按电压等级进行分组。

首先,对SCD文件按间隔进行逻辑解耦,按照所述间隔划分方式,根据IED隶属间隔关系,将属于某一间隔内的智能终端、合并单元、保护装置、测控装置、在线状态监测装置、计量装置等IED的模型配置信息进行重组归并,形成每个间隔的IED配置内容,将这些配置内容进行分区可视化形成不同间隔的配置视图。其次,在逻辑解耦的基础上,视配置需要可将某一间隔全部IED配置模型导出形成间隔配置SCL文件。为此,定义一种新的间隔配置描述文件(Bay Configuration Description,简称BCD文件)。BCD文件可视作SCD文件子集,是由若干个本间隔内IED的CID文件内容组成的集合。每个间隔对应一个BCD文件。SCD模型按间隔解耦方案示意如图2所示,其中,图(a)为间隔解耦流程,图(b)为BCD文件的组成结构。

2.jpg

图2 SCD文件按间隔解耦方案

4.2 IED隶属间隔识别方法

如何根据SCD文件自动获知变电站包含哪些间隔以及每个间隔包含哪些IED是SCD文件按间隔解耦的关键。

第一种情况,考虑SCD模型已包含系统规范描述SSD配置时,由于SSD包含了一次设备及其拓扑连接关系、一二次设备逻辑节点配置关系信息。因此,可通过分析SSD配置内容来识别IED和间隔的隶属关系。为此,根据SCD模型中一二次设备关联关系(其UML图如图3所示),通过解析SCD文件中变电站下的电压等级、变压器、间隔的配置,获得该站全部的一次设备间隔信息;接着,从一次设备间隔的上述三个配置元素出发,搜索到该间隔包含的二次功能逻辑节点,再根据逻辑节点找到关联的逻辑设备、关联服务器和关联二次设备,从而自动识别出一个间隔包含哪些二次设备IED,即实现所有IED按间隔自动分组。

3.jpg

图3 SCD模型一二次设备关联关系UML图

第二种情况,考虑SCD文件没有包含SSD配置时,采用对IED间隔隶属关系进行补充建模。通过在SCD文件中额外增加最简要的SSD配置内容,即增加、 等与间隔相关的配置,同时,为扩展了ext:bay属性,其属性值用以指明该IED所属的间隔,如图4所示。有了上述补充建模信息,便可实现间隔解耦。

4.jpg

图4 IED间隔隶属关系补充建模示例

4.3 跨间隔配置管控方法

间隔解耦将各个间隔的IED配置模型尽量作了分离,但由于不同间隔之间仍可能存在少数跨间隔的配置信息,比如跨间隔的五防联闭锁、保护失灵启动等信息,无法做到完全解耦。其中,具有跨间隔配置关系的间隔称为关联间隔。当涉及配置修改时,逻辑解耦方式下,应检查关联间隔的IED交互配置信息是否匹配和一致。在物理解耦方式下,应约束间隔BCD文件中跨间隔配置的修改,可通过扩展BCD文件中SCL元素的ext:mdfRight属性来限制配置人员修改BCD文件中的跨间隔配置。当有必要修改某间隔BCD文件的跨间隔配置信息时,应借鉴IEC 61850第二版SED文件对于engRight工程权限的处理方式允许对两个关联间隔的BCD文件之间进行配置权限转移和同步,当engRight为 full时,对BCD的配置拥有全部修改权限;当engRight为dataflow时,两个关联间隔仅有其中一个间隔有修改权限,此时通过src属性值own或other来指定当前拥有修改权限的一方,当engRight为fix时,对BCD配置不可修改。

4.4 实现及应用方式

在系统配置工具中部署和实现按间隔的SCD解耦功能,增加间隔内配置信息视图和跨间隔配置信息视图。系统配置工具支持间隔配置的锁定/解锁功能,支持SCD文件导出多个间隔BCD文件,支持多个BCD文件合并成SCD文件并进行完整性和一致性检查,支持由BCD文件导出CID文件,支持间隔复制、删除等功能。

在实际应用中,按间隔解耦功能适用于变电站运维检修和改扩建时SCD文件的配置修改和管控。针对待检修或改扩建的一次间隔,可以选择两种方式来安全地修改SCD配置。第一种方式是在间隔配置视图中锁定无关间隔,开放相关间隔进行配置修改。另一种方式是导出相关间隔的BCD配置文件,进而对该BCD文件进行配置修改,改完后再重新导入SCD文件进行更新。第一种方式适合于单人配置场合。第二种方式适合多人、多间隔并行配置场合。两种方式均通过约束改动范围有效控制了改动风险,从而克服了传统SCD文件改动对无关间隔可能造成误操作、调试范围扩大等问题。此外,间隔解耦还可以应用于变电站新建工程的系统配置阶段,同类间隔的配置模型可直接以间隔为单位互相拷贝后再进行修改,提高配置效率。

5 SCD文件按业务维度解耦

5.1 解耦思路

目前,主厂站一体化是智能变电站的发展方向之一,变电站通过部署分布式应用功能实现与主站业务高度对接。从主厂站一体化运行与管理角度,与变电站直接相关的业务主要包括继电保护业务、自动化业务、电能量业务、在线监测业务等,不同业务具有不同特点和专业管理要求,有必要将 SCD文件中不同业务的配置信息进行分类并进行区别化管理。

根据上述业务划分方式,对SCD文件按业务进行逻辑解耦。除了形成每个业务的配置数据外,考虑到变电站一些配置数据为各个业务所共享,比如全站一二次设备的拓扑连接关系、过程层的智能终端和合并单元配置等,这类数据归结为各业务的公共配置。在此基础上形成不同业务视图,供专业管理人员进行配置浏览和管控。根据以上思路,SCD文件按业务逻辑解耦方案示意如图5所示。

6.jpg

图5 SCD按业务解耦方案

根据目前国家电网公司各专业管理部门的业务范畴,对智能变电站各项业务所关注的应用配置数据进行分类梳理,如表1所示。将SCD文件按业务逻辑解耦形成分类业务视图时,应以直观的图表形式来展现各业务关注的应用配置数据和公共配置数据。进一步通过分配相应业务权限[2]来允许某一业务管理人员只看到对应业务的配置数据,从而满足不同业务的运维管理需求。

表1 不同业务类型关注的应用配置数据

20180419085621487000.jpg

5.2 解耦方法

由于SCD文件缺乏数据的业务属性描述,如何识别SCD文件中哪些配置数据归属于哪一项业务,是SCD文件按业务逻辑解耦的关键。考虑到各类业务配置数据在SCD文件中的表现形式主要有原始数据集、虚回路配置数据、专有数据3种,这些数据在SCD中都隶属于 的范围内。为此,定义一个SCD模型配置数据的业务识别规则。该规则主要包括:

(1)基于IED类型识别业务归属。对于单一应用装置而言,比如测控装置、保护装置、计量装置,直接根据IED类型来判别所属业务。IED类型由装置型号type和厂家名称manufacturer来确定。

(2)基于逻辑设备LD类型识别业务归属。对于多功能集成装置,涉及多业务,需根据LD类型来判别,比如保测集成装置中测量LD(MEAS)、控制LD(CTRL)属于自动化业务,保护LD(PROT)、录波LD(RCD)属于保护业务;多功能测控装置中计量LD(METR)属于电能量业务。

(3)基于数据集类型识别业务归属。分两种情况,第一种情况是原始数据集。根据Q/GDW 1396-2012 IEC 61850工程继电保护应用模型等国家电网公司企业标准[9-11]列举的工程应用模型规范化数据集进行业务划分。比如遥信、通信工况、联锁状态等数据集属于自动化业务。保护事件、保护压板、保护录波、保护定值等数据集属于继电保护业务。电能、需量、负荷等数据集属于电能量业务。第二种情况对于专有数据,SCD中没有直接的数据集对应,通过虚构数据集实现。比如控制类数据,需通过遍历模型中CtrlModel对象形成控制对象的虚构数据集,再将这个数据集划归为自动化业务。

按照上述规则,对于原始数据集和专有数据等业务配置数据,优先根据第3条规则来识别所属业务,当不同业务的数据集重名(比如自动化遥测和计量遥测均为dsAin)时,结合第1和第2条规则根据所在的LD和IED类型来加以识别。对于虚回路配置数据,则应根据对应的GOOSE或SMV发布控制块数据集或订阅数据列表所在的LD类型和IED类型来确定业务归属。

为支持上述规则随着业务范围变化可灵活定义,采用XML文档格式来描述业务识别规则如图6所示,其中代表一个业务,其下的 代表对应业务的判别规则,不同规则之间为或逻辑关系。通过解析规则对SCD文件内容进行业务数据提取和过滤,实现SCD模型按业务的逻辑解耦。

8.jpg

图6 业务识别规则文件示例

5.3 实现及应用方式

在系统配置工具中部署和实现SCD按业务解耦功能,增加不同业务配置管理视图,提供分业务数据浏览和数据比对等功能;考虑到目前很多地区已实施模型配置文件管控平台,还可以在该平台上部署业务解耦功能,采用登录和退出机制,根据业务权限为不同业务提供个性化SCD文件配置管理功能。

在实际应用中,SCD文件按业务解耦适用于在变电站竣工验收、运维、检修等环节实施基于业务的SCD文件配置管控。当系统配置人员更新SCD文件时,各业务管理人员借助业务视图只需关注自身业务管辖范围内配置数据的变化情况;涉及某个业务的配置更新时,考虑到每个业务数据实时性、对电网安全运行风险影响程度不同,可以定制有针对性的调试、运维或检修策略,比如发现自动化业务量测类配置更新时,由于量测功能不会引起跳合闸等安全风险,无须停电,自动化业务管理人员只需要安排设备厂家下装配置文件重启测控装置即可,也不需要保护业务对保护功能进行重新调试,从而实现SCD配置数据的分专业管控。

6 结语

基于上述方案,目前,已开发完成SCD模型按通信访问点、按间隔、按业务解耦等三个功能模块,并与南瑞科技研制的智能变电站系统配置工具NsConfig进行功能集成;新的系统配置工具大大丰富了SCD配置方式和模型管控功能;该工具目前已实现对多个已投运智能变电站SCD文件的解耦与合并,提供分层、分间隔、分业务的配置视图和配置变更管控功能。此外,还将业务解耦功能尝试嵌入辽宁电力公司智能变电站二次设备全过程管控系统中进行集成应用。该系统除具备SCD版本管理、流程管控、配置信息可视化等基本功能外,还提供针对设计、调试、运维、调度等不同单位,保护、自动化、电能量等不同专业的SCD特定业务数据视图和配置权限管理等功能;目前该系统已接入500kV鹤乡变等19个变电站,对这些站SCD文件实现了业务化管理,保障变电站日常运维、检修及后续改扩建的安全,取得初步的应用效果。

本文针对智能变电站SCD模型应用中存在的问题,提出了智能变电站多维度信息断面解耦技术方案,指导SCD模型解耦功能开发和应用,为SCD文件简化应用和优化管控提供新的技术手段。但目前SCD模型解耦功能还不够实用化,尤其是在SCD业务解耦方面,相关技术和功能还有待进一步完善,为应对未来可能形成以业务为中心的SCD模型应用和管控模式,技术上还需研究解决不同业务交叉配置可能造成SCD配置不一致问题;功能上,系统配置工具还应实现与智能变电站二次设备全过程管控系统在业务权限和SCD模型上实现数据对接,进一步拓展业务化配置功能。

20180222100802446961.jpg

参考文献

[1] DL/T 860 变电站通信网络和系统[S].2006.

[2] 张沛超,姜健能,杨漪俊,等.智能变电站配置信息的全生命周期管理[J].电力系统自动化,2014,38(1):85-89.

[3] 王松,宣晓华,陆承宇,等.智能变电站配置文件版本管理方法[J].电力系统自动化,2013,37(17):96-98.

[4] 孙一民,刘宏君,姜健宁,等.智能变电站SCD文件管控策略完备性分析[J].电力系统自动化,2014,38(16):105-109.

[5] 黄树帮,窦仁晖,梅德东,等.基于IEC 61850标准的通用IED仿真系统的设计与实现[J].电力系统自动化,2012,36(18):153-158.

[6] 王增华,窦青春,王秀莲,等.智能变电站二次系统施工图设计表达方法[J].电力系统自动化,2014,38(6):112-116.

[7] 陈爱林,耿明志,张海东,等.智能变电站和主站共享建模的关键技术.电力系统自动化,2012,36(9):72-76.

[8] 李忠明,曾元静,袁涤飞.IEC 61850 SCD文件导入生成嵌入式远动系统装置定义的通用方法[J].电力系统自动化,2010,30(7):117-120.

[9] 国家电网公司.Q/GDW 1396-2012 IEC 61850工程继电保护应用模型[S].2012.

[10] 国家电网公司.Q/GDW 616基于DL/T 860标准的变电设备在线监测装置应用规范[S].2011.

作者简介

黄树帮,高级工程师,主要研究方向为继电保护和变电站自动化。

倪益民,高级工程师,主要研究方向为电力系统自动化和变电站自动化。

张海东,工程师,主要研究方向为电力系统自动化和变电站自动化。

0
网友评论 文明上网理性发言,请遵守政策法规
发表评论
精彩评论 0条评论