智能變電站數據源端維護技術方案探討

祁 忠 ，篤 峻 ，王開宇

(1.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110006)

目前，智能電網是我國電網技術的研究熱點和發展趨勢，已經上升到國家戰略的高度，智能變電站是這一戰略的重要一環。變電站實現智能化的關鍵是實現全站數據統一建模，實現站內二次裝置和一次設備屬性、能力及行為的統一描述，這樣才能使不同智能電氣設備之間的信息共享和互操作成為可能，實現真正意義上的智能化變電站。IEC 61850為全站數據提供了完整的建模規范，它規范了數據的命名、屬性及行為。采用IEC 61850實現全站數據統一建模使數據源端維護成為可能。目前，大量的數字化變電站都采用IEC 61850統一描述全站數據模型，為數據源端維護技術的發展奠定了工程應用基礎。

1 數據源端維護的概念

國家電網公司制定的 《智能變電站技術導則》中對數據源端維護做了如下描述：變電站作為調度/集控系統數據采集的源端，應提供各種可自描述的配置參量，維護時僅需在變電站利用統一配置工具進行配置，生成標準配置文件，包括變電站主接線圖、網絡拓撲等參數及數據模型。變電站監控系統與調度/集控系統可自動獲得變電站的標準配置文件，并自動導入到自身系統數據庫中。源端維護中的“源端”是指在變電站端統一配置和維護數據。源端維護的內容包括數據模型、網絡拓撲、接線圖等。源端維護的目標是調度/集控系統可以直接導入和使用變電站端維護的數據模型。源端維護的意義在于數據模型統一在變電站端進行配置和維護，調度/集控端不需要重復建立數據模型，而是導入源端數據模型直接使用，這樣減少了調度/集控端的維護工作量，實現了調度/集控端數據免維護。更重要的是，保證了變電站端與調度/集控端數據模型的一致性，消除因兩端數據模型不一致對系統運行帶來的潛在風險，提高系統運行的可靠性。

2 數據源端維護的應用現狀

目前，隨著數字化變電站的普及和推廣，IEC 61850規范被廣泛應用于變電站的數據建模和維護，利用符合IEC 61850-6標準的變電站配置工具可以生成變電站標準配置文件——SCD文件。SCD文件不僅描述了變電站二次裝置的測點信息、通信配置、動作行為等信息，還描述了變電站一次設備的數據模型以及一次設備與二次裝置之間的關聯關系。SCD文件所包含的豐富的模型和配置信息能夠很好地滿足數據源端維護的需要，更為變電站內各類應用系統提供了強大的數據支持[1-3]。但在調度端如何利用變電站形成的這些數據模型實現模型拼接及數據免維護是值得探討的問題。

首先，調度與變電站的業務特點有所不同，變電站關注的是裝置-測點信息，一般按照裝置-測點來建模，如IEC 61850模型；調度則更加關注一次設備狀態信息，一般按照一次設備來建模，如IEC 61970模型。上述差異導致要實現變電站端與調度端的數據模型的無縫拼接還存在難度。其次，變電站端與調度端之間通過遠動規約進行通信，如目前廣泛應用的IEC 101/104規約，變電站端按點表發送數據，調度端則按點表一一對應接收數據，通信模型與站內數據模型不一致，需要遠動機來實現2種模型的轉換，存在大量的工程配置和調試對點的工作，導致無法實現調度端數據免維護的目標。上述工程應用現狀決定了需要探索出一套在變電站端實現數據源端維護，而在調度端實現數據共享的技術方案，否則將影響和制約智能變電站技術的發展。

3 2種技術方案

要實現變電站端與調度端的數據模型的無縫拼接，無非存在2種思路，一是將變電站端數據模型轉換成調度端數據模型IEC 61970，另一則是將調度端數據模型轉換成變電站端數據模型IEC 61850。

3.1 基于IEC 61970的技術方案

在變電站端將61850模型轉換成61970模型，具體就是利用變電站配置工具將SCD文件轉換生成CIM XML格式的文件，將該文件上傳至調度端。調度端導入該文件后可直接生成關于該變電站的數據模型。變電站端與調度端之間的通信仍然采用傳統的IEC 101/104規約。該方案基于現有的技術條件實現，較為簡單。首先，61850模型中關于一次設備模型的描述與61970模型中的相關描述基本一致，就一次設備模型來說61850完全可以無縫轉換到61970。其次，遠動規約保持不變，仍然采用被廣泛認可的IEC 101/104規約，現有變電站內遠動機及調度端前置機的技術實現都不需要進行大的改變，這也是廣大EMS系統廠家推崇該方案的原因。另外，模型轉換工作分散到各個變電站工程中進行，模型維護的工作量與保證模型一致性的責任也由變電站自動化系統集成商及變電站用戶來承擔，所以調度用戶也樂意接受該方案。

但是該方案存在明顯的缺陷。首先，常規的IEC 101/104規約只能上送數據，不能上送模型，沒有模型的支持，不能實現數據的自描述，需要手工配置變電站端數據上送與調度端數據接收之間的對應關系，兩端還需要相互配合進行實際的傳動試驗以驗證數據配置的正確性。對于不同的調度端，需要多次配置多次傳動，工程實施和維護的工作量巨大，無法實現調度端數據免維護的目標。其次，IEC 61970的CIM模型以描述電網一次設備為主，基本沒有涉及保護功能、故障錄波、在線監測等智能二次裝置的建模信息，也沒有電網一次設備與智能二次裝置之間關聯關系的相關描述。對于傳統的調度端EMS系統業務來說，CIM模型簡單實用，能夠滿足常規的業務需求。但是，隨著智能調度電網二次一體化技術的發展，調度端EMS系統越來越強調實現數據共享、系統集成。典型的應用如要求保護信息系統與EMS系統一體化，EMS系統可以利用保護裝置動作信息和故障錄波文件來對一次開關跳閘進行智能化的分析與推理，給出該次電網故障發生的原因、過程及處理方案，沒有二次裝置數據模型的支持，僅僅依靠CIM模型可能就不能滿足未來智能調度的發展需要了。

3.2 基于IEC 61850的技術方案

變電站端直接將描述全站61850模型的SCD文件上送至調度端，調度端導入該文件轉換成61970模型形成關于該變電站的數據模型。變電站端與調度端之間的通信采用IEC 61850規范。該方案最大的優勢是調度端能夠充分利用變電站SCD文件所包含的豐富信息，包括變電站二次裝置的數據模型、一次設備的數據模型以及兩者之間的關聯關系。隨著IEC 61850規范將來在狀態監測、風機控制、水利發電等領域的不斷擴充及發展，豐富的數據模型為調度EMS系統擴展新的高級應用奠定了數據基礎。遠動規約也采用IEC 61850規約，使得通信模型與站內數據模型保持一致，避免了模型轉換、二次配置、傳動試驗等一系列的工程實施與維護問題，較完美地實現了調度端數據免維護的目標[4]。

該方案也存在以下問題。相對于基于IEC 61970的技術方案，模型維護和轉換的工作放在了調度端進行，對于一個包含很多變電站的較大規模的調度中心來說，每個變電站的工程實施和維護都會帶來數據模型的變化，調度端也需要作相應的改變和調整，其模型維護的工作量無疑是巨大的，這是調度用戶無法接受的。更為重要的是，對于調度端業務來說，IEC 61850過于詳盡地描述了變電站的數據模型，最為典型的是SCD文件包含了各個電壓等級的完整的數據，而不同級別的調度中心所關心的內容又是不一樣的，如市調關心的是110 kV及以下電壓等級的數據，省調關心的是220 kV電壓等級的數據，而網調可能只關心500 kV電壓等級的數據。如果把描述全站模型的SCD文件整個上傳至各級調度中心，要求他們從各個電壓等級的海量數據中挑選出自己所需要的數據，顯然是不現實的。同樣，在通信環節，如果把全站各個電壓等級的數據全部上傳至各級調度中心，在當前普遍采用2 M帶寬的通信條件下，顯然也是不現實的。另外，相比較IEC 101/104規約，IEC 61850作為通信規約沒有優先級的控制，數據不劃分一級數據和二級數據，不能保證重要數據快速傳輸，如正在周期上送大量遙測數據的同時產生了一個開關變位信息，那么很可能因為通訊帶寬原因而不能快速上送至調度[5]。

針對上述變電站上送的SCD文件大而全的問題，可以通過變電站配置工具將SCD文件按照不同級別調度中心所需信息內容進行提取，如針對網調，可以輸入“500 kV”或者調度編號等關鍵字將XXX站.scd文件內容進行過濾和篩選，篩選出網調所需要的500 kV電壓等級的相關信息，形成諸如XXX站_500 kV.scd形式的SCD文件上傳至網調用于數據建模。在通信環節上，要求遠動機更加智能化，遠動機對上不再是僅實現透明轉發的通信網關機，而是承擔數據篩選與重組的服務器，對下將采集到的智能裝置的數據根據不同級別調度中心所需信息內容的不同，重新經過過濾、篩選、分組，形成新的上送數據集[6]。如分為500 kV數據集、220 kV數據集及10 kV數據集等，或者分為網調數據集、省調數據集、市調數據集等，向不同級別調度中心發送。針對61850沒有優先級控制的問題，目前還沒有完美的解決方案，可能的解決思路可以考慮修改目前MMS所提供服務的機制，目標是可以打斷正在傳輸的數據插入優先級更高的數據。

另外，是否可以考慮通過增加通信鏈路的質量控制或者分通道傳輸來解決，將重要的開關變位等信息與大量的遙測周期上送等信息分開傳輸，從而保證重要信息的時效性。這些解決思路都需要通過研發實踐來進一步驗證。

4 結束語

綜上所述，結合目前數字化變電站的工程應用實踐，針對目前變電站數據源端維護存在的問題，詳細介紹了2種數據源端維護的技術方案及相關細節，比較與分析了各種方案的利弊，給出了每種方案的適用條件。考慮到目前調度數據網的通信條件，基于IEC 61970的技術方案被廣大用戶和廠商所接受。而基于IEC 61850的技術方案也正在被越來越多地應用于保護信息系統主子站的建設，如浙江金華500 kV芝堰變，紹興110 kV大侶變等。關于變電站與調度之間61850通信的國際標準也正在制定中。隨著變電站與調度之間通信技術條件的不斷改善，隨著智能變電站及智能調度二次一體化信息系統建設的不斷推進，基于IEC 61850的技術方案應該是未來技術發展的趨勢。

[1]IEC 61850-7-2.Communication Networks and Systems in Substations Part 7-2:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Abstract Communication Service Interface(ACSI)[S].2003.

[2]IEC 61850-7-3.Communication Networks and Systems in Substations Part 7-3:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Common Data Classes[S].2003.

[3]IEC 61850-7-4.Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4:Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment-Compatible Logic Node Classes and Dataclasses[S].2003.

[4]張 結.應用IEC 61850實現產品互操作性的思考[J].電力系統自動化，2005，29(3)：90-94.

[5]IEC 61850-8-1.Communication Networks and Systems in Substations Part 8-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Mappings to MMS(ISO 9506-1 and ISO 9506-2)and to ISO/IEC 8802-3[S].2004.

[6]易永輝，曹一家，郭創新，等.基于XML Schema技術的IEC 61850通用網關設計[J].電力系統自動化，2007，31(2)：60-63.