智能變電站二次回路可視化實現(xiàn)方法研究

胡思琪， 席自強

(湖北工業(yè)大學太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430068)

智能變電站二次回路可視化實現(xiàn)方法研究

胡思琪， 席自強

(湖北工業(yè)大學太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430068)

通過描述智能變電站二次回路的結構信息，結合運維、檢驗工作的現(xiàn)實操作要求，說明了智能變電站二次回路可視化的必要性。并且提取設備與設備間的配置描述，實現(xiàn)SCD中的二次回路信息由文本模式轉化為圖形模式。最后根據現(xiàn)行二次回路可視化實現(xiàn)過程中存在的問題，研究智能變電站二次回路可視化改進的具體方法，提出完善配置信息，以分層圖形化展示版本差異。

智能變電站； 二次回路； 可視化； SCD

堅強智能電網的建設是目前全球電力行業(yè)都廣泛關注的一個課題，而智能變電站作為智能電網“電力流、信息流、業(yè)務流”三流匯集相交點，擔負著電能傳輸和分配的監(jiān)測、控制、管理的任務，是建設藍圖中變電環(huán)節(jié)的重要建設目標。目前，我國智能電網已進入全面建設期，超過一半的新建變電站是智能變電站[1-2]。

由于大量新技術的投入使用，智能變電站的結構由常規(guī)二次電纜連接方式轉變?yōu)楣饫w和工業(yè)以太網交換機組成的數字化二次回路，相應的設計方式也發(fā)生了很大變化。變電站開始向無人作業(yè)模式轉變，從而引起變電站二次回路的根本性變革。為給智能變電站后期的運維、檢修工作提供支撐，廠家必須適應智能化帶來的這種技術革新。不同于常規(guī)變電站，智能變電站二次系統(tǒng)信息的詳細描述包含于全站唯一配置描述文件(Substation Configuration Description,SCD)，它由集成商參照設計院出具的虛端子連接表進行配置。常規(guī)變電站中的智能電子裝置(Intelligent Electronic Device,IED)基于端子排的二次連接關系，如今成為相應的智能變電站中SCD包含的虛端子回路對應關系[3-4]。因而，可以說SCD文件對智能變電站二次回路可視化的正常運行與實現(xiàn)起著至關重要的作用，類似“黑匣子”的二次系統(tǒng)也給變電站的二次運維管理帶來了新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)[5]。

1 智能變電站的二次回路

1.1智能變電站

智能變電站普遍采用“三層兩網”的結構，將網絡化的二次設備分為過程層、間隔層和站控層[6]，智能變電站二次連接示意圖見圖1。其中的過程層采用點對點或者采用交換機的網絡通信方式取代了大量的二次連接電纜，并通過這種方式傳輸采樣值(Sampled Value，SV)和面向通用對象變電站事件(Generic object oriented substation event,GOOSE)，實現(xiàn)采樣信號和開關量輸入/輸出信號的傳遞。間隔層一般包含有繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置、故障錄波裝置等二次設備，繼電保護與智能終端采用GOOSE點對點方式連接，保護間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動等信息采用GOOSE組網傳輸取代硬連線，實現(xiàn)使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能。站控層包含自動化系統(tǒng)、站域控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)了面向全站設備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，它的功能能夠高度集成在一臺計算機或嵌入式裝置中[7]。

在實際應用中，智能變電站是建立在IEC61850通信標準基礎上的一種設施，可以實現(xiàn)設備信息共享以及相互操作。作為一種電力公司的運行工具，智能變電站依靠數字化、網絡自動化等技術手段來實現(xiàn)其應用功能，這也是科學技術發(fā)展的必然。例如，系統(tǒng)監(jiān)控、保護等任務只有在智能化二次設備通信網絡的幫助下才能完成。此外，隨著新興技術的發(fā)展，以太網等數字化設備大批量地投入到了實際應用中,所有變電站設備急需改革,所以網絡化二次系統(tǒng)功能成了變電站的又一革新手段。

圖 1 智能變電站二次連接

1.2智能變電站二次回路

不同于傳統(tǒng)變電站，智能變電站二次回路用光電信號和光纖取代常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜，在信息傳輸過程中，每根通信光纖中可包含多組GOOSE或SV數據，簡化了控制回路的結構。智能變電站不僅具有初步智能的一次設備，同時還有網絡化的二次設備，如合并單元、智能終端、過程層交換機等。設備間使用的是高速網絡通信連接、由邏輯模塊實現(xiàn)功能并且采用網絡跳閘，不再出現(xiàn)功能重復的I/O接口和常規(guī)功能裝置。可以說，二次設備網絡化取代總線方式，使得數據傳輸更加豐富、更加標準，實現(xiàn)信息交互網絡化與信息應用集成化。

智能變電站二次系統(tǒng)網絡化是將虛擬網(Virtual Local Area Network，VLAN)技術應用在智能變電站中，并借助GOOSE通信傳輸機制和SV采樣值傳輸機制來實現(xiàn)各種網絡化的保護、控制及計量等多種二次設備功能,其二次系統(tǒng)功能特點如下：變電站網絡化二次系統(tǒng)主要由多層網絡結構組成，一般結構表現(xiàn)為間隔層集多種設備為一體,通過智能變電站機構，促使二次系統(tǒng)通信趨于分散分布式，最終融合傳統(tǒng)變電站二次設備。毫無疑問，融合式網絡結構尤為重要，它可以重新集合整個變電站的二次設備，能使變電站層后臺系統(tǒng)獲得大量信息，從根本上綜合利用最新開發(fā)的數據基礎[8-9]。

2 智能變電站二次回路可視化

2.1SCD文件可視化

智能變電站IED設備都基于IEC61850進行建模，配置文件成為了設備的關鍵，決定了設備的輸入、輸出外特性。系統(tǒng)的集成配置決定了整個系統(tǒng)的功能和性能，全站系統(tǒng)配置文件SCD是保證變電站正常運行的基礎和關鍵，也是變電站運維檢修的主要依據。

系統(tǒng)集成組態(tài)配置是將各設備的保護配置文件(IED Configuration Description,ICD)有機集成，進行虛端子連線，配以GOOSE控制塊及相關參數、SV控制塊及相關參數、網絡通信參數等，最終形成系統(tǒng)性的配置文件SCD。SCD生成后，設備的參數以及設備間的相互關系就確定了，生產廠家將從SCD文件中導出每個設備的實例配置文件CID，下裝到相應的設備，設備才能按照設計需要正常運行。

站控層監(jiān)控后臺、遠動裝置等設備應直接導入SCD配置文件，自動解析文件中的數據信息生成數據庫，按照設計和用戶要求配置畫面、文字、報表等人機界面，配置防誤閉鎖、順序控制、智能告警與故障綜合分析等高級應用功能。

SCD解析結果見圖2，SCD文件的圖形化對于二次回路與虛端子配置的可讀性具有重要意義。

圖 2 SCD解析結果

2.2可視化展示

將智能變電站的二次設備上的物理鏈路端口按信號傳輸的方向分為發(fā)送端和接收端，其中，數據發(fā)送端按信號來源可再分為多個。智能變電站的開關量信號或者交流采樣信號總是從發(fā)送端輸往信號接收端，控制命令或者跳閘命令也是從信號的發(fā)出端輸往命令的接收端，也就是說，在二次回路中輸送的信號都是有一定的流向。二次系統(tǒng)內部通過發(fā)布—訂閱數據間的映射關系，構成了二次回路里的虛擬導線。虛擬導線這種概念是為了便于理解而設定的，對應著常規(guī)變電站的二次回路電纜。因此，為了展示這種設備間的連接關系，可以采用一根有向箭頭從輸出信號端指向輸入信號端。最終可以用一個包含二次設備及其輸入輸出端和SV與GOOSE信號的連接關系圖。

將可視化的展示分為以下三個步驟。

1)導入變電站SCD文件并解析，獲得每個裝置的相應通訊參數及相應虛端子信息，分析二次設備的內部訂閱數據和外部裝置發(fā)布數據之間的映射關系，以此建立回路連接模型及數據映射模型；

2)設計好界面的布局模式，完成每個設備、二次回路連線和SV接收壓板等各個元素的圖形樣式的繪制；

3)最后把各個元素的圖形樣式和數據連接模型結合起來，在適當的位置上最終生成如圖3所示的二次回路展示畫面。

圖 3 某220kV線路保護可視化二次回路

3 可視化存在的問題

3.1可視化信息不全面

目前可視化的原理基本都是將SCD文件導入解析，使虛端子間的連接回路可視化。然而，SCD文件中的軟壓板數據集不包含軟壓板與相應GOOSE和SV數據集的控制關系，所以現(xiàn)有的可視化方法只能查看數據集和虛端子的聯(lián)系，不能像傳統(tǒng)圖紙一樣直觀方便地反映軟壓板在二次回路中起到的作用。同時，SCD文件也不包含二次信息與實際光纖回路的相應關系，無法通過可視化判斷傳輸數據對應的光纖及接口。在系統(tǒng)驗收、調試過程中，工作人員只能通過插拔光纖逐條驗證，或者利用數字測試儀。

3.2SCD文件變更

SCD文件的頻繁改進一般會帶給調試人員和維護人員很多難題。一套SCD文件所涵蓋的內容是十分巨大的,內部含有大量的配置文件,對整個變電站的工作起到了決定性的作用。在實際工作中整個過程更加復雜,要想對SCD文件進行修改,不僅要徹底地修改SCD文件,還要在修改之后將其還原到最初的狀態(tài)[10]。這一來一回很有可能導致SCD文件的損壞,最終導致變電站的工作異常。

SCD文件內包含了傳統(tǒng)意義上的二次回路，它采用XML語言描述了變電站一次系統(tǒng)結構、站內IED實例配置信息、IED間的通信配置以及虛端子間的連接關系等信息。對于一個智能化變電站來說，面對系統(tǒng)調試需要頻繁更新SCD文件，但是現(xiàn)有的SCD文件版本管控辦法并不算精準，不能詳細描述更新的細節(jié)；并且在智能變電站擴大、改建過程中，SCD文件的更新會影響變電站IED通信結構發(fā)生改變。在二次回路可視化程中，偶爾會出現(xiàn)SCD文件報錯的情況，導致工作人員必須反復修改導入SCD文件。

4 改進方案

第一，在解析SCD文件的同時，導入軟壓板控制信息。這樣一來，在原始的二次回路可視化界面上就添加了明確的裝置軟壓板的配置信息和相應的GOOSE傳輸數據的內容。由此可以形成與傳統(tǒng)二次接線圖相似的二次回路圖示，便于運維人員理解和掌握，為工程驗收、回路校驗、故障維修、技術培訓等提供重要的信息參照。

第二，SCD文件的變更首要體現(xiàn)在二次回路和對IED的改變。對IED的區(qū)別性比較經過兩大層面來展開：1)IED數據區(qū)別性比較。檢驗《Q/GDW 396 IEC61850工程繼電保護應用模型》所陳述的信息集合以及信息集合組成統(tǒng)一與否。提出維護案例,通過引入兩種形式的SCD文件,依次對比信息集合維護案例的成分以及它的DA、DO、LN性質,若性質類別、稱號統(tǒng)一,就是代表IED裝置數據統(tǒng)一,不然就代表裝置有區(qū)別,要求維護工作者注重其有變化的數據部分。2)二次回路區(qū)別性比較。在SCD文件中每個裝置的LN0邏輯節(jié)點中的Inputs部分定義了該裝置的輸入SV值連線，它代表裝置內部輸入虛端子信號和外部的輸出信號。載入兩種形式的SCD文件，引入Inputs的一切ExtRef條款，對比其增添、刪除條款區(qū)別，對其過程層信息和二次回路開展驗證和測驗。

經過比較，能夠快速、準確地區(qū)別出“無關裝置”、“相關裝置”和“涉及裝置”。其中，“無關裝置”的定義是未進行變更，調節(jié)時也不會遭受干擾的裝置，不用再進行特定安排；“相關裝置”的定義是會變更的裝置，要求再次下載CID項目的IED，比如增加、改進、刪減了虛端子連接數據，會依次以圖像展示出來；“涉及裝置”的定義是未變更裝置，不過IED在調節(jié)“相關裝置”時會受到干擾。

這樣可視的SCD文件能夠滿足運維人員需求的同時，提高了調試效率，節(jié)約了調試時間，實現(xiàn)了變電站SCD全過程管控。

5 結語

智能變電站SCD包含了IED的實例配置和通信參數、IED之間的通信配置及虛端子聯(lián)系等信息，本文提出的變電站二次回路可視化方案通過對SCD文件的深入分析，以分層的圖形化方式展現(xiàn)IED之間的互操作關系以及不同版本SCD之間的差異，解決了變電站配置描述文件可閱讀性差、不利于運維檢修人員現(xiàn)場工作的問題，并同時添加裝置軟壓板的配置信息，優(yōu)化了現(xiàn)行的二次回路可視化方案，提高了這類工具的操作實用性和界面友好性，為智能變電站的二次回路調試、運行以及檢修維護提供了更優(yōu)化的服務。

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[責任編校：張巖芳]

RealizationofSecondaryCircuitVisualizationinSmartSubstations

HU Siqi , XI Ziqiang

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Combining with the actual needs of operation and maintenance work, the necessity that smart substation secondary circuit must be visualized is explained. By retrieving configuration description between equipments, the paper realizes that secondary loop information in SCD turns text format into graphics mode. By studying and analyzing the specific method of visualization, the paper puts forward some suggestions to improve the visualization tools aiming at the existing problems in the current smart substation secondary circuit visualization tools.

intelligent substation；secondary circuit；visualization；SCD

2016-08-29

胡思琪(1992-)， 女，湖北黃岡人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為智能變電站

席自強(1960-)，男，湖南東安人，湖北工業(yè)大學教授，研究方向為電能質量檢測與控制技術，太陽能發(fā)電技術

1003-4684(2017)05-0100-04

TM63

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