基于一體化監(jiān)控系統(tǒng)的智能變電站順序控制模塊互換性研究

劉 青，傅代印，鄭志勤，于同偉

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

0 引言

智能變電站的高級應(yīng)用是其區(qū)別于以往變電站的重要特征之一，也是體現(xiàn)其智能化的關(guān)鍵之處。隨著國家電網(wǎng)公司《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》和《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》的頒布，“節(jié)約環(huán)保、功能集成”的建設(shè)理念已成為實現(xiàn)變電站全景數(shù)據(jù)的采集及全站高級應(yīng)用等功能的指導(dǎo)思想[1]，因此將順序控制等各高級應(yīng)用功能集成在站控層后臺監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)并進行模塊化設(shè)計已成為今后的發(fā)展趨勢。

目前，高級應(yīng)用尚處于初級階段，由監(jiān)控系統(tǒng)制造商一塊提供，因此存在以下兩個問題：

1）高級應(yīng)用功能設(shè)計沒有標準化，包括高級應(yīng)用功能所涉及的所有邏輯節(jié)點以及各邏輯節(jié)點之間的交互關(guān)系。

2）缺乏各高級應(yīng)用之間信息交互的標準規(guī)約。

應(yīng)該指出：模塊化的最終目的是為了實現(xiàn)不同廠家高級應(yīng)用模塊間的互換性，以便為用戶呈現(xiàn)高級應(yīng)用的最優(yōu)組合；而以上兩點不足，恰使高級應(yīng)用無法獨立于后臺監(jiān)控系統(tǒng)，阻礙了其模塊化發(fā)展的進程。

拿順序控制來說，若要實現(xiàn)順控模塊的互換性，即要保證在信息交互接口不變的情況下，將其替換為相同或不同廠家的模塊后，至少能提供相同的功能，并對系統(tǒng)其余部分沒有影響[2]。試想，如果這兩個模塊的信息模型設(shè)計的不一致，就可能出現(xiàn)同名不同義、同義不同名的邏輯節(jié)點或者數(shù)據(jù)對象等；而如果兩模塊信息模型所涉及的信息交互關(guān)系設(shè)計的不一致，就可能會有更換后的順控模塊欲直接與視頻監(jiān)控進行交互而更換前則先要經(jīng)站內(nèi)操作模塊過渡的情況，這就使得順序控制功能在實現(xiàn)中缺乏預(yù)先配置的接口。顯然，上述兩種情況都無法實現(xiàn)順控模塊的互換性，因此，將順控功能進行標準化設(shè)計很有必要。

當(dāng)前，關(guān)于順序控制功能的研究大多集中在其實現(xiàn)方式上[3-5]。僅文獻[6]對其功能的標準化建設(shè)進行了有益的探索，該文給出了順序控制功能邏輯節(jié)點模型，但并沒有對功能實現(xiàn)過程中的各LN之間的信息交互關(guān)系進行嚴謹?shù)拿枋?，也沒有給出源自不同廠家高級應(yīng)用之間信息交互的標準規(guī)約。而這同時也暴露出了IEC 61850在這兩方面的缺陷：

1）IEC 61850標準中缺少高級應(yīng)用相關(guān)LN，并且標準對功能和LN的描述不夠直觀，不能從全貌和細節(jié)上對功能內(nèi)部LN之間的交互進行嚴謹?shù)目坍媅7]，不利于功能的標準化設(shè)計。

2）IEC 61850標準，旨在實現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)相連的各IED的互操作性[8]，而高級應(yīng)用間的信息交互實則是監(jiān)控主機IED內(nèi)部邏輯設(shè)備（LD）之間的交互，這在標準中是沒有規(guī)定的。所以，未來智能變電站標準體系中必將涉及IED內(nèi)LD之間的信息交互。

鑒于IEC 61850標準的上述缺陷，為了繼續(xù)推動高級應(yīng)用模塊化進程，本文仍以順序控制為研究對象，首先擴展了順控功能相關(guān)的LN，然后以IEC 61850-5為基礎(chǔ)，融合IEC 61850-7中定義的LN內(nèi)部數(shù)據(jù)（Data）及數(shù)據(jù)屬性（Data Attribute），利用擴展協(xié)作圖為順序控制功能構(gòu)建了統(tǒng)一的模型，最后考慮到IED內(nèi)LD之間信息交互標準的制定具有長期性，結(jié)合IEC 61850標準及智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點，提出了一種基于Data Server回發(fā)GOOSE報文的信息交換服務(wù)模型。通過以上研究，完成了順控功能的標準化，實現(xiàn)了不同廠家順控模塊間的互換性。

1 順序控制功能交互模型的LN擴展

順序控制一般分為兩個階段[9]，第一階段為順序控制操作票的仿真階段，在這一階段并不操作任何一個物理開關(guān)，而是以逼真的環(huán)境模擬現(xiàn)場實際運行操作，以驗證操作票內(nèi)容邏輯的正確性和應(yīng)用的實效性；第二階段為順序控制功能實際執(zhí)行階段，在這一階段開始執(zhí)行之前，順控模塊已經(jīng)獲知操作票的內(nèi)容。本文所構(gòu)建的順控功能交互模型，即為第二階段順控功能實際執(zhí)行階段。這一階段所涉及的LN有人機接口IHMI、順序控制CSEQ、站控層五防CILO、告警處理CALH、開關(guān)控制器CSWI、間隔層五防 CILO、實際被操作的對象（例如斷路器XCBR、隔離開關(guān)XSWI、跳閘條件PTRC以及各種保護等）。此外，順序控制對操作中出現(xiàn)的異常情況，應(yīng)具有急停功能，但現(xiàn)有的CSEQ缺乏此項屬性；并且，順序控制宜與視頻監(jiān)控聯(lián)動，提供輔助的操作監(jiān)視，而現(xiàn)有的標準中缺乏相關(guān) LN[10]?？紤]到以上兩點關(guān)系到交互模型的完整性，本文擴展了CSEQ的數(shù)據(jù)對象和視頻監(jiān)控聯(lián)動LN。另外，為了保證從監(jiān)控主機發(fā)出的操作控制指令只有一個執(zhí)行通道，還需要有后臺操作的相關(guān)接口，即站內(nèi)操作功能LN，目前的標準中沒有此LN，可暫用通用過程I/O邏輯節(jié)點GGIO來代替。

依照IEC 61850-7-4中對新LN和新Data的規(guī)定，對所需LN進行如下擴展：

1）擴展CSEQ數(shù)據(jù)對象

順序控制的急停功能對應(yīng)的 Data對象應(yīng)該是一個可以由變電站運行人員進行實時控制的單點狀態(tài)量，而CSEQ 的模型[11]如表1所示，缺少急停和自動操作Data對象，因此擴展Data對象如表2所示。

表1 順序控制模型Table 1 Model of sequence control

表2 順序控制模型新數(shù)據(jù)對象Table 2 New data of sequence control model

2）擴展視頻監(jiān)控聯(lián)動LN

智能變電站中，不僅順序控制需要與視頻監(jiān)控聯(lián)動，操作可視化、輔助控制等都要求與視頻監(jiān)控聯(lián)動，因此，視頻監(jiān)控IED中應(yīng)包含視頻監(jiān)控聯(lián)動LN。對其擴展情況如表3、表4所示。

表3 新邏輯節(jié)點“視頻監(jiān)控聯(lián)動”Table 3 New logic node of “video surveillance linkage”

表4 視頻監(jiān)控聯(lián)動模型Table 4 Model of video surveillance linkage

表4中，Str用于啟動視頻監(jiān)控聯(lián)動功能，并且可以表示視頻監(jiān)控聯(lián)動功能是否處于啟動狀態(tài)，Str=1，表示功能為啟動狀態(tài)，否則其值為0，是可控的單點狀態(tài)量；Rcl用于將視頻監(jiān)控聯(lián)動功能復(fù)歸，使各數(shù)據(jù)值都為初始值，同時可表示功能是否被復(fù)歸，Rcl=1，表示功能為初始狀態(tài)，否則其值為0，是可控的單點狀態(tài)量；TargetPosLokRsl表示視頻監(jiān)控聯(lián)動功能自動切換攝像頭后鎖定操作對象的結(jié)果，若鎖定成功，其值為1，否則其值為0，是單點狀態(tài)量；OpStJudgeRsl表示視頻監(jiān)控聯(lián)動功能所傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)對受控對象操作執(zhí)行狀態(tài)的判斷結(jié)果；JudgeRstAlm表示由于天氣狀況惡劣使視頻畫面不清晰等原因?qū)е碌囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)無法識別受控對象操作結(jié)果而由視頻監(jiān)控聯(lián)動功能傳輸?shù)膱缶?/p>

2 順序控制功能交互模型標準化設(shè)計

圖1給出了本文所構(gòu)造的順序控制功能交互模型，為了將順序控制功能信息流表示清楚并且突出該功能中核心邏輯節(jié)點CSEQ的作用，未畫出站控層五防等其他高級應(yīng)用功能信息流，只是保留其與CSEQ的接口信息流。另外，需要強調(diào)的是，針對每一個受控對象（圖中為XCBR），圖中的箭線規(guī)定了順控功能執(zhí)行中各LN之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及信息傳遞的方向，這是確定的，換言之，在順控功能執(zhí)行的每一步，箭線的方向和兩端LN都是不變的，變的只是交互信息（如圖中左側(cè)一列），和交互發(fā)生的先后次序（如圖中箭線的序號），因為功能在執(zhí)行時有可能出現(xiàn)異常告警或者操作失敗。另外，順序控制操作步驟較多，模型配置工作量較大，但每一項單步操作的執(zhí)行過程又具有相同或者相似的邏輯，為了分析方便，圖中所建模型為典型的單步操作。

下面假設(shè)成功執(zhí)行了一個操作總次數(shù)為 12的順序控制任務(wù)的第一步，內(nèi)容是要將斷路器斷開（XCBR.Pos.ctlVal=off）。其信息交互過程如圖1。

圖1 順序控制功能交互模型Fig. 1 Interaction model of sequence control function

1) 運行人員通過順控功能人機接口IHMI發(fā)消息流(1)給CSEQ，開放其電源控制并指示其可以開始自動操作控制。

2) CSEQ向站控層五防CILO傳遞將進行的操作內(nèi)容，如消息流(2)，站層五防綜合全站信息進行邏輯判斷，告知CSEQ操作可執(zhí)行，如消息流(3)。

3) CSEQ將操作內(nèi)容及從站控層五防得到的“操作許可”傳給監(jiān)控主機的站內(nèi)操作執(zhí)行接口GGIO，如消息流(4)。

4) 站內(nèi)操作功能 GGIO 發(fā)送消息流(5)到ZVSL，啟動視頻監(jiān)控聯(lián)動功能，并告知操作內(nèi)容，之后等待監(jiān)控主機的報告集中處理CALH的信息，ZVSL將功能啟動狀態(tài)和目標位置鎖定成功報告給CALH，如消息流(6)，CALH將視頻聯(lián)動目標鎖定成功并無告警異常轉(zhuǎn)達給GGIO，如消息流(7)。

5) GGIO將操作指令下發(fā)給間隔層測控裝置的開關(guān)控制單元 CSWI，如消息流(8)，CSWI與間隔層五防單元 CILO進行交互，如消息流(9)和(10)，之后CSWI向過程層XCBR發(fā)出GOOSE跳閘指令，如消息流(11)。

6) XCBR跳開斷路器，當(dāng)斷路器狀態(tài)（XCBR.Pos.stVal）由合(on)變成(off)時，XCBR 用GOOSE報文立即報告給CSWI，如消息流(12)，緊接著CSWI將此報告?zhèn)鹘oCALH，如消息流(13)。

7）ZVSL將視頻監(jiān)控對操作狀態(tài)的判斷結(jié)果為成功的消息報告給CALH，如消息流(14)，應(yīng)指出，消息流(13)和(14)在功能執(zhí)行過程中沒有嚴格的先后報告次序，此處的次序是為了便于分析，其并不影響順序控制功能的開發(fā)和下一步的通信建模。

8) CALH匯總來自各方的報告后，發(fā)消息流(15)給CSEQ，告知其各處報告一致，操作執(zhí)行成功。

9) CSEQ獲知第一步操作執(zhí)行成功后，向其功能模塊的人機接口IHMI發(fā)送操作執(zhí)行信息：總共12步操作，現(xiàn)已成功執(zhí)行1步（CSEQ.OpTot.stVal=12，CSEQ.St.stVal=1/12），如消息流(16)。

自此順控功能完成了單步操作中各LN之間的全部信息交互，將自動轉(zhuǎn)入下一步操作。

3 高級應(yīng)用模塊間信息交換服務(wù)的通用模型

本文提出一種基于Data Server回發(fā)GOOSE報文的信息交換服務(wù)模型，來彌補當(dāng)前不同廠家高級應(yīng)用信息交互標準的缺失，如圖2所示。這是一種利用現(xiàn)有標準并借助外部IED實現(xiàn)本IED內(nèi)LD之間信息交互的中轉(zhuǎn)式建模方案，此外部IED為中轉(zhuǎn)IED，其內(nèi)含有中轉(zhuǎn)LD。下面對其進行介紹。

1）中轉(zhuǎn)IED及信息傳輸模型的選擇

在智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)中，監(jiān)控主機和Data Server同在站控層，通過站總線相連，如圖3所示。Data Server用來實現(xiàn)智能變電站全景數(shù)據(jù)的集中存儲，為各類應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢和訪問服務(wù)[10]。選擇Data Server作為中轉(zhuǎn)IED，也正是出于其功能的考慮，可以直接存儲監(jiān)控主機內(nèi)各高級應(yīng)用的交互過程。但是，由于中轉(zhuǎn)IED的引入，客觀地延長了高級應(yīng)用的響應(yīng)時間，為了兼顧信息傳輸延時及可靠性，監(jiān)控IED和中轉(zhuǎn)IED之間信息傳輸采用GOOSE服務(wù)模型。關(guān)于GOOSE的詳細的介紹請參見IEC 61850-7-2和IEC 61850-8-1，此處不予詳述。

圖2 基于Data Server回發(fā)GOOSE報文信息交換服務(wù)模型Fig. 2 Information exchange service model based on GOOSE message sent back by Data Server

圖3 智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Ⅰ區(qū)Fig. 3 AreaⅠof structure of integrated supervision and control system of smart substation

2）信息交互過程分析

在建模方案中，順序控制功能等各高級應(yīng)用模塊都建模為監(jiān)控主機IED內(nèi)的LD，LD是GOOSE信息的源頭，GOOSE控制塊以及待交換的數(shù)據(jù)集（DatSet）信息都在其內(nèi)的邏輯節(jié)點零（LLN0）中。當(dāng)順控LD要與五防LD交互時，先由監(jiān)控主機IED將信息發(fā)給中轉(zhuǎn) IED，此時順控LD為信息的發(fā)布方，Data Server內(nèi)的中轉(zhuǎn)LD為訂閱者接收發(fā)布方發(fā)來的GOOSE報文，經(jīng)過解碼確定是由監(jiān)控IED內(nèi)順控LD經(jīng)此要轉(zhuǎn)發(fā)到五防LD的交互信息后，將報文主要內(nèi)容原封不動回發(fā)給監(jiān)控IED，此時發(fā)布方是Data Server內(nèi)的中轉(zhuǎn)LD，監(jiān)控主機IED內(nèi)的五防LD為訂閱者接收發(fā)布方傳來的GOOSE報文，并經(jīng)一定的響應(yīng)時間，以同樣的方式將邏輯判別結(jié)果發(fā)給順控LD，自此完成了順控LD與五防LD之間的信息交互，即同一IED內(nèi)不同LD之間的信息交互。值得注意的是，上述信息交互過程中的LD與其具體實現(xiàn)是相獨立的，即這種建模方案實現(xiàn)了同一IED內(nèi)，不同廠家LD之間的“互操作”，順控LD可以來自不同的制造商，這時如果各廠家的順控功能交互模型能按照本文圖1中所構(gòu)建的功能交互模型進行標準化設(shè)計，使各家的應(yīng)用功能模型到達統(tǒng)一，那么不同廠家的順控功能模塊就可以進行替換，而不影響系統(tǒng)其他部分。因此，本文所提出的建模方案，對實現(xiàn)不同廠家的順控功能模塊的互換性是有效的。同時，站控層GOOSE與MMS雙網(wǎng)合一在實際工程中已經(jīng)得到應(yīng)用[12]，所以方案又是可行的。同理，此方案也適用于其他高級應(yīng)用模塊之間的信息交互。

4 模塊的配置與測試

如本文所述，包括順序控制在內(nèi)的高級應(yīng)用的模塊化應(yīng)用，必然要求變電站站控層設(shè)備配置的擴展。不論是本文所提出的由外部IED中轉(zhuǎn)的建模方案，還是將來有可能出現(xiàn)的在IED內(nèi)部LD交互的直接標準化建模，都需要將監(jiān)控IED內(nèi)多家第三方提供的LD之間的虛端子配置信息合理準確地擴充進SCD（Substation Configuration Description）文件中，使SCD文件適應(yīng)高級應(yīng)用配置的實際需要。

對高級應(yīng)用模塊的測試，應(yīng)采用兩級測試的方式。先由監(jiān)控平臺制造商對各高級應(yīng)用模塊做好功能測試，確保各模塊能有效運行在平臺上；再經(jīng)相關(guān)資質(zhì)單位進行系統(tǒng)測試，以檢測各高級應(yīng)用模塊之間的“互操作性”。

5 結(jié)語

智能變電站高級應(yīng)用的模塊化設(shè)計已成為其今后的發(fā)展趨勢，本文以順序控制為研究對象，擴展了該功能相關(guān)的LN，利用擴展協(xié)作圖為其功能構(gòu)建了統(tǒng)一的模型，最后提出了一種基于Data Server回發(fā)GOOSE報文的信息交換服務(wù)模型。借此完成了順序控制功能的標準化，實現(xiàn)了不同廠家模塊間的互換性，為高級應(yīng)用功能模塊化設(shè)計提供了一種研究模式，能夠有效推動智能變電站高級應(yīng)用模塊化進程，進一步提高全站系統(tǒng)功能的通用性、可擴展性和智能化水平。

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