调度和变电站自动化系统的贯通技术剖析

高志远1,曹阳1,徐美强2,狄方春1,3,黄海峰1,唐保国4  

(1. 中国电力科学研究院(南京),江苏省 南京市 210003;2. 南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省 南京市 211106;3. 电力调度自动化技术研究与系统评价北京市重点实验室,北京市 海淀区 100192;4. 国网山西省电力公司阳泉供电公司,山西省 阳泉市 045000)

摘要

当前的电网调度与变电站自动化系统之间存在大量的重复性工作,而相互间的独立性又很强,不利于其高效率、高可靠和智能化发展,客观上有加强贯通性设计的需求。对限制调度和变电站自动化系统应用贯通的模型、数据、图形、通信规约等基础问题进行了梳理,分别从模型、数据库、图形一致性和通信规约支撑4个方面对贯通技术进行剖析。指出统一的模型及其配置机制是实现调度和变电站自动化系统贯通设计的基础,数据库一致性是减少两端重复工作、实现高效和智能化互动的关键,在模型和数据库一致性基础上,图形共享和通信规约方案有灵活的选择方式。

关键词 : 调度自动化系统;变电站自动化系统;电网模型;贯通;智能变电站

国家电网公司科技项目(SGSXYQ00XTJS1700121)。

0 引言

贯通就是将原来分散、独立的事物或元素,通过相互作用和紧密配合,获得更高的协调性。集成则更进一步把它们合并为一个有机整体。贯通和集成在电力自动化技术的发展过程中有特殊重要的意义,并且是智能电网发展的重要趋势[1]

调度和变电站自动化系统的发展也经历了漫长的贯通和集成过程。调度端从最初的数据采集和监视(SCADA)、自动发电控制(AGC)、负荷预测、发电计划和故障分析等功能逐步发展到“一个调度中心内部有10余套独立的应用系统”[2],近年来才进一步集成为1个平台、4大类应用[3],今天的调控一体化、省地一体化、县地一体化正在延续和加强这种趋势[4-9]。变电站端也类似,从最初的控制屏台、表计设备,发展到微机监控、微机保护,其中的监控、保护、计量,乃至后台、前置、二次设备等专业藩篱显著,直到网络化技术的广泛应用、IEC 61850的推广,才逐渐实现了目前功能集成化、结构紧凑化、一次设备智能化的设计[10-13]

调度和变电站自动化系统之间存在着复杂的相互联系:1)两者间有许多业务是重叠的,例如建模、数据维护、监控业务、保护管理等,这影响了总体集约性;2)为了保证业务重复部分的一致性,增加了很多中间环节和步骤,突出体现在通信点表的维护和处理上;3)两者间存在着复杂的模型、数据、指令和系统互动关系;4)系统和业务的分割限制了自动化系统的智能化发展。

多年来,虽然也进行了调控一体、集控系统等集成化尝试,但都没有改变调度和变电站自动化系统作为两类独立系统的基本框架。在难以直接集成为一套系统的情况下,应该加强调度和变电站自动化系统之间的贯通设计,即尽量减少两者间的重复工作,增强调度与变电站自动化系统在模型、数据、图形、业务功能等方面的共享和协同,其实质是两端人工和自动化工作的共享和集成。

本文对限制贯通设计实现的各类基础问题进行了梳理,分别从模型、数据库、图形、通信规约、安全管理等方面进行了深入分析,并以此为基础进一步对调度和变电站自动化系统的贯通方案进行了综合分析和展望。

1 现状和问题

调度和变电站自动化系统贯通设计的自然屏障在于其地理位置间隔,实质即广域通信问题。目前大多数变电站还是通过2M或2×2M链路接入调度数据网汇聚点。这一基础条件可能逐步提升,但与局域网通信条件是无法相比的。

当前两端广域贯通的现状和关键问题如下:

(1)模型不同。调度端使用的是IEC 61970中规范的公共信息模型(CIM),以此为基础,近年来国内推广应用的是更为高效的CIM/E模型[14-16]。目前调度模型主要包含调度应用所需要的部分变电站一次设备模型(单相)。变电站端使用的是IEC 61850模型,其配置描述(SCD)模型文件更为详细,以二次设备模型为主,对一次设备采用三相模型,包含大量目前调度端应用尚未使用的信息。为统一两端的模型表达,当前已开展了大量研究,研究思路主要包括直接统一模型、模型映射、代理转化、通过统一语义模型支持双向转化等[17],这些研究都有一定的应用,但都没有全面解决模型一致性问题。

(2)数据差异。数据和模型紧密关联,每一个数据都对应到模型上一个具体对象的属性或变量。不论CIM模型还是SCD模型文件,都是复杂的网状或树状结构。当前数据库还是以关系型为主,层次式、网状或者面向对象数据库技术还不是主流,所以在两端自动化系统实现中主要还是以二维关系表的方式存储数据,模型则隐含在数据表结构的设计中。主流的调度和变电站自动化系统只是以不同的二维表按自己的模型和规则存储数据。对于数据库中数据与模型的关联关系,有的自动化系统由应用软件编写在程序中,有的直接在数据表中设置单独域存储该数据在模型中的路径。这样,就造成了同一个对象数据,在两端的自动化系统中,分别对应不同的模型位置和数据表位置。

(3)图形差异。变电站站内监控图形更详细和丰富一些,通常调度端只要每个站的主接线图和部分工况图,而且图上的监控对象也较少,但一个调度可能负责几十上百个变电站的监控,其所牵涉到的数据来源更加复杂。虽然也存在着一些相关自动化系统图形标准,如可缩放矢量图形(SVG)、CIM/G[18]等,但图形差异的关键在于,图形要反映的电网实际情况是需要关联数据并不断刷新的。这些导致调度和变电站端不得不重复作图,并且要维护与各自数据、模型的一致,特别是调度端需要监控众多变电站,情况更加复杂。

(4)通信规约需求多样。在IEC 61850广泛应用之前,调度和变电站端之间主流是使用IEC 60870 102/103/104等规约,按点传数据(此类规约中组号、功能号、信息号的分法实质还是数据编号),在两端需要分别做协议中数据点与本身数据库、模型的对应转化。这些规约的特点在于传输效率较高,但不够灵活、安全。其实智能变电站明确要求“与主站通信时强调模型信息也要传输”[11]。IEC 61850通过抽象通信服务接口(ACSI)提供了数据与模型紧密关联的通信方式,但前提是双方具有相同的模型(否则就需要某种IEC 61850模型代理服务)。这种通信方式克服了按点传输数据的缺点,但也提高了通信带宽要求。

(5)调度系统的规模和复杂性限制。在调控一体化、地县一体化建设中,不仅国/分电网调控系统,甚至一些大型地区的电网调控系统其“四遥”信号规模也已达到百万级别[7]。调度系统所面对的电网模型越来越复杂,其相关维护工作量巨大,面对提高全局决策和新能源消纳能力、进行大范围资源优化配置等要求,传统集中式调度已经达到或接近了当前集中式处理方式的极限,不得不开展类似分布式处理、云计算等技术的应用研究[7-8,19]。迫切需要加强两端贯通研究,通过自动化手段降低调度端的工作负载。

两端自动化系统贯通的基本框架如图1所示。其中实线表示有实际的数据交互,虚线表示有对应关系,但具体交互要通过其他方式完成。

图1 调度和变电站自动化系统贯通基本框架示意图
Fig. 1 Basic framework of the interconnections and interactions between dispatching and substation automation systems

实际上,一个调度端可能需要和众多变电站实现交互。当其中任一个变电站端新建或改变模型时,调度端多数情况要重新建立模型,部分研究可实现根据变电站端SCD模型转化生成新的调度端模型,但离实用化和推广尚有距离;当变电站模型改变时,调度端多数情况下需要重新画图并关联数据,部分研究可在调度端实现变电站端图形重用,但该图所关联的数据必须重新更换为调度数据库中的数据;当变电站端增加了一个调度端也需要的数据采样点,必须在调度数据库中也相应地增加一个数据点,然后在通信点表两端重新校对,分别做好通信点表与数据库中数据的对应关系,如果影响到图形中的数据关联,还必须重新更新图形上的数据关联。

2 贯通技术剖析

在调度和变电站端都是同一厂家同一平台的情况下,贯通技术问题就内部化了。这里主要是考虑开放式的异构产品应用,从模型、数据库、图形一致性和通信规约支撑4个方面对贯通技术进行剖析。

2.1 模型一致性

调度所关心的站内模型其实是变电站详细模型的一个子集,对这一部分一致性的模型表达意味着对变电站对象的相同理解,有助于各类应用的交互和智能化发展,也便于管理。

CIM/E作为中国的推荐性标准[20]和IEC TC 57的技术规范[14],已经得到广泛应用,为模型的一致性贯通提供了重要支撑。但目前通过CIM/E定义的变电站设备类主要是从调度角度出发需要的一次设备模型和少量的采集模型,远不能满足变电站自动化系统的需求。已有不少针对CIM/E扩充的相关研究[21-22]

CIM/E较为接近关系型表达,与持久化存储的数据库结构有直接的契合。在扩充完善CIM/E模型文件的同时,需要充分考虑:1)无损分解。需要把基于统一建模语言(UML)和可扩展置标语言(XML)表达的模型文件信息,及其内部的语义关联信息,完整地转化为关系型表。2)合理的存储空间。为了减少在数据库持久化存储时产生大量冗余信息,需要充分考虑服从数据库范式,主要是第3范式和BCNF(boyce codd normal form)范式要求。3)兼顾关系表的处理效率。当变电站模型采用CIM/E关系表达时,可能由于划分的粒度太细,影响操作效率,局部冗余存储有助于提高性能。

当前电网模型的统一规范化管理已成为研究和实践热点。文献[4]论述了统一模型中心的构想,并设计为只有一次设备模型和部分与省级以上电网分析控制相关的二次模型信息才进入统一模型维护中心,验证后进入统一模型发布中心。文献[15]论述了一种调度应用多模型、离线和在线模型以及多级电网模型的一体化管理解决方案。在智能变电站建设中也开展了二次设备模型的规范化管理实践[23]

把调度和变电站模型关联起来的统一规范管理将彻底实现电网模型的广域共享、规范高效,为各类应用提供最坚实的基础。但当前此类研究还比较缺乏,关键问题在于:1)两端还未形成被广泛认可的一致性模型表达形式;2)全网大模型过于庞大而难以验证通过[4];3)关于统一模型的安全保障、分级管理、维护机制等还需要深入研究。

2.2 数据库一致性

数据库一致性贯通有3层内涵,分析如下:

(1)数据库中表示相同对象的表结构相同或兼容。如果已经具备模型一致性,那么相对比较容易实现,可以允许两端的数据库分别在同一个表中存在自己特有的属性;反之比较困难,把不同的模型表达分解为相同的数据库表结构,容易产生较多不规范操作,对系统的可维护性、扩展性和性能有影响。

(2)数据表中同样数据对象的记录号相同。可以考虑分库分表切分技术。在调度端,针对每个不同的变电站,采用不同的数据库或者数据表,把一个变电站的数据集中存放;在变电站端,把与调度共同需要的数据集中存储,并且保持记录号一致。

(3)数据表中同样数据对象的关键字相同。需要对变电站的数据对象统一命名和编码。国内已有对于变电站一次设备的相关研究[24],但对于大量的站内二次设备和其他信息的统一命名和编码,则是一项巨大的工作。此项对于模型文件的源端维护、全网共享也有重要作用。

总体而言,目前此类研究还比较缺乏。

2.3 图形一致性

调度与变电站端图形的贯通需要考虑3个因素:1)采用同样的图形文件规范;2)具有模型一致性;3)具有数据一致性。对它们的组合情况分析如表1所示。

表1 调度与变电站自动化系统图形贯通分析
Table 1 Analysis on the reuse characteristics of graphical files of dispatching and substation automation systems

注:“√”表示符合或一致,“×”相反。下同。

2.4 通信规约支撑

调度与变电站的广域分布性决定了通信规约的重要作用。当采用数据点性质的通信规约时,例如IEC 60870 104,通常可以用二进制位反映遥信变化,以2~4个字节表示遥测或电度量数据,当然还要加上规约本身的开销(由于只关注数据点位,开销较小)。而结合模型的通信规约,例如IEC 61850 ACSI规约加上应用层的制造报文规范(MMS)映射,虽然获得了自描述性、功能丰富等优势,但规约本身的开销是巨大的。此外,包括分相测量单元(PMU)通信、故障录波、视频监控、变电站安防等应用根据情况还需要更多额外的通信带宽支持。

其实两端具体采用哪一类通信规约,还取决于其模型与数据库一致性贯通的情况,分析见表2。

表2 调度与变电站自动化系统通信规约分析
Table 2 Analysis of data level communication protocol between dispatching and substation automation systems

从两端贯通的角度看,通信规约的选择和实现关键在于:1)与两端模型和数据库一致性贯通密切相关;2)需要在基于数据点和基于模型交互、通信效率和强应用支撑能力之间获得均衡。国内目前已开展相关研究[25-26]

3 综合分析

综合考虑调度与变电站自动化系统的贯通,数据是其中的关键。以数据库表结构为基础,模型其实也是一种数据的组织方式,CIM、IEC 61850相当于基础公共模型,其上还有各类应用模型,模型转化其实也是数据组织方式的转化。在图1的基础上,图2专注于调度与其中一个变电站自动化系统的互联,从数据映射的角度对调度和变电站自动化系统之间的贯通设计进行了综合分析,图中标注了两端的各类实际信息(数据)映射关系。图2中各类信息符号的含义如表3所示。

图2 调度和变电站自动化系统综合贯通分析
Fig. 2 Interaction design of dispatching and substation automation system

表3 图2 中各类信息符号的含义
Table 3 The meaning of all kinds of information symbols in Figure 2

抽取图2中的映射关系得到图3,其具体符号含义如表3所示。

图3 调度和变电站自动化系统信息映射关系
Fig. 3 Information mapping relationship between dispatching and substation automation system

从图3可以清晰地看到:调度和变电站端存在大量的重复性工作,而由于针对的是同一数据对象,还需要时时保持两端的一致性。为保证两端数据共享和交互过程中的一致性,增加了大量的中间环节,映射路径众多。两端数据库(X和X')作为图3中连通度最大的点,其一致性贯通是避免两端重复性工作和保持一致性的关键。

4 结语

调度和变电站自动化系统之间存在紧密的联系,两者间的广域贯通设计是智能电网发展的重要趋势。

对所存在的模型、数据库、通信协议、图形共享等关键问题进行了梳理,并对相关的技术进展进行了剖析,指出:1)模型一致是两端贯通设计的基础,在目前缺乏统一标准、已存在多种局部解决方案的现实条件下,CIM/E应用和统一模型管理是重要的突破方向;2)分析了数据库一致性的3层次含义以及在避免两端重复性工作和加强贯通设计中的重要意义;3)对各种模型和数据一致性条件下的图形一致性、通信规约选择问题进行了分析;4)从数据组织的角度对调度和变电站端存在的各类映射关系进行了综合分析。

预期未来自动化系统开放、高效、共享的发展趋势将持续推动调度和变电站自动化系统向贯通设计方向发展:1)模型作为共性基础,对其进行统一管理具有重要应用价值;2)在两端模型一致的基础上,基于分布式技术的各类数据库一致性将成为研究热点;3)如表2所分析,在模型和数据一致的基础上,可以灵活地根据需要采用基于点号或者数据模型的通信交互;4)图形和各类应用协同是自动化系统智能化的具体体现,将随着模型、数据库、图形一致性基础的完善而逐步丰富。

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Analysis on technologies to strengthen the interconnections and interactions between dispatching and substation automation systems

GAO Zhi-yuan1, CAO Yang1, XU Mei-qiang2, DI Fang-chun1,3, HUANG Hai-feng1, TANG Bao-guo4
(1. China Electric Power Research Institute (Nanjing), Nanjing 210003, Jiangsu Province, China;2. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power research Institute), Nanjing 211106, Jiangsu Province, China;3. Beijing key laboratory of power dispatching automation technology and system evaluation, Haidian District, Beijing 100192, China;4. Power Company of Yangquan City of Shanxi Province, Yangquan 045000, Shanxi Province, China)

Abstract: At present, there are a lot of repetitive works between a dispatching automation system and many substation automation systems, while they have strong independence between each other, so some designs to strengthen the interconnections and interactions are strongly needed for their development of high efficiency, high reliability and intelligence.The obstacle problems, such as model management, data management, graphic files sharing and communication protocol,are combed. Some in-depth analyses are made respectively from four aspects: model management technologies, database design, graphic scheme design, and communication protocols.It is pointed out that the unified model expression and its configuration mechanism is the basis of the integrated design,maintaining the consistency of data managements is the key technology challenge for their development of high efficiency,high reliability and intelligence, there are flexible options on graphic files sharing and communication protocol based on the consistency of the model and the database.

Key words: dispatching automation system; substation automation system; grid model; interconnection and interaction;smart substation


Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC (SGSXYQ00XTJS1700121).


作者简介:

高志远

高志远(1972),男,硕士,研究员级高级工程师,研究方向为智能电网、厂站自动化系统,Email:gaozhiyuan@epri.sgcc.com.cn。

曹阳(1978),男,硕士,研究员级高级工程师,研究方向为智能调度、电网调度自动化、电力系统标准化。

徐美强(1976),男,工程师,研究方向为厂站自动化系统应用设计和开发。

狄方春(1978),男,硕士,高级工程师,研究方向为电网调度自动化、云计算、大数据。

黄海峰(1969),男,博士,研究员级高级工程师,研究方向为电网调度自动化系统、电力自动化系统检测。

(责任编辑 赵杨)

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