基于一体化监控系统的智能变电站顺序控制模块互换性研究

刘 青，傅代印，郑志勤，于同伟

(1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北 保定 071003；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

0 引言

智能变电站的高级应用是其区别于以往变电站的重要特征之一，也是体现其智能化的关键之处。随着国家电网公司《智能变电站一体化监控系统建设技术规范》和《智能变电站一体化监控系统功能规范》的颁布，“节约环保、功能集成”的建设理念已成为实现变电站全景数据的采集及全站高级应用等功能的指导思想[1]，因此将顺序控制等各高级应用功能集成在站控层后台监控系统内并进行模块化设计已成为今后的发展趋势。

目前，高级应用尚处于初级阶段，由监控系统制造商一块提供，因此存在以下两个问题：

1）高级应用功能设计没有标准化，包括高级应用功能所涉及的所有逻辑节点以及各逻辑节点之间的交互关系。

2）缺乏各高级应用之间信息交互的标准规约。

应该指出：模块化的最终目的是为了实现不同厂家高级应用模块间的互换性，以便为用户呈现高级应用的最优组合；而以上两点不足，恰使高级应用无法独立于后台监控系统，阻碍了其模块化发展的进程。

拿顺序控制来说，若要实现顺控模块的互换性，即要保证在信息交互接口不变的情况下，将其替换为相同或不同厂家的模块后，至少能提供相同的功能，并对系统其余部分没有影响[2]。试想，如果这两个模块的信息模型设计的不一致，就可能出现同名不同义、同义不同名的逻辑节点或者数据对象等；而如果两模块信息模型所涉及的信息交互关系设计的不一致，就可能会有更换后的顺控模块欲直接与视频监控进行交互而更换前则先要经站内操作模块过渡的情况，这就使得顺序控制功能在实现中缺乏预先配置的接口。显然，上述两种情况都无法实现顺控模块的互换性，因此，将顺控功能进行标准化设计很有必要。

当前，关于顺序控制功能的研究大多集中在其实现方式上[3-5]。仅文献[6]对其功能的标准化建设进行了有益的探索，该文给出了顺序控制功能逻辑节点模型，但并没有对功能实现过程中的各LN之间的信息交互关系进行严谨的描述，也没有给出源自不同厂家高级应用之间信息交互的标准规约。而这同时也暴露出了IEC 61850在这两方面的缺陷：

1）IEC 61850标准中缺少高级应用相关LN，并且标准对功能和LN的描述不够直观，不能从全貌和细节上对功能内部LN之间的交互进行严谨的刻画[7]，不利于功能的标准化设计。

2）IEC 61850标准，旨在实现由网络相连的各IED的互操作性[8]，而高级应用间的信息交互实则是监控主机IED内部逻辑设备（LD）之间的交互，这在标准中是没有规定的。所以，未来智能变电站标准体系中必将涉及IED内LD之间的信息交互。

鉴于IEC 61850标准的上述缺陷，为了继续推动高级应用模块化进程，本文仍以顺序控制为研究对象，首先扩展了顺控功能相关的LN，然后以IEC 61850-5为基础，融合IEC 61850-7中定义的LN内部数据（Data）及数据属性（Data Attribute），利用扩展协作图为顺序控制功能构建了统一的模型，最后考虑到IED内LD之间信息交互标准的制定具有长期性，结合IEC 61850标准及智能变电站一体化监控系统技术特点，提出了一种基于Data Server回发GOOSE报文的信息交换服务模型。通过以上研究，完成了顺控功能的标准化，实现了不同厂家顺控模块间的互换性。

1 顺序控制功能交互模型的LN扩展

顺序控制一般分为两个阶段[9]，第一阶段为顺序控制操作票的仿真阶段，在这一阶段并不操作任何一个物理开关，而是以逼真的环境模拟现场实际运行操作，以验证操作票内容逻辑的正确性和应用的实效性；第二阶段为顺序控制功能实际执行阶段，在这一阶段开始执行之前，顺控模块已经获知操作票的内容。本文所构建的顺控功能交互模型，即为第二阶段顺控功能实际执行阶段。这一阶段所涉及的LN有人机接口IHMI、顺序控制CSEQ、站控层五防CILO、告警处理CALH、开关控制器CSWI、间隔层五防 CILO、实际被操作的对象（例如断路器XCBR、隔离开关XSWI、跳闸条件PTRC以及各种保护等）。此外，顺序控制对操作中出现的异常情况，应具有急停功能，但现有的CSEQ缺乏此项属性；并且，顺序控制宜与视频监控联动，提供辅助的操作监视，而现有的标准中缺乏相关 LN[10]。考虑到以上两点关系到交互模型的完整性，本文扩展了CSEQ的数据对象和视频监控联动LN。另外，为了保证从监控主机发出的操作控制指令只有一个执行通道，还需要有后台操作的相关接口，即站内操作功能LN，目前的标准中没有此LN，可暂用通用过程I/O逻辑节点GGIO来代替。

依照IEC 61850-7-4中对新LN和新Data的规定，对所需LN进行如下扩展：

1）扩展CSEQ数据对象

顺序控制的急停功能对应的 Data对象应该是一个可以由变电站运行人员进行实时控制的单点状态量，而CSEQ 的模型[11]如表1所示，缺少急停和自动操作Data对象，因此扩展Data对象如表2所示。

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

表2 顺序控制模型新数据对象Table 2 New data of sequence control model

2）扩展视频监控联动LN

智能变电站中，不仅顺序控制需要与视频监控联动，操作可视化、辅助控制等都要求与视频监控联动，因此，视频监控IED中应包含视频监控联动LN。对其扩展情况如表3、表4所示。

表3 新逻辑节点“视频监控联动”Table 3 New logic node of “video surveillance linkage”

表4 视频监控联动模型Table 4 Model of video surveillance linkage

表4中，Str用于启动视频监控联动功能，并且可以表示视频监控联动功能是否处于启动状态，Str=1，表示功能为启动状态，否则其值为0，是可控的单点状态量；Rcl用于将视频监控联动功能复归，使各数据值都为初始值，同时可表示功能是否被复归，Rcl=1，表示功能为初始状态，否则其值为0，是可控的单点状态量；TargetPosLokRsl表示视频监控联动功能自动切换摄像头后锁定操作对象的结果，若锁定成功，其值为1，否则其值为0，是单点状态量；OpStJudgeRsl表示视频监控联动功能所传输的视频监控系统对受控对象操作执行状态的判断结果；JudgeRstAlm表示由于天气状况恶劣使视频画面不清晰等原因导致的视频监控系统无法识别受控对象操作结果而由视频监控联动功能传输的报警。

2 顺序控制功能交互模型标准化设计

图1给出了本文所构造的顺序控制功能交互模型，为了将顺序控制功能信息流表示清楚并且突出该功能中核心逻辑节点CSEQ的作用，未画出站控层五防等其他高级应用功能信息流，只是保留其与CSEQ的接口信息流。另外，需要强调的是，针对每一个受控对象（图中为XCBR），图中的箭线规定了顺控功能执行中各LN之间的关联关系，以及信息传递的方向，这是确定的，换言之，在顺控功能执行的每一步，箭线的方向和两端LN都是不变的，变的只是交互信息（如图中左侧一列），和交互发生的先后次序（如图中箭线的序号），因为功能在执行时有可能出现异常告警或者操作失败。另外，顺序控制操作步骤较多，模型配置工作量较大，但每一项单步操作的执行过程又具有相同或者相似的逻辑，为了分析方便，图中所建模型为典型的单步操作。

下面假设成功执行了一个操作总次数为 12的顺序控制任务的第一步，内容是要将断路器断开（XCBR.Pos.ctlVal=off）。其信息交互过程如图1。

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

1) 运行人员通过顺控功能人机接口IHMI发消息流(1)给CSEQ，开放其电源控制并指示其可以开始自动操作控制。

2) CSEQ向站控层五防CILO传递将进行的操作内容，如消息流(2)，站层五防综合全站信息进行逻辑判断，告知CSEQ操作可执行，如消息流(3)。

3) CSEQ将操作内容及从站控层五防得到的“操作许可”传给监控主机的站内操作执行接口GGIO，如消息流(4)。

4) 站内操作功能 GGIO 发送消息流(5)到ZVSL，启动视频监控联动功能，并告知操作内容，之后等待监控主机的报告集中处理CALH的信息，ZVSL将功能启动状态和目标位置锁定成功报告给CALH，如消息流(6)，CALH将视频联动目标锁定成功并无告警异常转达给GGIO，如消息流(7)。

5) GGIO将操作指令下发给间隔层测控装置的开关控制单元 CSWI，如消息流(8)，CSWI与间隔层五防单元 CILO进行交互，如消息流(9)和(10)，之后CSWI向过程层XCBR发出GOOSE跳闸指令，如消息流(11)。

6) XCBR跳开断路器，当断路器状态（XCBR.Pos.stVal）由合(on)变成(off)时，XCBR 用GOOSE报文立即报告给CSWI，如消息流(12)，紧接着CSWI将此报告传给CALH，如消息流(13)。

7）ZVSL将视频监控对操作状态的判断结果为成功的消息报告给CALH，如消息流(14)，应指出，消息流(13)和(14)在功能执行过程中没有严格的先后报告次序，此处的次序是为了便于分析，其并不影响顺序控制功能的开发和下一步的通信建模。

8) CALH汇总来自各方的报告后，发消息流(15)给CSEQ，告知其各处报告一致，操作执行成功。

9) CSEQ获知第一步操作执行成功后，向其功能模块的人机接口IHMI发送操作执行信息：总共12步操作，现已成功执行1步（CSEQ.OpTot.stVal=12，CSEQ.St.stVal=1/12），如消息流(16)。

自此顺控功能完成了单步操作中各LN之间的全部信息交互，将自动转入下一步操作。

3 高级应用模块间信息交换服务的通用模型

本文提出一种基于Data Server回发GOOSE报文的信息交换服务模型，来弥补当前不同厂家高级应用信息交互标准的缺失，如图2所示。这是一种利用现有标准并借助外部IED实现本IED内LD之间信息交互的中转式建模方案，此外部IED为中转IED，其内含有中转LD。下面对其进行介绍。

1）中转IED及信息传输模型的选择

在智能变电站一体化监控系统架构中，监控主机和Data Server同在站控层，通过站总线相连，如图3所示。Data Server用来实现智能变电站全景数据的集中存储，为各类应用提供统一的数据查询和访问服务[10]。选择Data Server作为中转IED，也正是出于其功能的考虑，可以直接存储监控主机内各高级应用的交互过程。但是，由于中转IED的引入，客观地延长了高级应用的响应时间，为了兼顾信息传输延时及可靠性，监控IED和中转IED之间信息传输采用GOOSE服务模型。关于GOOSE的详细的介绍请参见IEC 61850-7-2和IEC 61850-8-1，此处不予详述。

图2 基于Data Server回发GOOSE报文信息交换服务模型Fig. 2 Information exchange service model based on GOOSE message sent back by Data Server

图3 智能变电站一体化监控系统架构Ⅰ区Fig. 3 AreaⅠof structure of integrated supervision and control system of smart substation

2）信息交互过程分析

在建模方案中，顺序控制功能等各高级应用模块都建模为监控主机IED内的LD，LD是GOOSE信息的源头，GOOSE控制块以及待交换的数据集（DatSet）信息都在其内的逻辑节点零（LLN0）中。当顺控LD要与五防LD交互时，先由监控主机IED将信息发给中转 IED，此时顺控LD为信息的发布方，Data Server内的中转LD为订阅者接收发布方发来的GOOSE报文，经过解码确定是由监控IED内顺控LD经此要转发到五防LD的交互信息后，将报文主要内容原封不动回发给监控IED，此时发布方是Data Server内的中转LD，监控主机IED内的五防LD为订阅者接收发布方传来的GOOSE报文，并经一定的响应时间，以同样的方式将逻辑判别结果发给顺控LD，自此完成了顺控LD与五防LD之间的信息交互，即同一IED内不同LD之间的信息交互。值得注意的是，上述信息交互过程中的LD与其具体实现是相独立的，即这种建模方案实现了同一IED内，不同厂家LD之间的“互操作”，顺控LD可以来自不同的制造商，这时如果各厂家的顺控功能交互模型能按照本文图1中所构建的功能交互模型进行标准化设计，使各家的应用功能模型到达统一，那么不同厂家的顺控功能模块就可以进行替换，而不影响系统其他部分。因此，本文所提出的建模方案，对实现不同厂家的顺控功能模块的互换性是有效的。同时，站控层GOOSE与MMS双网合一在实际工程中已经得到应用[12]，所以方案又是可行的。同理，此方案也适用于其他高级应用模块之间的信息交互。

4 模块的配置与测试

如本文所述，包括顺序控制在内的高级应用的模块化应用，必然要求变电站站控层设备配置的扩展。不论是本文所提出的由外部IED中转的建模方案，还是将来有可能出现的在IED内部LD交互的直接标准化建模，都需要将监控IED内多家第三方提供的LD之间的虚端子配置信息合理准确地扩充进SCD（Substation Configuration Description）文件中，使SCD文件适应高级应用配置的实际需要。

对高级应用模块的测试，应采用两级测试的方式。先由监控平台制造商对各高级应用模块做好功能测试，确保各模块能有效运行在平台上；再经相关资质单位进行系统测试，以检测各高级应用模块之间的“互操作性”。

5 结语

智能变电站高级应用的模块化设计已成为其今后的发展趋势，本文以顺序控制为研究对象，扩展了该功能相关的LN，利用扩展协作图为其功能构建了统一的模型，最后提出了一种基于Data Server回发GOOSE报文的信息交换服务模型。借此完成了顺序控制功能的标准化，实现了不同厂家模块间的互换性，为高级应用功能模块化设计提供了一种研究模式，能够有效推动智能变电站高级应用模块化进程，进一步提高全站系统功能的通用性、可扩展性和智能化水平。

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