智能变电站一体化信息支撑平台构建分析

2013-11-12顾雪平

河北电力技术 2013年1期

易妍，范辉，顾雪平

(1．华北电力大学，河北保定 071003；2．河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

1 概述

智能电网是当今世界电力乃至能源产业发展变革的最新动向，代表着未来发展的方向和社会的进步，智能变电站是智能电网的重要基础和支撑。智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站，对于建设坚强的智能电网具有重要意义[1-5]。

面向整个变电站系统的智能化，包括站域控制与保护、辅助运行管理与维护(设备状态可视化、智能告警、故障信息综合分析与决策)以及区域电网协调经济运行等，要从整个系统角度实现上述智能化功能，需要建立在变电站各种数据的全景综合视图之上，对变电站各种数据进行集成和整合，即在所有数据综合有效可用的前提下，才能真正面向整个变电站实现其智能化。

实现对变电站各种数据资源的综合有效运用本身就是一个复杂的系统工程，最新的国际标准IEC 61850[6]、IEC 61970[7]为实现这个目标提供了相关标准和技术理念的支撑。为此开展变电站内源端数据整合方法的基础性研究，建立智能变电站一体化信息支撑平台。为实现该平台，重点开展以下工作：

a. 基于IEC 61970 CIM、IEC 61850 SCL研究建立面向整个变电站系统的扩展的对象信息模型；

b. 以上述扩展的对象信息模型和IEC 61970 GID为标准，构建变电站综合数据服务平台；

c. 构建IEC 61850 ACSI / IEC 61970 GID通信网关系统。

2 模型的协调与扩展

实现变电站的数据整合，并建立标准化的一体化信息支撑平台，首先需要建立变电站系统的对象信息模型，主要是IEC 61850 SCL模型[8-9]和IEC 61970 CIM[10-11]模型的建立。但是IEC 61850和IEC 61970标准所提供的模型均无法代表变电站的全部，二者之间需要进行协调，同时，针对状态监测、环境状态、视频媒体等，又需要扩展。以下针对信息模型存在的不足进行协调与扩展。

2.1 模型的协调

子站上传的信息格式是依据IEC 61850 SCL的，而主站系统的通信接口是遵循IEC 61970 CIM建模规范的，为实现变电站与调度中心之间的无缝通信[12]，实际工程中需要进行相互转换映射。首先参考IEC 61970 CIM和IEC 61850标准分别对电力一次系统(变电站、线路、负荷等)和二次系统以及一二次关联关系等数据模型实行统一建模。然后对二者进行协调，其中2个UML的关联是关键。Equipment和IEC 61850 General Equipment的继承关系允许使用IEC 61850设备信息扩展CIM。IEC 61970 Measurement和IEC 61850 Data Attribute 之间的关系允许将CIM量测量映射到IEC 61850对象模型的值。其模型协调步骤如下：

a. 基于CIM标准中已有的61850类包，进行适当扩展，把SCL模型转化为CIM形式，分LNode、Data、DataAttribute处理;

b. 通过LNode下的LNode. Member Of_LNode Container把逻辑节点LNode与CIM中一次设备相关的Equipment关联起来；

c. 通过配置的量测类型生成Measurement Type，1个Measurement Type下可以包含多个Measurement，1个Measurement对应1个Measurement Value；

d. 根据模型中每一个DataAttribute生成对应的一个Measurement，通过Measurement. Measurement Type与对应配置的Measurement Type关联，通过Discrete. Contain_Measurement Values或Analog.Contain_Measurement Values关联相对应的Measurement Value。

2.2 模型的扩展

面对整个变电站，其数据内容并未完全包含在当前的CIM中，需要进行扩展，比如：设备状态监测数据、图像或多媒体数据、环境监测数据等。扩展的原则应遵循IEC 61970 CIM的思想。IEC 61970 CIM基于UML(统一建模语言)标准和标准的对象建模方法，根据对象类描述数据结构以及定义数据间的关系。信息模型有2种方式描述：一种是UML，描述类、类属性和类间关系；另一种是W3C开发的一种网络本体语言OWL，是对XML语言的扩展，用来描述独立于应用的信息描述方式。

进行模型扩展最好的方式是把2种语言相结合，具体步骤如下：

a. 用UML对扩展抽象运行时类建模，并添加到CIM；

b. 对SCL里的变电站扩展功能类和OWL的扩展运行时类结合建模；

c. 用OWL对IEC 61850扩展功能模型和CIM之间的关系进行建模；

d. 使用UML把IEC 61850扩展模型的抽象类中元素和CIM模型进行结合；

e. 使用OWL把IEC 61850运行时模型和CIM之间的关联细节进行结合。

3 一体化信息支撑平台关键技术及架构

综合数据服务平台是真正实现变电站智能化应用的基础和前提，事实上，该平台的作用是在“总线”式架构体系的支持下，以标准的GID接口向各种变电站综合应用提供基于CIM模型标准的数据服务、系统集成服务、通用技术支撑服务。

3.1 关键技术

3.1.1 技术“总线”

数字化系统集成的概念要求实现在物理网络空间上广泛分布的不同系统之间的互联互操作，而实现互操作的传统方式是采用基于字节流的通信规约，这种低层次的通信规约，使不同系统之间实现互联互操作造价高昂并且非常困难。

分布式系统技术所提供的基础设施逻辑上就像一条“软总线”，而且这条“总线”可以跨越整个基于TCP/IP网络通信规约的网络，伸展到网络的任何一个计算机设备，分布在网络任何位置的应用程序或对象组件均可挂在这条无形的“总线”之上，实现互相之间的数据交互操作。

3.1.2 通用接口定义

EPRI(美国电力科学研究院)的控制中心应用程序接口(CCAPI)项目的通用接口定义提供了一系列的API用于其它应用软件获取电力数据或相互之间交换电力数据。主要包含以下服务。

a. 公用数据访问服务(GDA)：基于CIM信息组织的用来访问公共数据所需要的API服务。

b. 高速数据访问服务(HSDA)：简单数据结构高速访问所需的API服务，复杂的数据结构典型的是作为一个数据组来进行访问的，并且需要被有效地映射为客户端内存空间中的变量。

c. 通用的事件和订阅服务(GES)：一个事件警告发布和订阅的通用性能所需要的API服务。包括发布和订阅主题的能力。也支持事件的“send and forget”数据交换模式。

d. 时序数据访问服务(TSDA)：访问时序数据所需的API服务。包括以请求/响应和发布/订阅为对象进行交换的能力。

3.1.3 基于CORBA技术的GID

综合数据服务平台基于CORBA分布式系统技术构建，包括构建DAF接口服务器实现GID的GDA服务；构建HDAIS接口服务器实现GID的TSDA服务；构建DAIS接口服务器实现GID的HSDA服务和GES服务。

基于数据平台之上的应用系统可以通过平台提供的DAF接口、或HDAIS接口、或DAIS接口服务器，经分布式系统基础设施提供的“软总线”，访问平台提供的通用数据。

3.1.4 ACSI/GID网关

ACSI-GID网关主要进行变电站智能数据平台通信服务和变电站自动化系统通信服务的映射，ACSI/GID网关置于被监测变电站内部，用以实现站内IEC 61850数据(包括模型和接口)向综合数据服务平台的IEC 61970数据之间的转换，主要包括以下几点。

a. 关联服务映射：IEC 61970第五部分描述了在特定技术的上下文中创建网络关联的功能，IEC 61850服务可以映射到IEC 61970第五部分。

b. 获取和设置数据服务映射：IEC 61970 HSDA(DAIS)提供了读写IEC 61850运行时模型对象的功能。

c. 控制服务映射：控制是通过一系列的IEC 61850 MMS和DAIS间的映射的读写来完成的。

d. 数据集服务映射：IEC 61970目前不支持在远程设备上创建数据的功能。IEC 61970将创建一个新的第四部分内容来支持这个方法。

e. 报告服务映射：IEC 61970 HSDA支持客户端接收未经请求的事件。为了完全支持IEC 61850的报告，HSDA客户端必须支持复杂结构。

f. 日志服务映射：IEC 61850的日志可以通过IEC 61970 TSDA(HDAIS)访问。

g. 高速端对端服务映射：GOOSE和SMV数据可以通过使用HSDA事件分发到O&M应用程序中。

h.自描述服务映射：HSDA支持浏览模型信息/装置模型。

i. 设置组服务映射：HSDA支持向设备写入数据，可以用它来完成对设置组的更改。需要HSDA客户端和服务器支持复杂数据。

j. 取代服务映射：HSDA支持向远程IEC 61850装置写数据。

k. 文件传输服务映射：IEC 61970目前不支持文件传输。将来会在IEC 61970的第四部分加入这种功能，目前可以用因特网文件传输服务(FTP)来完成文件传输。

ACSI/GID网关软件结构示意见图1。

图1 ACSI/GID网关软件结构示意

3.2 平台系统架构

基于标准化的信息模型(CIM)和数据操作接口(IEC 61970 GID)，将变电站内所有的数据进行整合，并提供标准化的数据服务，即构建面向整个变电站的一体化信息支撑平台。平台将可向数据应用者高效提供变电站全景数据视图，并向数据应用者提供标准的CIM/GID服务。IEC 61970 GID中的代理技术将所有物理上相对独立的数据资源在逻辑上进行统一，并构成虚拟的变电站综合数据服务中心，可以使应用软件面对一个完整的数据视图，从而可以综合有效运用各种数据。

通过平台内部的GID集成总线，可以将多个ACSI-GID网关(置于多个变电站内，适于集控站下属多个变电站的情况)所提供的GID服务的数据源互联，在逻辑上形成整体的CIM/GID数据服务平台，向智能化应用提供综合数据服务。

如图2所示，整个系统由ACSI/GID网关、智能变电站综合数据服务平台、智能应用构成，综合数据服务平台和建立在其上的智能应用共同构成主站系统，该主站系统可置于大型变电站的监控中心或集控站的监控中心，也可置于远程调度监控中心。

图2 系统结构示意

4 一体化信息支撑平台的应用

变电站内各类数据的集成是变电站智能应用实现的基础。因此，智能一体化信息支撑平台采用标准化的数据交换协议、面向全电网应用、建立全变电站信息交换标准化管理的数据管理机制，实现对变电站内外的各种数据进行集成和处理。变电站数据的完整性、一致性、正确性和标准化，将为智能变电站高级应用功能的实现奠定坚实完备的数据基础。

在变电站能够实现变电站级的状态评估后，可以将传统的由调度中心进行的一些功能拓展到变电站内，实现变电站内的不良数据检测与辨识、接线拓扑辨识、状态预测，也为全网提供更准确的数据源。

在变电站级状态评估后，在以当前时刻状态评估的结果预测短期后某一时刻(如15 min后)变电站的状态，即以现在的数据预测未来的趋势和状态。短期预测结果使运行人员对未来可能出现的非正常状态提前进行准备和采取控制措施，起到变电站安全预警作用。

智能变电站一体化信息平台的建设还为设备的状态检修提供了数据基础和实现手段，对一次设备进行在线数据分析和总结、状态观测，按照设备需要进行检修，对二次设备进行状态监测，对设备进行常规维护。利用IEC 61850提供的建模方法，建立设备状态检修的信息模型，通过构建可靠实用的状态监测预警算法和机制，即可利用所获的设备工作及状态信息，实现对设备状态的实时监测，并能够根据判别结果，进行相应的告警、保护等措施，保证一次设备的可靠性。同时，利用IED本身具备的状态检修实施基础，可以分析二次设备运行状态，实现设备状态检修。

5 结束语

探讨了基于IEC 1970 CIM和IEC 1850 SCL模型的变电站信息建模与协调方法，在此基础上，提出以面向对象的思想和分布式系统技术构建面向整个变电站的高性能一体化信息支撑平台的思路和实现技术。该平台可实现变电站站内、站间以及与调度端的信息交互和信息共享，可将变电站内多套孤立系统集成为基于信息共享基础上的业务应用。上述技术平台不仅可以使部分智能化应用软件以“即插即用”的方式接入智能变电站，而且可使所有外挂在技术平台之上的系统实现高度的数据共享及互操作。该技术平台的开发可以较好地解决智能变电站信息系统的一体化设计和全面整合问题，为变电站智能化提供了可靠的数据基础。

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