智能变电站二次虚回路对象化信息模型描述方法研究

纪陵，李忠明，蒋衍君，裘愉涛，仇群辉，江伟建

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210003；2.浙江电力调度控制中心，杭州 310007；3.浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

智能变电站二次虚回路对象化信息模型描述方法研究

纪陵1，李忠明1，蒋衍君1，裘愉涛2，仇群辉3，江伟建3

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210003；2.浙江电力调度控制中心，杭州 310007；3.浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

介绍了智能变电站二次虚回路的构成状况，参照变电站一次拓扑的描述方法，论述了二次设备虚拟二次回路对象及其回路连接关系，构建了一套智能变电站二次虚回路对象化信息模型描述方法，为智能变电站二次虚回路的可视化状态监测和各类高级应用功能的实现建立了模型基础。

智能变电站；二次虚回路；虚导线；虚端子；有向图；邻接矩阵；二次回路组；信息模型

0 引言

随着变电站的智能化水平越来越高，其系统也越来越复杂，变电站二次设备在整个系统中的作用显得日益重要。智能变电站实现了二次设备网络化，并以通信网络取代了传统的二次回路，以网络中传输的数字信息取代了传统物理上的电气信号。智能变电站中包括采样、保护跳合闸及五防联闭锁等在内的大量二次应用功能都是基于网络通信方式实现的。用传输看不见、摸不着的通信报文的二次虚回路取代传统二次回路，使得变电站二次回路的状态检测和运行维护方式都发生了巨大变化［1-5］。

当前智能变电站二次虚回路的状态监测主要依靠专业技术人员通过通信报文辅助分析故障原因，没有简单和直观的手段，以方便运行维修人员对全站二次虚回路的状态进行实时监测，辅助运行维修人员快速分析原因、准确定位故障，并对二次虚回路异常可能造成的装置误动（或应用功能失效）及时发现隐患，提前预警并进行相关处理［6-7］。此外，随着新一代智能变电站应用的不断深入，系统集成的要求也越来越高，站域保护等集成化应用功能的实现也是基于全站二次网络虚回路来实现的。而智能变电站二次虚回路的对象化建模是实现智能变电站二次虚拟回路状态监测的基础，也是为变电站各类应用功能提供统一的全站二次虚回路配置描述的技术支撑。因此，有必要开展智能变电站二次虚回路对象化信息建模技术的研究，建立符合变电站二次回路运行维修和检修习惯的智能变电站虚回路对象模型体系。

1 智能变电站二次虚回路的构成

常规变电站二次回路主要由开关量输入（输出）回路、控制和保护跳闸信号输出回路、交流采样回路组成。常规变电站通过二次电缆实现交流量采样和开关量输入（输出）二次回路连接和信号传输。在常规变电站二次设备中，各应用功能实现相关的二次回路连接关系，二次回路输入端、二次回路输出端及连接电缆是3个关键要素。在常规变电站中，通常是通过检测装置输入端采样和开关量信号来确认实现二次设备功能的外部输入是否正确，通过检测装置输出端开出信号来确认该装置二次功能的动作行为和信号输出是否正确，通过二次电缆实现各二次设备和外部设备输入、输出端相连。常规变电站二次回路构成如图1所示。

与传统变电站相比，智能变电站的交流采样（SV）及开关量输入／输出信号回路均采用网络通信方式。间隔层设备之间、间隔层与过程层设备之间通过点对点或交换机组网方式实现交流采样和开关量输入、输出面向通用变电站事件（GOOSE）信号的信息传输。智能变电站二次设备SV及开关量输入、输出回路的连接也由常规的二次电缆变为通信电缆，并通过传输SV和GOOSE报文，实现交流量采样和开关量输入、输出信号的传输，各二次设备之间通过“发布／订阅”方式实现传输数据的交互。与传统变电站相比，智能变电站通过监测和分析接收到的SV和GOOSE报文，来检查实现二次设备保护或测控等功能的外部输入量是否正确，通过监测和分析开关量输出信号和控制及跳闸命令出口的GOOSE报文，来检查二次设备各功能的动作行为和信号输出是否正确。

图1 常规变电站二次回路构成

此外，传统变电站交流采样和开关量信号传输电缆的两端对应信号传输的源端和目的端，每端和每路信号回路的接入或接出物理端子相连，每根二次电缆形成了每个信号的传输导线。而智能变电站的交流采样和开关量输入、输出是基于通信电缆实现信号传输，每根通信电缆中传输的数据可能包括了多组GOOSE数据或SV数据，每组数据集中的每个传输数据对应了一个开关量信号或一路交流采样。因此，智能变电站每个开关量信号或交流采样的传输实际上是基于数据集的二进制状态量或者是浮点型或整型模拟量的数据信息交互。智能变电站配置描述（SCD）文件中描述了所有二次设备可以发布的GOOSE或SV数据集，并通过定义二次设备所包含各功能逻辑设备下逻辑节点（LN0）所属的Inputs／ExtRef元素来描述各二次设备实现各功能所需的采样或信号输入，通过外部接入数据对象参引和内部数据对象属性之间的映射关系实现外部信号的输入，这种映射关系也形成了数据发送端发布的每路采样或每个开关量信号和信号接收端接收到的每路采样或接入信号之间的虚连接关系，可将各二次设备每路信号发布端和接收端之间形成的虚连接称作虚导线。

智能变电站二次设备含有一个或多个物理链路端口，一般用不同的物理端口实现SV或GOOSE信号的传输。为了区分信号传输的方向，可将二次设备的物理端口分为物理上的发送端和接收端。为了区分信号的不同来源，还可将一个物理发送端口分为逻辑上的多个不同的数据发布端。因此，一个物理端口可能包括多个逻辑发布端和一个接收端，通过区分不同的逻辑端口，可以清晰地表达各二次设备之间存在的一发多收或多发一收的信号传输关系。

因此，与常规变电站二次回路相比，智能变电站虚拟二次回路由开关量信号或交流采样的物理发送端口、接收端口以及通信连接光缆等组成。每个物理发送端口可能包含多个逻辑上的数据发布端，对于同一个二次设备，其GOOSE发送端和GOOSE接收端也可能采用相同的物理端口。各发送端口和接收端口之间通过传输SV和GOOSE报文，实现采样值数据和开关量信号的传输，各二次设备根据二次功能实现的需要订阅所需要接入的外部数据。二次设备内部订阅数据和外部装置发布数据之间的映射关系，形成了连接智能变电站各二次设备之间的虚导线，发布端数据对象以及各二次设备Inputs／ExtRef中订阅的数据元素构成了智能变电站二次设备发布端和接收端的虚端子，数据对象在发布数据集中的顺序或在订阅数据元素中的顺序，形成了在虚端子中的位置。

虚端子和虚导线是为了和传统变电站二次信号电缆和信号端子相对应而设置的虚拟逻辑概念，在物理上是看不见摸不着的。因此，将包含多个逻辑发布端口的物理链路发送端和物理链路接收端以及虚导线、虚端子所组成的智能变电站各二次设备之间的二次回路称为智能变电站二次虚回路。智能变电站二次虚回路的构成如图2所示。

2 智能变电站二次回路连接关系的表示

目前智能变电站配置描述语言（SCL）文件中仅对智能变电站各通信子网、接入子网的各智能电子设备（IED）网络地址以及IED各数据发布端组播地址等配置信息进行描述，而智能变电站中各二次设备间的二次回路（即通信链路）的连接关系以及基于二次回路传输的各信号之间的输入、输出关系，在SCL中均没有清晰的描述。

图2 智能变电站二次虚回路构成

图3 二次设备间二次回路连接示意

对比常规变电站的二次回路，开关量或交流采样信号总是从信号的发送端发往信号的接收端，控制命令或跳闸命令也是从出口信号的发送端发往命令的接收端，因此，基于二次回路传输的各信号总是存在固定的流向。为了能够表达智能变电站各二次设备之间基于二次回路传输的信息流向，可用1根由发送端指向接收端的有向连接线来表示各二次设备之间二次回路的连接关系。2组二次设备之间如果仅通过1根物理连接链路实现通信连接，但彼此之间都存在信息的输入、输出关系，则可用2根有向连接线表示2组二次设备之间二次回路的连接关系。因此，智能变电站二次回路可以用一个有向图表示，包含发送端或接收端的各二次设备对应该有向图的顶点，二次设备之间的有向连接线对应有向图的弧。为了能够区分SV和GOOSE信号回路，通常将SV回路和GOOSE信号回路分开表示，对于同一组二次设备可用2张有向图，分别表示该设备SV二次回路和GOOSE信号二次回路的连接关系，图3描绘了1组二次设备之间的二次回路连接关系。

用G1顶点表示图3中包含发送和接收GOOSE信号端口的IED2，用G2顶点表示包含发送和接收GOOSE信号端口的IED3，用G3顶点表示包含发送和接收GOOSE信号端口的IED4，用G4顶点表示包含发送和接收GOOSE信号端口的IED5，用G5顶点表示包含发送和接收GOOSE信号端口的IED6，并用M1顶点表示仅包含发送SV信号端口的IED1，用M2顶点表示包含接收SV采样信号端口的IED1。则图3所示的IED1～IED6之间的二次回路连接关系可用图4所示的有向图表示。可以通过邻接矩阵来描述二次回路的有向图，图5用一个邻接矩阵描述了图4所示的有向图中代表IED的各顶点及其之间存在的GOOOSE链路连接和GOOSE信号输入输出关系的有向弧。

图4 二次回路连接有向图表示示意

图5 二次回路连接邻接矩阵

对于邻接矩阵中的任意顶点Vij，邻接矩阵第i行中所有非0元素对应的顶点，表示从顶点Vij出发的直接后继节点，邻接矩阵第j列中所有非0元素对应的顶点，表示流向顶点Vij的所有直接前驱节点，顶点Vij和其所有直接前驱节点和直接后继节点之间的有向弧，组合在一起构成一个二次设备的二次回路组，该二次回路组表达了所有和顶点Vij所代表的IED相关联的所有输入、输出二次回路的连接关系，并通过各顶点之间的前驱和后继关系清晰地描述了各二次设备之间信息的流向。

因此，通过有向图和邻接矩阵可清晰地表示智能变电站各二次设备之间存在物理通信链路连接的二次回路连接关系，同时通过有向弧或邻接矩阵中前驱和后继节点之间的关系还能清晰地反映出各二次设备之间信息流的流向，并能表示出在二次回路中和某个二次设备存在直接回路连接的所有的二次设备及其之间的连接关系。

3 智能变电站二次回路对象建模

为了能够描述智能变电站各二次设备之间二次回路的连接关系和信息流向，并能描述各二次设备之间存在的虚导线以及各二次设备发送端或接收端所对应的虚端子，应采用面向对象的信息建模方式来描述全站二次虚回路及其连接关系，并能为全站各类应用功能提供统一的全站二次虚回路描述信息，通过建立全站二次虚回路信息资源的共享机制，为全站各类应用功能的实现提供必要的技术支撑。

智能变电站二次虚回路的连接关系描述了智能变电站内各二次设备之间通过物理通信链路实现各设备之间的二次回路的连接。由于二次回路连接的描述内容和变电站一次拓扑较为接近，因此，可以参考变电站一次拓扑的描述方法，来描述二次设备的回路连接关系［8］。图6所示为智能变电站二次回路连接关系对象层次结构。

图6 二次回路对象层次结构

根据交流采样和开关量输入、输出信息不同的数据类型，可将智能变电站分为逻辑上相互独立的3个通信子网，即SV通信子网、GOOSE通信子网及制造报文规范（MMS）通信子网。将逻辑上存在数据信息交互的1组二次设备及其之间的连接链路看作彼此间存在二次回路直接连接关系的设备二次回路组，1个设备二次回路组通常以某一设备为中心，将和该二次设备之间存在直接二次回路连接关系的所有二次设备之间的二次连接回路组合在一起，构成1个二次设备回路组。变电站内可能存在多个二次设备回路组，1个二次设备也可能属于多个二次回路组，每个二次设备还对应包含一个或多个物理链路端口。为了清晰地描述各二次设备之间信息流的流向，可将二次设备物理链路端口分为逻辑上的数据发送端和数据接收端，并且用发送端指向接收端的有向链接表示二次设备之间存在的物理链路连接，因此如果2个设备相互之间存在信息的输入、输出关系，并且仅通过1条物理链路传输2个设备之间交互的数据，则可以用2条逻辑上相互独立的有向链接来表示二次设备之间存在的信息交互，并通过有向链接实现和各二次设备接收端和发送端的相连。对应到有向图中，该有向链接可以用有向图中的弧表示，发送端和接收端的二次设备可以用有向图中的顶点表示。

由于二次设备之间的每条链路连接中可能包含了一组或多组数据集信息传输，接收端的每个接入数据对象传输信息中包含了发送端数据对象参引和接收端内部数据对象属性，外部数据对象参引和接收端内部数据对象属性之间的映射关系又形成了各二次设备之间的虚导线，因此，每条数据链路下可能包含了多条虚导线，二次设备对应的每个发送端和接收端也包含了多个虚端子，虚导线的方向应由发布端的虚端子指向接收端的虚端子。

智能变电站二次虚拟回路对象信息模型可参照SCL文件中对通信网络配置已有的描述方法，同时参考变电站一次拓扑的描述方法，来描述二次设备虚拟二次回路对象及其回路连接关系［9-10］。通过增加带方向的物理连接链路对象和虚导线对象，并在二次设备物理链路端口下增加所对应的逻辑发送端和接收端对象，通过链路连接及虚导线与对应端口或虚端子的连接关系，实现智能变电站二次虚回路的描述。

在智能变电站SCL通信网络配置中，已描述了各装置的无线访问接入点（AP）以及每个访问点下的对应的通用变电站事件（GSE）和采样值（SMV）逻辑发送端的配置信息，并在Inputs／ExtRef中定义了各二次设备接收端所订阅的数据。在一般情况下，每个二次设备的访问点和一个物理链路端口或一组逻辑链路端口相对应，因此，通过导入变电站SCD文件，可以自动生成变电站各二次设备所包含的物理端口以及其所对应的逻辑链路端口对象，同时根据SCD文件各二次设备发送端的数据集对象和接收端引入数据的内部数据元素对象，实现发送端和接收端虚端子的自动生成。通过图、模、库一体化技术，可实现变电站二次虚回路连接的图形化配置，通过连接链路实现逻辑上的发布端虚端子及接收端虚端子的相连，并可自动完成各二次设备之间虚导线的连接，同时生成各二次设备之间的虚导线对象，从而完成变电站整个二次虚回路的完整描述。

4 结束语

智能变电站二次虚回路对象化信息模型描述是开展智能变电站二次虚回路状态监测，并进行二次回路运行维修的重要基础。本文通过对比传统变电站二次回路，研究了智能变电站二次虚回路对象化信息模型表示的方法，基于传统二次回路的描述和运行维修模式，提出了一套智能变电站二次虚回路的描述和分析方法，该方法符合变电站二次回路传统运行、维修和检修的习惯，为智能变电站二次虚回路的状态监测和二次虚回路运行维修技术的进一步深化奠定了基础。本文提出的智能变电站二次虚回路描述方法，能够清晰地反映智能变电站全站各二次设备之间二次虚回路的连接关系、基于二次通信链路传输数据信息流的流向以及基于二次通信链路传输的各路采样值和开关量信号传输虚导线及其连接关系，为站域保护、站域控制等新一代智能变电站新功能、新需求的实现提供了模型基础。本文所建立的智能变电站二次虚回路的表示方法，还有许多有待改进的地方，需要在实践中不断补充、完善。本文所探索研究的智能变电站虚拟二次回路描述方法，希望能为实现变电站虚拟二次回路状态监测和提高智能变电站虚拟二次回路运行、维修效率提供一种技术思路。

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［9］IEC 61970-301—2007 Energy management system application program interface（EMS-API） Part 301：common information model（CIM）base［S］.

［10］IEC 61850-6—2004 Communication networks and systems in substations Part 6：configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs［S］.

（本文责编：王书平）

TM 41

：A

：1674-1951（2015）02-0004-05

纪陵（1982—），男，江苏泰州人，工程师，工程硕士，从事智能变电站自动化监控系统方面的研究工作（E-mail：sacjl＠126.com）。

李忠明（1972—），男，江苏丹阳人，高级工程师，工学硕士，从事电力监控及调度自动化方面的研究工作。

蒋衍君（1975—），男，黑龙江尚志人，高级工程师，工学硕士，从事电力监控及调度自动化方面的研究工作。

裘愉涛（1967—），男，浙江嵊州人，高级工程师，工程硕士，从事继电保护管理与智能变电站技术方面的研究工作。

2014-06-10；

2014-11-06