智能变电站二次回路可视化实现方法研究

胡思琪， 席自强

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068)

智能变电站二次回路可视化实现方法研究

胡思琪， 席自强

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068)

通过描述智能变电站二次回路的结构信息，结合运维、检验工作的现实操作要求，说明了智能变电站二次回路可视化的必要性。并且提取设备与设备间的配置描述，实现SCD中的二次回路信息由文本模式转化为图形模式。最后根据现行二次回路可视化实现过程中存在的问题，研究智能变电站二次回路可视化改进的具体方法，提出完善配置信息，以分层图形化展示版本差异。

智能变电站； 二次回路； 可视化； SCD

坚强智能电网的建设是目前全球电力行业都广泛关注的一个课题，而智能变电站作为智能电网“电力流、信息流、业务流”三流汇集相交点，担负着电能传输和分配的监测、控制、管理的任务，是建设蓝图中变电环节的重要建设目标。目前，我国智能电网已进入全面建设期，超过一半的新建变电站是智能变电站[1-2]。

由于大量新技术的投入使用，智能变电站的结构由常规二次电缆连接方式转变为光纤和工业以太网交换机组成的数字化二次回路，相应的设计方式也发生了很大变化。变电站开始向无人作业模式转变，从而引起变电站二次回路的根本性变革。为给智能变电站后期的运维、检修工作提供支撑，厂家必须适应智能化带来的这种技术革新。不同于常规变电站，智能变电站二次系统信息的详细描述包含于全站唯一配置描述文件(Substation Configuration Description,SCD)，它由集成商参照设计院出具的虚端子连接表进行配置。常规变电站中的智能电子装置(Intelligent Electronic Device,IED)基于端子排的二次连接关系，如今成为相应的智能变电站中SCD包含的虚端子回路对应关系[3-4]。因而，可以说SCD文件对智能变电站二次回路可视化的正常运行与实现起着至关重要的作用，类似“黑匣子”的二次系统也给变电站的二次运维管理带来了新的发展机遇与挑战[5]。

1 智能变电站的二次回路

1.1智能变电站

智能变电站普遍采用“三层两网”的结构，将网络化的二次设备分为过程层、间隔层和站控层[6]，智能变电站二次连接示意图见图1。其中的过程层采用点对点或者采用交换机的网络通信方式取代了大量的二次连接电缆，并通过这种方式传输采样值(Sampled Value，SV)和面向通用对象变电站事件(Generic object oriented substation event,GOOSE)，实现采样信号和开关量输入/输出信号的传递。间隔层一般包含有继电保护装置、系统测控装置、故障录波装置等二次设备，继电保护与智能终端采用GOOSE点对点方式连接，保护间的联闭锁信息、失灵启动等信息采用GOOSE组网传输取代硬连线，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能。站控层包含自动化系统、站域控制系统、通信系统、对时系统等子系统，实现了面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能，它的功能能够高度集成在一台计算机或嵌入式装置中[7]。

在实际应用中，智能变电站是建立在IEC61850通信标准基础上的一种设施，可以实现设备信息共享以及相互操作。作为一种电力公司的运行工具，智能变电站依靠数字化、网络自动化等技术手段来实现其应用功能，这也是科学技术发展的必然。例如，系统监控、保护等任务只有在智能化二次设备通信网络的帮助下才能完成。此外，随着新兴技术的发展，以太网等数字化设备大批量地投入到了实际应用中,所有变电站设备急需改革,所以网络化二次系统功能成了变电站的又一革新手段。

图 1 智能变电站二次连接

1.2智能变电站二次回路

不同于传统变电站，智能变电站二次回路用光电信号和光纤取代常规的强电模拟信号和控制电缆，在信息传输过程中，每根通信光纤中可包含多组GOOSE或SV数据，简化了控制回路的结构。智能变电站不仅具有初步智能的一次设备，同时还有网络化的二次设备，如合并单元、智能终端、过程层交换机等。设备间使用的是高速网络通信连接、由逻辑模块实现功能并且采用网络跳闸，不再出现功能重复的I/O接口和常规功能装置。可以说，二次设备网络化取代总线方式，使得数据传输更加丰富、更加标准，实现信息交互网络化与信息应用集成化。

智能变电站二次系统网络化是将虚拟网(Virtual Local Area Network，VLAN)技术应用在智能变电站中，并借助GOOSE通信传输机制和SV采样值传输机制来实现各种网络化的保护、控制及计量等多种二次设备功能,其二次系统功能特点如下：变电站网络化二次系统主要由多层网络结构组成，一般结构表现为间隔层集多种设备为一体,通过智能变电站机构，促使二次系统通信趋于分散分布式，最终融合传统变电站二次设备。毫无疑问，融合式网络结构尤为重要，它可以重新集合整个变电站的二次设备，能使变电站层后台系统获得大量信息，从根本上综合利用最新开发的数据基础[8-9]。

2 智能变电站二次回路可视化

2.1SCD文件可视化

智能变电站IED设备都基于IEC61850进行建模，配置文件成为了设备的关键，决定了设备的输入、输出外特性。系统的集成配置决定了整个系统的功能和性能，全站系统配置文件SCD是保证变电站正常运行的基础和关键，也是变电站运维检修的主要依据。

系统集成组态配置是将各设备的保护配置文件(IED Configuration Description,ICD)有机集成，进行虚端子连线，配以GOOSE控制块及相关参数、SV控制块及相关参数、网络通信参数等，最终形成系统性的配置文件SCD。SCD生成后，设备的参数以及设备间的相互关系就确定了，生产厂家将从SCD文件中导出每个设备的实例配置文件CID，下装到相应的设备，设备才能按照设计需要正常运行。

站控层监控后台、远动装置等设备应直接导入SCD配置文件，自动解析文件中的数据信息生成数据库，按照设计和用户要求配置画面、文字、报表等人机界面，配置防误闭锁、顺序控制、智能告警与故障综合分析等高级应用功能。

SCD解析结果见图2，SCD文件的图形化对于二次回路与虚端子配置的可读性具有重要意义。

图 2 SCD解析结果

2.2可视化展示

将智能变电站的二次设备上的物理链路端口按信号传输的方向分为发送端和接收端，其中，数据发送端按信号来源可再分为多个。智能变电站的开关量信号或者交流采样信号总是从发送端输往信号接收端，控制命令或者跳闸命令也是从信号的发出端输往命令的接收端，也就是说，在二次回路中输送的信号都是有一定的流向。二次系统内部通过发布—订阅数据间的映射关系，构成了二次回路里的虚拟导线。虚拟导线这种概念是为了便于理解而设定的，对应着常规变电站的二次回路电缆。因此，为了展示这种设备间的连接关系，可以采用一根有向箭头从输出信号端指向输入信号端。最终可以用一个包含二次设备及其输入输出端和SV与GOOSE信号的连接关系图。

将可视化的展示分为以下三个步骤。

1)导入变电站SCD文件并解析，获得每个装置的相应通讯参数及相应虚端子信息，分析二次设备的内部订阅数据和外部装置发布数据之间的映射关系，以此建立回路连接模型及数据映射模型；

2)设计好界面的布局模式，完成每个设备、二次回路连线和SV接收压板等各个元素的图形样式的绘制；

3)最后把各个元素的图形样式和数据连接模型结合起来，在适当的位置上最终生成如图3所示的二次回路展示画面。

图 3 某220kV线路保护可视化二次回路

3 可视化存在的问题

3.1可视化信息不全面

目前可视化的原理基本都是将SCD文件导入解析，使虚端子间的连接回路可视化。然而，SCD文件中的软压板数据集不包含软压板与相应GOOSE和SV数据集的控制关系，所以现有的可视化方法只能查看数据集和虚端子的联系，不能像传统图纸一样直观方便地反映软压板在二次回路中起到的作用。同时，SCD文件也不包含二次信息与实际光纤回路的相应关系，无法通过可视化判断传输数据对应的光纤及接口。在系统验收、调试过程中，工作人员只能通过插拔光纤逐条验证，或者利用数字测试仪。

3.2SCD文件变更

SCD文件的频繁改进一般会带给调试人员和维护人员很多难题。一套SCD文件所涵盖的内容是十分巨大的,内部含有大量的配置文件,对整个变电站的工作起到了决定性的作用。在实际工作中整个过程更加复杂,要想对SCD文件进行修改,不仅要彻底地修改SCD文件,还要在修改之后将其还原到最初的状态[10]。这一来一回很有可能导致SCD文件的损坏,最终导致变电站的工作异常。

SCD文件内包含了传统意义上的二次回路，它采用XML语言描述了变电站一次系统结构、站内IED实例配置信息、IED间的通信配置以及虚端子间的连接关系等信息。对于一个智能化变电站来说，面对系统调试需要频繁更新SCD文件，但是现有的SCD文件版本管控办法并不算精准，不能详细描述更新的细节；并且在智能变电站扩大、改建过程中，SCD文件的更新会影响变电站IED通信结构发生改变。在二次回路可视化程中，偶尔会出现SCD文件报错的情况，导致工作人员必须反复修改导入SCD文件。

4 改进方案

第一，在解析SCD文件的同时，导入软压板控制信息。这样一来，在原始的二次回路可视化界面上就添加了明确的装置软压板的配置信息和相应的GOOSE传输数据的内容。由此可以形成与传统二次接线图相似的二次回路图示，便于运维人员理解和掌握，为工程验收、回路校验、故障维修、技术培训等提供重要的信息参照。

第二，SCD文件的变更首要体现在二次回路和对IED的改变。对IED的区别性比较经过两大层面来展开：1)IED数据区别性比较。检验《Q/GDW 396 IEC61850工程继电保护应用模型》所陈述的信息集合以及信息集合组成统一与否。提出维护案例,通过引入两种形式的SCD文件,依次对比信息集合维护案例的成分以及它的DA、DO、LN性质,若性质类别、称号统一,就是代表IED装置数据统一,不然就代表装置有区别,要求维护工作者注重其有变化的数据部分。2)二次回路区别性比较。在SCD文件中每个装置的LN0逻辑节点中的Inputs部分定义了该装置的输入SV值连线，它代表装置内部输入虚端子信号和外部的输出信号。载入两种形式的SCD文件，引入Inputs的一切ExtRef条款，对比其增添、删除条款区别，对其过程层信息和二次回路开展验证和测验。

经过比较，能够快速、准确地区别出“无关装置”、“相关装置”和“涉及装置”。其中，“无关装置”的定义是未进行变更，调节时也不会遭受干扰的装置，不用再进行特定安排；“相关装置”的定义是会变更的装置，要求再次下载CID项目的IED，比如增加、改进、删减了虚端子连接数据，会依次以图像展示出来；“涉及装置”的定义是未变更装置，不过IED在调节“相关装置”时会受到干扰。

这样可视的SCD文件能够满足运维人员需求的同时，提高了调试效率，节约了调试时间，实现了变电站SCD全过程管控。

5 结语

智能变电站SCD包含了IED的实例配置和通信参数、IED之间的通信配置及虚端子联系等信息，本文提出的变电站二次回路可视化方案通过对SCD文件的深入分析，以分层的图形化方式展现IED之间的互操作关系以及不同版本SCD之间的差异，解决了变电站配置描述文件可阅读性差、不利于运维检修人员现场工作的问题，并同时添加装置软压板的配置信息，优化了现行的二次回路可视化方案，提高了这类工具的操作实用性和界面友好性，为智能变电站的二次回路调试、运行以及检修维护提供了更优化的服务。

[1] 张沛超,高翔. 智能变电站[J].电气技术,2010,13(8):4-10.

[2] 李永亮, 李刚. IEC 61850第2版简介及其在智能电网中的应用展望[J].电网技术, 2010,34(4):11-16.

[3] 高磊, 石慧, 杨毅,等. 智能变电站配置描述文件管控系统的研究与实现[J]. 电网技术,2014,38(12):3328-3332.

[4] 马杰,李磊,黄德斌,等.智能变电站二次系统全过程管控平台研究与实践[J].电力系统保护与控制,2013,41(2):67-72.

[5] 吴威, 宋亮亮. 江苏电网500kV智能变电站建设技术综述[J]. 江苏电机工程, 2013, 32(6): 51-54.

[6] 胡道徐,沃建栋.基于IEC61850的智能变电站虚回路体系[J].电力系统自动化, 2010, 34(17):78-82.

[7] 朱炳铨,王松,李慧,等. 基于IEC 61850 GOOSE技术的继电保护工程应用[J].电力系统自动化,2009,33(8):104-107.

[8] 高吉普,张沛超,何旭,等.智能变电站保护系统可靠性的自动分析方法[J].电力系统保护与控制,2014,42(15): 107-112.

[9] 张磐,张艳霞,宣文博,等.基于智能变电站的继电保护动态特性仿真系统[J].电力系统及其自动化学报, 2013, 25(5): 92-95.

[10] 伊洋, 胡苏凯, 周宇, 等. 智能变电站SCD文件二维校验码校验方法研究[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(2): 113-118.

[责任编校：张岩芳]

RealizationofSecondaryCircuitVisualizationinSmartSubstations

HU Siqi , XI Ziqiang

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Combining with the actual needs of operation and maintenance work, the necessity that smart substation secondary circuit must be visualized is explained. By retrieving configuration description between equipments, the paper realizes that secondary loop information in SCD turns text format into graphics mode. By studying and analyzing the specific method of visualization, the paper puts forward some suggestions to improve the visualization tools aiming at the existing problems in the current smart substation secondary circuit visualization tools.

intelligent substation；secondary circuit；visualization；SCD

2016-08-29

胡思琪(1992-)， 女，湖北黄冈人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为智能变电站

席自强(1960-)，男，湖南东安人，湖北工业大学教授，研究方向为电能质量检测与控制技术，太阳能发电技术

1003-4684(2017)05-0100-04

TM63

A