智能变电站IEC 61850 Ed 2.0工程配置应用方案

李 金, 胡 荣, 王丽华, 王志华

(1. 中国南方电网电力调度控制中心, 广东省广州市 510530; 2. 北京四方继保自动化股份有限公司, 北京市 100085)

0 引言

IEC 61850标准在变电站的工程应用已有十多年历史,标准所具备的信息自描述、互操作友好、模型信息丰富等优点发挥了巨大作用。

目前IEC 61850在工程中广泛应用的版本是第1版(Ed 1.0),由于Ed 1.0在系统集成配置过程中存在一定的局限性,配置效率较低[1]。随着智能变电站的大量实践,系统集成配置工作的要求越来越高,提升工程配置效率的需求也愈加紧迫,国内正积极开展相关研究。在管理上,加强模型的标准化和模型检测工作,从源头避免现场智能电子设备(IED)模型频繁变化;在技术上,采取模型重载,例如文献[2]提出了变电站配置语言(SCL)文件差异化比较方法:基于文件比对识别变化部分。文献[3]提出了二次系统全过程管控平台的技术方案,文献[4]对比分析了当前变电站采用的各种基于变电站配置描述(SCD)的二次回路监测方案,文献[5]中介绍了智能变电站设计配置一体化技术方案。综合上述文献提出的各种改进措施,目前IEC 61850工程集成配置效率较早期已有很大程度的提升,但与工程的实际需求仍有差距。

IEC 61850 第2版(Ed 2.0)对系统集成的配置过程进行了重大改进,提出了分项目管理的方法,新增了实例化IED描述(IID)文件和系统交换描述(SED)文件,加强了对配置工具的约束[6-7]。目前国内外IEC 61850 Ed 2.0的工程实践经验比较匮乏,有必要深入探讨IEC 61850 Ed 2.0新增技术方法在实际工程中的应用 。

本文结合IEC 61850 Ed 2.0的配置过程,以及智能变电站的工程需求,提出了基于IEC 61850 Ed 2.0系统集成的配置过程应用方案。

1 IEC 61850 Ed 2.0的工程配置过程

1.1 工程配置过程改进分析

如图1所示,IEC 61850 Ed 2.0中提出的工程配置过程简化为5个主要环节:①系统配置工具导入IED配置工具导出的智能电子设备性能描述(ICD)文件;②系统配置工具集成系统规范描述(SSD)文件,实例化配置生成SCD文件;③IED配置工具基于此版本SCD文件,生成本IED实例化IED实例配置(CID)文件;④IED实例化模型更改以IID文件提交系统配置工具,系统配置工具依据IID文件完成实例化模型重新导入并升级配置;⑤SCD文件重新配置后,系统配置工具导出只包含更改IED的SCD文件提交给相关的IED配置工具,完成实例化模型更改。

IEC 61850 Ed 1.0中,系统集成的配置调试过程由步骤①②③循环执行实现。IEC 61850 Ed 2.0中,首次集成配置时执行步骤①②③,实例化模型更改由步骤④⑤循环执行实现。

IEC 61850 Ed 1.0配置过程中,实例化模型更改后,系统配置工具导入新版ICD文件,通常采用SCL比对的方法,识别出变更内容并进一步确定对系统的影响范围[2]。SCL比对后只需要把新版SCD发布给受影响的IED,重新导出CID,在工程联调结束后再将最终版的SCD文件发布给所有IED,以保证IED运行的CID与SCD版本一致。SCL比对方法很大程度提高了工程配置效率,但仍存在以下不足:①IED模型更改后需提交ICD文件,ICD文件中IEDName是TEMPLATE,需手动输入实例化IEDName来确定待替换的目标IED,容易引入人为错误;②ICD文件中已实例化的配置信息全部丢失。

图1 IEC 61850 Ed 2.0的工程配置过程Fig.1 Configuration process based on IEC 61850 Ed 2

在IEC 61850 Ed 2.0配置过程中,实例化IED模型更改采用IID文件,IID文件中保留全部实例化信息,并且更改内容的波及范围明确,可以克服SCL比对方法的不足,有效提升系统集成配置效率。

1.2 工程配置过程改进应用方案

IID实例化模型更改不能影响其他IED的数据流通信,这一点由配置工具来保证。本文基于IID文件和SCL文件比对两种方法,提出图2所示的工程应用配置过程。

图2 SCD配置过程改进Fig.2 Improvement of SCD configuration process

SCD配置过程包括3个步骤:①第一次配置时,基于项目(全站)ICD文件进行系统集成配置,生成项目(全站)SCD并提供给所有IED用于导出实例化模型文件CID。②完成实例化配置后,如果某个IED的实例化模型文件需要更改且更改内容不影响与其他IED数据流通信时,更改后的模型采用IID文件提交给系统配置工具,系统配置工具直接采用IID文件与原SCD中的相关内容进行SCL文件比对,以图形的方式展示给工程配置人员进行二次确认。此过程因IID中的实例化信息未丢失,可避免实例化信息的重复配置。此情况下导出的SCD只需包含更改波及的IED。③如果某个IED模型需要更改且更改内容影响到了与其他IED数据流通信,例如删除了其他IED的引用数据,需通过SCL比对方法,导出包含所有受影响IED的SCD文件,并发给相关的IED配置工具。

步骤②适用于现阶段工程实践中遇到的模型更改场景,IID文件的使用可有效提升工程配置效率。步骤③所述的情况在工程上较少遇到。

2 IEC 61850 Ed 2.0配置工具

2.1 Ed 2.0配置工具的约束

IEC 61850工程配置过程很大程度上依赖于配置工具,配置工具的行为可以影响到IED的互操作性和工程配置效率[6]。IEC 61850 Ed 2.0对配置工具功能进行了扩展,同时对配置工具的作用范围进行强化约束,可避免系统集成配置过程中由配置工具引入模型一致性问题。

IEC 61850 Ed 2.0中规定了IED配置工具和系统配置工具的必备功能和可选功能。配置工具通过SCL实现一致性声明(SICS)文件声明所支持的功能。IEC 61850 Ed 2.0中对工具功能要求很多是可选功能,为了在工程实施中发挥出IEC 61850 Ed 2.0的技术优势,工程实践中应要求配置工具必须支持IEC 61850 Ed 2.0定义的6类模型文件以及语法规则中的新增内容。

2.2 系统配置工具

在IEC 61850 Ed 2.0的系统配置过程中,系统配置工具负责全站集成配置,包括IED实例化配置、设备间数据流配置、全站通信参数配置、一次设备配置以及系统集成配置。扩展功能包括对IID和SED文件的支持,作用范围需遵守的主要约束如下。

1)系统配置工具不允许增加和删除IED模型中的逻辑设备(LD)、逻辑节点(LN)。

2)如果系统配置工具修改了配置值和参数值,应体现在paramRev和valRev中。

2.3 IED配置工具

IED配置工具负责IED模型文件配置,包括生成ICD文件和CID文件。扩展功能包括对IID文件的支持,作用范围需遵守的主要约束[7]如下。

1)CID中的实例化信息应与SCD文件保持一致,IED配置工具不允许直接修改SCD文件。

2)IID文件可更改的内容包括:在模型中增加LD、LN、数据对象(DO);删除没有被引用或未与其他IED关联的LD、LN、DO;增加数据集和控制块。更改内容应在IID文件的LLN0.NamPlt.configRev中体现出变化,当FC=CF的配置参数变化应体现在valRev中,当FC=SP或FC=SE的参数变化应体现在paramRev中。

3)IED配置工具不允许修改实例化模型中影响其他IED数据流通信的内容,不允许删除被其他IED引用的对象。

3 分项目管理方法

3.1 分项目划分策略

IEC 61850 Ed 1.0系统集成的配置过程,采用一个SCD文件管理系统中的全部信息,造成SCD文件庞大,模型复杂不易管理且容易衍生其他问题[8-9]。

IEC 61850 Ed 2.0提出把一个实际工程的二次系统划分成若干项目进行管理的方法,每个项目用一个独立的SCD文件描述。比如智能变电站二次系统中的高压部分、中压部分和变压器相关部分都可以划分为一个独立的责任区域,该区域所包含的全部IED称为一个项目(project)。合理地采用分项目管理方法可以减小SCD规模和IED间的关联性,从而提高集成配置的效率。当所有项目完成最终配置后,再集成为系统SCD文件。

图3以一个典型的采用常规采样和通用面向对象变电站事件(GOOSE)跳闸的智能变电站配置为例,分析了站内典型IED间的数据流耦合关系。从图中可以看出,按功能类型可以划分为线路间隔、母线间隔、变压器间隔、母联间隔和变压器本体间隔。不同类型间隔之间共用过程层智能终端数据,例如线路间隔和母线间隔共用线路智能终端,母线间隔和变压器间隔共用变压器智能终端等。间隔之间有保护联锁信号和测控五防信号需要交换。从图3可见,不同间隔之间数据流既包含了间隔层IED与过程层IED之间的数据流,也包含了间隔层IED之间的数据流,各类间隔之间数据流耦合紧密。这种系统结构可以将每类功能间隔划分为一个项目,也可以将若干功能间隔划分为一个项目。

图3 变电站保护测控装置的典型数据流图Fig.3 Typical dataflow for IED in substation

分项目管理的另一个典型场合是站间通信,例如变电站间线路纵联距离保护装置采用GOOSE传输闭锁或跳闸信号,距离保护装置之间需要进行数据流配置,但需要交互的数据并不多,属于松耦合。将每个变电站作为一个项目,项目间利用SED交换数据,可以把影响范围缩小到有关联的IED,避免波及系统中与站间数据通信不相干部分。

本文基于上述分析, 建议分项目管理方法遵循如下原则:①系统规模大、复杂度高时需要采用分项目管理;②数据流耦合紧密的IED应划分到同一个项目中;③项目间采用SED交换配置数据。

3.2 项目间数据交换过程

采用分项目管理方法时,项目间的数据交换通过SED文件实现。SED文件在语法规则上与SCD文件相同,但SED中只包含需要交换数据的IED及与其有数据交互的IED。项目间的数据交换需要避免同一个IED在多个项目中被同时修改。IEC 61850 Ed 2.0提出了基于IED工程权限的项目间数据交换过程。标准中定义了三种工程权限(engineering rights):full,fix,dataflow。full:可以修改模型中可修改的信息;fix:模型中的任何信息都不能被修改;dataflow:配置订阅关系,增加数据集和控制块、给控制块分配客户端。

SED中明确了每个IED的工程权限和权限所有者。项目间工程权限交换过程如图4所示。

3.3 项目间数据交换的工程应用

当项目间需要采用SED完成数据交换时,除需遵循图4所示的权限交换规则和权限修改范围的规定外,还需要补充管理规则以确保数据交换过程中模型的正确性。建议补充的规则如下。

1)如图4所示,当一个IED以fix权限被检出后,IED在宿主项目中仍是full状态,理论上宿主项目仍可以对该IED进行修改。如果宿主确实进行了修改,修改后宿主项目应该再次提交SED文件给相关项目,以保证项目间数据统一。或者规定对于宿主项目中被检出的IED,宿主不应该再次修改该IED的任何内容,避免交叉更改产生的模型不一致问题。

图4 项目间工程权限交换Fig.4 Engineering authority exchange between projects

2)IED的数据流权限递交给其他项目后在宿主项目中变为fix状态,此时宿主项目再提供SCD或其他SED文件时,IED也应保持fix状态,以免不同项目同时更改IED的数据流内容。

3)一个项目内使用多个配置工具同步项目SCD,需要由配置工程师或者配置工具保证各工具导出的SCD中实例化信息的统一。

4 IEC 61850 Ed 2.0的配置管理方案

4.1 新建变电站分项目管理策略

变电站二次系统调试过程中通常是以间隔为单位展开,按间隔划分项目符合工程实际需要。根据每个工程的特点,可以将每个间隔作为一个项目管理,也可以将若干个间隔划分为一个项目。本文提出的新建变电站工程分项目配置调试过程如图5所示,包括3个主要步骤。

步骤1:项目内配置调试。本过程不影响其他项目的更改可采用IID文件,只更改本项目SCD文件,其他项目SCD无需更改。

步骤2:项目间配置调试。本过程初次配置时用SED文件交换数据流信息。项目内有IED需要更改ICD文件,并且此IED更改内容影响到其他项目IED数据流配置时,更新SED文件并提交给受影响的项目。考虑到目前工程实践中对模型和IED功能测试及版本管控逐步加强,发生IED需要更改ICD文件的情况逐渐减少。现场遇到的模型问题主要集中在订阅信号不完整、订阅信号与内部信号关联错误或配置参数需要更改等方面,因此步骤1在工程实际并不常见。

步骤3:每个项目完成项目内和项目间功能调试后,提交本项目SCD文件,全站SCD文件由各项目SCD和SSD文件集成得到。

图5 多项目配置过程Fig.5 Configuration process of multiple projects

当变电站冗余配置A,B套设备时,冗余设备之间数据流交互较少,可以采用两个独立的项目管理,如图6(a)所示。

如果出现间隔层IED冗余配置而过程层IED单套配置的情况,可将过程层IED与 A套IED划分为一个项目,如图6(b)所示。

图6 含冗余装置的项目配置过程Fig.6 Configuration process of projects with redundant IED

图6中项目1包含的A套全部设备,可以按图5的方法进一步划分项目后完成工程配置过程。

4.2 扩建变电站分项目管理方法

在扩建工程中,如果扩建部分和原有工程的关联关系紧密时,可采用分项目管理方法。项目如何划分需要根据工程实际情况确定,本文提出了两种方案。

方案(1):二期工程用一个独立的二期SCD文件管理,以SED的方式与一期SCD交换新增数据流配置,此方案两个SCD中无数据流交换的IED不会被另外的项目更改。工程联调完成后,将两个SCD集成为一个全站SCD存储全站信息。

方案(2):二期工程分为两个项目,二期SCD1中包含与一期SCD有数据流交换的IED,二期SCD2中包含与一期SCD无数据流交换的IED。只有二期SCD1需要与一期SCD用SED交换模型信息,二期SCD2与一期SCD不需要交换模型信息,进一步缩小了SCD间的耦合度。工程联调完成后,将各SCD集成为一个全站SCD存储全站信息。

如果新建工程和原工程存在多个IED关联紧密的情况,可以按照关联关系划分为多个项目,并采用图5所示的多项目配置方法完成工程的配置和调试。

5 结语

IEC 61850 Ed 2.0的配置过程提出了旨在改进系统集成配置效率的新技术方法[10]。本文从SCD配置过程改进、配置工具和分项目管理3个方面深入分析新技术方法的工程实用价值。IEC 61850 Ed 2.0工程配置方法离不开配置工具的支撑,建议进行配置工具测试时,借鉴IEC 61850 Ed 2.0工具测试用例[11-12],增加反向测试用例,确保工具不会引入新增错误。

本文提出了IEC 61850 Ed 2.0工程配置方案,在稳步推进IEC 61850 Ed 2.0工程配置方案的应用过程中,通过未来的工程实践不断完善,并通过互操作测试[13]及试点工程积累经验。

[1] 任雁铭,操丰梅,张军.IEC 61850 Ed 2.0技术分析[J].电力系统自动化,2013,37(3):1-5.

REN Yanming, CAO Fengmei, ZHANG Jun. Technical analysis of IEC 61850 Ed 2.0[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(3): 1-5.

[2] 高磊.IEC 61850 SCL配置文件比对工具的研究与实现[J].电力系统自动化,2013,46(37):21-29.

GAO Lei. Research and implementation of comparison tool for IEC 61850 SCL configuration file [J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 46(37): 21-29.

[3] 马杰,李磊,黄德斌.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):77-90.

MA Jie, LI Lei, HUANG Debin. Research and practice on the whole process management platform of the secondary system in smart substation[J]. Power Systems Protection and Control, 2013, 46(37): 77-90.

[4] 高翔,杨漪俊,姜健宁,等.基于SCD的二次回路监测主要技术方案介绍与分析[J].电力系统保护与控制,2014,42(15):149-154.

GAO Xiang, YANG Yijun, JIANG Jianning, et al. Analysis of secondary circuit monitoring methods based on SCD[J]. Power Systems Protection and Control, 2014, 42(15): 149-154.

[5] 孙一民,裘愉涛,杨庆伟,等.智能变电站设计配置一体化技术及方案[J].电力系统自动化,2013,37(14):70-74.

SUN Yimin, QIU Yutao, YANG Qingwei, et al. Configuration design integration technology and scheme for smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(14): 70-74.

[6] 梅德冬,周斌,黄树帮,等.基于IEC 61850第二版变电站配置描述的集成配置解耦[J].电力系统自动化,2016,40(11):132-136.DOI:10.7500/AEPS20150906003.

MEI Dedong, ZHOU Bin, HUANG Shubang, et al. Decoupling integrated configuration of substation configuration description based on IEC 61850 edition 2[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(11): 132-136. DOI: 10.7500/AEPS20150906003.

[7] Communication networks and systems for power utility automation: Part 6 configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs: IEC 61850-6 Ed 2.0[S]. 2009.

[8] 杨毅,高翔,朱海兵,等.智能变电站SCD应用模型实例化研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(22):107-113.

YANG Yi, GAO Xiang, ZHU Haibing, et al. Case study on SCD application based on demo smart substation[J]. Power Systems Protection and Control, 2015, 43(22): 107-113.

[9] 贺敏.IEC 61850 Ed 2.0建模升级方案研究[J].电脑编程技巧与维护,2015(12):19-22.

HE Min. Research on modeling upgrade scheme based on IEC 61850 Ed 2.0[J].Programming Skills & maintenance, 2015(12): 19-22.

[10] 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.

LI Yongliang, LI Gang. An introduction into 2nd edition of IEC 61850 and prospects of its application in smart grid[J]. Power System Technology, 2010, 34(4): 11-16.

[11] 何磊,田霞,韩永进.IEC 61850配置文件工程化测试探讨[J].电力系统保护与控制,2011,39(16):147-150.

HE Lei, TIAN Xia, HAN Yongjin. Research on the testing of IEC 61850 configuration file in engineering[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(16): 147-150.

[12] Communication networks and systems for power utility automation: Part 10 conformance testing: IEC 61850-10 Ed 2.0[S]. 2009.

[13] 何卫,王永福,缪文贵,等.IEC 61850深层次互操作试验方案[J].电力系统自动化,2007,31(6):103-107.

HE Wei, WANG Yongfu, MIAO Wengui, et al. Deep-level interoperability testing of IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(6): 103-107.