智能变电站配置文件技术与管控方案

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(1.上海交通大学，上海 200240；2.国网上海电力公司，上海 200122)

0 引 言

智能变电站是基于先进、可靠、集成、低碳、环保的智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)，以变电站信息数字化、通讯系统网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、计量、保护、控制和监测等功能，实现电网自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的新型变电站[1]。与常规变电站相比，智能变电站用光信号代替电信号，通过配置文件的形式描述了各智能电子设备之间信息的流向。传统的采样信号、跳闸出口、启动失灵等模拟信号转而通过GOOSE网、SV网报文的形式进行传送，传统二次图纸变成配置文件的形式，这对变电站运维检修工作提出了新的要求。

智能变电站配置文件定义了全体智能电子设备的配置情况、信息通信等信息，是智能变电站二次系统运行的依据，也是现阶段电网运维单位研究的重要内容。

1 智能变电站配置文件体系

1.1 IED功能描述文件

智能电子设备功能描述文件(IED Capability Description, ICD)是智能电子设备的功能描述文件。IEC61850标准中对ICD文件进行了描述，ICD文件用于在设备配置工具和智能电子设备之间进行数据交换，其主要是对智能电子设备进行功能描述[2]。

1.2 IED实例配置文件

IED实例配置文件(Configured IED Description file, CID)详细描述了如何对智能电子设备进行功能配置，它的文件内容与ICD文件类似，是智能电子设备在不同工程中的实例化描述。

1.3 系统规范描述文件

变电站系统规范描述文件(System Specification Description, SSD)主要用于描述变电站开关场一次系统拓扑结构，以及相关联的逻辑设备和逻辑节点。SSD文件通常包含在变电站功能配置文件(SCD)中，为SCD文件提供变电站一次接线等信息[3]。

1.4 变电站功能配置文件

变电站功能配置文件(System Configuration Description, SCD)是智能变电站功能配置文件，它将孤立的智能电子设备与变电站自动化系统衔接起来，在智能变电站配置文件体系中占据核心地位。SCD文件包含了智能变电站所有设备的结构和布局，是智能变电站配置文件管控的关键，也是研究的主要内容。

1.5 配置文件流转过程

在工程实例中，智能变电站配置文件流转过程如图1所示。设备制造厂商向工程集成商提供智能电子设备的ICD文件；设计单位负责根据变电站一次接线图等实际需求生成初始SSD文件；集成商通过读取各智能电子装置的ICD文件，根据实际情况对全站通讯信息进行配置，生成系统配置描述文件SCD；各产品制造商拿到统一的SCD文件，从中导出本工程实例化的CID文件，下发到设备中。

图1 智能变电站配置文件流转过程图

2 智能变电站SCD文件解析

鉴于SCD文件在智能变电站配置文件体系中的重要地位，现有的智能变电站配置文件管控系统主要以SCD文件为管控对象。和其他配置文件一样，SCD文件本质上是通过变电站配置描述语言(Substation Configuration description Language，SCL)编译的XML格式文件。

IEC 61850-6中对其格式作出了详细的规定，SCD文件以一个XML-EBNF元素开始，接着定义了智能变电站二次系统配置和版本信息、变电站描述、智能电子设备描述、通信系统描述等元素。

2.1 配置版本信息

SCD文件头文件部分用于标识一个SCD文件的配置和版本信息，规定了有关名称与信号之间的映射关系。IEC 61850-7中规定了四个版本参数用于SCD文件的版本追踪，分别是配置(CF)属性变量版本参数valRev、定值参数版本参数paramRev、模型配置版本参数configRev和通信配置版本参数confRev[4]，当SCD文件内容发生变更时，对应版本参数将发生改变。

2.2 变电站描述

变电站部分用于描述一个变电站的功能和结构，同时对一次设备和它们彼此的电气连接关系进行标注，一般包含其逻辑接点、电压等级、一次设备等元素内容。

2.3 智能电子设备描述

智能电子设备部分对智能电子设备的访问点、逻辑设备模型以及逻辑节点等内容进行了定义，实际工程中SCD文件的智能电子设备描述与站内设备一一对应[5]。

与其他字段相比，智能电子设备部分增加了路由功能。智能电子设备通过路由功能将不同子网连接起来，时间同步报文、GOOSE报文、SV报文等实时报文可在子网内传播，其他报文可以通过跨网传播的过程中可能会增加时延。

2.4 通信系统描述

通信系统描述的是智能电子设备连接至公共子网络的配置情况，同时还对变电站过程层网络结构进行了定义。

3 虚端子技术

3.1 虚端子概念

在传统变电站中，保护装置上的各采样值、开关量、跳合闸出口都与保护屏柜内的电流、电压、开入开出等端子排一一对应。保护装置与一次设备之间的采样、跳合闸出口都是通过端对端的电缆实现的。在智能变电站中，合并单元、智能终端的应用使得各智能电子设备的通信转而采用GOOSE、SV报文通过点对点或交换机网络形式传输，在一根光纤内同时传输多路数字信号，原有传统的实体端子不复存在。

为了便于形象地理解智能变电站信息交互情况，国内在智能变电站工程实例中引入虚端子的概念[6]。虚端子技术用于标识智能电子设备二次信息的传输路径，是GOOSE/SV输入输出信号及连接点的总称，等同于传统变电站的端子排。

3.2 虚端子与IED模型

在SCD文件中，每个智能电子设备应对应一个IED模型，智能站二次系统采用组播通信，因此每个IED对象应至少包含一个服务器(server)对象，每个服务器对象至少包含一个逻辑设备(LD)对象，每个逻辑设备对象包含LLN0、LPHD、其他应用节点等至少三个逻辑节点(LN)对象。

在通信时，GOOSE虚端子连接至数据属性(DA)一级，引用路径为LD/LN**.DO**.DA；SV虚端子连接至数据对象(DO)级，其引用路径为LD/LN**.DO**[7]。系统配置时，在逻辑设备对象的LLN0节点中定义该设备GOOSE/SV接线，每条接线包含该逻辑设备内部输入虚端子信号和外部装置的输出信号，两者一一对应。

由于智能变电站只是改变了信息传输的方式，并没有改变保护设备原理，所以每台保护装置的GOOSE/SV传输通道与传统保护之间仍然存在对应关系。根据《IEC 61850工程继电保护应用模型》，GOOSE/SV报文引用路径应与两个IED对象对应，每个IED对象至少应包含一个逻辑设备对象[8]。

3.3 虚端子应用实例

图2所示为上海某智能变电站220千伏闵北一线线路保护部分虚端子信息，线路保护为间隔层设备，既需要接收SV采样报文，又需要收发GOOSE网、SV网报文，因此线路保护有PIGO和PISV两种逻辑设备。PIGO内包含保护装置GOOSE网过程层接口，用于接收智能终端上传的开关、闸刀的位置信息，PISV内含过程层SV网接口，用于接收合并单元输出的电流电压等采样信息。

图2 上海某智能变电站220千伏线路保护单元虚端子信息

4 智能变电站配置文件管控方案

4.1 配置文件管控现状

智能站配置文件对智能变电站安全运行至关重要，然而在实际智能变电站工程中，需要频繁对SCD文件进行修改，往往造成SCD版本与实际运行版本不一致等问题，对SCD文件管理造成很大不便。

经过调研，目前智能变电站配置文件管控主要存在以下问题：

1) 缺乏统一存储。工程中配置文件普遍存在存放混乱现象，个别工程甚至出现资料丢失等情况；

2) 缺少作业手段。过分依赖厂商，缺少对配置文件进行查阅、修改等技术手段；

3) 缺乏安全保障。恶意攻击、意外删除、硬盘损坏等问题都有可能造成文件无法恢复；

4) 多人协作困难。文件的提交、审核等环节缺少规范化的流转，多人协作缺乏冲突机制；

5) 检索效率低下。缺乏有效检索手段，随着文件的增多，文件的查询、调阅需要花费大量的时间，工作效率低下；

6) 版本管理混乱。配置文件经常通过网络进行流转，极易引起混乱，版本唯一性得不到保障。

4.2 配置文件管控要求

随着智能站的大规模并网运行，配置文件管控变得迫在眉睫。2015年5月，国家电网公司发布《智能变电站配置文件管理规定》，对各种配置文件的管理方式进行了规范。其中要求运维单位应对修改人员、时间、目的及修改内容等信息进行记录，修改后的配置文件应通过校验及审核后方能归档，配置文件下装时,应进行相应验证,并履行相关手续等[9]。

4.3 基于虚端子技术的配置文件校验

前文已经介绍了智能变电站虚端子技术，基于虚端子技术的配置文件校验通过对虚端子生成CRC校验码，进而判断不同配置文件的虚端子变化情况。循环冗余校验码(CRC)是利用循环码的误码检测特性进行误码检测的一种检测技术[10]。CRC技术广泛应用于通信和数据处理软件中，其特点是检错能力强、消耗资源少。通过对虚端子进行CRC验证，可以发现不同文件中虚端子变化情况。

根据智能站自动化分层分区概念，虚端子配置CRC码分为IED CRC编码和全站SCD CRC编码，分别用于智能电子设备配置管理和SCD文件配置管理，其关系如图3所示。每个智能电子设备对应一个IED CRC码，该CRC码只与装置虚端子连接和参数配置有关，当其他不相连设备虚端子发生变化时，本装置CRC码不发生变化。全站CRC码反应全站智能设备虚端子配置，当站内任何设备虚端子发生变化时，该CRC码就会发生改变，从而保证智能站配置文件前后一致性。

图3 智能变电站CRC校验码关系图

利用CRC技术生成虚端子循环冗余校验码可以实现对智能变电站配置文件虚端子的离线管理，其中虚端子循环冗余校验码只与虚端子配置有关，其他修改不会影响虚端子CRC码。其具体操作方式如图4所示。

图4 SCD文件CRC校验流程图

首先，运维人员将初始版本SCD文件上传至管理模块，管理模块对SCD文件进行解析，并完成完整性分析、语义、语法校验等工作，然后将SCD文件中虚端子信息转换成二进制形式；

其次，选择CRC生成多项式及对应算法。多项式可选择标准32位多项式，如x32+x26+x23+…+x2+x+1等，将CRC生成多项式与二进制信息应用到算法中，得到对应的CRC校验码。与系统中原IED中的CRC校验码进行比对；

最后，实现CRC结果入库和SCD文件上传保存。

5 结 语

基于虚端子技术的配置文件管控方案实现了智能变电站配置文件的静态管理，但是当智能电子设备配置信息发生变化时无法实现二次设备运行状态的在线监测。IEC 61850第二版中对装置输出配置文件等功能进行了规定，未来智能变电站MMS网可以在站控层实时查看装置配置信息，随着规范的应用和更新，未来智能变电站的配置文件管理将更加透明和可控。

参考文献:

[1] Q/GDW 383-2009, 智能变电站技术导则[S]IEC 61850-7-1, Basic CommuniCation Structure for Substations and Feeder Equipment Principles and Models-Principles and Models[M].IEC Central Office,2005.

[2] IEC 61850-6 Edition 1.0，Communication Networks and Systems in Substation-Configuration Description Language for Communication in Electrical Substations Related to IEDs[M].IEC Central Office,2005.

[3] 赵志新. 智能变电站SCD配置管控方案研究[D]. 北京:华北电力大学, 2015.

[4] 陈艳艳,尹少平,焦锦绣.变电站配置语言SCL的应用与解析[J].电力学报,2012,27(03):233-236.

[5] IEC 61850-7-1, Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment Principles and Models-Principles and Models[M]. .IEC Central Office,2005.

[6] 国家电网公.Q/GDW 441—2010, 智能变电站继电保护技术规范[S].

[7] IEC 61850-7-2, Basic Communication Structure for Substations and Feeder Equipment Abstract Communication Service Interfaces[M]. .IEC Central Office,2005.

[8] Q/GDW 396-2009, IEC 61850 工程继电保护应用模型[S].

[9] Q/GDW 11633-2016, 智能变电站配置文件运行管理系统技术规范[S].

[10] 廖海红. 通信系统中的CRC算法的研究和工程实现[D]. 北京:北京邮电大学, 2006.