基于主站的分布式馈线自动化系统配置方法研究

2019-01-30嵇文路应俊梅军张明刘明祥封士永

电气自动化 2018年5期

嵇文路，应俊，梅军，张明，刘明祥，封士永

(1.南京供电公司，江苏南京 210019；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106；3.东南大学江苏南京 210096)

0 引言

近年来，通信、计算机和自动化等技术在电网中得到广泛的应用，并与传统电力技术有机融合，极大地提升了电网的智能化水平，智能电网是电网技术发展的必然趋势，配电系统作为智能电网的关键环节，得到众多高校及电力企业的关注。目前，分布式馈线自动化(Feeder Automation, FA)技术因其在故障处理方面定位准确、动作迅速等特点而逐渐成为配电自动化领域的研究热点[1-5]。其中，合理的配置方法能够减少分布式FA系统的运维工作量，有利于配电终端实现即插即用和快速适应配电线路的拓扑变更。因此，研究分布式馈线自动化系统的配置内容及方法对促进配电网的智能化水平的提升具有重大意义。

目前，针对变电站综合自动化系统的配置研究比较多，并取得较多成果[6-10]。而针对配电网中分布式FA系统的配置研究处于起步阶段。文献[11]论述了工程配置的前提是要解决配电终端的自动识别、文件模板重新定义等问题。文献[12]介绍了配电终端向主站注册和配电主站自发现配电终端的过程。文献[13]提出了一种配电终端的注销机制。文献[14]提出了支持分布式控制应用的配电终端需要预先配置一次设备及其相邻设备的局部拓扑信息。文献[15]结合IEC61850 Ed 1.0，从数据模型、工程配置语言和一致性测试3个方面，对IEC61850 Ed 2.0的技术特点进行了分析。

本文针对分布式FA系统配置问题，提出了一种基于主站的分布式FA的系统配置方法，其中，主站一方面负责整个网络拓扑的更新维护，另一方面当分布式FA系统出现故障或无法实现非故障区域的供电恢复时，由主站接管故障处理的工作。借鉴变电站自动化系统的配置方法，分析分布式FA配置内容、方式，设计终端邻接关系的校验方案，并通过试验验证该方法的可行性。

1 变电站配置语言文件

1.1 变电站配置语言对象模型

IEC61850定义了变电站配置描述语言(Substation Configuration Description Language, SCL)文件，用于描述变电站拓扑结构、通信系统、终端和数据对象等可识别的电力对象信息模型，SCL文件用特定的方法来描述模型实例，但其语义只有被引用到模型本身才能被充分理解。SCL语言亦可引入配网领域用以描述配电网对象。如图1所示，给出了采用统一建模语言标记的配电网SCL对象模型，图中扩充了馈线模型。

图1 配电网SCL对象模型

1.2 SCL文件

IEC61850第一版提出4种不同类型的SCL文件，分别为智能电子设备(Intelligent Electronic Device, IED)的功能描述(Configured IED Description, CID)文件、自描述(IED Capability Description, ICD)文件、系统规范描述(System Specification Description, SSD)文件以及系统配置(System Configuration Description, SCD)文件，为了完善配置流程，IEC61850第二版增加了实例化IED描述(Instantiated IED Description, IID)文件和系统交互描述(System Exchange Description, SED)文件。

(1)ICD文件：该文件是描述IED功能的模板文件，通常是产品出厂时自带的预配置文件，ICD文件不能直接下载到IED中，可以在其基础上派生出具体的配置文件，下载到IED装置中使用。

(2)CID文件：该文件是IED装置在启动运行时所需的具体配置文件，其详细描述了该IED中功能参数的具体配置。

(3)SSD文件：该文件用于描述整个变电站系统的拓扑结构，采用可扩展标记语言(eXtensible Markup Language, XML)语言描述变电站系统一次接线图。

(4)SCD文件：该文件是在SSD文件的基础上，集成系统中所有装置的配置信息与功能信息之后所形成的，可被视为所有配置文件的一个集合，可以利用装置配置工具提取单个装置的CID 文件。

(5)IID文件：该文件是工程配置的实例文件，实例化IED具体的名称、地址、数据集；依据系统接线或其他IED应用的逻辑节点实例，实现从IED配置工具到系统配置工具的数据交换。

(6)SED文件：该文件描述一个工程与另一个工程的输入输出接口信息，满足不同工程系统配置工具的数据交换需要。

2 配置方案比较与选择

2.1 变电站自动化系统配置流程

在变电站系统内，系统集成商提供系统配置工具，并根据设计图纸和用户需求负责整个系统的配置，生成SCD文件。装置厂商提供装置配置工具，从SCD文件中导出本装置的CID文件，如图2所示。

(1)首先，将设备制造商提供的ICD文件，与描述变电站系统的拓扑结构的SSD文件一同导入系统配置工具，生成新的SCD文件。

(2)接着，将SCD文件导入装置配置工具并上传至监控后台，生成各个终端的CID文件。

(3)最后，各终端下载对应的CID文件，配置结束。

图2 变电站系统配置流程

2.2 分布式FA系统配置构思

与变电站相比，将IEC61850应用于配电网中，系统的配置流程和方法有所不同，在文件方面，原先的SCD文件对应馈线配置(Feeder Configuration Description, FCD)文件，原先的SSD文件对应馈线规范描述(Feeder Specification Description, FSD)文件。在配电网中，馈线数量众多，为了方便管理，每条馈线皆拥有一个独立的FCD和FSD文件，而整个变电站系统仅一个SCD文件和SSD文件。在配置方面，由于新增IID与SED两类文件，使得配置方式更加灵活多样，合理选择配置方式能够减少配置工作量。

解决分布式FA系统的配置问题有两个思路，一个是基于无主站式的配置思路，另一个是基于主站式的配置思路。

(1)从拓扑配置的角度来看，在前一种方式中，需要从配电规划部门获取馈线一次接线图，之后利用Kalkitech SCL Manager等工具生成FSD文件，其拓扑模型未必与主站拓扑模型一致，还需进行拓扑模型校验，否则不利于主站发挥后备保护作用。而在后一种方式中，主站管理整个配电网网络拓扑模型，可随时获取任何一条馈线的基于公共信息模型(Common Information Model, CIM)描述的拓扑结构，之后经过CIM/SCL转换等操作即可生成FSD文件，能够保证主站与终端的拓扑一致性，省略了拓扑校验过程。

(2)从配置内容的角度来看，在前一种方式中，配电终端所提供的功能服务是完全由人工设置完成的，而在后一种方式中，终端在进行入网注册的过程中，主站能够对终端的功能服务进行选择/订阅，并且在正常通信过程中，主站亦可与配电终端进行协商，随时申请变更配电终端提供的服务项目。

因此，基于主站的分布式FA系统配置方案更加灵活、可靠。

3 基于主站的分布式FA系统配置

智能配电终端(Smart Distribution Terminal Unit, STU)的配置发生改变的前提条件是:一是馈线拓扑结构发生改变;二是STU自身参数发生改变。前者主要涉及线路的连接关系和终端的相邻关系。后者主要表现在配电终端提供的功能服务或者通信参数的变化。为方便叙述配置流程，采用了如图3所示的典型配电线路。

图3 典型配电线路

3.1 初始化配置

如图3所示，若新增一条馈线F1，则需要对该馈线进行初始化配置，配置流程如图4所示。

(1)将馈线F1上所有STU的ICD文件上传至主站。

(2)主站检测到其内部的终端IP表不包含由ICD文件提供的IP地址，立即更新终端IP表。同时根据ICD文件提供的功能服务，进行选择/订阅。

(3)主站将所有选择/订阅后的ICD文件和描述馈线拓扑结构的FSD文件一同导入馈线配置工具中，生成新的FCD文件。

(4)主站将FCD文件导入装置配置工具、上传至监控后台以及导入配置数据库备份。

(5)各STU从装置配置工具下载获取CID文件，CID文件包含了静态局部拓扑、相邻STU的IP地址以及主站订阅的服务等信息，配置结束。

图4 初始化配置流程

3.2 STU参数变化的配置方案

某个STU的功能升级或者通信接口发生变化的实质上是单个ICD文件发生变化，并不涉及馈线拓扑连接关系的配置，故配置过程无需FSD文件的参与。当STU功能升级时，主站需要重新选择订阅，邻接STU的CID不发生变化，而当通信接口发生变化时，主站无需重新选择订阅，邻接STU的CID发生变化。此时，可采取由局部到整体的方式，修改配置信息，如图5所示。

图5 STU参数变化的配置

(1)STU功能升级或者通信接口发生变化，将新的ICD文件上传至主站。

(2)主站检测到其内部已存在该STU的IP地址，故无需更新其内部的终端IP表，之后主站将ICD文件导入装置配置工具中，生成IID文件。若是功能升级，则主站还需重新选择/订阅。

(3)主站将IID文件导入馈线配置工具，从配置数据库调用原来的FCD文件，对原来的FCD文件进行修改，生成新的FCD文件。

(4)主站将新的FCD文件导入装置配置工具、上传至监控后台以及在配置数据库中备份。

(5)STU从装置配置工具处下载对应的CID文件。若是通信接口发生变化，则该STU及其邻接的STU需要下载对应的CID文件，配置结束。

3.3 馈线拓扑参数变化的配置方案

当某馈线结构变化较小，譬如新增或删除一组STU，依旧可采取由局部到整体的修改配置信息的方式，相比STU的功能升级或通信接口变化，其既要更改功能服务和通信接口的配置，又要更改静态局部拓扑信息的配置，如图3所示，以新增一个STU8及开关K8为例加以说明，配置流程如图6所示。

图6 馈线拓扑参数变化的配置

(1)STU8进行注册，将新的ICD文件上传至主站。

(2)主站检测到其内部的终端IP表不包含由ICD文件提供的IP地址，立即更新，同时根据ICD文件提供的功能服务，进行选择/订阅。

(3)主站开始从配置数据库调用描述该馈线拓扑结构的FSD文件和SED文件，并与订阅后的ICD文件一同导入馈线配置工具，生成一个馈线的差异配置文件。

(4)该馈线的差异配置文件与原来的FCD文件进行融合，生成新的FCD文件。

(5)将新的FCD文件导入装置配置工具、上传至监控后台以及在配置数据库备份。

(6)STU8与其相邻的 STU3、STU4分别下载对应的CID文件，配置结束。

3.4 STU邻接关系校验方案

在实际工程中，STU的邻接关系经常出现错误，错误类型一般分为三类：第一类是某STU内部关于其邻接STU的IP地址信息不正确；第二类是STU接入位置发生错误；第三类是上述的混合类型。为了便于叙述STU邻接关系的错误类型以及校验流程，可从拓扑的以下3个角度进行分析：

(1)主站下发的静态拓扑模型。

(2)STU相互通信而获取的静态拓扑模型。

(3)STU内部实际管理的静态拓扑模型。

第一类错误的校验方案：STU根据主站下发的邻接STU的IP地址信息，与相邻的STU通信，查询拓扑模型是否匹配。若(2)与(1)相同，则IP地址信息配置无误，若(2)与(1)不同，则该STU内部关于邻接STU的IP地址信息需重新配置。

第二类错误的校验方案：由于主站根据IP地址将拓扑信息下发给STU，且无法感知STU的上下游关系，以致各STU获取的静态局部拓扑信息和邻接STU的IP地址不变。在反接情况下，虽然(2)与(1)相同，但(3)与(1)是不同的，如图7(b)和图7(c)所示。因此， STU之间可相互通信，以交互所监测的节点电流、电压和功率等信息，来间接判断STU的邻接关系是否有误。

图7 直线型反接

图8 支路型反接

①直线型校验：如图7(a)所示，新增STU2与STU3，当STU2与STU3反接后，分别与其周围的STU交互电流、电压和功率等信息。STU3比STU2监测到的节点功率大，STU2与STU3发出警报。②支路型校验：如图8(a)与图8(b)所示，新增STU2与STU5，当STU2与STU5反接后，分别与其周围的STU交互电流、电压和功率等信息。STU5监测到的电流向量幅值和节点功率均比STU2监测到的值大，STU2与STU5发出警报，其他支路型反接情况，可依照类似方法处理。

第三类错误的校验方案：将上述两种校验方案合并处理即可。

4 试验验证

为验证所提方案有效性，在南瑞的静态模拟系统上建立了配电线路测试系统，系统可以模拟分布式FA正常运行、故障处理。主站系统采用南瑞自主研发的D5200和 PDZ900终端，可以手动控制配电线路开关的分合状态，每个开关或者配电站处安装一个智能监测设备。将所有的智能监测设备接入统一对等通信网络，配电线路测试系统如图9所示，STU为智能配电终端， Ring Main Unit简称RMU，表示环网柜。

图9 配电线路测试系统示意图

首先是将STU5的功能升级，即新导入一个ICD文件，按照3.2的流程，STU5重新进行了配置。之后在K5、K7间增加了一个干线开关K6以及STU6，按照3.3的流程，STU5、STU6、STU7重新进行了配置，主站将对应的拓扑关系下发给各STU。最后将STU5与STU6反接，STU6与STU5通信后发现STU6监测到的节点功率更大，STU5与STU6共同发出了警报，试验结果表明了本文所提方法的有效性。