变电站数字化设计的二次设备建模技术研究

徐雄高

（国电南瑞科技股份有限公司，浙江 绍兴 211000）

0 引 言

现阶段，我国电网发展越来越智能化，变电站的建设速度也在不断加快，逐渐朝着数字化方向发展。在数字化变电站设计过程中，二次设备也不断朝着智能化的方向发展，弥补了传统二次设备建模技术的不足。与传统的技术相比，二次设备建模技术相对来说比较新颖，在部分环节仍然有待优化。

1 数字化变电站

数字化变电站是一种能够实现站控层信息交换的智能变电站。在数字化变电站设计过程中，其通信网络统一采用的是IEC61850通信规约，不用重新转换为其他网络规约，这在一定程度上简化了通信的速度，也降低了通信系统的复杂性和设备调试维护的难度，从而使通信系统具有更高的性能。在互感器的采用方面，数字化变电站所采用的是电子式互感器，不再采用以往的电磁式互感器。电子式互感器包括有源式和无源式，都能够极大地降低模拟信号传输时受到不定因素干扰的概率。除此之外，数字化变电站引用了GOOSE，取代了传统的开入与开出，变电站系统运行过程中的一切信息数据只需通过普通的网络就能传播。当需要对通信数据进行增加或更改时，工作过程变得更加容易与便捷，改变了以往只能通过1个电缆传输1个信号的局面，不需要再使用大量电缆，变电站开入与开出配置更具灵活性。在对其进行装置时，也只需使用1根通信光缆进行传输或与交换机建立联系，变电站系统能够直接与站内一切装置进行交互操作，极大地减少了建设变电站所消耗的二次电缆数量[1]。

2 数字化变电站二次设备建模的现状

现阶段，我国数字化变电站的二次设备建模技术相对于发达国家来说基础较为薄弱，主要表现在以下几个方面。

2.1 GGI0 LN的大量应用导致信号语义缺失

IEC61850对逻辑节点（Logical Node，LN）给出了定义，表明具有特定物理含义的LN可以用于承载设备信息，并大力支持各部门根据实际需求不断拓展LN的用途。如果只从实现信息传输的需求这一方面来看，现阶段我国IEC61850工程的应用标准中除了对功能类的LN进行保护与调控外，在二次设备的自检、开入以及软硬压板中对GGI0的使用较多，导致相关人员难以从模型的角度去对信号的物理意义进行理解和思考。目前，虽然我国国家电网和南方电网针对系统运行中的中文信息描述进行了一定的规范，但这种规范没有对语义进行实际的定义，在具体应用中只能根据中文名称自动进行相应的语义匹配，难以满足系统中图像、模型以及数据方面的关联需求。

2.2 模型中相关信号逻辑关联性不足

二次设备接口控制文件（Interface Control Document，ICD）模型中的信号并不是集中存在，而是分布于多个LN中，这一特点不利于高级应用程序搜寻和发现关联信息。例如，对于规范的保护功能LN，包括差动保护LN和过流保护LN等，缺乏与该元件功能相关的信息。除此之外，二次设备ICD模型站控层中的信号与过程层中的信号没有建立联系，系统难以通过站控层开入遥控信号，也不能与过程层建立联系，从而导致在进行二次回路诊断等应用软件配置时的工作量更多[2]。

3 二次回路数字化设计

3.1 数字化设计需求

不论是常规变电站还是智能变电站，二次设计都需要通过专业的设备制造厂和设计院共同进行，如图1所示。

在进行数字化变电站设计时，设备制造商需要提供相关设备屏柜设计图纸，并且还需要给出关于智能电子设备的ICD文件。设计院需要完成二次回路原理图的设计，并使屏柜与屏柜之间具有一定的联系，同时将这些设计和屏柜间的联系关系保存在变电站配置描述（Substation Configuration Description，SCD）文件内，只有少数通过图纸展示出来，包括直流电源和此设备到智能终端的连接等内容。数字化变电站的SCD文件同样也是数字化文件，在后续的运维过程中有着重要作用。

3.2 图模一体化技术

在变电站二次设备建模数字化设计中，图模一体化技术发挥着至关重要的作用。运用图模一体化技术时，需要将图形和数据看成一个整体，从而对其进行存储与管理，并在图形与数据之间建立关联性，用数据来反映图形。该技术常用的方法是对图形的属性进行定义，再将数据存储到数据库中。存储的数据和图形可以导出成文件的形式，以方便用于其他地方。图模一体化技术能够很好地将模型、图形与数据结合起来，所采用的图形一般为可伸缩矢量图形（Scalable Vector Graphics，SVG）。矢量图形是一种以可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）为基础对二维图形进行描述的格式，在电力系统中得到广泛运用。SVG图像的构成主要分为2个部分，即对图形进行定义和渲染[3]。SVG图像可以设为开放性的文件格式，该格式对处理工具要求不高，各种文字处理工具都能将其打开。

3.3 数字化设计流程

二次回路数字化设计流程如图2所示。

Inter@ctive Pager Backup/Restore（IPD）文件描述了智能电子设备的物理能力描述文件，包括设备的装置本体、板卡以及端口等。设备制造厂家在此基础上对一次、二次设备进行建模，并生成IPD文件，然后再将这些文件传至负责设计屏柜的单位，由这些单位进行设计。在进行屏柜设计时，需要完成CANdela诊断描述（CANdela Diagnostic Descriptions，CDD）文件整理。CDD文件描述了屏柜内部的各项数据和信息，包括其内部一切设备与端子的属性、设备与端子之间的连接关系等。依靠图模一体化技术的帮助，屏柜、端口、端子排等变得更加数字化，将屏柜的空开、把手等部件进行连接，形成完整的回路，从而生成CDD文件。之后再由设计单位完成屏柜间的设计，生成软件设计文件（Software Design Document，SDD）。SDD文件是对整个变电站电气二次系统设计结果的描述，包括通信与监控系统、屏柜间的关联关系等。在交付工程时，需要在地理信息系统（Geographic Information System，GIS）系统上完成。同时，相关运维单位可以通过该系统提取二次设计文件，并在运维管控平台完成后续的变更和维护工作。

4 二次设备建模技术

4.1 范围定义

从设计的角度来看，二次设备建模技术涉及设备对象图形化和设备对象应用属性建模。就继电保护设备来说，二次设备的应用属性定义如表1所示。建模范围包括建模设备的名称、装置的种类、构件的生产商以及装置的尺寸等，只要是生产商与使用者关心的应用属性都应该定义。

表1 二次设备属性定义

设备板卡属性表定义了组成二次设备对象的板卡建模，包括板卡的名称、说明以及插槽号等信息，如表2所示。

表2 设备板卡属性定义

对继电保护进行分析和评价时，均要使用到这些板件信息。在定义时需要对一些特殊情况进行统计，例如在相同的板件中所采用的装置虽然是同一个制造商，但其类型可能不同，一个板件出现问题将对多个装置产生影响，需要对这些信息进行分析与梳理并统计，为后续维护提供便利。

4.2 建模对象

在数字化变电站设计过程中，关于变电站主接线和间隔接线方面的建模技术也取得了一定的成效，不仅可以用于设计数字化变电站，同样也能用于普通的变电站设计。目前，二次设备的建模对象包括变电站、拼柜以及板件等。根据设计主体的差异特征来看，建模对象又可分为3种类型，分别是设计院建模对象、厂家设计单位建模对象以及设备供应单位建模对象[4]。

4.3 建模语言

二次设备智能建模采用的语言为变电站自定义设计说明语言，即规范与描述语言（Specification and Description Language，SDL）。SDL是在XML的基础上形成，在SDL图形化的定义方面，延续了SVG的语法定义与规定。SDL模型的统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）构成如图3所示。

4.4 建模工具

建模工具是进行设备建模和设计的重要手段，根据不同的设计内容和建模对象，二次设备建模工具通常可以分为3种类型[5]。一是设备建模工具，由设备供应商用来对二次设备进行建模，以生成IPD文件；二是屏柜设计工具，由集成厂家用来对屏柜进行设计；三是电气二次设计配置工具，由设计院用来完成电气二次设计的配置业务。

5 结 论

综上所述，随着我国科学技术和经济水平的不断提高，变电站的建设不断与先进技术融合，实现了数字化设计与发展。与传统的变电站相比，数字化变电站能够提供更加智能、高效的服务。二次设备建模是变电站数字化设计的关键，其更加先进与高效，在使用时需要明确范围定义、建模对象、建模语言以及建模工具等。