DQZHAN技術(shù)訊：調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)的貫通技術(shù)剖析

摘要：當(dāng)前的電網(wǎng)調(diào)度與變電站自動化系統(tǒng)之間存在大量的重復(fù)性工作，而相互間的獨立性又很強，不利于其高效率、高可靠和智能化發(fā)展，客觀上有加強貫通性設(shè)計的需求。對限制調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)用貫通的模型、數(shù)據(jù)、圖形、通信規(guī)約等基礎(chǔ)問題進行了梳理，分別從模型、數(shù)據(jù)庫、圖形一致性和通信規(guī)約支撐4個方面對貫通技術(shù)進行剖析。指出統(tǒng)一的模型及其配置機制是實現(xiàn)調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)貫通設(shè)計的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫一致性是減少兩端重復(fù)工作、實現(xiàn)高效和智能化互動的關(guān)鍵，在模型和數(shù)據(jù)庫一致性基礎(chǔ)上，圖形共享和通信規(guī)約方案有靈活的選擇方式。

關(guān)鍵詞 : 調(diào)度自動化系統(tǒng);變電站自動化系統(tǒng);電網(wǎng)模型;貫通;智能變電站

基金項目：國家電網(wǎng)公司科技項目(SGSXYQ00XTJS1700121)。

0 引言

貫通就是將原來分散、獨立的事物或元素，通過相互作用和緊密配合，獲得更高的協(xié)調(diào)性。集成則更進一步把它們合并為一個有機整體。貫通和集成在電力自動化技術(shù)的發(fā)展過程中有特殊重要的意義，并且是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢[1]。

調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了漫長的貫通和集成過程。調(diào)度端從*初的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視(SCADA)、自動發(fā)電控制(AGC)、負荷預(yù)測、發(fā)電計劃和故障分析等功能逐步發(fā)展到“一個調(diào)度中心內(nèi)部有10余套獨立的應(yīng)用系統(tǒng)”[2]，近年來才進一步集成為1個平臺、4大類應(yīng)用[3]，今天的調(diào)控一體化、省地一體化、縣地一體化正在延續(xù)和加強這種趨勢[4-9]。變電站端也類似，從*初的控制屏臺、表計設(shè)備，發(fā)展到微機監(jiān)控、微機保護，其中的監(jiān)控、保護、計量，乃至后臺、前置、二次設(shè)備等專業(yè)藩籬顯著，直到網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用、IEC 61850的推廣，才逐漸實現(xiàn)了目前功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、一次設(shè)備智能化的設(shè)計[10-13]。

調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的相互聯(lián)系：1)兩者間有許多業(yè)務(wù)是重疊的，例如建模、數(shù)據(jù)維護、監(jiān)控業(yè)務(wù)、保護管理等，這影響了總體集約性;2)為了保證業(yè)務(wù)重復(fù)部分的一致性，增加了很多中間環(huán)節(jié)和步驟，突出體現(xiàn)在通信點表的維護和處理上;3)兩者間存在著復(fù)雜的模型、數(shù)據(jù)、指令和系統(tǒng)互動關(guān)系;4)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的分割限制了自動化系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

多年來，雖然也進行了調(diào)控一體、集控系統(tǒng)等集成化嘗試，但都沒有改變調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)作為兩類獨立系統(tǒng)的基本框架。在難以直接集成為一套系統(tǒng)的情況下，應(yīng)該加強調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)之間的貫通設(shè)計，即盡量減少兩者間的重復(fù)工作，增強調(diào)度與變電站自動化系統(tǒng)在模型、數(shù)據(jù)、圖形、業(yè)務(wù)功能等方面的共享和協(xié)同，其實質(zhì)是兩端人工和自動化工作的共享和集成。

本文對限制貫通設(shè)計實現(xiàn)的各類基礎(chǔ)問題進行了梳理，分別從模型、數(shù)據(jù)庫、圖形、通信規(guī)約、**管理等方面進行了深入分析，并以此為基礎(chǔ)進一步對調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)的貫通方案進行了綜合分析和展望。

1 現(xiàn)狀和問題

調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)貫通設(shè)計的自然屏障在于其地理位置間隔，實質(zhì)即廣域通信問題。目前大多數(shù)變電站還是通過2M或2×2M鏈路接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)匯聚點。這一基礎(chǔ)條件可能逐步提升，但與局域網(wǎng)通信條件是無法相比的。

當(dāng)前兩端廣域貫通的現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題如下：

(1)模型不同。調(diào)度端使用的是IEC 61970中規(guī)范的公共信息模型(CIM)，以此為基礎(chǔ)，近年來國內(nèi)推廣應(yīng)用的是更為高效的CIM/E模型[14-16]。目前調(diào)度模型主要包含調(diào)度應(yīng)用所需要的部分變電站一次設(shè)備模型(單相)。變電站端使用的是IEC 61850模型，其配置描述(SCD)模型文件更為詳細，以二次設(shè)備模型為主，對一次設(shè)備采用三相模型，包含大量目前調(diào)度端應(yīng)用尚未使用的信息。為統(tǒng)一兩端的模型表達，當(dāng)前已開展了大量研究，研究思路主要包括直接統(tǒng)一模型、模型映射、代理轉(zhuǎn)化、通過統(tǒng)一語義模型支持雙向轉(zhuǎn)化等[17]，這些研究都有一定的應(yīng)用，但都沒有**解決模型一致性問題。

(2)數(shù)據(jù)差異。數(shù)據(jù)和模型緊密關(guān)聯(lián)，每一個數(shù)據(jù)都對應(yīng)到模型上一個具體對象的屬性或變量。不論CIM模型還是SCD模型文件，都是復(fù)雜的網(wǎng)狀或樹狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)前數(shù)據(jù)庫還是以關(guān)系型為主，層次式、網(wǎng)狀或者面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫技術(shù)還不是主流，所以在兩端自動化系統(tǒng)實現(xiàn)中主要還是以二維關(guān)系表的方式存儲數(shù)據(jù)，模型則隱含在數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。主流的調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)只是以不同的二維表按自己的模型和規(guī)則存儲數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有的自動化系統(tǒng)由應(yīng)用軟件編寫在程序中，有的直接在數(shù)據(jù)表中設(shè)置單獨域存儲該數(shù)據(jù)在模型中的路徑。這樣，就造成了同一個對象數(shù)據(jù)，在兩端的自動化系統(tǒng)中，分別對應(yīng)不同的模型位置和數(shù)據(jù)表位置。

(3)圖形差異。變電站站內(nèi)監(jiān)控圖形更詳細和豐富一些，通常調(diào)度端只要每個站的主接線圖和部分工況圖，而且圖上的監(jiān)控對象也較少，但一個調(diào)度可能負責(zé)幾十上百個變電站的監(jiān)控，其所牽涉到的數(shù)據(jù)來源更加復(fù)雜。雖然也存在著一些相關(guān)自動化系統(tǒng)圖形標(biāo)準(zhǔn)，如可縮放矢量圖形(SVG)、CIM/G[18]等，但圖形差異的關(guān)鍵在于，圖形要反映的電網(wǎng)實際情況是需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并不斷刷新的。這些導(dǎo)致調(diào)度和變電站端不得不重復(fù)作圖，并且要維護與各自數(shù)據(jù)、模型的一致，特別是調(diào)度端需要監(jiān)控眾多變電站，情況更加復(fù)雜。

(4)通信規(guī)約需求多樣。在IEC 61850廣泛應(yīng)用之前，調(diào)度和變電站端之間主流是使用IEC 60870 102/103/104等規(guī)約，按點傳數(shù)據(jù)(此類規(guī)約中組號、功能號、信息號的分法實質(zhì)還是數(shù)據(jù)編號)，在兩端需要分別做協(xié)議中數(shù)據(jù)點與本身數(shù)據(jù)庫、模型的對應(yīng)轉(zhuǎn)化。這些規(guī)約的特點在于傳輸效率較高，但不夠靈活、**。其實智能變電站明確要求“與主站通信時強調(diào)模型信息也要傳輸”[11]。IEC 61850通過抽象通信服務(wù)接口(ACSI)提供了數(shù)據(jù)與模型緊密關(guān)聯(lián)的通信方式，但前提是雙方具有相同的模型(否則就需要某種IEC 61850模型代理服務(wù))。這種通信方式克服了按點傳輸數(shù)據(jù)的缺點，但也提高了通信帶寬要求。

(5)調(diào)度系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性限制。在調(diào)控一體化、地縣一體化建設(shè)中，不僅國/分電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)，甚至一些大型地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)其“四遙”信號規(guī)模也已達到***別[7]。調(diào)度系統(tǒng)所面對的電網(wǎng)模型越來越復(fù)雜，其相關(guān)維護工作量巨大，面對提高全局決策和新能源消納能力、進行大范圍資源優(yōu)化配置等要求，傳統(tǒng)集中式調(diào)度已經(jīng)達到或接近了當(dāng)前集中式處理方式的極限，不得不開展類似分布式處理、云計算等技術(shù)的應(yīng)用研究[7-8,19]。迫切需要加強兩端貫通研究，通過自動化手段降低調(diào)度端的工作負載。

兩端自動化系統(tǒng)貫通的基本框架如圖1所示。其中實線表示有實際的數(shù)據(jù)交互，虛線表示有對應(yīng)關(guān)系，但具體交互要通過其他方式完成。

圖1 調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)貫通基本框架示意圖

Fig. 1 Basic framework of the interconnections and interactions between dispatching and substation automation systems

實際上，一個調(diào)度端可能需要和眾多變電站實現(xiàn)交互。當(dāng)其中任一個變電站端新建或改變模型時，調(diào)度端多數(shù)情況要重新建立模型，部分研究可實現(xiàn)根據(jù)變電站端SCD模型轉(zhuǎn)化生成新的調(diào)度端模型，但離實用化和推廣尚有距離;當(dāng)變電站模型改變時，調(diào)度端多數(shù)情況下需要重新畫圖并關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，部分研究可在調(diào)度端實現(xiàn)變電站端圖形重用，但該圖所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)必須重新更換為調(diào)度數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù);當(dāng)變電站端增加了一個調(diào)度端也需要的數(shù)據(jù)采樣點，必須在調(diào)度數(shù)據(jù)庫中也相應(yīng)地增加一個數(shù)據(jù)點，然后在通信點表兩端重新校對，分別做好通信點表與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，如果影響到圖形中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，還必須重新更新圖形上的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

2 貫通技術(shù)剖析

在調(diào)度和變電站端都是同一廠家同一平臺的情況下，貫通技術(shù)問題就內(nèi)部化了。這里主要是考慮開放式的異構(gòu)產(chǎn)品應(yīng)用，從模型、數(shù)據(jù)庫、圖形一致性和通信規(guī)約支撐4個方面對貫通技術(shù)進行剖析。

2.1 模型一致性

調(diào)度所關(guān)心的站內(nèi)模型其實是變電站詳細模型的一個子集，對這一部分一致性的模型表達意味著對變電站對象的相同理解，有助于各類應(yīng)用的交互和智能化發(fā)展，也便于管理。

CIM/E作為中國的推薦性標(biāo)準(zhǔn)[20]和IEC TC 57的技術(shù)規(guī)范[14]，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，為模型的一致性貫通提供了重要支撐。但目前通過CIM/E定義的變電站設(shè)備類主要是從調(diào)度角度出發(fā)需要的一次設(shè)備模型和少量的采集模型，遠不能滿足變電站自動化系統(tǒng)的需求。已有不少針對CIM/E擴充的相關(guān)研究[21-22]。

CIM/E較為接近關(guān)系型表達，與持久化存儲的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)有直接的契合。在擴充完善CIM/E模型文件的同時，需要充分考慮：1)無損分解。需要把基于統(tǒng)一建模語言(UML)和可擴展置標(biāo)語言(XML)表達的模型文件信息，及其內(nèi)部的語義關(guān)聯(lián)信息，完整地轉(zhuǎn)化為關(guān)系型表。2)合理的存儲空間。為了減少在數(shù)據(jù)庫持久化存儲時產(chǎn)生大量冗余信息，需要充分考慮服從數(shù)據(jù)庫范式，主要是第3范式和BCNF(boyce codd normal form)范式要求。3)兼顧關(guān)系表的處理效率。當(dāng)變電站模型采用CIM/E關(guān)系表達時，可能由于劃分的粒度太細，影響操作效率，局部冗余存儲有助于提高性能。

當(dāng)前電網(wǎng)模型的統(tǒng)一規(guī)范化管理已成為研究和實踐熱點。文獻[4]論述了統(tǒng)一模型中心的構(gòu)想，并設(shè)計為只有一次設(shè)備模型和部分與省級以上電網(wǎng)分析控制相關(guān)的二次模型信息才進入統(tǒng)一模型維護中心，驗證后進入統(tǒng)一模型發(fā)布中心。文獻[15]論述了一種調(diào)度應(yīng)用多模型、離線和在線模型以及多級電網(wǎng)模型的一體化管理解決方案。在智能變電站建設(shè)中也開展了二次設(shè)備模型的規(guī)范化管理實踐[23]。

把調(diào)度和變電站模型關(guān)聯(lián)起來的統(tǒng)一規(guī)范管理將徹底實現(xiàn)電網(wǎng)模型的廣域共享、規(guī)范高效，為各類應(yīng)用提供*堅實的基礎(chǔ)。但當(dāng)前此類研究還比較缺乏，關(guān)鍵問題在于：1)兩端還未形成被廣泛認可的一致性模型表達形式;2)全網(wǎng)大模型過于龐大而難以驗證通過[4];3)關(guān)于統(tǒng)一模型的**保障、分級管理、維護機制等還需要深入研究。

2.2 數(shù)據(jù)庫一致性

數(shù)據(jù)庫一致性貫通有3層內(nèi)涵，分析如下：

(1)數(shù)據(jù)庫中表示相同對象的表結(jié)構(gòu)相同或兼容。如果已經(jīng)具備模型一致性，那么相對比較容易實現(xiàn)，可以允許兩端的數(shù)據(jù)庫分別在同一個表中存在自己特有的屬性;反之比較困難，把不同的模型表達分解為相同的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生較多不規(guī)范操作，對系統(tǒng)的可維護性、擴展性和性能有影響。

(2)數(shù)據(jù)表中同樣數(shù)據(jù)對象的記錄號相同?？梢钥紤]分庫分表切分技術(shù)。在調(diào)度端，針對每個不同的變電站，采用不同的數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)表，把一個變電站的數(shù)據(jù)集中存放;在變電站端，把與調(diào)度共同需要的數(shù)據(jù)集中存儲，并且保持記錄號一致。

(3)數(shù)據(jù)表中同樣數(shù)據(jù)對象的關(guān)鍵字相同。需要對變電站的數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一命名和編碼。國內(nèi)已有對于變電站一次設(shè)備的相關(guān)研究[24]，但對于大量的站內(nèi)二次設(shè)備和其他信息的統(tǒng)一命名和編碼，則是一項巨大的工作。此項對于模型文件的源端維護、全網(wǎng)共享也有重要作用。

總體而言，目前此類研究還比較缺乏。

2.3 圖形一致性

調(diào)度與變電站端圖形的貫通需要考慮3個因素：1)采用同樣的圖形文件規(guī)范;2)具有模型一致性;3)具有數(shù)據(jù)一致性。對它們的組合情況分析如表1所示。

表1 調(diào)度與變電站自動化系統(tǒng)圖形貫通分析

Table 1 Analysis on the reuse acteristics of graphical files of dispatching and substation automation systems

注：“√”表示符合或一致，“×”相反。下同。

2.4 通信規(guī)約支撐

調(diào)度與變電站的廣域分布性決定了通信規(guī)約的重要作用。當(dāng)采用數(shù)據(jù)點性質(zhì)的通信規(guī)約時，例如IEC 60870 104，通?？梢杂枚M制位反映遙信變化，以2～4個字節(jié)表示遙測或電度量數(shù)據(jù)，當(dāng)然還要加上規(guī)約本身的開銷(由于只關(guān)注數(shù)據(jù)點位，開銷較小)。而結(jié)合模型的通信規(guī)約，例如IEC 61850 ACSI規(guī)約加上應(yīng)用層的制造報文規(guī)范(MMS)映射，雖然獲得了自描述性、功能豐富等優(yōu)勢，但規(guī)約本身的開銷是巨大的。此外，包括分相測量單元(PMU)通信、故障錄波、視頻監(jiān)控、變電站安防等應(yīng)用根據(jù)情況還需要更多額外的通信帶寬支持。

其實兩端具體采用哪一類通信規(guī)約，還取決于其模型與數(shù)據(jù)庫一致性貫通的情況，分析見表2。

表2 調(diào)度與變電站 自動化系統(tǒng)通信規(guī)約分析

Table 2 Analysis of data level communication protocol between dispatching and substation automation systems

從兩端貫通的角度看，通信規(guī)約的選擇和實現(xiàn)關(guān)鍵在于：1)與兩端模型和數(shù)據(jù)庫一致性貫通密切相關(guān);2)需要在基于數(shù)據(jù)點和基于模型交互、通信效率和強應(yīng)用支撐能力之間獲得均衡。國內(nèi)目前已開展相關(guān)研究[25-26]。

3 綜合分析

綜合考慮調(diào)度與變電站自動化系統(tǒng)的貫通，數(shù)據(jù)是其中的關(guān)鍵。以數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，模型其實也是一種數(shù)據(jù)的組織方式，CIM、IEC 61850相當(dāng)于基礎(chǔ)公共模型，其上還有各類應(yīng)用模型，模型轉(zhuǎn)化其實也是數(shù)據(jù)組織方式的轉(zhuǎn)化。在圖1的基礎(chǔ)上，圖2專注于調(diào)度與其中一個變電站自動化系統(tǒng)的互聯(lián)，從數(shù)據(jù)映射的角度對調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)之間的貫通設(shè)計進行了綜合分析，圖中標(biāo)注了兩端的各類實際信息(數(shù)據(jù))映射關(guān)系。圖2中各類信息符號的含義如表3所示。

圖2 調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)綜合貫通分析

Fig. 2 Interaction design of dispatching and substation automation system

表3 圖2 中各類信息符號的含義

Table 3 The meaning of all kinds of information symbols in Figure 2

抽取圖2中的映射關(guān)系得到圖3，其具體符號含義如表3所示。

圖3 調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)信息映射關(guān)系

Fig. 3 Information mapping relationship between dispatching and substation automation system

從圖3可以清晰地看到：調(diào)度和變電站端存在大量的重復(fù)性工作，而由于針對的是同一數(shù)據(jù)對象，還需要時時保持兩端的一致性。為保證兩端數(shù)據(jù)共享和交互過程中的一致性，增加了大量的中間環(huán)節(jié)，映射路徑眾多。兩端數(shù)據(jù)庫(X和X')作為圖3中連通度*大的點，其一致性貫通是避免兩端重復(fù)性工作和保持一致性的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)之間存在緊密的聯(lián)系，兩者間的廣域貫通設(shè)計是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢。

對所存在的模型、數(shù)據(jù)庫、通信協(xié)議、圖形共享等關(guān)鍵問題進行了梳理，并對相關(guān)的技術(shù)進展進行了剖析，指出：1)模型一致是兩端貫通設(shè)計的基礎(chǔ)，在目前缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、已存在多種局部解決方案的現(xiàn)實條件下，CIM/E應(yīng)用和統(tǒng)一模型管理是重要的突破方向;2)分析了數(shù)據(jù)庫一致性的3層次含義以及在避免兩端重復(fù)性工作和加強貫通設(shè)計中的重要意義;3)對各種模型和數(shù)據(jù)一致性條件下的圖形一致性、通信規(guī)約選擇問題進行了分析;4)從數(shù)據(jù)組織的角度對調(diào)度和變電站端存在的各類映射關(guān)系進行了綜合分析。

預(yù)期未來自動化系統(tǒng)開放、高效、共享的發(fā)展趨勢將持續(xù)推動調(diào)度和變電站自動化系統(tǒng)向貫通設(shè)計方向發(fā)展：1)模型作為共性基礎(chǔ)，對其進行統(tǒng)一管理具有重要應(yīng)用價值;2)在兩端模型一致的基礎(chǔ)上，基于分布式技術(shù)的各類數(shù)據(jù)庫一致性將成為研究熱點;3)如表2所分析，在模型和數(shù)據(jù)一致的基礎(chǔ)上，可以靈活地根據(jù)需要采用基于點號或者數(shù)據(jù)模型的通信交互;4)圖形和各類應(yīng)用協(xié)同是自動化系統(tǒng)智能化的具體體現(xiàn)，將隨著模型、數(shù)據(jù)庫、圖形一致性基礎(chǔ)的完善而逐步豐富。

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作者簡介：高志遠(1972)，男，碩士，研究員級**工程師，研究方向為智能電網(wǎng)、廠站自動化系統(tǒng)，Email：gaozhiyuan@epri.sgcc.com.cn。

曹陽(1978)，男，碩士，研究員級**工程師，研究方向為智能調(diào)度、電網(wǎng)調(diào)度自動化、電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。

徐美強(1976)，男，工程師，研究方向為廠站自動化系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計和開發(fā)。

狄方春(1978)，男，碩士，**工程師，研究方向為電網(wǎng)調(diào)度自動化、云計算、大數(shù)據(jù)。

黃海峰(1969)，男，博士，研究員級**工程師，研究方向為電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)、電力自動化系統(tǒng)檢測。