周奕帆， 顏友軍， 祁 忠，彭 闖

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著數(shù)字化、智能化變電站技術(shù)的研究和推廣以及變電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，站控層信息融合、綜合利用、應(yīng)用貫通的要求逐步提高，變電站需要具備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理、儲(chǔ)存、傳輸、信息校核以及圖模源端維護(hù)的能力[1-10]。

遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)作為變電站和主站之間的信息接口，在子站全景數(shù)據(jù)采集、功能整合、應(yīng)用貫通、消除信息孤島等方面的重要性不言而喻。而國(guó)內(nèi)部分地區(qū)變電站監(jiān)控系統(tǒng)[11-12]建設(shè)投運(yùn)時(shí)間早，運(yùn)行年限長(zhǎng)，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的性能無法滿足現(xiàn)有智能變電站的雙平面運(yùn)行、安全防護(hù)等新要求。

為了解決這個(gè)矛盾，應(yīng)對(duì)原有的站控層通信設(shè)備進(jìn)行全面的技術(shù)升級(jí)改造，以適應(yīng)當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行要求，消除系統(tǒng)安全運(yùn)行隱患。今后較長(zhǎng)的一段時(shí)間將處于傳統(tǒng)的變電站向智能化變電站過渡改造的時(shí)期[13]。僅2015—2016年，北京、浙江和福建地區(qū)就完成了大量變電站綜自系統(tǒng)的改造[14-15]。改造前后遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)建模方式差異很大，無法直接復(fù)用原先的組態(tài)。

在這種狀態(tài)下，如果人工重做數(shù)據(jù)組態(tài)，不僅工作量大，拉長(zhǎng)實(shí)施工期，而且數(shù)據(jù)完整性和正確性難以保證，會(huì)造成潛在的電網(wǎng)運(yùn)行隱患。為了解決這個(gè)矛盾，亟需研究和開發(fā)模型升級(jí)轉(zhuǎn)換功能。本文針對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)，提出了通用性的解決方案。該方案在運(yùn)維人員較少干預(yù)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)模型的升級(jí)和轉(zhuǎn)換。

1 方案概述

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)模型升級(jí)/轉(zhuǎn)換的功能，首先要對(duì)原有數(shù)據(jù)模型的版本進(jìn)行校驗(yàn)和核對(duì)。對(duì)于可識(shí)別的版本，啟動(dòng)數(shù)據(jù)升級(jí)功能。反之，則提示錯(cuò)誤后退出，基本流程如圖1所示。升級(jí)轉(zhuǎn)換有全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種模式。

圖1 基本流程Fig.1 Flow chart of upgrade conversion

全自動(dòng)模式：新舊型號(hào)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的組態(tài)配置信息升級(jí)轉(zhuǎn)換由程序自動(dòng)完成，整個(gè)過程不須人工干預(yù)。實(shí)施過程可通過新舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)間的在線交換服務(wù)，也可依賴遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的離線配置工具完成。模式轉(zhuǎn)換的成功實(shí)施必須并至少滿足以下一個(gè)前提條件：

(1) 新遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)可以直接使用舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的組態(tài)配置。

(2) 舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的組態(tài)包含新遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)所需的全部配置信息并且無損轉(zhuǎn)換。

半自動(dòng)模式：組態(tài)配置信息升級(jí)轉(zhuǎn)換的過程，需要一定程度的干預(yù)和再加工，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程通常由遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的組態(tài)工具來實(shí)現(xiàn)。該模式雖然依賴人工干預(yù)，但是靈活性和彈性大，可適應(yīng)性強(qiáng)，具有更強(qiáng)的適配性。

結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況，變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了總控、站控層組網(wǎng)、IEC 61850智能化等不同階段[13-15]?？偪仉A段(如圖2所示)的主要特征是：遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與二次設(shè)備以各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息互通，通信規(guī)約多為私有協(xié)議。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)既為調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也為變電站監(jiān)控后臺(tái)提供數(shù)據(jù)。站控層組網(wǎng)階段(如圖3所示)：通信方式早期以串口RS485現(xiàn)場(chǎng)總線為主，后期則采用以太網(wǎng)絡(luò)為主要形式，通信規(guī)約一般為IEC 103規(guī)約及其各種擴(kuò)展形式。這一時(shí)期，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和監(jiān)控后臺(tái)的數(shù)據(jù)采集功能開始獨(dú)立，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)只為調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 總控型遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network topology for master-gateway

圖3 站控層組網(wǎng)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network topology for substation layer-gateway

在當(dāng)前的智能化變電站階段(如圖4所示)：基于IEC 61850框架的通信方式成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與站內(nèi)的智能設(shè)備(intelligent electronic device, IED)的通信方式為多媒體消息業(yè)務(wù)(maunfacturing messaging service, MMS)。除了完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)外，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)還需要為高級(jí)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和信道支持。

圖4 智能站遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Network topology for MMS-gateway

由于遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)站內(nèi)通信架構(gòu)持續(xù)演化，導(dǎo)致遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)程序架構(gòu)和外部硬件結(jié)構(gòu)(板卡插件、通信口數(shù)目不同)不斷變化，難以滿足全自動(dòng)模式的前提條件。而半自動(dòng)模式由于其靈活性，適用場(chǎng)景更加廣泛。

本文以半自動(dòng)模式為基礎(chǔ)，對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)模型的自動(dòng)升級(jí)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 組態(tài)模型分析

從遠(yuǎn)動(dòng)裝置的角色入手進(jìn)行分析，遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)可以看做變電站和調(diào)度系統(tǒng)之間的一個(gè)網(wǎng)關(guān)裝置，采集變電站二次信息并向調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。從數(shù)據(jù)角度分析，遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)分為站控層接入模型、站內(nèi)二次信息模型、邏輯合成計(jì)算模型和轉(zhuǎn)發(fā)模型，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)動(dòng)組態(tài)數(shù)據(jù)模型Fig.5 Data object model of gateway

二次信息模型：包含接入裝置和六遙測(cè)點(diǎn)信息。

合成計(jì)算模型：包含算數(shù)、邏輯運(yùn)算等合成信號(hào)的信息。

站內(nèi)接入模型：包含遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)站內(nèi)數(shù)據(jù)接入通道的信息，例如IEC 103通道、IEC 61850通道、Modbus通道。

轉(zhuǎn)發(fā)模型：包含遠(yuǎn)動(dòng)向調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的通道信息，例如IEC 101通道、IEC 104通道、循環(huán)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約(central daylight time，CDT)通道。

不論遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)廠家和具體型號(hào)的差別，數(shù)據(jù)模型必然符合上述特征[17-18]。

2.2 組態(tài)升級(jí)/轉(zhuǎn)換方案

根據(jù)組態(tài)模型的基本特征，新舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)組態(tài)按照二次信息、合成計(jì)算、接入、轉(zhuǎn)發(fā)和規(guī)約參數(shù)的順序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

二次信息模型轉(zhuǎn)換：遠(yuǎn)動(dòng)組態(tài)二次信息包括接入二次設(shè)備的六遙信息和遠(yuǎn)動(dòng)本體的六遙信息。接入設(shè)備信息在遠(yuǎn)動(dòng)裝置更新?lián)Q代后并不會(huì)發(fā)生變化。IEC 103規(guī)約以組號(hào)/條目號(hào)標(biāo)識(shí)信息點(diǎn)，而IEC 61850以reference來標(biāo)識(shí)信息點(diǎn)，可以直接進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，保存成新遠(yuǎn)動(dòng)組態(tài)的存儲(chǔ)格式(文件或數(shù)據(jù)庫(kù))。遠(yuǎn)動(dòng)本體的六遙信息(各通道狀態(tài)、插件狀態(tài)等信息)，前后兩個(gè)版本不大可能完全相同。需要根據(jù)映射文件來完成轉(zhuǎn)換，無法轉(zhuǎn)換的六遙測(cè)點(diǎn)記入異常記錄。

合成計(jì)算模型轉(zhuǎn)換：對(duì)于每一個(gè)表達(dá)式，首先進(jìn)行運(yùn)算符類型的分析。如果原模型包含新遠(yuǎn)動(dòng)裝置無法支持的運(yùn)算符類型，該表達(dá)式無法轉(zhuǎn)換，并計(jì)入異常記錄。反之，則對(duì)參與運(yùn)算的六遙測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如果全部的六遙測(cè)點(diǎn)都在新模型中檢索成功，則轉(zhuǎn)換成功。如果出現(xiàn)某些測(cè)點(diǎn)在新模型中不存在，則先用空點(diǎn)替代，并計(jì)入不完全轉(zhuǎn)換記錄。

接入模型轉(zhuǎn)換：首先分析新舊遠(yuǎn)動(dòng)模型中插件、端口的數(shù)目和分布關(guān)系。如果可以兼容，則由程序自動(dòng)匹配，不能兼容，則提示人工匹配。例如舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)插件有N個(gè)串口，新遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)插件有M個(gè)串口，如果N>M，則舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的某些串口通道在新遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)上可能需要配置到其他插件的不同端口上。端口配置完畢后，對(duì)端口的規(guī)約參數(shù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換(規(guī)約參數(shù)的轉(zhuǎn)換在后續(xù)段落描述)。

轉(zhuǎn)發(fā)模型轉(zhuǎn)換：將舊組態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)表的所有六遙信息(包括接入的二次設(shè)備信息、遠(yuǎn)動(dòng)裝置本體信息、合成計(jì)算)提取出來，根據(jù)標(biāo)識(shí)在轉(zhuǎn)換后二次信息、合成計(jì)算模型中檢索。如果檢索成功，則用檢索到的信息替換；如果檢索不到，則用占位點(diǎn)替換，以保持調(diào)度點(diǎn)號(hào)順序不變，并計(jì)入異常記錄。

規(guī)約參數(shù)轉(zhuǎn)換：需要新舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)提供各主要規(guī)約參數(shù)的升級(jí)文件。升級(jí)文件描述了前后規(guī)約參數(shù)的映射關(guān)系。對(duì)于都存在和兼容的規(guī)約參數(shù)，轉(zhuǎn)換后仍采用舊組態(tài)的配置值；新增的規(guī)約參數(shù)采用默認(rèn)值；刪除的規(guī)約參數(shù)直接移除，并計(jì)入告警記錄。

2.3 程序架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的方案，本節(jié)以南瑞繼保電氣有限公司的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)升級(jí)為例，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)(如圖6所示)。

圖6 程序架構(gòu)Fig.6 Program architecture diagram

程序架構(gòu)采用開放式插件的平臺(tái)，由主程序、插件管理器和插件三部分構(gòu)成。

其中主程序作為插件系統(tǒng)的宿主程序，是軟件應(yīng)用進(jìn)程載體。

插件管理器是插件平臺(tái)的核心部分，負(fù)責(zé)各功能插件的裝載及卸載，管理插件及其狀態(tài)，定義對(duì)象池，用于在各插件間傳遞對(duì)象，并定義接口，所有納入系統(tǒng)擴(kuò)展層管理的功能插件必須從該接口派生。它能夠快速地使用提供的插件，通過組合這些插件并定義其交互，以搭積木的方式構(gòu)件系統(tǒng)功能。

插件是實(shí)現(xiàn)模型升級(jí)功能的動(dòng)態(tài)庫(kù)。由于工程現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)動(dòng)裝置型號(hào)種類繁多，因此模型升級(jí)必然牽涉到多個(gè)不同的升級(jí)組合方式，每一種升級(jí)組合可以定義成一個(gè)具體的插件。

2.4 插件接口設(shè)計(jì)

插件系統(tǒng)提供了插件接口類ConvertPlugin，如圖7所示。此類是插件開發(fā)的重要類，任何插件必須繼承該類。

ConvertPlugin是一個(gè)抽象類，它并沒有提供方法的實(shí)現(xiàn)，每個(gè)插件在繼承此類時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)基類的虛函數(shù)。插件接口類的函數(shù)說明如下：

OpenPrj函數(shù)負(fù)責(zé)打開原組態(tài)，并將打開的結(jié)果和數(shù)據(jù)通知插件管理器。

ReadDevInfo函數(shù)負(fù)責(zé)讀取原組態(tài)的二次裝置信息，包括遠(yuǎn)動(dòng)裝置站內(nèi)接入的保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、保測(cè)一體裝置等信息以及遠(yuǎn)動(dòng)裝置的本體信息。

ReadPointSets函數(shù)負(fù)責(zé)讀取原組態(tài)二次裝置下對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)信息，包括裝置下所有的六遙測(cè)點(diǎn)信息。

ReadLogicInfos函數(shù)負(fù)責(zé)讀取原組態(tài)合成計(jì)算信息。

ReadPassage函數(shù)負(fù)責(zé)讀取原組態(tài)通道信息，包括對(duì)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)通道或?qū)φ緝?nèi)接入通道信息。

ReadForeTables函數(shù)負(fù)責(zé)讀取原組態(tài)調(diào)度通道下轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)點(diǎn)信息。

ConvertDevInfo函數(shù)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換二次裝置信息。

ConvertPointSets函數(shù)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換六遙測(cè)點(diǎn)信息。

ConvertLogicInfos函數(shù)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換合成計(jì)算信息，包括新舊組態(tài)合成計(jì)算表達(dá)式格式，存儲(chǔ)格式的轉(zhuǎn)換。

ConvertPassage函數(shù)負(fù)責(zé)新舊組態(tài)通道參數(shù)的轉(zhuǎn)換，比如104通道參數(shù)。

ConvertForeTables函數(shù)負(fù)責(zé)新舊組態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

ConvertProtocolPara函數(shù)負(fù)責(zé)規(guī)約參數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖7 插件接口設(shè)計(jì)Fig.7 Plug-in interface

3 應(yīng)用實(shí)例

按照上文原則設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)動(dòng)模型升級(jí)工具，首先在浙江省杭州地區(qū)110 kV昭慶變得到了實(shí)際應(yīng)用，如圖8和圖9所示。圖8是轉(zhuǎn)換配置界面，圖9是轉(zhuǎn)換結(jié)果界面。

通過遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)組態(tài)工具的轉(zhuǎn)換功能，先打開舊有遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的工程組態(tài)，再手動(dòng)配置新舊組態(tài)的通信端口對(duì)應(yīng)關(guān)系等，最后完成組態(tài)轉(zhuǎn)換。整個(gè)過程耗時(shí)不足1 h，大大提高了工程實(shí)施效率。

圖8 轉(zhuǎn)換配置界面Fig.8 Configuration UI

圖9 轉(zhuǎn)換結(jié)果界面Fig. 9 Conversion UI

根據(jù)浙江、福建等地前后23個(gè)變電站的反饋數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)改造的平均時(shí)間由預(yù)期的7～10個(gè)工作日，縮短為3個(gè)工作日；遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)新舊模型的轉(zhuǎn)換率達(dá)到96.3%，正確率達(dá)到92.7%，改造后的變電站運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文描述了一種基于遠(yuǎn)動(dòng)組態(tài)工具的、半自動(dòng)的變電站遠(yuǎn)動(dòng)模型升級(jí)方案，設(shè)計(jì)了一種面向?qū)ο蟮耐ㄓ眠h(yuǎn)動(dòng)模型升級(jí)轉(zhuǎn)換框架。該方案在常規(guī)、智能變電站遠(yuǎn)動(dòng)裝置升級(jí)改造的過程中，能夠充分的利用變電站已有的資源(配置產(chǎn)物)，減輕遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)化信息錄入、轉(zhuǎn)發(fā)、核對(duì)的工作量。并且在技術(shù)上保證了遠(yuǎn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換后的完整性和準(zhǔn)確性，降低了人為重做組態(tài)導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，使整個(gè)改造過程更加合理和高效，值得進(jìn)一步推廣。

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