吳建宇,唐志軍,晁武杰,郭健生,梁 懿
智能變電站二次設備即插即用理論模型與應用研究
吳建宇1,唐志軍2,晁武杰2,郭健生2,梁 懿3
(1.福建智達力勝電力科技有限公司,福建 福州 350019;2.福建省智能電網保護與運行控制重點實驗室,福建 福州 350007;3.福建億榕信息技術有限公司,福建 福州 350003)
為解決智能變電站新建及改造過程中二次設備配置繁瑣和文件生成復雜的問題,提出了智能變電站二次設備即插即用理論模型。為實現(xiàn)即插即用的功能,首先設計了二次設備即插即用框架,針對設計的框架,從硬件層面和軟件層面實現(xiàn)需求功能。硬件方面采用雙核異構處理器外加FPGA構成的三核硬件平臺,軟件方面實現(xiàn)分層化設計,由支持層、功能層、應用層系統(tǒng)組成,實現(xiàn)了層與層的解耦,便于后期維護和軟件組件的重用。在二次設備模型基礎上,增加即插即用特有的數(shù)據(jù)及功能描述,從設備、數(shù)據(jù)和功能三方面進行了說明。為測試功能應用,進行保護和測控兩方面驗證仿真。同時設計了二次設備順序控制、防誤閉鎖、五防閉鎖和虛端子校驗等方面控制校核邏輯。最后,通過功能測試證明了所設計模型可正確自動進行設備配置的讀取、下裝和相關參數(shù)配置修改。
智能變電站;即插即用;二次設備;順序控制
目前,智能變電站得到了快速的發(fā)展[1-4]。截至2021年,110 kV及以上智能變電站預計達到總體變電站的73%,在十三五期間,新建了7 700座智能變電站并有大量常規(guī)站改造。在智能站新建及改造過程中,由于智能變電站SCD文件的生成復雜,智能二次設備的配置繁瑣,后臺監(jiān)控系統(tǒng)的配置量大,導致消耗大量的時間[5-7];同時這些過程均需人工配置,由于人為因素引起的錯誤也屢見不鮮。因此亟需一種更為智能、系統(tǒng)控制的一體化解決方案。
針對智能變電站,已有相關研究。文獻[8]為了實現(xiàn)智能變電站即插即用就地化保護裝置與其他設備的通信問題,設計了一種雙模高密度電纜;文獻[9]通過獲取變電站SCD數(shù)據(jù)模型,利用全局化算法生成變電站主接線圖,實現(xiàn)智能變電站圖形文件即插即用;文獻[10]設計了單間隔保護和跨間隔保護方案,實現(xiàn)基于即插即用的就地保護裝置;文獻[11]為解決繼電保護裝置配置復雜更換困難的問題,提出PNP文件目錄庫的建立方法、數(shù)據(jù)無損校驗等,并進行了驗證。
針對上述問題,本文提出了智能變電站二次設備即插即用總體框架。系統(tǒng)采用雙核異構處理器外加FPGA構成的三核硬件平臺,分層化設計合理,實現(xiàn)了層與層的解耦,后期便于維護。在智能變電站的二次設備模型基礎上,增加即插即用特有的數(shù)據(jù)及功能描述,從而適應變電站即插即用的應用要求。保護裝置仿真功能模擬電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣量,測控裝置功能仿真主要實現(xiàn)信號采集、測量、控制等功能。系統(tǒng)設計了順序操作、防誤閉鎖的控制校核邏輯。最后,對設計系統(tǒng)進行了驗證。
二次設備的即插即用功能離不開設備生產環(huán)節(jié)、二次設備應用授權管理中心以及變電站二次設備即插即用現(xiàn)場管控等多個環(huán)節(jié)的支持,具體如圖1所示。
圖1 智能變電站二次設備即插即用框架
在二次設備生成階段,通過建立統(tǒng)一的即插即用接口,將即插即用服務功能及接口導入對應二次設備,確保生產出的二次設備具備或支持變電站二次即插即用能力。
二次設備應用授權管理中心完成即將入網應用的二次設備注冊認證以及授權,生成并發(fā)布相關的證書。
在智能變電站設備現(xiàn)場管控階段,通過建立統(tǒng)一注冊管理中心,對管轄范圍內的二次設備提供注冊、認證、發(fā)現(xiàn)、配置、事件等服務功能。
采用雙核異構處理器外加FPGA構成的三核硬件平臺,如圖2所示。測試需要實現(xiàn)IEC61850-9-1/ 2/2LE采樣值報文傳輸協(xié)議,由于采樣值報文的傳輸數(shù)據(jù)量大,且對報文實時性、完整性和離散度都有嚴格要求,并需具備高度可靠性,所以本功能模塊通過FPGA硬件實現(xiàn),滿足上述要求。同時,SV和GOOSE[12-15]的收發(fā)需要時間同步信號,F(xiàn)PGA時間同步機制具有較高可靠性和精度,故時間同步可由FPGA底層硬件實現(xiàn)。另外,使用FPGA提高合并單元的開關量精度。
圖2 智能變電站二次設備即插即用硬件設計
GOOSE報文的發(fā)送和接收[16-17]對實時性和可靠性的要求很高,但和SV相比,GOOSE內容變化復雜得多,但數(shù)據(jù)發(fā)送頻率要低很多,故GOOSE協(xié)議的實現(xiàn)采用上層進行內容填充,F(xiàn)PGA進行發(fā)送控制的機制,滿足GOOSE報文協(xié)議的要求。
CORTEX-A8內核的ARM端,主頻高達1 GHz,運行開源的linux操作系統(tǒng),開放性好,系統(tǒng)穩(wěn)定,適合處理復雜的大規(guī)模應用,主要用于繼保仿真、測控仿真、計量仿真、時間同步和電參量準確度檢測模塊等需要與工程實驗測試平臺或用戶進行交換的上層應用模塊。
另外,ARM核的外設還預留常用的接口,如串口、USB、SD卡槽等,方便應用上的擴展。C64x+定點6000系列的DSP,具有強大的數(shù)學運算能力,同時和ARM端集成在一個芯片上,通過內部總線通信,主要應用于SV采樣值生成、SV幅值頻率計算、SV諧波分析、故障波模擬生成、三相電能計算等數(shù)字計算,為ARM端的應用提供數(shù)據(jù)計算結果。
通用硬件仿真裝置由支持層、功能層、應用層系統(tǒng)組成。其中應用層實現(xiàn)變電站SCD文件[18-19]智能化解析,利用SCD文件,實現(xiàn)二次設備配置文件的自動下裝,實現(xiàn)應用層的保護、合并單元、智能終端設備等硬件仿真。系統(tǒng)采用分層化設計,設計合理,實現(xiàn)了層與層的解耦,后期便于維護和軟件程序重復利用,而應用層功能的擴展用于解決用戶需求的變化。智能變電站二次設備即插即用軟件設計如圖3所示。
圖3 智能變電站二次設備即插即用軟件設計
1) 支持層設計
物理層為系統(tǒng)軟件提供驅動、通信協(xié)議和框架,主要由FPGA驅動、DSP驅動、網口驅動、串口驅動、MMSLite、插件框架組成。驅動程序為硬件裝置提供FPGA、DSP、網口、串口支持,使得硬件裝置正常工作。MMSLite為用戶提供了基本的MMS協(xié)議處理框架和API接口以及IEC61850建模,包含完整的MMS報文協(xié)議運行環(huán)境。插件框架采用插件化開發(fā),為插件開發(fā)提供基礎調用接口及運行環(huán)境,以方便軟件的升級維護。
2) 功能層設計
功能層為系統(tǒng)軟件提供最基本的功能調用接口。功能層可以歸類為:SV采樣、GOOSE/開關量、MMS、邏輯功能等。
SV采樣:為應用層提供SV采樣,包括SV配置、解析,SV采樣輸出,SV采樣輸入。采用的機制為發(fā)布/訂閱,能實現(xiàn)模型對象到ISO/IEC8802-3幀的相互映射關系。
GOOSE/開關量:為應用層提供GOOSE/開關量,包括GOOSE/開關量配置、GOOSE/開關量解析、GOOSE/開關量輸出、GOOSE/開關量輸入,將智能變電站中各間隔智能設備聯(lián)系起來,在不同的智能設備中進行數(shù)據(jù)的傳輸。
MMS:為應用層提供MMS通信,包括MMS通信配置、MMS報文解析、MMS報文上報、MMS報文接收,使不同制造商生產的設備相互通信,更有利于系統(tǒng)的集成。
邏輯功能:為應用層提供邏輯功能,包括保護邏輯、三遙、五防。
3) 應用層
應用層主要面向用戶提供各種裝置硬件仿真接口。主要有保護裝置硬件仿真、測控裝置硬件仿真、智能終端硬件仿真、合并單元硬件仿真、電子式互感器硬件仿真。
保護裝置硬件仿真:為用戶驗證保護裝置硬件和保護出口、軟壓板投退、SV接收、GOOSE接收發(fā)送、MMS上報等功能配置的正確性及合理性。
測控裝置仿真模塊:為用戶提供測控裝置硬件仿真,以仿真校驗遙控、遙信、遙測、五防、SV接收、GOOSE接收發(fā)送、MMS上報等功能配置的正確性及合理性。
合并單元仿真模塊:為用戶提供合并單元仿真模塊,以仿真校驗SV發(fā)送、GOOSE接收發(fā)送、MMS上報等功能配置的正確性及合理性。
智能終端仿真模塊:為用戶提供智能終端仿真模塊,以仿真校驗GOOSE接收發(fā)送、開入開出等功能配置的正確性及合理性。
電子式互感器遠端仿真模塊:為用戶提供電子式互感器遠端仿真模塊,仿真校驗電子式互感器私有協(xié)議發(fā)送等功能配置的正確性及合理性。
智能變電站即插即用二次設備模型是基于智能變電站的二次設備模型,增加即插即用特有的數(shù)據(jù)及功能描述,從而適應變電站即插即用的應用要求[20-23]。具體地,對于即插即用二次設備的模型描述如圖4所示,包括設備描述、數(shù)據(jù)描述及功能描述。
1) 設備描述。包括二次設備的外部連接關系及內部連接關系。由于IEC61850系列標準已經很好的定義了相應的規(guī)定,對于設備描述部分本項目直接采用該標準。
圖4 二次設備即插即用模型要素
2) 數(shù)據(jù)描述。數(shù)據(jù)描述包括參數(shù)及運行數(shù)據(jù),除了采用IEC61850系列標準外,還根據(jù)本項目中的認證服務、發(fā)現(xiàn)服務增加了數(shù)字證書信息、設備MAC地址信息等,以實現(xiàn)設備的即插即用。
3) 功能描述。功能描述包括IEC61850系列標準提到的控制功能及監(jiān)視功能,根據(jù)本項目中的認證服務等功能特點,即插即用設備模型還定義了認證功能等。
4)設備模型中數(shù)據(jù)描述。設備除了兼容IEC61850系列標準的數(shù)據(jù)描述外,增加了包括物理MAC地址、默認通信IP地址、軟件版本號、硬件版本號、檢定日期、證書有效期、廠商聯(lián)系人、廠商聯(lián)系電話、資產編號等信息。(1) 物理MAC地址格式定義為:以“-”連接的物理地址,如:XX-XX- XX-XX-XX-XX;(2) 默認通信IP地址格式定義為:以“.”連接的IP地址,XXX.XXX.XXX.XXX;(3) 軟件版本號格式定義為:主版本號、次版本號、修改次數(shù);(4) 硬件版本號格式定義為:主版本號、次版本號、修改次數(shù);(5) 檢定日期格式定義為:年月日,格式為yyyyMMdd;(6) 證書有效期格式定義為:年月日,格式為 yyyyMMdd;(7) 廠商聯(lián)系人格式定義為:聯(lián)系人完整姓名;(8) 廠商聯(lián)系電話格式定義為:聯(lián)系人完整電話;(9) 資產編號格式定義為:設備的完整資產編號。
二次設備即插即用模型來源于智能變電站模型,兼容IEC61850標準。在IEC61850 標準中,變電站的模型主要是對全站的一次設備、二次裝置、網絡進行全面的描述。對于二次設備即插即用模型來說,其基本的建模單位是設備。SCD文件作為全站統(tǒng)一的信息源,應描述變電站內所有 IED 的功能、通信等實例化配置、IED 之間的信息聯(lián)系,以及 SSD 文件的內容,并最終由系統(tǒng)集成廠商完成、提交全站統(tǒng)一、唯一版本的SCD文件。對于一個完整的 IEC61850 標準變電站模型(SCD文件中描述),其主體包括 Substation/Communication/IED 三個部分,而 Datatype Template 用于定義 IED 部分中用到的數(shù)據(jù)類型。
1) Communication 部分
Communication 部分包含了網絡模型中的子網以及連接點的配置信息。對于該部分的建模包括設備模型以及關聯(lián)模型兩部分。
對于間隔內設備,所有的 IED 的 AP 信息均需要保留,其中詳細配置的 IP 地址等網絡信息、GOOSE 的多播、廣播等信息都需要進行完整建模。對于關聯(lián)信息,則不需要對其 AP 進行描述,僅僅包含所涉及的子網即可。
2) IED 部分
IED 部分的建模包含間隔內模型以及關聯(lián)模型兩部分。
對于間隔內信息,所有間隔內的 IED 信息都必須完整保留,其中故障錄波裝置等全站設備,則統(tǒng)一歸屬到虛擬的全站公共間隔內進行描述。對于關聯(lián)信息,與間隔內裝置有信號關聯(lián)的 IED 裝置都需要保留到間隔模型中,但為保證符合SCD 模型的規(guī)范性,關聯(lián) IED 內的 Inputs 段需要全部裁剪。
3) Datatype Template 部分
數(shù)據(jù)模板部分的模型完全是為 IED 信息進行服務的。其建模的原則為所有IED 部分用到的LNodeType、DOType、DAType 和 EnumType 均需要完整描述。而上級數(shù)據(jù)類型所引用到的數(shù)據(jù)類型(例如 LNodeType 定義中用到的 DOType) 也需要完整描述。
基于即插即用二次設備模型的定義,智能變電站即插即用間隔模型及全站模型如圖5、圖6所示。智能變電站能夠實現(xiàn)站內出線保護、測量和監(jiān)視功能,包括對變電站采集數(shù)據(jù)的處理。二次設備即插即用間隔模型基于IEC61850協(xié)議進行定義,并設計了即插即用功能,同時對每個間隔的即插即用功能進行描述。智能變電站內不同的間隔共同構成了全站模型。
圖5 二次設備即插即用間隔模型
圖6 變電站即插即用全站模型
保護裝置仿真功能模擬電力系統(tǒng)元件發(fā)生短路等異常情況時的電流值、電壓值、功率值、頻率值等的變化構成繼電保護動作,仿真裝置模塊及對應接口如圖7所示。
圖7 保護裝置仿真硬件系統(tǒng)示意圖
仿真保護裝置通過導入SCD文件獲取保護裝置信息,從而具備仿真保護裝置的功能;繼電保護裝置仿真通過模擬各種保護裝置的功能元件及其組成系統(tǒng),實現(xiàn)SV錄波功能,并依據(jù)不同的故障波形,判定故障類型、故障測距等;保護裝置通過建立相應的保護原理來模擬保護動作情況,同時,裝置可仿真實現(xiàn)軟壓板的投退和定值的修改,完成常規(guī)保護邏輯算法。由圖7可以看出,保護仿真包含了模擬器/解析器以及時間同步模塊,通過對輸入量的處理,實現(xiàn)即插即用功能。
測控裝置功能仿真主要實現(xiàn)信號采集、測量、控制等功能。
1) 遙測仿真功能
遙測功能仿真在于裝置接收DL/T860采樣值報文,通過裝置計算電壓等各類遙測參數(shù)有效值;裝置將遙測量的數(shù)據(jù)以MMS報文格式傳輸,測試儀通過發(fā)送SV采樣值報文給測控裝置,并和接收測控裝置上送的MMS報文數(shù)據(jù)進行比較而得出誤差。遙測分為模擬量遙測和數(shù)字量遙測。模擬量輸入時的遙測測試,采用模擬源平臺,該平臺產生可調節(jié)的遙測信息轉給測控裝置,傳遞現(xiàn)場信號,進而獲取、分析并評定測試數(shù)據(jù)。
2) 遙信仿真功能
仿真內容包括遙信正確性仿真(遙信雪崩)、防抖測試、遙信風暴、遙信響應時間和SOE分辨率測試。將GOOSE報文輸出到仿真裝置,仿真裝置以MMS報文形式輸出,校驗路的遙信能否準確對應,并將輸出傳送給測控,測控裝置中的MMS模塊以報文的形式傳輸至測試儀測試。
3) 遙控測試功能
研究遙控MMS報文輸入及繼電器觸點輸出控制或GOOSE報文傳輸?shù)目刂泼钚畔y試。模擬現(xiàn)場設備,接收測控裝置的開關量信號或者GOOSE報文,且顯示遙控時標,以測試測控裝置的遙控信號是否正確發(fā)出。同時研究遙控保持時間測試。測試儀模擬主站,遙控信號MMS報文輸入給測控裝置,測控裝置開關量接點輸出信號給測試儀,測試儀獲取控制信號的上升沿及下降沿的時間,兩者之差即為實際遙控保持時間,與測控裝置設置的控制脈沖寬度比較,獲得遙控保持時間誤差。測試儀模擬主站,遙控信號MMS報文輸出變電站順序控制實現(xiàn)方案示意圖給測控裝置(記錄該時刻),測控裝置GOOSE報文輸出給測試儀,測試儀解析獲取控制信號時間,即為遙控響應時間。
順序控制作為變電站中的智能操作處理,能夠大大降低變電站人員的操作量,提高操作的準確性,減輕變電值班人員的壓力。防誤校核服務,主要是針對調控主站遠方遙控變電站一次設備情況,通過調用變電站微機防誤系統(tǒng)的防誤判別功能而設定的,原則上調控主站僅需判別變電站無法實現(xiàn)的站間邏輯[24-25]。變電站順序控制和防誤閉鎖實現(xiàn)方案示意圖如圖8所示,其主要功能是調控主站通過采集變電站防誤系統(tǒng)的信息,進行實時站間防誤判別,同時調用變電站微機防誤系統(tǒng)的站內防誤判別結果,實現(xiàn)全網防誤校核功能。在智能變電站即插即用過程中,在監(jiān)控系統(tǒng)獲取順序控制操作命令時,進行順序控制的同時需要進行防誤閉鎖的邏輯確認,防止控制動作出現(xiàn)失誤,從而防止誤動事故發(fā)生。
圖8 變電站順序控制和防誤閉鎖實現(xiàn)方案示意圖
在變電站端實現(xiàn)程序化操作和五防校核功能的服務化封裝,調控主站不存儲程序化操作票、五防校核邏輯和信息,調控主站僅實現(xiàn)系統(tǒng)防誤校核,存儲操作日志記錄、顯示操作內容,總體方案如圖8所示。通過SOA信息交互機制,調度(調控)主站的程序化控制功能作為服務客戶在服務代理的支撐下與變電站的程序化控制服務直接進行信息交互。主站發(fā)往子站的控制命令采用 SOA 請求/響應機制實現(xiàn)程序化操作票調閱、控制對象選擇,控制預演、執(zhí)行、終止等程序化操作控制業(yè)務,控制期間通過 IMS 機制實現(xiàn)(推送模式),控制過程和執(zhí)行情況的信息反饋。
注冊管理中心發(fā)送順控操作命令到監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)調用順序控制服務接口,經過順控預演、順控票管理,開始順控執(zhí)行功能,間隔層的保護裝置和測控裝置做出響應,注冊管理中心監(jiān)聽到執(zhí)行結果,與操作命令進行比對,校核該順控命令。注冊管理中心發(fā)送五防操作命令到測控裝置,測控裝置根據(jù)內部五防邏輯做出響應,注冊管理中心監(jiān)聽到執(zhí)行結果,與操作命令進行比對,校核該五防命令。變電站順序控制和五防校核如圖9、圖10所示。
圖9 變電站順序控制校核
圖10 變電站五防校核
虛端子的流程校驗如圖11所示,首先對智能變電站的SCD文件進行解析,并解析文件進行虛回路的解析,開入裝置信息和虛端子的信息,與關聯(lián)庫中的信息相匹配,從而判定是否符合,并對不符合的發(fā)出告警信息。
圖11 靜態(tài)校核流程
系統(tǒng)可實現(xiàn)變電站二次設備信息收集和分類,能夠實現(xiàn)待測設備測試內容和能力的自動分類和分析,進行測試庫篩選,并顯示合適的測試庫列表,用戶可選擇合適的模板生成測試解決方案;生成后的解決方案支持人工配置??筛鶕?jù)不同廠家的配置及SCD文件,對測試參數(shù)進行配置。具體功能實現(xiàn)界面如圖12所示。
圖12 選擇測試方案
系統(tǒng)可實現(xiàn)配置測試方案后,自動執(zhí)行測試方案,自動完成數(shù)據(jù)分析,根據(jù)順序自動進行測試并生成測試報告;自動進行定值單的讀取、下裝,可進行參數(shù)配置修改,可以調閱、查詢專家測試庫;能夠對測試過程進行管理,能夠提供測試方法接線圖等相關輔助信息,能夠獲得測試過程狀態(tài)信息;能夠進行測試過程中人工干預等。在測試過程中,實時顯示測試狀態(tài)信息,包括測試數(shù)據(jù)顯示、測試儀器連接狀態(tài)顯示、測試進度顯示、測試時間顯示。測試過程中,測試儀器與上位機通信中斷,上位機會自動跟測試儀器重新連接,測試結束后,根據(jù)測試內容,平臺可自動生成PDF或WORD格式的報告,具體實現(xiàn)界面如圖13、圖14所示。
圖13 自動測試運行界面
圖14 測試報告自動生成
文中提出了智能變電站二次設備即插即用理論模型,提高了變電站二次設備配置的效率。主要得到了如下結論:
1) 設計了智能變電站二次設備即插即用總體框架,并對功能實現(xiàn)的軟硬件進行了配置。
2) 基于IEC61850對智能變電站的二次設備模型基礎,增加即插即用特有的數(shù)據(jù)及功能描述,從而適應變電站即插即用的應用要求。
3) 對智能變電站二次設備測控裝置和保護裝置即插即用功能仿真,對順序控制和防誤閉鎖的即插即用進行邏輯設計,并針對虛端子進行校驗,最后,通過實踐證明了所提系統(tǒng)的可行性。
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A plug and play theory model and application of secondary equipment in a smart substation
WU Jianyu1, TANG Zhijun2, CHAO Wujie2, GUO Jiansheng2, LIANG Yi3
(1. Fujian Starlisten Electric Power Technology Co., Ltd., Fuzhou 350019, China;2. Fujian Key Laboratory of Protection and Operation Control for Smart Grid, Fuzhou 350007, China;3.Fujian Yirong Information Technology Co., Ltd., Fuzhou 350003, China)
In order to solve the problem of cumbersome secondary equipment configuration and complex file generation in the process of new construction and transformation of smart substations, this paper proposes a plug-and-play theoretical model of secondary equipment. In order to realize the plug-and-play function, a framework for secondary devices is first designed, and for the designed framework, the required functions are realized at the hardware and software levels. In terms of hardware, a triple-core hardware platform composed of dual-core heterogeneous processors and FPGA is adopted. In terms of software, a hierarchical design is realized. It is composed of a support layer, a functional layer, and an application layer system. These accomplish the decoupling of layers and facilitate subsequent maintenance and reuse of software components. For the secondary equipment model, it adds plug-and-play unique data and a function description, and elucidates the three aspects of equipment, data and function. To test the application of functions, simulation of protection and measurement and control is carried out. Also the control and verification logic of secondary equipment sequence control, anti-error locking, five-proof locking and virtual terminal verification are designed. Finally, the functional test proves that the design model can correctly and automatically read the equipment configuration, and download and modify the configuration of related parameters.
smart substation; plug and play; secondary equipment; sequence control
10.19783/j.cnki.pspc.211543
國家電網公司科技項目資助(52130416001U)
This work is supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. 52130416001U).
2021-11-17;
2022-01-18
吳建宇(1984—),男,碩士,工程師,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化、控制工程、人工智能、電力物聯(lián)網; E-mail: nofarzed1@163.com
唐志軍(1973—),男,碩士,教授級高工,研究方向為繼電保護、電力系統(tǒng)自動化;
晁武杰(1983—),男,博士,高工,研究方向為繼電保護、電力系統(tǒng)自動化。
(編輯 張愛琴)