李肖博，習(xí) 偉，周 柯，王曉明

(1.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510670；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023)

智能變電站工程配置文件描述了智能變電站通信信息模型，是變電站內(nèi)設(shè)備進行信息交換的基礎(chǔ)[1-2]。智能變電站工程配置文件為整個智能變電站的運行提供了全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，配置文件的正確性直接影響變電站穩(wěn)定運行。工程配置文件從變電站建設(shè)開始，貫穿了調(diào)試、竣工、擴建、改建整個過程，在此過程中，其由于系統(tǒng)的變化而處于動態(tài)變化之中。對變電站工程配置文件進行有效管控，能有效解決智能變電站中配置文件在多端應(yīng)用中版本不統(tǒng)一、來源不一致導(dǎo)致的某些安全隱患，進而提高智能變電站的運維安全性和效率[3-5]。

為此，國內(nèi)外研究人員開展了智能變電站配置文件管控技術(shù)研究。文獻[6]通過智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)與智能變電站雙層CRC校核智能變電站配置文件的一致性；文獻[7]分析目前變電站配置描述文件(substation configuration description，SCD)管控存在的風(fēng)險，基于二維碼校驗和虛回路可視化技術(shù)提出SCD管控策略；文獻[8]通過對IED按照間隔和類型進行聚類比對，實現(xiàn)IED配置的差異及正確性分析；文獻[9]提出一種改進的基于位置的文本文件比對算法，實現(xiàn)SCD的快速管控；文獻[10]提出利用MMS、SV、GOOSE抓包通信技術(shù)在線校驗SCD與保護裝置中配置參數(shù)的一致性；并采用IED粒度進行新舊SCD比對，提高SCD管控效率；文獻[11]提出一種基于中間模型文件的虛回路自動校驗技術(shù)；文獻[12]設(shè)計了配置文件可視化工具，實現(xiàn)了SCD配置信息的解析及可視化展示。

目前，智能變電站配置文件管控仍存在變電站投運后配置文件個人保存、集成商管理，配置文件規(guī)范性、正確性及唯一性無法保證，歸檔的配置文件與變電站現(xiàn)場裝置內(nèi)運行的配置文件一致性無法保證、智能變電站改擴建現(xiàn)場配置驗證工作量大以及影響電網(wǎng)運行等問題。本文提出一種智能變電站工程配置的鏡像管控方法，介紹智能變電站工程配置鏡像管控的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計開發(fā)智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)階段對智能變電站工程配置文件管控主要包括標準化校驗和版本管理。本文提出一種智能變電站工程配置鏡像管控方法，并結(jié)合在線運行的廠站端智能錄波器及遠程智能運維主站，搭建智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)，打通站端二次設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)、運維主站、配置文件管控系統(tǒng)及鏡像調(diào)試系統(tǒng)的聯(lián)系，實現(xiàn)變電站工程配置在線校核管控與離線調(diào)試管理的無縫銜接。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包含部署在調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)Ⅰ區(qū)的智能錄波器、Ⅱ區(qū)的智能運維主站、Ⅲ區(qū)的配置文件管控系統(tǒng)以及Ⅳ區(qū)的鏡像調(diào)試系統(tǒng)。

圖1 智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Architecture of the intelligent substation engineering configuration mirroring management and control system

智能錄波器部署在各個變電站內(nèi)，接入變電站站控層和過程層網(wǎng)絡(luò)，讀取變電站現(xiàn)場裝置的報文和模型配置信息；通過報文解析、模型比對、CRC碼校驗驗證現(xiàn)場裝置運行的配置信息與站內(nèi)SCD文件的一致性，并將校驗結(jié)果及變電站配置文件通過MMS通信上送到智能運維主站；智能運維主站部署在調(diào)度端，對轄區(qū)內(nèi)所有變電站的配置文件進行校驗管控，接收區(qū)內(nèi)變電站配置變化事件，并將信息上送配置文件管控系統(tǒng)；站端智能錄波器與調(diào)度端智能運維主站實現(xiàn)變電站工程配置在線校核管控，并通過配置文件管控系統(tǒng)將現(xiàn)場配置鏡像至鏡像調(diào)試系統(tǒng)。

配置文件管控對實現(xiàn)變電站從基建到運維檢修所有的文件及資料進行統(tǒng)一管理。鏡像調(diào)試系統(tǒng)部署在檢修工區(qū)，從配置文件管控系統(tǒng)遷出與實際運行變電站一致的配置文件，基于與現(xiàn)場一致的調(diào)試環(huán)境，對智能變電站改擴建進行虛連接IED子CRC碼一致性校驗、鏡像模擬傳動等測試，完成智能變電站配置排雷、改擴建工程配置及二次回路實時鏡像驗證，并將通過驗證的智能變電站改擴建配置文件上傳配置文件管控系統(tǒng)。配置文件管控系統(tǒng)與鏡像調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)變電站配置離線調(diào)試管理。整個系統(tǒng)實現(xiàn)變電站配置離線、在線無縫管理驗證。

2 智能變電站工程配置文件全過程管理

為解決智能變電站中配置文件在多端應(yīng)用中版本不統(tǒng)一、來源不一致導(dǎo)致的一些安全隱患。建立配置文件全過程管理流程，對從基建到運維檢修所有的文件及資料進行全過程統(tǒng)一管理。 SCD全過程管理流程如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場需求提出SCD變更申請，執(zhí)行審批流程后遷出SCD，采用簽出鎖定、簽入解鎖的機制確保文件修改的唯一性。文件遷出后下載至移動工作站，現(xiàn)場修改SCD及配置，修改完成導(dǎo)入鏡像調(diào)試系統(tǒng)進行鏡像模擬傳動、心跳報文比對、信號測試驗證等必要的鏡像調(diào)試。通過調(diào)試的配置描述文件上傳至配置文件管控系統(tǒng)并執(zhí)行遷入審批。在文件簽入時，配置文件管控系統(tǒng)進行文件合法性及規(guī)則校驗，給遷入審批工作提供參考，審批通過執(zhí)行遷入變更結(jié)束。

圖2 SCD管控流程Figure 2 SCD control process

以變電站二次設(shè)備臺賬列表為結(jié)構(gòu)，對CID、交換機配置文件等裝置實例化類文件進行全生命周期管理。自動檢測語法、語義的正確性，并根據(jù)統(tǒng)一的命名規(guī)范歸檔。

3 智能變電站工程配置校驗比對

3.1 智能變電站SCD文件虛回路校驗

SCD中虛端子模型的不規(guī)范性導(dǎo)致無法直接實現(xiàn)虛回路的自動校核。本文利用Word2Vector進行虛端子描述文本的語義學(xué)習(xí)，利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network，RNN)提取文本的深層語義特征，實現(xiàn)非標準到標準虛端子模型的自動映射，然后，基于標準的虛端子模型實現(xiàn)SCD文件虛回路的自動校驗。使用Word2Vector中的連續(xù)詞袋模型(continuous bag-of-word，CBOW)進行虛回路描述文本的向量化表示，模型如圖3所示，模型的輸入是某個詞的上下文詞向量，輸出是中心詞出現(xiàn)的概率， 以中心詞出現(xiàn)的概率最大化為目標訓(xùn)練模型，可獲得各詞語的詞向量。

圖3 CBOW模型Figure 3 CBOW model

設(shè)詞庫的詞匯量為V，模型隱藏層的維度為N，W1為輸入層矩陣，W2為輸出層矩陣，C個輸入詞匯用one-hot編碼，則隱藏層詞向量為

(1)

輸出層的輸入向量為

u=hW2

(2)

設(shè)ui為所求中心詞的值，模型的輸出值yi與中心詞ui之間的關(guān)系為

(3)

模型等效損失函數(shù)為

E=-lg(p(w|Context(w)))=

(4)

利用隨機梯度求解目標函數(shù)，獲得各詞匯的詞向量。

采用RNN對向量化表征后的虛端子描述進行分類，依據(jù)分類結(jié)果實現(xiàn)非標準到標準虛端子模型的自動映射?；赗NN的分類模型結(jié)構(gòu)如圖4所示，t為時刻，x為輸入層，s為隱藏層，o為輸出層，U、V分別為輸入、輸出層權(quán)重矩陣，W表示隱藏層上一次的值作為下一次輸入的權(quán)重。輸出層、隱藏層計算公式分別為

ot=softmax(Vst)

(5)

st=tanh(Uxt+Wst-1)

(6)

圖4 基于RNN的分類結(jié)構(gòu)Figure 4 Classification structure diagram based on RNN

利用交叉熵誤差函數(shù)作為優(yōu)化目標，用y表示式(5)分類的結(jié)果，模型的損失函數(shù)為

(7)

使用梯度下降算法求損失函數(shù)的最小值，獲得分類結(jié)果。

基于分類結(jié)果實現(xiàn)SCD非標準到標準虛端子模型的映射。通過此映射方式可將待校驗SCD的虛端子模型標準化。根據(jù)變電站設(shè)計單位虛回路設(shè)計原則建立典型間隔的標準化虛回路校核模板，校驗時根據(jù)需求集成為SCD虛回路校核模板，實現(xiàn)虛回路的自動校核。

3.2 基于模型及CRC碼比對的工程配置一致性校驗

智能錄波器通過報文解析、模型比對、CRC碼校驗，驗證現(xiàn)場IED的配置與SCD中配置的一致性。智能錄波器接入變電站站控層和過程層網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，通過過程層網(wǎng)絡(luò)讀取裝置報文，解析報文獲取通信參數(shù)及IED的CRC碼，與SCD比對校核現(xiàn)場IED過程層模型、虛回路配置與SCD的一致性。通過站控層網(wǎng)絡(luò)讀取現(xiàn)場保護、測控等裝置的站控層模型，并將IED的站控層模型與SCD進行一致性比對，校核裝置站控層模型與SCD的一致性，校驗結(jié)果上送智能運維主站。當智能運維主站接收到子站的配置變化事件時，錄入系統(tǒng)事件數(shù)據(jù)庫，并上送配置文件管控系統(tǒng)。

圖5 工程配置一致性校驗Figure 5 Consistency check for the project configuration

配置文件管控系統(tǒng)對智能運維主站上送的SCD與配置文件管控系統(tǒng)中SCD進行一致性比對，進而實現(xiàn)現(xiàn)場裝置內(nèi)運行的配置與配置文件管控系統(tǒng)中歸檔的配置文件的一致性校驗。智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)通過在線報文解析、模型比對、CRC碼校驗以及配置文件離線比對，實現(xiàn)現(xiàn)場裝置內(nèi)運行的配置與歸檔配置文件的一致性校驗。

3.3 智能變電站工程配置文件差異性比對

通過智能變電站工程配置文件差異性比對，直觀了解變電站改擴建配置文件的變化及潛在的配置錯誤。本文將變電站改擴建間隔涉及的多臺設(shè)備設(shè)置為一個斷面，以斷面為整體進行差異性比對。SCD中具有同間隔的IED連接緊密、不同間隔的IED連接稀疏的特點，采用馬爾科夫聚類算法( the markov cluster algorithm，MCL)對IED按間隔聚類[8]。解析SCD中IED間的虛連接關(guān)系，建立IED間的連接矩陣：

L=[l1,l2,…,ln]T

(8)

其中，lk為一條帶權(quán)重的連接，表示為

lk=[ijwij]

(9)

式中i、j分別為源、目標節(jié)點；wij為節(jié)點i、j連接的權(quán)重，對兩節(jié)點屬于同類間隔的連接賦高權(quán)重，不同類間隔的連接賦低權(quán)重，以防止母線保護等IED需要接收多間隔IED，干擾聚類結(jié)果。

利用連接矩陣L計算鄰接矩陣A，其中

(10)

對鄰接矩陣A進行MCL聚類得到轉(zhuǎn)移概率矩陣，對轉(zhuǎn)移概率矩陣進行DBSCAN密度聚類，采用歐式距離衡量節(jié)點間的相似性，并使用模塊度Q評估聚類結(jié)果，Q計算公式為

(11)

式中n為網(wǎng)絡(luò)中的連接數(shù)；ki、kj分別為節(jié)點i、j的度；Ci、Cj分別為節(jié)點i、j的聚類類別。

基于IED的間隔聚類結(jié)果比對同類型間隔配置的差異性，發(fā)現(xiàn)潛在的配置錯誤，并可按照斷面的方式，圖形化地展示智能變電站改擴建前、后虛回路和實回路的變化以及IED設(shè)備相互間的連接關(guān)系，如圖6所示。

圖6 基于斷面及間隔的多IED外特性比對Figure 6 Comparison of external characteristics of multiple IEDs

基于CRC碼的計算比對識別智能變電站改擴建測試邊界，將SCD中改擴建直接關(guān)聯(lián)IED與其每一個關(guān)聯(lián)IED之間的SV、GOOSE發(fā)送和SV、GOOSE接收相關(guān)參數(shù)采用CRC32計算法則計算IED的子CRC碼，如圖7所示。

圖7 IED子CRC組成Figure 7 IED sub-CRC composition

當IED間的SV、GOOSE發(fā)送和SV、GOOSE接收相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時，IED的子CRC碼發(fā)生變化。通過比較改擴建前、后2個SCD中直接關(guān)聯(lián)IED子CRC碼，確定改擴建直接與間接關(guān)聯(lián)IED之間的虛回路是否發(fā)生變化。若子CRC碼一致，改擴建直接與間接關(guān)聯(lián)IED間的虛回路沒有發(fā)生變化，不需測試；若子CRC碼不一致，表明改擴建前、后直接與間接關(guān)聯(lián)IED間的虛回路發(fā)生了變化，需重新測試，改擴建前、后不一致的虛回路成為測試邊界。

4 智能站工程配置文件鏡像調(diào)試

由智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)將變電站現(xiàn)場實際運行的配置描述文件鏡像至鏡像調(diào)試系統(tǒng)，基于與現(xiàn)場一致的調(diào)試環(huán)境進行智能變電站配置排雷、改擴建工程配置及二次回路實時鏡像驗證。

智能變電站建設(shè)早期相關(guān)規(guī)范不完善，智能變電站SCD不規(guī)范，虛回路配置存在漏接、錯接等問題，SCD中隱藏的錯誤成為了智能變電站運行的安全隱患。此外，當智能變電站檢修、改擴建涉及配置變更或新增間隔時，需要對SCD進行反復(fù)論證校驗，確定現(xiàn)場停電傳動調(diào)試范圍[13-18]。

基于信號交互方式，鏡像調(diào)試系統(tǒng)驗證各設(shè)備之間虛回路及相關(guān)配置的正確性，如圖8所示，虛擬測試設(shè)備依據(jù)模擬的設(shè)備下裝相關(guān)配置，虛擬測試設(shè)備1、2依據(jù)模擬的設(shè)備間的虛回路進行報文交互，比對虛擬測試設(shè)備接收的報文與下裝的配置相關(guān)參數(shù)是否一致，校核虛回路及相關(guān)配置的正確性。

圖8 鏡像模擬傳動Figure 8 Mirror simulation transmission

智能變電站SCD排雷虛回路模擬傳動：鏡像調(diào)試系統(tǒng)依次選取SCD中的IED作為中心IED進行模擬傳動，虛擬測試設(shè)備1、2分別模擬中心IED、與中心IED關(guān)聯(lián)的IED，依據(jù)SCD中IED的Communication/PhysConn節(jié)點下的port元素設(shè)置對應(yīng)模擬設(shè)備的光口號，并與虛擬測試設(shè)備的物理光口號對應(yīng)，虛擬測試設(shè)備依據(jù)模擬的IED進行SV、GOOSE報文交互。

如圖9所示，解析比對虛擬測試設(shè)備1、2接收的報文的APPID、MAC地址、goID、svID、gocbRef、dataSet和test標志位、數(shù)據(jù)類型、通道數(shù)量、光口等通訊參數(shù)與虛擬測試設(shè)備下裝配置中相關(guān)參數(shù)是否一致，比對報文中各通道的值與虛擬測試設(shè)備模擬的IED對應(yīng)通道的值是否一致。若相關(guān)參數(shù)一致，則對應(yīng)的虛回路及相關(guān)配置正確；若不一致或沒有收到相關(guān)報文以及存在多發(fā)收等情況，則說明對應(yīng)的虛回路異常。通過鏡像模擬傳動可以排查SCD中虛回路配置問題，消除SCD虛回路問題引起的智能變電站運行的安全隱患。

圖9 模型與報文比對Figure 9 Model and message comparison

智能變電站改擴建模擬傳動：鏡像調(diào)試系統(tǒng)虛擬測試設(shè)備1、2分別虛擬直接、間接關(guān)聯(lián)域設(shè)備，虛擬測試設(shè)備1、2分別下裝改擴建后、前的SCD中的相關(guān)配置，通過鏡像模擬傳動，驗證智能變電站改擴建后原運行間隔二次回路是否變更和正確。

5 工程應(yīng)用

在某500 kV智能變電站改擴建工程中，500 kV側(cè)第2串新增邊斷路器和五寨I線線路，第3串新增邊斷路器和五寨II線線路。利用本文設(shè)計的智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)，進行改擴建配置鏡像調(diào)試。

從配置文件管控系統(tǒng)中遷出變電站改擴建前的SCD，比對改擴建前、后2個SCD中改擴建設(shè)備直接關(guān)聯(lián)設(shè)備的子CRC碼，PDL5022A 500 kV第2串DL2保護A子CRC碼變化情況如圖10所示，與此保護A關(guān)聯(lián)的原運行間隔中MT5001A.1#主變高壓側(cè)合并單元A的子CRC碼在改擴建前、后發(fā)生變化，需要測試，其余原運行間隔設(shè)備改擴建前、后子CRC碼無變化，不需要測試。

圖10 改擴建子CRC校驗詳情Figure 10 Details of sub-CRC check before and after the reconstruction

改擴建前、后子CRC碼發(fā)生變化的IED成為測試邊界，改擴建測試范圍為新增、直接關(guān)聯(lián)設(shè)備以及前、后子CRC碼發(fā)生變化的間接關(guān)聯(lián)設(shè)備。對需要測試的設(shè)備進行鏡像模擬傳動，虛擬測試設(shè)備1模擬改擴建直接關(guān)聯(lián)設(shè)備PDL5022A 500 kV第2串DL2保護A，虛擬測試設(shè)備2模擬MT5001A.1#主變高壓側(cè)合并單元A；虛擬測試設(shè)備1、2分別下裝改擴建后、前的SCD相關(guān)配置；虛擬測試設(shè)備1接收的虛擬測試設(shè)備2發(fā)送的SV報文的APPID、MAC地址、svID、dataSet和test標志位、數(shù)據(jù)類型、通道數(shù)量、光口等通訊參數(shù)，與虛擬測試設(shè)備1下裝的PDL5022A 500 kV第2串DL2保護A的配置參數(shù)一致，報文的通道值與PDL5022A 500 kV第2串DL2保護A對應(yīng)通道值一致，虛回路正確且改擴建前、后配置一致。完成調(diào)試后配置文件上傳配置文件管控系統(tǒng)歸檔。

傳統(tǒng)調(diào)試模式下需要將所有改擴建直接關(guān)聯(lián)設(shè)備陪停，在更新配置后，與所有改擴建間接關(guān)聯(lián)的運行間隔進行現(xiàn)場傳動試驗，停電測試范圍大。智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)將現(xiàn)場配置鏡像到檢修工區(qū)，在檢修工區(qū)，通過鏡像調(diào)試系統(tǒng)完成變電站改擴建配置變更驗證，簡化現(xiàn)場調(diào)試工作，并通過改擴建前、后子CRC碼的一致性比對自動識別改擴建的測試邊界，減少改擴建現(xiàn)場傳動，縮小停電周期和范圍。

6 結(jié)語

本文針對目前智能變電站配置管控存在的問題，以及智能變電站現(xiàn)有配置文件排雷、改擴建配置驗證的測試需求，提出了一種智能變電站工程配置鏡像管控技術(shù)，并搭建了支持多應(yīng)用場景的智能變電站工程配置鏡像管控系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站配置離線、在線無縫管理驗證，消除智能變電站中配置文件在多端應(yīng)用中版本不統(tǒng)一、來源不一致導(dǎo)致的某些安全隱患；實現(xiàn)二次回路鏡像傳動驗證，排查SCD中虛回路配置問題，消除SCD中隱藏的錯誤；基于與現(xiàn)場鏡像一致的調(diào)試環(huán)境，實現(xiàn)智能變電站改擴建配置校驗，自動識別測試邊界，減少改擴建現(xiàn)場傳動，縮小停電周期和范圍，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行意義重大。