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图1 调度和变电站自动化系统贯通基本框架示意图
Fig. 1 Basic framework of the interconnections and interactions between dispatching and substation automation systems
实际上,一个调度端可能需要和众多变电站实现交互。当其中任一个变电站端新建或改变模型时,调度端多数情况要重新建立模型,部分研究可实现根据变电站端SCD模型转化生成新的调度端模型,但离实用化和推广尚有距离;当变电站模型改变时,调度端多数情况下需要重新画图并关联数据,部分研究可在调度端实现变电站端图形重用,但该图所关联的数据必须重新更换为调度数据库中的数据;当变电站端增加了一个调度端也需要的数据采样点,必须在调度数据库中也相应地增加一个数据点,然后在通信点表两端重新校对,分别做好通信点表与数据库中数据的对应关系,如果影响到图形中的数据关联,还必须重新更新图形上的数据关联。
2 贯通技术剖析
在调度和变电站端都是同一厂家同一平台的情况下,贯通技术问题就内部化了。这里主要是考虑开放式的异构产品应用,从模型、数据库、图形一致性和通信规约支撑4个方面对贯通技术进行剖析。
2.1 模型一致性
调度所关心的站内模型其实是变电站详细模型的一个子集,对这一部分一致性的模型表达意味着对变电站对象的相同理解,有助于各类应用的交互和智能化发展,也便于管理。
CIM/E作为中国的推荐性标准[20]和IEC TC 57的技术规范[14],已经得到广泛应用,为模型的一致性贯通提供了重要支撑。但目前通过CIM/E定义的变电站设备类主要是从调度角度出发需要的一次设备模型和少量的采集模型,远不能满足变电站自动化系统的需求。已有不少针对CIM/E扩充的相关研究[21-22]。
CIM/E较为接近关系型表达,与持久化存储的数据库结构有直接的契合。在扩充完善CIM/E模型文件的同时,需要充分考虑:1)无损分解。需要把基于统一建模语言(UML)和可扩展置标语言(XML)表达的模型文件信息,及其内部的语义关联信息,完整地转化为关系型表。2)合理的存储空间。为了减少在数据库持久化存储时产生大量冗余信息,需要充分考虑服从数据库范式,主要是第3范式和BCNF(boyce codd normal form)范式要求。3)兼顾关系表的处理效率。当变电站模型采用CIM/E关系表达时,可能由于划分的粒度太细,影响操作效率,局部冗余存储有助于提高性能。
当前电网模型的统一规范化管理已成为研究和实践热点。文献[4]论述了统一模型中心的构想,并设计为只有一次设备模型和部分与省级以上电网分析控制相关的二次模型信息才进入统一模型维护中心,验证后进入统一模型发布中心。文献[15]论述了一种调度应用多模型、离线和在线模型以及多级电网模型的一体化管理解决方案。在智能变电站建设中也开展了二次设备模型的规范化管理实践[23]。
把调度和变电站模型关联起来的统一规范管理将彻底实现电网模型的广域共享、规范高效,为各类应用提供最坚实的基础。但当前此类研究还比较缺乏,关键问题在于:1)两端还未形成被广泛认可的一致性模型表达形式;2)全网大模型过于庞大而难以验证通过[4];3)关于统一模型的安全保障、分级管理、维护机制等还需要深入研究。
2.2 数据库一致性
数据库一致性贯通有3层内涵,分析如下:
(1)数据库中表示相同对象的表结构相同或兼容。如果已经具备模型一致性,那么相对比较容易实现,可以允许两端的数据库分别在同一个表中存在自己特有的属性;反之比较困难,把不同的模型表达分解为相同的数据库表结构,容易产生较多不规范操作,对系统的可维护性、扩展性和性能有影响。
(2)数据表中同样数据对象的记录号相同。可以考虑分库分表切分技术。在调度端,针对每个不同的变电站,采用不同的数据库或者数据表,把一个变电站的数据集中存放;在变电站端,把与调度共同需要的数据集中存储,并且保持记录号一致。
(3)数据表中同样数据对象的关键字相同。需要对变电站的数据对象统一命名和编码。国内已有对于变电站一次设备的相关研究[24],但对于大量的站内二次设备和其他信息的统一命名和编码,则是一项巨大的工作。此项对于模型文件的源端维护、全网共享也有重要作用。
总体而言,目前此类研究还比较缺乏。
2.3 图形一致性
调度与变电站端图形的贯通需要考虑3个因素:1)采用同样的图形文件规范;2)具有模型一致性;3)具有数据一致性。对它们的组合情况分析如表1所示。
表1 调度与变电站自动化系统图形贯通分析
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 通信规约支撑
调度与变电站的广域分布性决定了通信规约的重要作用。当采用数据点性质的通信规约时,例如IEC 60870 104,通常可以用二进制位反映遥信变化,以2~4个字节表示遥测或电度量数据,当然还要加上规约本身的开销(由于只关注数据点位,开销较小)。而结合模型的通信规约,例如IEC 61850 ACSI规约加上应用层的制造报文规范(MMS)映射,虽然获得了自描述性、功能丰富等优势,但规约本身的开销是巨大的。此外,包括分相测量单元(PMU)通信、故障录波、视频监控、变电站安防等应用根据情况还需要更多额外的通信带宽支持。
其实两端具体采用哪一类通信规约,还取决于其模型与数据库一致性贯通的情况,分析见表2。
表2 调度与变电站 自动化系统通信规约分析
Table 2 Analysis of data level communication protocol between dispatching and substation automation systems
从两端贯通的角度看,通信规约的选择和实现关键在于:1)与两端模型和数据库一致性贯通密切相关;2)需要在基于数据点和基于模型交互、通信效率和强应用支撑能力之间获得均衡。国内目前已开展相关研究[25-26]。
3 综合分析
综合考虑调度与变电站自动化系统的贯通,数据是其中的关键。以数据库表结构为基础,模型其实也是一种数据的组织方式,CIM、IEC 61850相当于基础公共模型,其上还有各类应用模型,模型转化其实也是数据组织方式的转化。在图1的基础上,图2专注于调度与其中一个变电站自动化系统的互联,从数据映射的角度对调度和变电站自动化系统之间的贯通设计进行了综合分析,图中标注了两端的各类实际信息(数据)映射关系。图2中各类信息符号的含义如表3所示。
图2 调度和变电站自动化系统综合贯通分析
Fig. 2 Interaction design of dispatching and substation automation system
表3 图2 中各类信息符号的含义
Table 3 The meaning of all kinds of information symbols in Figure 2
抽取图2中的映射关系得到图3,其具体符号含义如表3所示。
图3 调度和变电站自动化系统信息映射关系
Fig. 3 Information mapping relationship between dispatching and substation automation system
从图3可以清晰地看到:调度和变电站端存在大量的重复性工作,而由于针对的是同一数据对象,还需要时时保持两端的一致性。为保证两端数据共享和交互过程中的一致性,增加了大量的中间环节,映射路径众多。两端数据库(X和X')作为图3中连通度最大的点,其一致性贯通是避免两端重复性工作和保持一致性的关键。
4 结语
调度和变电站自动化系统之间存在紧密的联系,两者间的广域贯通设计是智能电网发展的重要趋势。
对所存在的模型、数据库、通信协议、图形共享等关键问题进行了梳理,并对相关的技术进展进行了剖析,指出:1)模型一致是两端贯通设计的基础,在目前缺乏统一标准、已存在多种局部解决方案的现实条件下,CIM/E应用和统一模型管理是重要的突破方向;2)分析了数据库一致性的3层次含义以及在避免两端重复性工作和加强贯通设计中的重要意义;3)对各种模型和数据一致性条件下的图形一致性、通信规约选择问题进行了分析;4)从数据组织的角度对调度和变电站端存在的各类映射关系进行了综合分析。
预期未来自动化系统开放、高效、共享的发展趋势将持续推动调度和变电站自动化系统向贯通设计方向发展:1)模型作为共性基础,对其进行统一管理具有重要应用价值;2)在两端模型一致的基础上,基于分布式技术的各类数据库一致性将成为研究热点;3)如表2所分析,在模型和数据一致的基础上,可以灵活地根据需要采用基于点号或者数据模型的通信交互;4)图形和各类应用协同是自动化系统智能化的具体体现,将随着模型、数据库、图形一致性基础的完善而逐步丰富。
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作者简介:高志远(1972),男,硕士,研究员级高级工程师,研究方向为智能电网、厂站自动化系统,Email:gaozhiyuan@epri.sgcc.com.cn。
曹阳(1978),男,硕士,研究员级高级工程师,研究方向为智能调度、电网调度自动化、电力系统标准化。
徐美强(1976),男,工程师,研究方向为厂站自动化系统应用设计和开发。
狄方春(1978),男,硕士,高级工程师,研究方向为电网调度自动化、云计算、大数据。
黄海峰(1969),男,博士,研究员级高级工程师,研究方向为电网调度自动化系统、电力自动化系统检测。
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4月2日,浙江宁波供电公司变电运维中心员工在220千伏宁东集控站内通过新一代集控系统的远方智能操作模块远程下达指令,位于北仑区新碶街道的新建220千伏江南变电站正式投产送电。这是浙江电网首次应用新一代集控系统远程操作一次、二次设备为变电站送电,与现场操作相比效率提升近80%。近年来,宁波供
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3月31日,黑龙江省首座新型220千伏智能变电站——绥棱变电站投运,比计划提前3个月。该站的投运结束了绥棱县电网没有220千伏电源点的历史,缩短了当地66千伏网架供电半径,减轻了周边变电站的供电压力,提升了地区电网运行安全水平。作为国家电网有限公司新型数字智能变电站试点项目,绥棱变电站新建工
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