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《模型世界》2017年第12期

摘要:配電網模型的頻繁變更和數據質量問題對配電自動化主站系統(tǒng)實時監(jiān)控類應用會產生較大干擾,而主站新的建設模式對多用戶并發(fā)維護提出更高的性能要求。提出基于多態(tài)機制的未來態(tài)配電網模型管理方案,在獨立的環(huán)境下開展基于異動單的模型維護、遵循IEC61970/61968標準的圖模接入和校驗、全量模型和增量模型相結合的版本管理,以及自動化調試工作,與在線運行環(huán)境適當解耦,同時解決了多用戶并發(fā)維護的效率問題。通過配電自動化系統(tǒng)和省級集中監(jiān)管系統(tǒng)的運用案例,實踐證明基于多態(tài)機制的未來態(tài)模型管理方案可滿足配電網模型管理的多源端、多用戶、自動化離線調試的需求。

關鍵詞:未來態(tài);IEC61970/61968標準;配電網模型管理;版本管理;異動單

0引言

模型的重要性對于一個電網自動化系統(tǒng)來說是不言而喻的,模型是實時監(jiān)控和應用分析的基礎,模型準確性和及時性決定應用功能的實用化程度。配電自動化主站系統(tǒng)模型管理主要采用以外部導入模型為主,內部自建模為輔的建模手段。外部導入涉及多個源端系統(tǒng),其中配電網中壓模型由生產管理系統(tǒng)提供,但由于系統(tǒng)本身沒有監(jiān)控和應用分析類業(yè)務,圖模質量常存在層次關系、拓撲連接錯誤和圖模一致性等問題。按主站功能規(guī)范要求,配電自動化系統(tǒng)應按照地縣一體化構架進行設計和建設,2017年國家電網有限公司提出了新一代配電自動化主站系統(tǒng)三種建設模式:安全Ⅰ區(qū)/安全Ⅲ區(qū)地市級別部署、安全Ⅰ區(qū)地市級部署/安全Ⅲ區(qū)省級集中部署、安全Ⅰ區(qū)/安全Ⅲ區(qū)均集中部署(直轄市模式),新的建設模式下對多個地區(qū)多個用戶并行模型維護的效率提出了更高的要求。對于模型交互和共享技術,調度自動化取得很多值得借鑒的研究成果。文獻[1-5]介紹了IEC61970/61968電網通用模型描述規(guī)范(CIM/E)、電網圖形描述規(guī)范(CIM/G)標準的特點和在智能電網調度控制系統(tǒng)(D5000)的運用;文獻[6]以獨立系統(tǒng)的形式,實現省調調控中心多時態(tài)、多應用模型/圖形的統(tǒng)一維護和管理;文獻[7]提出一種基于廠站粒度的電網模型中心構建方法,與配電網業(yè)務系統(tǒng)基于饋線粒度的模型交互技術有相通之處。為解決配電網建模問題,國內配電自動化廠家也做了很多研究工作。文獻[8-9]是對配電網公共信息模型(CIM)的研究,文獻[10-12]是關于主站配電網信息集成技術的研究。目前配電自動化系統(tǒng)商用數據庫中通常只有一套模型庫。由于外部源端模型存在數據質量問題,異動模型通常先導入商用模型庫,確認無誤后再下裝到實時庫。在實時運行環(huán)境完成自動化調試工作。因此存在以下問題:①商用庫中模型為離線維護模型,實時庫中模型為在線運行模型,因此商用庫模型與實時庫模型不一致;②考慮到完整性的約束,系統(tǒng)通常不支持局部模型下裝,模型異動整個流程有串行環(huán)節(jié),因此很難滿足多用戶并發(fā)維護的性能需求;③模型驗證不足,實時運行環(huán)境進行自動化調試對在線運行應用存在一定的干擾。2016年新修訂的《配電自動化系統(tǒng)主站功能規(guī)范》要求模型必須在完成自動化調試后才能投入運行。。本文基于D5000平臺,提出了基于多態(tài)機制的未來態(tài)配電網模型管理方案,構建了獨立的模型維護和調試環(huán)境。研發(fā)基于模版的前置配置工具和現場數據接入調試功能,完善了基于IEC國際標準的模型、圖形接入功能,采用異動單、饋線雙重粒度的模型管理方法,以及未來態(tài)、實時態(tài)局部模型同步技術,支持多異動單并發(fā)維護、校驗、審核、同步的管理,大大提高了多用戶并發(fā)模型維護的性能;采用全模型和增量模型相結合存儲技術實現主站配電網模型的版本管理。

1總體方案

為了滿足配電網模型管理的功能和性能要求,本文利用D5000平臺的多態(tài)機制并加以改造,建立“未來態(tài)”作為配電網離線模型的維護、調試和驗證的運行環(huán)境,商用庫建立兩套模型庫,一套為離線模型庫(用于模型維護),與未來態(tài)實時庫(用于模型調試)保持一致;另一套為在線模型庫,與實時態(tài)下的實時庫模型保持一致,提供在線運行和分析計算。未來態(tài)的相對獨立而完整的應用運行環(huán)境具體包括離線模型庫、離線圖形集合、離線實時庫、消息通道、人機界面等。配電網模型管理主要包含四大步驟:圖模維護及圖模校驗、圖模審核、自動化調試、異動同步。1)圖模維護及圖模校驗圖模維護存在外部導入和自建模兩種方式。外部導入方式通過導入饋線模型文件在離線模型庫建立相應饋線模型數據,同時轉換饋線圖形文件格式形成內部格式饋線圖形文件;自建模方式通過圖庫一體化工具進行自建模,同時維護庫中模型數據和圖形文件。未來態(tài)離線模型庫和實時庫(數據采集與監(jiān)控(SCADA))自動保持一致。圖模校驗可對未來態(tài)庫中模型數據按饋線進行校驗,判斷是否滿足實時監(jiān)控、饋線自動化、潮流計算等要求。2)圖模審核將饋線模型變更的情況通過紅黑圖的形式提供給調度和自動化人員確認和審核,審核不通過,異動終止,圖模回退到原始狀態(tài)。3)自動化調試自動化調試包括前置配置和終端調試。前置配置是在離線模型庫維護設備測點信息,在離線前置庫維護前置采集鏈路和采集點信息,未來態(tài)離線前置庫和前置實時庫(FES)自動保持一致。終端調試是在瀏覽器中選擇該饋線未來態(tài)的接線圖,進行新終端配置以及現場遙測、遙信、遙控的對點工作。4)異動同步自動化調試完畢以異動單為最小單元,完成實時態(tài)饋線圖、模、前置通道數據的更新。模型管理軟件由部署在未來態(tài)和實時態(tài)多個功能模塊組成。“異動流程管理”提供圖模維護流程控制和操作界面;“圖模維護”模塊部署在未來態(tài),由圖模導入工具、圖庫一體化工具組成;“圖模審核”的異動分析工具比較未來態(tài)和實時態(tài)饋線模型的差異,給出分析結果,提交用戶審核;“自動化調試”由部署在未來態(tài)的前置配置工具、SCADA程序、前置調試程序和實時態(tài)的前置程序、支持多態(tài)切換的瀏覽器協(xié)同配合完成;“異動同步”是基于饋線粒度實現未來態(tài)離線和實時態(tài)在線圖模數據的增量同步;“版本管理”則是管理系統(tǒng)模型當前和歷史版本,并提供模型版本的服務接口。

2關鍵技術

2.1未來態(tài)建模技術

D5000平臺為應用提供了一個多態(tài)的運行環(huán)境,如“測試態(tài)”“實時態(tài)”“研究態(tài)”等,態(tài)與態(tài)之間是相對獨立的運行環(huán)境。但要實現未來態(tài)建模平臺原有機制還存在兩方面不足:①不同態(tài)共用一套商用模型庫和圖形文件集合,也就是說不同態(tài)下的靜態(tài)電網模型和圖形是相同的;②態(tài)間獨立運行環(huán)境導致非實時態(tài)下實時庫的量測數據不能自動實時更新。未來態(tài)建模首先要構建未來態(tài)環(huán)境,利用平臺多態(tài)機制建立新的態(tài)提供模型管理基本運行環(huán)境,包括實時庫、消息通道,部署SCADA、拓撲分析等應用。其次,指定原商用庫中的一套模型為在線模型庫,另建一套離線模型庫,作為未來態(tài)的模型庫,兩套模型庫的結構相同。改造實時庫下裝程序,實現未來態(tài)離線模型庫的下裝功能,保證未來態(tài)離線模型庫與實時庫模型的一致性。建立離線圖形文件存儲目錄,存儲未來態(tài)圖形文件。調整瀏覽器的配置,使之瀏覽未來態(tài)畫面時讀的是離線圖形文件目錄下的畫面。在未來態(tài)部署模型接入軟件和圖庫一體化工具,基于離線模型庫和離線圖形文件存儲目錄,完成離線模型的維護工作。未來態(tài)作為配電網模型的維護、調試和驗證的運行環(huán)境,實時態(tài)作為在線監(jiān)控、運行分析的運行環(huán)境,未來態(tài)與實時態(tài)之間需建立必要的橋梁,未來態(tài)下調試驗證通過的離線模型能局部同步成為實時態(tài)的在線模型,實時態(tài)采集的數據能轉發(fā)到未來態(tài)輔助完成模型的驗證和測試。未來態(tài)實時數據接入技術,就是將實時態(tài)消息通道的實時量測變化消息轉發(fā)到未來態(tài)的消息通道中,利用部署在未來態(tài)的SCADA應用更新設備量測,輔助模型測試;而基于饋線級別的離線/在線模型和圖形同步技術,實現模型離線到在線的轉換。

2.2基于IEC標準的主、配電網圖模數據接入技術

目前配電自動化系統(tǒng)接收到的外部模型,包括來自調度自動化系統(tǒng)的主網圖模信息和來自生產管理系統(tǒng)的配電網中壓模型,主網圖模交換格式通常遵循CIM/E和CIM/G規(guī)范,配電網圖模通常遵循CIM/可擴展標記語言(XML)和CIM/可縮放矢量圖形(SVG)規(guī)范。作為配電網模型管理軟件,應支持CIM/E,CIM/G和CIM/XML,CIM/SVG兩套標準數據格式的模型接入。CIM/E數據文件中的類名和屬性名與CIM/XML中基本一致,主要的差異是拓撲連結關系和量測的描述方式不同。CIM/XML中用Terminal類和ConnectiveNode類對象來描述拓撲關系,而在CIM/E中拓撲關系的描述做了簡化,用設備的連接屬性來描述拓撲關系,因此CIM/XML格式文檔可以很方便地轉為CIM/E格式的文檔[12]。考慮到模型版本一直在升級,本文借鑒CIM/資源描述框架(RDF)描述的公共電力系統(tǒng)模型,采用CIM/E模式(CIM/Eschema)對CIM/E中包含類及其屬性特性進行了描述。同時,為了描述模式文件中的類與數據庫中表的存儲映射關系,還引入CIM/E映射配置文件,通過該配置文件實現CIM/E模型到數據庫的存儲格式轉換,并且生成外部對象標識和內部對象標識對應關系表,CIM/SVG通過圖形格式轉換生成CIM/G圖形文件,通過對象標識對應關系表完成對象標識轉換,從而構建主、配電網電力系統(tǒng)模型完整的導入、導出機制,圖模數據接入流程如附錄A圖A1所示。

2.3基于異動單流程管理技術

異動單最早源于地理信息系統(tǒng)(GIS)的設備變更管理,GIS平臺建立一個異動單,包含變更的模型、圖形,作為完整單元提交各個業(yè)務系統(tǒng)及相關部門,完成模型變更信息的審核和。配電自動化系統(tǒng)參與GIS異動流程管理的調度審核環(huán)節(jié),如果審核通過,更新自身系統(tǒng)相應饋線圖模信息。后期配電自動化系統(tǒng)異動單概念泛化為不考慮來源的一次完整的模型變更,包括系統(tǒng)內部自建模、調度自動化提供的主網模型等,實現了基于異動單的全生命周期管理。目前配電網模型的異動單,明確關聯具體饋線,饋線圖模狀況完整地體現在異動單的圖形和模型文件中。

2.4未來態(tài)自動化調試技術

自動化調試技術包含前置配置和終端調試。配電終端部署具備標準化和規(guī)模化特點,同一地區(qū)通常只采購和部署幾種不同型號的終端產品,采集同類設備的同一類終端通常配置相同采集信息。設計和研發(fā)基于模板的點表維護工具,實現終端的模板化訂制,終端鏈路、點號的統(tǒng)一管理和設備量測的自動維護。系統(tǒng)運維人員僅需事先指定幾類饋線終端設備(FTU)、配電終端設備(DTU)、配電變壓器監(jiān)測終端設備(TTU)模板的配置信息,對于實際終端,只需選擇模板類型、主設備,即可為設備自動添加采集量測和前置通道、鏈路的配置信息,大大減少了用戶運行維護工作量。終端表中包含狀態(tài)位,用以描述終端的狀態(tài)。如附錄B圖B1所示,未來態(tài)下的終端狀態(tài)有調試態(tài)和運行態(tài),實時態(tài)下的終端只有運行態(tài)。新建終端自動設置為調試態(tài),只有處于調試態(tài)的終端才可以在未來態(tài)下調試,用戶確認調試完畢進入運行態(tài)。進入運行態(tài)的終端,異動同步后進入實時態(tài)。針對運行態(tài)的終端,執(zhí)行終端重新調試時,應將實時態(tài)下對應終端及其自動化配置信息明確提示用戶并由用戶確認刪除,未來態(tài)下終端回到調試態(tài);否則,終端仍為運行態(tài),不可調試。終端調試由支持多態(tài)切換的瀏覽器、部署在未來態(tài)的前置調試模塊和SCADA程序、實時態(tài)的前置程序協(xié)同配合完成。選擇未來態(tài)的瀏覽器與未來態(tài)SCADA交互,未來態(tài)SCADA與同態(tài)前置調試模塊交互,前置調試模塊與實時態(tài)前置程序交互,實時態(tài)前置程序與待調試終端交互,共同完成上行、下行信息貫通。實時態(tài)前置程序與終端建立臨時鏈路,并負責與調試終端通信,未來態(tài)的前置調試模塊實現實時態(tài)與未來態(tài)信息轉發(fā),在未來態(tài)模擬前置功能,將實時態(tài)采集的信息轉發(fā)給未來態(tài)的SCADA。用戶用瀏覽器瀏覽未來態(tài)測試饋線,選擇待調試設備,觀察上行遙測、遙信,發(fā)送遙控命令和遙控操作結果,完成終端自動化調試。

2.5模型版本管理

模型版本管理包括:①在線電網模型的構建,為實時監(jiān)控分析業(yè)務提供支撐;②模型變更全過程管理,輔助用戶清晰了解模型變更過程和變更內容;③模型版本服務,為基于時間斷面的應用分析提供歷史斷面圖模數據。配電網模型版本管理示意圖如圖4所示,圖中三大要素是時間軸、異動單、版本,異動單中數字i,j表示饋線i,j變更的異動單。配電網模型版本管理主要是結合異動單的模型生命周期管理,每次模型變更里程碑以版本來標識,模型版本又分大版本和小版本。大版本生成與模型變更無關,主要是為了定時進行全量圖模信息的存儲和備份,大版本可由用戶手動或定時觸發(fā)生成,存儲所有饋線CIM/E格式模型文件和CIM/G格式的圖形文件。小版本因一個有效異動單的投入在線而觸發(fā)生成,只包含本次異動相關的圖、模信息,存儲內容為本次異動涉及多個饋線的CIM/E格式模型文件和CIM/G圖形文件。每次異動單投運成功,都會形成一個小版本模型版本,因此每個小版本都有唯一關聯的異動單。基于上述的模型版本生成和存儲方法,可為應用提供模型斷面服務。根據輸入時間,返回指定時間點所有饋線的圖模信息文件。首先是版本搜索,根據輸入時間點搜尋起點大版本,以及起點版本與指定時間點間所有饋線的最新小版本。以圖4中紅色箭頭所指時間為例子,版本起點大版本為V2.0,饋線1最終版本為V2.02,饋線2和3最終版本為V2.03。然后是版本合并,按版本先后次序,依次用小版本圖模文件覆蓋起點大版本的圖模文件,得到指定時間點的圖模信息。

3工程實踐

基于未來態(tài)模型管理軟件已成為配電自動化主站產品重要組成部分,軟件功能通過國家電網有限公司包含多用戶模型維護、自動化調試的功能檢測。未來態(tài)模型管理是基于異動單的模型管理,異動單貫穿模型管理的整個過程,異動單的狀態(tài)表明模型維護的階段,并由此決定了下一步可執(zhí)行的操作,如圖5所示。配電網模型管理主要包括模型維護、模型審核、模型調試、模型同步四大步驟,其中耗時較長的前面三大步驟是在未來態(tài)下完成,模型同步是異動單級別或饋線級別的未來態(tài)到實時態(tài)局部模型、圖形的同步。未來態(tài)提供了離線模型維護、調試、測試的完整環(huán)境,為多用戶的同步維護提供了基礎,并最大限度地降低了對實時態(tài)運行環(huán)境的影響。通過未來態(tài)部署饋線自動化、潮流計算等應用,還可對圖模質量進行更深層次的評估。按照源端唯一的思想,模型維護在其他的配電業(yè)務系統(tǒng)中需求同樣存在,如配電網省調集中監(jiān)管系統(tǒng)。配電網省調集中監(jiān)管系統(tǒng)的模型、圖形、斷面數據文件來自于各地區(qū)配電自動化主站系統(tǒng),因而可以省略圖5中未來態(tài)下綠線框異動審核、自動化調試環(huán)節(jié),通過調整異動單狀態(tài)流轉前置和后置條件,省去人工參與環(huán)節(jié),因此可構建集中監(jiān)管系統(tǒng)的圖模全自動維護軟件。基于模型版本管理,結合歷史數據,還對任一地縣的歷史斷面進行配電網經濟性、可靠性的分析。該軟件2016年底投入現場,已實現福建省十多個地縣圖模信息的自動收集,每個地區(qū)每天模型異動饋線數量平均在20條以上,系統(tǒng)可以及時自動接收模型變更信息并自動更新在線運行的實時庫,支撐全省配電網集中監(jiān)視功能,在多區(qū)域模型并發(fā)更新方面已滿足功能和性能要求。

4結語

未來態(tài)配電網模型管理綜合運用未來態(tài)建模技術、主配電網圖模數據接入技術、圖庫一體化技術、基于異動單的模型管理、基于模板的前置配置和自動化調試技術等技術,實現系統(tǒng)離線環(huán)境的模型維護調試和在線環(huán)境的自動局部增量更新。基于完整、獨立的未來態(tài)環(huán)境研發(fā)的配電網模型管理功能,為模型自動化調試、地縣一體模式下多用戶并發(fā)維護提供支撐,并為圖模應用級驗證提供了可能,使得配電網模型管理更加完善。同時,充分考慮了配電網模型的特點和模型變更的特點,采用基于異動單全量模型、饋線粒度的增量模型的存儲方法,實現了配電自動化系統(tǒng)在線和歷史模型的版本管理。為基于歷史數據的應用分析提供更加準確的模型版本,也為配電網大數據平臺模型數據的存儲和管理提供新方法和新思路。由于篇幅限制,本文未考慮方式異動對圖模數據接入和終端調試的影響,將此作為后續(xù)進一步研究的方向。

作者：陳宇星1;馬志斌2,3;李晨4;黃文英1;周濟1;張小嬌2,3 單位：1.國網福建省電力有限公司,2.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司，4.國家電力調度控制中心