智能变电站SCD模型解耦技术的研究与实现
★中国电工技术学会出品★
致力于产业界与学术界融合创新的品牌会议
①浏览会议通知，请戳下面标题 ☟
☞第二轮通知︱2018第十二届中国电工装备创新与发展论坛暨第八届电工技术前沿问题学术论坛
②参会注册，请长按识别下方二维码 ☟（先注册网站会员，然后提交报名信息）
许继电气股份有限公司的研究人员张义、魏勇等，在2018年第6期《电气技术》杂志上撰文，为提高智能变电站SCD模型管控水平，降低变电站运维风险，研究SCD模型解耦技术，并提出实现方案。
①面向业务对模型文件进行逻辑解耦，根据业务分类规则提取出业务相关配置数据，以分类业务数据视图展示模型文件，通过分配业务权限来管理业务数据的浏览与修改，满足不同业务的管理需要；②面向间隔对模型文件进行物理解耦，根据间隔划分规则拆分SCD模型，通过锁定或开放不同间隔配置数据的方法，从人员可靠性因素方面考虑，降低传统直接修改模型文件方式对已投运间隔模型可能造成的误改或错改风险。
智能变电站利用SCD（substation configuration description）模型文件实现了对变电站一次系统拓扑、功能拓扑和通信拓扑的完整描述，提高了工程配置的效率和标准化程度[1]。但是，SCD文件信息量大、专业性强，文件变动后必须重新进行校验和调试，运维管理难度较大。
近年来，模型文件的管控已成为智能变电站领域研究的热点之一，也是有关各方关注的重点。为了规范和管控智能变电站模型，对模型文件校验[2]、模型文件差异比较[3]、模型文件可视化管理[4-5]、信息建模标准化设计[6-8]、配置一体化[9-10]、模型文件管控[11-12]等方面进行了研究，部分成果已在实际工程中推行应用。国内也制定了智能变电站模型配置及管理相关规范及标准，并组织了模型文件及配置工具的一致性测试。
但仍有一些亟待解决的问题，例如：①SCD模型文件过于专业且不同业务配置信息混合在一起，变电站运维或专业管理人员无法快速定位所关注业务的信息，模型维护和管控只能依赖设备厂家或系统集成商进行，不利于变电站检修管理、专业管理和监督等工作；②变电站设备更换或者后期改扩建，模型文件必然需要更改，而改动风险不易控制，往往通过大范围停电或全站停电来调试和确认功能的正确性，之后才能投运。
本文从面向业务和面向间隔两方面把SCD模型文件进行解耦，简化了智能变电站模型文件的修改编辑验证流程，向不同的专业岗位直观展示所需的修改过程和内容，提高了智能变电站模型文件的管理水平及系统运行可靠性。
1 解耦技术及思路
SCD模型文件中包含了设备模型、数据信息、网络信息等智能变电站全站设备及网络信息，语法复杂、信息量大、专业性强[13]。文件主要由5个部分组成[14]，如图1所示。
图1 SCD模型文件结构
1）头节点（Header）。主要包含历史版本相关信息。
2）变电站节点（Substation）。包含间隔划分信息及一二次设备关联信息。
3）通信节点（Communication）。包含全站二次设备通信信息。
4）装置节点（IED）。变电站二次设备模型信息，包含装置实例化相关信息。一个间隔一般包含多个IED。
5）数据类型模板节点（data type templates）。包含全站数据类型模板信息。
在变电站工程中，为了保证变电站的安全运行，变电站有详细的业务分工，运维人员对变电站业务进行分类管理，并不需要关心模型文件中的所有信息。从变电站运维管理角度出发，从SCD文件中提取出业务相关配置数据，以分类业务数据视图展现文件内容，实现业务配置信息的分类和基于业务权限的模型管理，不同业务具有不同的数据视图，不同的专业管理人员看到不同的数据配置内容。
另外，智能变电站投入运行以后，需要进行检修管理、设备更换及后期改扩建。模型文件部分经常需要改动，也许只是一个设备的更换导致SCD模型文件发生变化，但为了运行安全，往往需要整站停电全部调试再投运。实际上，变电站间隔内相对独立，间隔之间存在少量虚端子连线。
变电站往往以间隔为单元进行改扩建，通过模型间隔解耦，把需要修改的目标间隔的配置信息从SCD文件中分割出来，采用间隔配置文件分解隔离、跨间隔配置关联分析等技术手段，对不同间隔的配置信息进行区别化管控，降低传统无防范地直接修改对已投运间隔模型造成误改或错改的潜在风险，并增加文件改动分析和影响评估功能，满足智能变电站改扩建时模型文件变更的安全管控需求。
模型解耦功能在系统配置工具中承载和实现。系统配置工具增加业务管理模块和间隔管理模块来支持模型解耦功能。业务解耦功能模块提供业务解耦配置和业务数据浏览等功能；间隔管理模块提供间隔文件分解、编辑、合并等功能。
2 业务解耦
业务解耦是指面向智能变电站业务进行模型文件逻辑解耦，首先将智能变电站业务划分为保护、测量与控制、在线监测、安稳、计量、公共等业务；其次，解析SCD文件，按照数据业务分类规则识别文件中配置数据的业务归属，提取业务相关配置数据；最后，采用分类业务数据视图来组织和展现SCD文件内容，满足不同业务管理需要。
变电站系统配置工具按不同业务的关注范围进行业务分类视图浏览和管理，每个业务下的数据视图按数据应用类型进行分类显示。业务按照保护、自动化、在线监测、计量、公共部分进行划分。
2.1 数据的业务分类
根据业务解耦思路，实现业务分解关键是要寻找识别SCD配置数据的归属业务的规则。基于设备类型进行业务归属划分，表1列出了变电站常用的二次设备及其所属业务、所属专业的关系。
表1 常见二次设备业务归属表
2.2 应用数据的分类
在明确每个数据业务归属的基础上，针对保护、测量与控制、计量、在线监测、安稳等业务分类基础进行每个业务应用数据分类定义。应用数据是指工程现场调试的应用数据，与模型中逻辑对象、GOOSE、SV、逻辑节点、数据对象等原始分类数据区分开。
应用数据包含遥信、遥测、遥控、保护事件、保护压板、保护定值、二次回路、通信配置等应用分类数据，应用数据浏览分解是在业务解耦模型的基础上进一步解耦。每个业务类型包含的应用数据见表2。
表2 业务应用数据
2.3 业务配置
目前，尚无标准对所有智能变电站二次设备所属业务及业务应包含的应用数据给出详细的分类，变电站系统配置工具可采用业务分类可配置的办法来满足不同工程化需求。本文依据IEC 61850标准和国网IEC 61850工程继电保护应用模型[15]，对SCD模型文件与变电站业务及应用数据的映射提出以下两种方案：
1）业务模型中配置的是逻辑设备（LD）和数据集（DataSet），不同业务配置不同的LD和DataSet，系统配置工具根据LD和DataSet分别显示到不同的视图中，遥控数据遍历LD中所有控制对象（根据CDC类型）到简单类型DO。这种配置方案适合变电站运维管理人员。
2）业务模型配置只配置LD，遍历此LD下所有DO（根据CDC类型）分别显示到不同视图。如果是带角度的量测数据对象，则将DO延伸到DA层并映射为两个对象cVal.mag，cVal.ang，其他数据直接映射到简单数据对象类型DO。这种配置方案适合专业的变电站设计人员或工程人员。用户根据不同的需求，定制不同的业务视图，从不同专业角度浏览变电站系统配置。
3 间隔解耦
间隔解耦把目标间隔的IED从SCD文件中分离出来，生成独立的间隔文件（bay configuration description, BCD），根据需求对目标间隔文件进行修改编辑，剩余部分生成另外一个文件，称之为锁定文件（LOCK.BCD），该文件处于锁定状态，不允许编辑。目标间隔修改完成后，间隔文件与锁定文件进行合并处理。
面向间隔解耦包括间隔文件分解、间隔文件编辑、间隔文件合并3个步骤。而文件合并需要进行文件合并、文件编辑、一致性验证、文件差异比较和波及范围统计分析处理，流程如图2所示。
图2 间隔解耦及合并处理流程
通过间隔解耦及严格的文件管理控制流程，把变电站部分间隔的改造对全站其他间隔的影响降到最小。下面依据SCD模型文件结构，分步骤说明间隔解耦实施方案，以满足变电站改扩建对SCD模型变化的可靠性需求。
3.1 间隔文件分解
文件分解是间隔解耦的第一步。根据实际工程需求，把配置文件中需要改扩建间隔的设备与其他设备进行分离，拆分SCD文件为BCD文件和LOCK.BCD文件，BCD文件为目标间隔的模型文件，导出后进行编辑修改，满足工程改扩建需求。其余部分保存到LOCK.BCD文件，禁止修改。
对SCD模型文件分解时针对不同的数据节点采取不同的处理方法，头节点包含版本和历史信息，而对BCD文件中不需要，通信节点和模板节点包含全站的信息采取冗余处理的方式，重复复制到BCD文件中，表3给出了具体分解方法。
表3 SCD文件节点分解方法
3.2 间隔文件编辑
间隔文件的编辑是根据需求对BCD文件进行编辑。工程改扩建主要包括：设备修改，设备增加、设备删除几个方面，对应BCD文件的操作：IED修改、IED增加、IED删除；模型文件中需要处理通信、数据类型模板、虚端子连线相关节点信息。为尽量避免对其他间隔信息的误修改，BCD文件编辑应满足以下处理原则。
1）BCD文件中的IED节点和变电站节点只属于本间隔。允许增加、修改、删除间隔内某个IED，并针对IED的变化修改变电站节点中的一、二次关联信息。
2）BCD文件中通信节点和数据类型模板节点的编辑应该限制处理，本间隔对应的通信和数据类型模板信息允许编辑，非本间隔数据禁止编辑。
3）应禁止间隔间的虚端子连线（Inputs）编辑，IED删除导致跨间隔的虚端子连线信息无效，应在间隔文件合并后进行检查并处理。
表4列出了针对BCD文件中不同节点的处理方法。
表4 BCD文件编辑方法
LOCK.BCD文件在BCD文件合并之前，处于锁定状态，不允许任何修改。从管理角度考虑，LOCK.BCD对运维人员是不可见的。
3.3 间隔文件合并
间隔文件BCD编辑完成后，与LOCK.BCD合并完成生成新的SCD文件，新生成的SCD文件首先需要进一步完善间隔间的虚端子连线。另外，为了保证文件的正确性及一致性，需要进行验证、差异比较、波及范围分析，因此间隔文件合并又分为合并、编辑、验证、比较和分析几个步骤。下面分别给出实施方案。
1）合并
BCD文件的合并应保证LOCK.BCD文件中原有信息的完备性，导出的BCD文件包含Substation、Communication、IED、DataTypeTemplates四类节点信息，不同节点合并处理方法不同：
（1）Header节点。BCD文件中不存在Header节点，合并LOCK.BCD文件中的Header节点为新生成的SCD文件Header节点，并生成新的版本信息，记录变化内容。
（2）Substation节点。BCD文件中的Substation只包含对应间隔的变电站信息，导入时直接插入LOCK.BCD的Substation节点下相应信息即可。
（3）Communication节点。以BCD文件中的Communication节点为基准，展示与LOCK.BCD的差异并告警，BCD文件中的Communication节点覆盖LOCK.BCD文件中的Communication节点。
（4）IED节点。BCD文件与LOCK.BCD合并时，检查是否存在IED冲突，若存在冲突，则终止合并并告警。
（5）DataTypeTemplates节点。以BCD文件中的DataTypeTemplates节点为基准，展示与LOCK.BCD的差异并告警，BCD文件中的DataTypeTemplates节点覆盖LOCK.BCD文件中相应节点。
合并时首先检查是否存在IED冲突，若发现两个文件IED存在冲突，则应立即终止合并文件，同时进行配置信息变化比较及告警。变电站系统配置工具以可视化图形方式，直观展示所有合并冲突及配置变化的信息。
2）编辑
这个步骤的编辑是针对合并后的SCD文件的编辑。首先，文件分解后，BCD文件禁止对间隔之间虚端子连线进行编辑，但BCD与LOCK.BCD实际存在间隔之间的虚端子连线配置需求，所以，合并后需要进一步进行间隔间虚端子连线配置，以完成间隔之间数据信息交互。其次，前面介绍BCD文件合并时DataTypeTemplates节点采取了完全覆盖的冗余处理的方式，合并后的SCD文件中应该删除这些冗余信息，避免冗余信息累加导致SCD文件越来越大。
3）验证
BCD文件解耦合并，会产生虚端子连线信息无效、实例化对应的数据模板不存在等一致性问题，必须对合并所得SCD文件进行一致性验证。若一致性验证不能通过，则提示工程人员进行修改或者终止本次文件解耦操作。一致性验证通过后，重新计算全站CRC并生成新的历史版本号记录到SCD文件[16]。一致性验证与SCD编辑应该是一个迭代完善的过程。
为确保合并后新生成SCD文件满足一致性验证要求，本研究团队在智能变电站配置工具软件新增开发了一致性验证模块，该模块包括两部分内容：IEC 61850语法一致性验证、工程应用信息语义一致性验证，语法验证严格满足IEC 61850第10部分的要求，并通过了Kema公司的A级认证测试；语义一致性测试严格遵照《IEC 61850工程继电保护应用模型》、《智能变电站二次系统信息模型校验规范》要求进行逐条验证。这两项内容目前已通过开普检测中心的入网测试。
4）差异比较和分析
为方便生产运行人员直观了解、掌握版本的变更内容，新生成的SCD文件需要与原版本的SCD文件比较，以图形、属性列表等直观可视化方式展示两个版本配置差异，并针对差异比较结果生成波及范围分析报告，为运维人员判定配置文件的正确性提供支持。
主要包括：（1）通信子网差异比较。比较子网内的访问点、控制块通信、IP地址、MAC地址等信息。（2）控制块差异比较。比较IED控制块及其属性信息。（3）数据集差异比较。比较IED数据集属性、成员个数、成员属性信息。（4）虚端子连线差异比较。比较IED虚端子连线信息。
波及范围分析报告是根据差异比较结果，分析信息差异对变电站各个间隔产生的影响，生成本次操作的波及范围分析报告。
波及范围分析报告应包含以下内容：（1）目标间隔中IED变化统计。包括删除、修改、增加。（2）目标间隔存在虚端子连线变化的IED统计。（3）间隔间虚端子连线变化统计。（4）目标间隔的改造对站控层数据流的影响。
4 文件解耦管理
从智能变电站文件管理角度考虑，文件解耦应满足《智能变电站配置文件运行管理模块技术规范》和《智能变电站配置文件管理规定》。配置文件解耦管理是智能变电站配置文件管理的一部分，应支持工程现场对配置文件的管理，保证配置文件数据安全性及数据同步。
SCD文件的签出流程应该严格按照智能变电站在线或者离线管理流程执行，SCD文件解耦工作完成并通过调试后签入配置管理服务器，差异比较结果和波及范围分析报告需要一并签入[17]，便于现场工程人员及后期运维人员浏览及使用。
5 应用分析
智能变电站常发生人为因素导致模型配置错误，出错原因主要有：①模型文件中设备太多且设备的名称相近；②模型文件修改流程缺乏严格的控制手段，工程人员没有严格按照先间隔内、后间隔间的顺序修改。配置错误如果到现场运行或者集成调试阶段才发现，将大幅增加智能变电站的调试成本。
通过对公司工程技术服务信息管理系统在智能变电站调试服务数据统计分析，得到增加模型解耦功能前后智能变电站模型配置调试时间变化，见表5。
表5 模型文件SCD配置耗时比较
从表5数据可知，通过文件解耦，减少了模型配置时间，模型越复杂，效果越明显。调试效率提升的原因可归纳为：①复杂模型分解为简单模型，编辑操作相对简单，不易出错；②模型配置严格按照先间隔内后间隔间的顺序操作，降低错误概率；③通过解耦中的验证、比较和分析功能及时发现配置错误，降低重新配置调试的几率。
本文按照不同的业务分类把SCD模型文件逻辑解耦，不同业务用户获取不同业务视图，满足了不同专业的需求。按照间隔把SCD模型文件物理解耦，只对目标间隔进行操作，规范了工程人员模型文件编辑流程，从人员可靠性因素方面考虑，降低传统人为无防范地直接修改整个SCD，对模型造成误改或错改风险。
智能变电站信息模型逐渐成为变电站运维管控的重要部分，国家电网公司组织了多次模型配置及工具相关会议，配置工具的易用性、模型文件易维护性成为用户关注的重点。本文研究成果可以减少人为因素导致的模型配置错误，提升智能变电站运维效率。