变电站远动数据模型升级功能的设计与实现

周奕帆， 颜友军， 祁 忠，彭 闯

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

随着数字化、智能化变电站技术的研究和推广以及变电站监控系统的发展，站控层信息融合、综合利用、应用贯通的要求逐步提高，变电站需要具备数据的统一采集、处理、储存、传输、信息校核以及图模源端维护的能力[1-10]。

远动机作为变电站和主站之间的信息接口，在子站全景数据采集、功能整合、应用贯通、消除信息孤岛等方面的重要性不言而喻。而国内部分地区变电站监控系统[11-12]建设投运时间早，运行年限长，远动机的性能无法满足现有智能变电站的双平面运行、安全防护等新要求。

为了解决这个矛盾，应对原有的站控层通信设备进行全面的技术升级改造，以适应当前电网的运行要求，消除系统安全运行隐患。今后较长的一段时间将处于传统的变电站向智能化变电站过渡改造的时期[13]。仅2015—2016年，北京、浙江和福建地区就完成了大量变电站综自系统的改造[14-15]。改造前后远动数据建模方式差异很大，无法直接复用原先的组态。

在这种状态下，如果人工重做数据组态，不仅工作量大，拉长实施工期，而且数据完整性和正确性难以保证，会造成潜在的电网运行隐患。为了解决这个矛盾，亟需研究和开发模型升级转换功能。本文针对远动数据模型的特点，提出了通用性的解决方案。该方案在运维人员较少干预的情况下，可以实现对远动数据模型的升级和转换。

1 方案概述

为实现远动数据模型升级/转换的功能，首先要对原有数据模型的版本进行校验和核对。对于可识别的版本，启动数据升级功能。反之，则提示错误后退出，基本流程如图1所示。升级转换有全自动和半自动两种模式。

图1 基本流程Fig.1 Flow chart of upgrade conversion

全自动模式：新旧型号远动机的组态配置信息升级转换由程序自动完成，整个过程不须人工干预。实施过程可通过新旧远动机间的在线交换服务，也可依赖远动机的离线配置工具完成。模式转换的成功实施必须并至少满足以下一个前提条件：

(1) 新远动机可以直接使用旧远动机的组态配置。

(2) 旧远动机的组态包含新远动机所需的全部配置信息并且无损转换。

半自动模式：组态配置信息升级转换的过程，需要一定程度的干预和再加工，整个转换过程通常由远动机的组态工具来实现。该模式虽然依赖人工干预，但是灵活性和弹性大，可适应性强，具有更强的适配性。

结合当前的实际情况，变电站远动通信技术的发展经历了总控、站控层组网、IEC 61850智能化等不同阶段[13-15]。总控阶段(如图2所示)的主要特征是：远动机与二次设备以各种现场总线技术实现信息互通，通信规约多为私有协议。远动机既为调度数据网转发数据，也为变电站监控后台提供数据。站控层组网阶段(如图3所示)：通信方式早期以串口RS485现场总线为主，后期则采用以太网络为主要形式，通信规约一般为IEC 103规约及其各种扩展形式。这一时期，远动机和监控后台的数据采集功能开始独立，远动机只为调度数据网转发数据。

图2 总控型远动机网络结构Fig.2 Network topology for master-gateway

图3 站控层组网远动机网络结构Fig.3 Network topology for substation layer-gateway

在当前的智能化变电站阶段(如图4所示)：基于IEC 61850框架的通信方式成为业内共识，远动机与站内的智能设备(intelligent electronic device, IED)的通信方式为多媒体消息业务(maunfacturing messaging service, MMS)。除了完成传统的数据转发外，远动机还需要为高级应用提供数据支撑和信道支持。

图4 智能站远动网络结构Fig.4 Network topology for MMS-gateway

由于远动机站内通信架构持续演化，导致远动机程序架构和外部硬件结构(板卡插件、通信口数目不同)不断变化，难以满足全自动模式的前提条件。而半自动模式由于其灵活性，适用场景更加广泛。

本文以半自动模式为基础，对远动模型的自动升级功能进行设计。

2 系统设计

2.1 组态模型分析

从远动装置的角色入手进行分析，远动机可以看做变电站和调度系统之间的一个网关装置，采集变电站二次信息并向调度数据网进行转发。从数据角度分析，远动数据分为站控层接入模型、站内二次信息模型、逻辑合成计算模型和转发模型，如图5所示。

图5 远动组态数据模型Fig.5 Data object model of gateway

二次信息模型：包含接入装置和六遥测点信息。

合成计算模型：包含算数、逻辑运算等合成信号的信息。

站内接入模型：包含远动机站内数据接入通道的信息，例如IEC 103通道、IEC 61850通道、Modbus通道。

转发模型：包含远动向调度数据网转发的通道信息，例如IEC 101通道、IEC 104通道、循环远动规约(central daylight time，CDT)通道。

不论远动机厂家和具体型号的差别，数据模型必然符合上述特征[17-18]。

2.2 组态升级/转换方案

根据组态模型的基本特征，新旧远动机组态按照二次信息、合成计算、接入、转发和规约参数的顺序进行转换。

二次信息模型转换：远动组态二次信息包括接入二次设备的六遥信息和远动本体的六遥信息。接入设备信息在远动装置更新换代后并不会发生变化。IEC 103规约以组号/条目号标识信息点，而IEC 61850以reference来标识信息点，可以直接进行模型转换，保存成新远动组态的存储格式(文件或数据库)。远动本体的六遥信息(各通道状态、插件状态等信息)，前后两个版本不大可能完全相同。需要根据映射文件来完成转换，无法转换的六遥测点记入异常记录。

合成计算模型转换：对于每一个表达式，首先进行运算符类型的分析。如果原模型包含新远动装置无法支持的运算符类型，该表达式无法转换，并计入异常记录。反之，则对参与运算的六遥测点进行分析，如果全部的六遥测点都在新模型中检索成功，则转换成功。如果出现某些测点在新模型中不存在，则先用空点替代，并计入不完全转换记录。

接入模型转换：首先分析新旧远动模型中插件、端口的数目和分布关系。如果可以兼容，则由程序自动匹配，不能兼容，则提示人工匹配。例如旧远动机插件有N个串口，新远动机插件有M个串口，如果N>M，则旧远动机的某些串口通道在新远动机上可能需要配置到其他插件的不同端口上。端口配置完毕后，对端口的规约参数需要进行转换(规约参数的转换在后续段落描述)。

转发模型转换：将旧组态转发表的所有六遥信息(包括接入的二次设备信息、远动装置本体信息、合成计算)提取出来，根据标识在转换后二次信息、合成计算模型中检索。如果检索成功，则用检索到的信息替换；如果检索不到，则用占位点替换，以保持调度点号顺序不变，并计入异常记录。

规约参数转换：需要新旧远动机提供各主要规约参数的升级文件。升级文件描述了前后规约参数的映射关系。对于都存在和兼容的规约参数，转换后仍采用旧组态的配置值；新增的规约参数采用默认值；删除的规约参数直接移除，并计入告警记录。

2.3 程序架构设计

根据上文的方案，本节以南瑞继保电气有限公司的远动机升级为例，进行程序设计(如图6所示)。

图6 程序架构Fig.6 Program architecture diagram

程序架构采用开放式插件的平台，由主程序、插件管理器和插件三部分构成。

其中主程序作为插件系统的宿主程序，是软件应用进程载体。

插件管理器是插件平台的核心部分，负责各功能插件的装载及卸载，管理插件及其状态，定义对象池，用于在各插件间传递对象，并定义接口，所有纳入系统扩展层管理的功能插件必须从该接口派生。它能够快速地使用提供的插件，通过组合这些插件并定义其交互，以搭积木的方式构件系统功能。

插件是实现模型升级功能的动态库。由于工程现场远动装置型号种类繁多，因此模型升级必然牵涉到多个不同的升级组合方式，每一种升级组合可以定义成一个具体的插件。

2.4 插件接口设计

插件系统提供了插件接口类ConvertPlugin，如图7所示。此类是插件开发的重要类，任何插件必须继承该类。

ConvertPlugin是一个抽象类，它并没有提供方法的实现，每个插件在继承此类时，必须实现基类的虚函数。插件接口类的函数说明如下：

OpenPrj函数负责打开原组态，并将打开的结果和数据通知插件管理器。

ReadDevInfo函数负责读取原组态的二次装置信息，包括远动装置站内接入的保护装置、测控装置、保测一体装置等信息以及远动装置的本体信息。

ReadPointSets函数负责读取原组态二次装置下对应的测点信息，包括装置下所有的六遥测点信息。

ReadLogicInfos函数负责读取原组态合成计算信息。

ReadPassage函数负责读取原组态通道信息，包括对调度转发通道或对站内接入通道信息。

ReadForeTables函数负责读取原组态调度通道下转发测点信息。

ConvertDevInfo函数负责转换二次装置信息。

ConvertPointSets函数负责转换六遥测点信息。

ConvertLogicInfos函数负责转换合成计算信息，包括新旧组态合成计算表达式格式，存储格式的转换。

ConvertPassage函数负责新旧组态通道参数的转换，比如104通道参数。

ConvertForeTables函数负责新旧组态转发表数据的转换。

ConvertProtocolPara函数负责规约参数转换。

图7 插件接口设计Fig.7 Plug-in interface

3 应用实例

按照上文原则设计的远动模型升级工具，首先在浙江省杭州地区110 kV昭庆变得到了实际应用，如图8和图9所示。图8是转换配置界面，图9是转换结果界面。

通过远动机组态工具的转换功能，先打开旧有远动机的工程组态，再手动配置新旧组态的通信端口对应关系等，最后完成组态转换。整个过程耗时不足1 h，大大提高了工程实施效率。

图8 转换配置界面Fig.8 Configuration UI

图9 转换结果界面Fig. 9 Conversion UI

根据浙江、福建等地前后23个变电站的反馈数据，远动系统改造的平均时间由预期的7～10个工作日，缩短为3个工作日；远动机新旧模型的转换率达到96.3%，正确率达到92.7%，改造后的变电站运行情况良好。

4 结语

本文描述了一种基于远动组态工具的、半自动的变电站远动模型升级方案，设计了一种面向对象的通用远动模型升级转换框架。该方案在常规、智能变电站远动装置升级改造的过程中，能够充分的利用变电站已有的资源(配置产物)，减轻远动自动化信息录入、转发、核对的工作量。并且在技术上保证了远动信息转换后的完整性和准确性，降低了人为重做组态导致的风险，使整个改造过程更加合理和高效，值得进一步推广。

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