DQZHAN技術訊：調度和變電站自動化系統的貫通技術剖析
摘要：當前的電網調度與變電站自動化系統之間存在大量的重復性工作，而相互間的獨立性又很強，不利于其高效率、高可靠和智能化發展，客觀上有加強貫通性設計的需求。對限制調度和變電站自動化系統應用貫通的模型、數據、圖形、通信規約等基礎問題進行了梳理，分別從模型、數據庫、圖形一致性和通信規約支撐4個方面對貫通技術進行剖析。指出統一的模型及其配置機制是實現調度和變電站自動化系統貫通設計的基礎，數據庫一致性是減少兩端重復工作、實現高效和智能化互動的關鍵，在模型和數據庫一致性基礎上，圖形共享和通信規約方案有靈活的選擇方式。
關鍵詞 : 調度自動化系統;變電站自動化系統;電網模型;貫通;智能變電站
基金項目：國家電網公司科技項目(SGSXYQ00XTJS1700121)。
0 引言
貫通就是將原來分散、獨立的事物或元素，通過相互作用和緊密配合，獲得更高的協調性。集成則更進一步把它們合并為一個有機整體。貫通和集成在電力自動化技術的發展過程中有特殊重要的意義，并且是智能電網發展的重要趨勢[1]。
調度和變電站自動化系統的發展也經歷了漫長的貫通和集成過程。調度端從*初的數據采集和監視(SCADA)、自動發電控制(AGC)、負荷預測、發電計劃和故障分析等功能逐步發展到“一個調度中心內部有10余套獨立的應用系統”[2]，近年來才進一步集成為1個平臺、4大類應用[3]，今天的調控一體化、省地一體化、縣地一體化正在延續和加強這種趨勢[4-9]。變電站端也類似，從*初的控制屏臺、表計設備，發展到微機監控、微機保護，其中的監控、保護、計量，乃至后臺、前置、二次設備等專業藩籬顯著，直到網絡化技術的廣泛應用、IEC 61850的推廣，才逐漸實現了目前功能集成化、結構緊湊化、一次設備智能化的設計[10-13]。
調度和變電站自動化系統之間存在著復雜的相互聯系：1)兩者間有許多業務是重疊的，例如建模、數據維護、監控業務、保護管理等，這影響了總體集約性;2)為了保證業務重復部分的一致性，增加了很多中間環節和步驟，突出體現在通信點表的維護和處理上;3)兩者間存在著復雜的模型、數據、指令和系統互動關系;4)系統和業務的分割限制了自動化系統的智能化發展。
多年來，雖然也進行了調控一體、集控系統等集成化嘗試，但都沒有改變調度和變電站自動化系統作為兩類獨立系統的基本框架。在難以直接集成為一套系統的情況下，應該加強調度和變電站自動化系統之間的貫通設計，即盡量減少兩者間的重復工作，增強調度與變電站自動化系統在模型、數據、圖形、業務功能等方面的共享和協同，其實質是兩端人工和自動化工作的共享和集成。
本文對限制貫通設計實現的各類基礎問題進行了梳理，分別從模型、數據庫、圖形、通信規約、**管理等方面進行了深入分析，并以此為基礎進一步對調度和變電站自動化系統的貫通方案進行了綜合分析和展望。
1 現狀和問題
調度和變電站自動化系統貫通設計的自然屏障在于其地理位置間隔，實質即廣域通信問題。目前大多數變電站還是通過2M或2×2M鏈路接入調度數據網匯聚點。這一基礎條件可能逐步提升，但與局域網通信條件是無法相比的。
當前兩端廣域貫通的現狀和關鍵問題如下：
(1)模型不同。調度端使用的是IEC 61970中規范的公共信息模型(CIM)，以此為基礎，近年來國內推廣應用的是更為高效的CIM/E模型[14-16]。目前調度模型主要包含調度應用所需要的部分變電站一次設備模型(單相)。變電站端使用的是IEC 61850模型，其配置描述(SCD)模型文件更為詳細，以二次設備模型為主，對一次設備采用三相模型，包含大量目前調度端應用尚未使用的信息。為統一兩端的模型表達，當前已開展了大量研究，研究思路主要包括直接統一模型、模型映射、代理轉化、通過統一語義模型支持雙向轉化等[17]，這些研究都有一定的應用，但都沒有**解決模型一致性問題。
(2)數據差異。數據和模型緊密關聯，每一個數據都對應到模型上一個具體對象的屬性或變量。不論CIM模型還是SCD模型文件，都是復雜的網狀或樹狀結構。當前數據庫還是以關系型為主，層次式、網狀或者面向對象數據庫技術還不是主流，所以在兩端自動化系統實現中主要還是以二維關系表的方式存儲數據，模型則隱含在數據表結構的設計中。主流的調度和變電站自動化系統只是以不同的二維表按自己的模型和規則存儲數據。對于數據庫中數據與模型的關聯關系，有的自動化系統由應用軟件編寫在程序中，有的直接在數據表中設置單獨域存儲該數據在模型中的路徑。這樣，就造成了同一個對象數據，在兩端的自動化系統中，分別對應不同的模型位置和數據表位置。
(3)圖形差異。變電站站內監控圖形更詳細和豐富一些，通常調度端只要每個站的主接線圖和部分工況圖，而且圖上的監控對象也較少，但一個調度可能負責幾十上百個變電站的監控，其所牽涉到的數據來源更加復雜。雖然也存在著一些相關自動化系統圖形標準，如可縮放矢量圖形(SVG)、CIM/G[18]等，但圖形差異的關鍵在于，圖形要反映的電網實際情況是需要關聯數據并不斷刷新的。這些導致調度和變電站端不得不重復作圖，并且要維護與各自數據、模型的一致，特別是調度端需要監控眾多變電站，情況更加復雜。
(4)通信規約需求多樣。在IEC 61850廣泛應用之前，調度和變電站端之間主流是使用IEC 60870 102/103/104等規約，按點傳數據(此類規約中組號、功能號、信息號的分法實質還是數據編號)，在兩端需要分別做協議中數據點與本身數據庫、模型的對應轉化。這些規約的特點在于傳輸效率較高，但不夠靈活、**。其實智能變電站明確要求“與主站通信時強調模型信息也要傳輸”[11]。IEC 61850通過抽象通信服務接口(ACSI)提供了數據與模型緊密關聯的通信方式，但前提是雙方具有相同的模型(否則就需要某種IEC 61850模型代理服務)。這種通信方式克服了按點傳輸數據的缺點，但也提高了通信帶寬要求。
(5)調度系統的規模和復雜性限制。在調控一體化、地縣一體化建設中，不僅國/分電網調控系統，甚至一些大型地區的電網調控系統其“四遙”信號規模也已達到***別[7]。調度系統所面對的電網模型越來越復雜，其相關維護工作量巨大，面對提高全局決策和新能源消納能力、進行大范圍資源優化配置等要求，傳統集中式調度已經達到或接近了當前集中式處理方式的極限，不得不開展類似分布式處理、云計算等技術的應用研究[7-8,19]。迫切需要加強兩端貫通研究，通過自動化手段降低調度端的工作負載。
兩端自動化系統貫通的基本框架如圖1所示。其中實線表示有實際的數據交互，虛線表示有對應關系，但具體交互要通過其他方式完成。
圖1 調度和變電站自動化系統貫通基本框架示意圖
Fig. 1 Basic framework of the interconnections and interactions between dispatching and substation automation systems
實際上，一個調度端可能需要和眾多變電站實現交互。當其中任一個變電站端新建或改變模型時，調度端多數情況要重新建立模型，部分研究可實現根據變電站端SCD模型轉化生成新的調度端模型，但離實用化和推廣尚有距離;當變電站模型改變時，調度端多數情況下需要重新畫圖并關聯數據，部分研究可在調度端實現變電站端圖形重用，但該圖所關聯的數據必須重新更換為調度數據庫中的數據;當變電站端增加了一個調度端也需要的數據采樣點，必須在調度數據庫中也相應地增加一個數據點，然后在通信點表兩端重新校對，分別做好通信點表與數據庫中數據的對應關系，如果影響到圖形中的數據關聯，還必須重新更新圖形上的數據關聯。
2 貫通技術剖析
在調度和變電站端都是同一廠家同一平臺的情況下，貫通技術問題就內部化了。這里主要是考慮開放式的異構產品應用，從模型、數據庫、圖形一致性和通信規約支撐4個方面對貫通技術進行剖析。
2.1 模型一致性
調度所關心的站內模型其實是變電站詳細模型的一個子集，對這一部分一致性的模型表達意味著對變電站對象的相同理解，有助于各類應用的交互和智能化發展，也便于管理。
CIM/E作為中國的推薦性標準[20]和IEC TC 57的技術規范[14]，已經得到廣泛應用，為模型的一致性貫通提供了重要支撐。但目前通過CIM/E定義的變電站設備類主要是從調度角度出發需要的一次設備模型和少量的采集模型，遠不能滿足變電站自動化系統的需求。已有不少針對CIM/E擴充的相關研究[21-22]。
CIM/E較為接近關系型表達，與持久化存儲的數據庫結構有直接的契合。在擴充完善CIM/E模型文件的同時，需要充分考慮：1)無損分解。需要把基于統一建模語言(UML)和可擴展置標語言(XML)表達的模型文件信息，及其內部的語義關聯信息，完整地轉化為關系型表。2)合理的存儲空間。為了減少在數據庫持久化存儲時產生大量冗余信息，需要充分考慮服從數據庫范式，主要是第3范式和BCNF(boyce codd normal form)范式要求。3)兼顧關系表的處理效率。當變電站模型采用CIM/E關系表達時，可能由于劃分的粒度太細，影響操作效率，局部冗余存儲有助于提高性能。
當前電網模型的統一規范化管理已成為研究和實踐熱點。文獻[4]論述了統一模型中心的構想，并設計為只有一次設備模型和部分與省級以上電網分析控制相關的二次模型信息才進入統一模型維護中心，驗證后進入統一模型發布中心。文獻[15]論述了一種調度應用多模型、離線和在線模型以及多級電網模型的一體化管理解決方案。在智能變電站建設中也開展了二次設備模型的規范化管理實踐[23]。
把調度和變電站模型關聯起來的統一規范管理將徹底實現電網模型的廣域共享、規范高效，為各類應用提供*堅實的基礎。但當前此類研究還比較缺乏，關鍵問題在于：1)兩端還未形成被廣泛認可的一致性模型表達形式;2)全網大模型過于龐大而難以驗證通過[4];3)關于統一模型的**保障、分級管理、維護機制等還需要深入研究。
2.2 數據庫一致性
數據庫一致性貫通有3層內涵，分析如下：
(1)數據庫中表示相同對象的表結構相同或兼容。如果已經具備模型一致性，那么相對比較容易實現，可以允許兩端的數據庫分別在同一個表中存在自己特有的屬性;反之比較困難，把不同的模型表達分解為相同的數據庫表結構，容易產生較多不規范操作，對系統的可維護性、擴展性和性能有影響。
(2)數據表中同樣數據對象的記錄號相同?？梢钥紤]分庫分表切分技術。在調度端，針對每個不同的變電站，采用不同的數據庫或者數據表，把一個變電站的數據集中存放;在變電站端，把與調度共同需要的數據集中存儲，并且保持記錄號一致。
(3)數據表中同樣數據對象的關鍵字相同。需要對變電站的數據對象統一命名和編碼。國內已有對于變電站一次設備的相關研究[24]，但對于大量的站內二次設備和其他信息的統一命名和編碼，則是一項巨大的工作。此項對于模型文件的源端維護、全網共享也有重要作用。
總體而言，目前此類研究還比較缺乏。
2.3 圖形一致性
調度與變電站端圖形的貫通需要考慮3個因素：1)采用同樣的圖形文件規范;2)具有模型一致性;3)具有數據一致性。對它們的組合情況分析如表1所示。
表1 調度與變電站自動化系統圖形貫通分析
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 通信規約支撐
調度與變電站的廣域分布性決定了通信規約的重要作用。當采用數據點性質的通信規約時，例如IEC 60870 104，通?？梢杂枚M制位反映遙信變化，以2～4個字節表示遙測或電度量數據，當然還要加上規約本身的開銷(由于只關注數據點位，開銷較小)。而結合模型的通信規約，例如IEC 61850 ACSI規約加上應用層的制造報文規范(MMS)映射，雖然獲得了自描述性、功能豐富等優勢，但規約本身的開銷是巨大的。此外，包括分相測量單元(PMU)通信、故障錄波、視頻監控、變電站安防等應用根據情況還需要更多額外的通信帶寬支持。
其實兩端具體采用哪一類通信規約，還取決于其模型與數據庫一致性貫通的情況，分析見表2。
表2 調度與變電站 自動化系統通信規約分析
Table 2 Analysis of data level communication protocol between dispatching and substation automation systems
從兩端貫通的角度看，通信規約的選擇和實現關鍵在于：1)與兩端模型和數據庫一致性貫通密切相關;2)需要在基于數據點和基于模型交互、通信效率和強應用支撐能力之間獲得均衡。國內目前已開展相關研究[25-26]。
3 綜合分析
綜合考慮調度與變電站自動化系統的貫通，數據是其中的關鍵。以數據庫表結構為基礎，模型其實也是一種數據的組織方式，CIM、IEC 61850相當于基礎公共模型，其上還有各類應用模型，模型轉化其實也是數據組織方式的轉化。在圖1的基礎上，圖2專注于調度與其中一個變電站自動化系統的互聯，從數據映射的角度對調度和變電站自動化系統之間的貫通設計進行了綜合分析，圖中標注了兩端的各類實際信息(數據)映射關系。圖2中各類信息符號的含義如表3所示。
圖2 調度和變電站自動化系統綜合貫通分析
Fig. 2 Interaction design of dispatching and substation automation system
表3 圖2 中各類信息符號的含義
Table 3 The meaning of all kinds of information symbols in Figure 2
抽取圖2中的映射關系得到圖3，其具體符號含義如表3所示。
圖3 調度和變電站自動化系統信息映射關系
Fig. 3 Information mapping relationship between dispatching and substation automation system
從圖3可以清晰地看到：調度和變電站端存在大量的重復性工作，而由于針對的是同一數據對象，還需要時時保持兩端的一致性。為保證兩端數據共享和交互過程中的一致性，增加了大量的中間環節，映射路徑眾多。兩端數據庫(X和X')作為圖3中連通度*大的點，其一致性貫通是避免兩端重復性工作和保持一致性的關鍵。
4 結語
調度和變電站自動化系統之間存在緊密的聯系，兩者間的廣域貫通設計是智能電網發展的重要趨勢。
對所存在的模型、數據庫、通信協議、圖形共享等關鍵問題進行了梳理，并對相關的技術進展進行了剖析，指出：1)模型一致是兩端貫通設計的基礎，在目前缺乏統一標準、已存在多種局部解決方案的現實條件下，CIM/E應用和統一模型管理是重要的突破方向;2)分析了數據庫一致性的3層次含義以及在避免兩端重復性工作和加強貫通設計中的重要意義;3)對各種模型和數據一致性條件下的圖形一致性、通信規約選擇問題進行了分析;4)從數據組織的角度對調度和變電站端存在的各類映射關系進行了綜合分析。
預期未來自動化系統開放、高效、共享的發展趨勢將持續推動調度和變電站自動化系統向貫通設計方向發展：1)模型作為共性基礎，對其進行統一管理具有重要應用價值;2)在兩端模型一致的基礎上，基于分布式技術的各類數據庫一致性將成為研究熱點;3)如表2所分析，在模型和數據一致的基礎上，可以靈活地根據需要采用基于點號或者數據模型的通信交互;4)圖形和各類應用協同是自動化系統智能化的具體體現，將隨著模型、數據庫、圖形一致性基礎的完善而逐步豐富。
參考文獻
[1] KEZUNOVIC M, VITTAL V, MELIOPOULOS S, et al. The big picture: smart research for large-scale integrated smart grid solutions[J]. IEEE Power and Energy Magazin, 2012, 10(4):22-34.
[2] 于爾鏗，劉廣一，周京陽. 能量管理系統( EMS) 第1講EMS的技術發展[J]. 電力系統自動化，1997，21(1)：65-68.YU Erkeng, LIU Guangyi, ZHOU Jingyang. Energy management system(EMS) part one technical evolution of EMS[J]. Automation of Electric Power Systems, 1997, 21(1):65-68 (in Chinese).
[3] 辛耀中，石俊杰，周京陽，等. 智能電網調度控制系統現狀與技術展望[J]. 電力系統自動化，2015，39(1)：2-8.XIN Yaozhong, SHI Junjie, ZHOU Jingyang, et al. Technology development trends of smart grid dispatching and control systems[J]. Automation of Electric Power System, 2015, 39(1):2-8 (in Chinese).
[4] 馮樹海，姚建國，楊勝春，等. “物理分布、邏輯集中”架構下調度系統一體化分析中心總體設計[J]. 電力自動化設備，2015，35(12)：138-144.FENG Shuhai, YAO Jianguo, YANG Shengchun, et al. Overall design of integrated analysis centre for physically-distributed and logically-integrated dispatch system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(12): 138-144 (in Chinese).
[5] 金芬蘭，王昊，范廣民，等. 智能電網調度控制系統的變電站集中監控功能設計[J]. 電力系統自動化，2015，39(1)：241-247.JIN Fenlan, WANG Hao, FAN Guangmin, et al. Design of centralized substation monitoring functions for smart grid dispatching and control systems[J]. Automation of Electric Power System, 2015, 39(1): 241-247 (in Chinese).
[6] 陳融知，屈譜，辛闊，等. 網省地縣一體化調度業務**性評價平臺研究及應用[J]. 中國電力，2016，49(9)：83-86.CHEN Rongzhi, QU Pu, XIN Kuo, et al. Study and application of safety evaluation platform for region, province, prefecture and y integrated power grid dispatching[J]. Electric Power, 2016, 49(9):83-86 (in Chinese).
[7] 鄭宗強，翟明玉，彭暉，等. 電網調控分布式SCADA 系統體系架構與關鍵技術[J]. 電力系統自動化，2017，41(5)：71-77.ZHENG Zongqiang, ZHAI Mingyu, PENG Hui, et al.Architecture and key technologies of distributed SCADA system for power dispatching and control[J]. Automation of Electric Power System, 2017, 41(5): 71-77 (in Chinese).
[8] 孫宏斌，牟佳男，盛同天，等. 適應兩級分布式智能調度控制的變電站**應用軟件[J]. 電力系統自動化，2015，39(1)：233-240.SUN Hongbin, MU Jianan, SHENG Tongtian, et al. Smart substation advanced application software adapted for twolevel distributed Smart dispatch and control[J]. Automation of Electric Power System, 2015, 39(1): 233-240 (in Chinese).
[9] 李勇，李佳. 基于智能變電站調度控制運行維護管理及標準化接入的探討[J]. 山西電力，2015，35(3)：22-25.LI Yong, LI Jia. Discussion on dispatch control operation and maintenance management and standardization access of smart substation[J]. Shanxi Electric Power, 2015, 35(3): 22-25 (in Chinese).
[10] 唐濤，諸偉楠，楊儀松. 發電廠與變電站自動化技術及其應用[M]. 北京：中國電力出版社，2005.
[11] GB/T 30155-2013 智能變電站技術導則[S]. 北京：中國標準出版社，2013.
[12] 李瑞生，李燕斌，周逢權. 智能變電站功能架構及設計原則[J]. 電力系統保護與控制，2010，38(21)：24-28.LI Ruisheng, LI Yanbin, ZHOU Fengquan. The functional frame and design principles of smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(21): 24-28 (in Chinese).
[13] 王德文，葛亮. 智能變電站一體化監控系統通信服務映射與封裝方法[J]. 中國電力，2015，48(10)：127-133.WANG Dewen, GE Liang. The mapping and encapsulation of communication services for integrated supervision and control system of Smart Substation[J]. Electric Power, 2015,48(10):127-133 (in Chinese).
[14] IEC TS 61970-555:2016 Energy management system application program interface (EMS-API) - Part 555: CIM based efficient model exchange format (CIM/E) [S]. 2016.
[15] 辛耀中，米為民，蔣國棟，等. 基于CIM/E的電網調度中心應用模型信息共享方案[J]. 電力系統自動化，2013，37(8)：1-5.XING Yaozhong, MI Weimin, JIANG Guodong, et al. Scheme of application model information sharing between control centers based on CIM/E [J]. Automation of Electric Power System, 2013, 37(8): 1-5 (in Chinese).
[16] 張龍，高志遠，姚建國，等. 通過CIM/E語言實現變電站端與調度端模型協調共享[J]. 電力自動化設備，2013，33(4)：148-154.ZHANG Long, GAO Zhiyuan, YAO Jianguo, et al. Coordination between CIM model and IEC 61850 model based on CIM/E language[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013,33(4): 148-154 (in Chinese).
[17] 高志遠，姚建國，曹陽，等. 公共信息模型和IEC 61850模型協調方案評析[J]. 電力系統自動化，2011，35(16)：9-14.GAO Zhiyuan, YAO Jianguo, CAO Yang, et al.A Survey of coordination Scheme Between CIM and IEC 61850 Model[J].Automation of Electric Power System, 2011, 35(16): 9-14 (in Chinese).
[18] 趙家慶，張亮，錢科軍，等. 基于CIM/G的電網潮流圖自動生成關鍵技術研究及應用[J]. 電力自動化設備，2015,35(9): 156-162.ZHAO Jiaqing, ZHANG Liang, QIAN Kejun, et al. Key technologies of automatic power flow t generation based on CIM/G and its application[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(9): 156-162 (in Chinese).
[19] 曹陽，高志遠，楊勝春，等. 云計算模式在電力調度系統中的應用[J]. 中國電力，2012，45(6)：14-17.CAO Yang, GAO Zhiyuan, YANG Shengchun, et al. Application of cloud computing in power dispatching systems[J]. Electric Power, 2012, 45(6):14-17 (in Chinese).
[20] GB/T 30149-2013電網通用模型描述規范[S]. 北京：中國標準出版社，2013.
[21] 曹陽，姚建國，楊勝春，等. 基于模型集和差異模型的電網模型多版本管理方法[J]. 電力系統自動化，2015，39(5)：142-146.CAO Yang, YAO Jianguo, YANG Shengchun, et al.A multiversion management method of grid model based on model set and difference model[J].Automation of Electric Power System, 2015,39(5)：142-146 (in Chinese).
[22] 高志遠，姚建國，曹陽，等. 一種用于表達變電站模型的CIM/E擴充方案[J]. 中國電力，2013，46(7)：116-125.GAO Zhiyuan, YAO Jianguo, CAO Yang, et al. An expansion scheme of CIM/E for the expression of substation model[J].Electric Power, 2013, 46(7):116-125 (in Chinese).
[23] 楊青，黃樹幫，張海東，等. 智能變電站信息模型工程應用標準化校驗技術[J]. 電力系統自動化，2016，40(10)：132-36.YANG Qing, HUANG Shubang, ZHANG Haidong, et al.Standardized check technologies of information model for engineering application in Smart Substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(10):132-36 (in Chinese).
[24] DL/T 1171-2012 電網設備通用數據模型命名規范[S]. 北京：中國電力出版社，2012.
[25] 王文龍. IEC 61850標準作為變電站出站遠動協議的可行性分析[J]. 電力系統自動化，2012，36(17)：109-112.WANG Wenlong. Feasibility analysis of IEC 61850 used as substation telecontrol protocol[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(17): 109-112 (in Chinese).
[26] GB/T 33602-2017電力系統通用服務協議[S]. 北京：中國標準出版社，2017.
作者簡介：高志遠(1972)，男，碩士，研究員級**工程師，研究方向為智能電網、廠站自動化系統，Email：gaozhiyuan@epri.sgcc.com.cn。
曹陽(1978)，男，碩士，研究員級**工程師，研究方向為智能調度、電網調度自動化、電力系統標準化。
徐美強(1976)，男，工程師，研究方向為廠站自動化系統應用設計和開發。
狄方春(1978)，男，碩士，**工程師，研究方向為電網調度自動化、云計算、大數據。
黃海峰(1969)，男，博士，研究員級**工程師，研究方向為電網調度自動化系統、電力自動化系統檢測。
