引言
目前,變電站的實時監控已普遍采用無人值守和集中監控模式。各個供電公司都組建了大量變電站集中監控中心,并制訂了一系列的變電站集中監控功能規范。通過對變電站的改造,變電站集中監控主站軟件基本上實現了信號的接入與處理。隨著“大運行”體系建設工作的開展、電網技術的不斷進步以及對安全要求的不斷提高,調度運行與設備監控的分設,所導致的管理模式管理鏈條長、運行環節多、工作界面復雜、實時控制效率低等問題日益成為制約電網發展的瓶頸。這些問題突出表現在兩個方面:
①變電站集中監控主站軟件獨立建設,未做到和電網調度控制中心的其他應用信息共享,造成調度監控員處置時需要打開多套系統,嚴重影響監控效率和操作安全性;②由于信號分析功能較弱,不能滿足從經驗型向分析型、從單一功能到多功能、從事后被動型向事前主動型轉變的要求。
為了解決這些問題,“大運行”體系建設要求在原調度中心和變電站集中監控中心的基礎上組建調度控制中心。調度控制中心在承擔電網調度工作的同時,也負責變電站設備的運行狀態監視及遠方控制工作。依據調度和監控功能一體化融合,監控應用與智能電網調度控制系統基礎平臺\\(簡稱D5000平臺\\)一體化集成的建設思路[1-2],在D5000平臺上,采用調度和監控信息一體化建模,利用D5000平臺中的消息總線、實時數據庫、權限管理、告警等服務,實現變電站集中監控功能和智能電網調度控制系統的快速集成。
本文從調控一體實際業務需求出發,按照“一體化設計、統一平臺、模型共享、分級維護、統一管理、組件化建設、可視化展現”的設計原則,提出了變電站集中監控功能體系架構,重點闡述了在D5000平臺功能擴展、調控一體化模型與權限管理、告警信息分層分流及智能化處理、告警直傳與遠程瀏覽、安全控制光字牌處理等關鍵技術,最后給出了變電站集中監控功能的工程實踐情況。
1 功能體系架構
在D5000平臺和電網運行穩態監控功能模塊的基礎上,對平臺的數據采集、權限管理、模型管理、人機界面、告警服務、權限服務、綜合智能分析與告警等功能和服務進行面向調控一體業務的升級,實現調控業務的一體化采集、一體化處理和一體化展示。主站端變電站集中監控主要實現數據處理、間隔建模與顯示、操作預演、光字牌處理、防誤校驗、操作與控制、責任區信息分流等功能。調控一體變電站集中監控功能的體系架構如圖1所示。圖中:WAMS為廣域測量系統;AVC為自動電壓控制?！?】
2 變電站集中監控功能與調控一體數據處理流程
2.1 變電站集中監控功能
調控一體模式的實現為監控功能提供靈活、友好的專用界面和可靠的技術支持。調控一體變電站集中監控功能主要包括以下幾個方面。
1\\)電網設備運行的實時信息監視。接收實時遙信、遙測數據,并執行相關邏輯對問題遙信、遙測數據進行處理。
2\\)相關設備的操作和控制。在確保安全的前提下,為監控人員提供一種在電網調度控制中心執行對遠方斷路器、擋位的遙控操作的手段。
3\\)信息分析與處理。綜合處理一、二次設備相關信息,給出清晰明確的結論,為運行監視人員提供指導和參考[3-4]。
4\\)信息展示。根據變電站集中監控的業務特點,擴展告警信息展示、光字間隔圖等功能,滿足監控人員對信息監視的需要。
2.2 調控主站一體數據處理流程
圖2所示為調控主站數據處理過程。在調控主站端擴展智能電網調度控制系統數據采集應用功能,實現對遠動機通過通信規約上送的調控集中監控數據的統一處理。通過平臺提供的權限和責任區管理服務實現對調控一體數據的分層、分級和分流處理。用戶權限配置功能支持調度員和監控人員登錄在同一調控一體化系統中,可以按需獲取信息、調度員和監控人員的操作互不干擾。在實現調度和監控數據分流后,通過告警分析模塊將信息按照變電站集中監控的業務進行告警分類,并做進一步的處理\\(告警分類、信號壓縮、誤發信號過濾等\\)后展示給監控人員,并利用信息檢索技術實現一、二次設備信息的關聯展示。在控制功能實現方面,由電網調度控制中心發起遙控,在完成控制點核對后,將遙控、遙調指令加密后下發,實現安全遙控功能?！?】
3 關鍵技術
3.1 D5000平臺功能擴展
采用并擴展D5000平臺提供的實時數據庫、消息總線、公共服務、模型管理、權限管理等支撐服務,實現調控一體化平臺功能。
3.1.1 調控一體模型管理變電站系統數據模型主要分為:一次模型和二次模型。一次模型主要包括電網參數、一次設備參數等,二次模型主要包括保護、測控等二次裝置信息模型。目前國際上與一、二次模型相關的主要標準分別是IEC 61970[5-6]和IEC 61850[7]。
IEC 61970中對 于 二 次 設 備 的 模 型 描 述 較 為 簡 單,而IEC61850中對二次設備模型的描述非常詳盡,但兩套標準對于電力系統對象的描述方式差異較大,無法直接融合。
通過在調控一體模型管理中,引入IEC 61850中智能電子設備\\(IED\\)模型并進行適當調整,對原本主要基于IEC 61970標準的模型進行適當擴充,實現一、二次設備的統一建模。這樣,一方面可以避免相同模型分散、重復建設,另一方面為后續實現一次設備和保護信息關聯調閱、智能告警分析等功能提供依據。
對于一次設備與二次設備的關聯,首先建立IED類與遠程終端單元\\(RemoteUnit\\)的繼承關系;然后建 立 保 護 邏 輯 節 點 \\(LNode\\)類 與 保 護 裝 置\\(ProtectEquipment\\)繼承關系。其中:①利用保護裝置與設備\\(Equipment\\)的關聯,根據實際配置情況構建一次設備與邏輯節點的對應關聯;②利用保護裝置與量測值的關聯,表示保護設備的輸入信號;③利用保護裝置與保護刀閘\\(ProtectedSwitch\\)的關聯,表示保護動作后發跳閘命令到Switch\\(刀閘\\)。
一次設 備 模 型 和 二 次 設 備 模 型 關 系 如 圖3所示。其中,PowerSystemResource為電力系統資源,IdentifiedObject為已識別對象,Equipment為設備,ReclosSequence為重開閘序列,LDEVICE為邏輯裝置,FisAnalog為保護模擬量,FisSetting為保護定值,FisSetBit為控制字定值,FisSettingRef為標準定值?！?】
3.1.2 調控一體權限管理權限管理是利用應用權限控制的公共組件和服務,實現用戶的角色識別和權限控制。其中,權限控制包括基于對象的控制\\(包括菜單、應用、功能、屬性、畫面、數據和流程等\\)、基于物理位置的控制\\(如系統、服務器組和單臺計算機\\)和基于角色的權限管理策略等。
為了滿足調控一體的業務需求,基于服務總線實現的權限服務在變電站集中監控功能中對間隔的描述增加了對責任區中間隔的權限控制,以保證責任區區分顆粒度最小能夠到間隔;對于操作功能增加了掛牌、控制權以及畫面推送等操作權限,以滿足實際業務的個性化需求。
通過對D5000平臺權限管理服務的擴展,實現了調度和監控業務的統一權限管理,使得在同一個系統中不同專業用戶功能可以分權使用、按需定制且互不干擾。
另外,為了確?？刂撇僮鞯臏蚀_性和安全性,將雙因子驗證機制納入權限管理中,即采用密碼和安全鑰匙認證的方式確保登錄人員身份的可靠性。
3.2 信息分層分流及智能化處理
根據調度、監控等不同專業的業務需求,對人機界面、信息和可執行操作等進行角色定制,實現信息的分流處理[8-10]。根據監控告警信息重要性等級,進行從宏觀到微觀的分層展示。通過權限、責任區的配置,實現系統功能、展示界面和實時監控信息等對不同用戶的“隔離”,這樣既可以避免越權使用,也可以減輕監控人員的負擔。
3.2.1 權限與責任區智能電網調度控制系統涉及多個專業,僅處于安全Ⅰ區的子系統就涉及自動化專業、調度專業、監控專業和保護專業等。其中,調度專業和監控專業又因關注對象不同,對一次接線、告警窗等界面信息及詳略要求不同[11]。因此,需要分責使用、分權管理和分區監控。
利用D5000平臺提供的權限和責任區管理,對用戶和角色所使用的掛牌操作、遙控操作和畫面推送等操作功能設定權限。根據廠站、電壓等級、間隔等劃分方式,對用戶進行責任區配置。這樣,每個節點\\(工作站\\)根據用戶登錄信息僅展示其責任區范圍內的信息,提供責任區范圍內相關設備的操作權限,從而實現信息和操作分流。
3.2.2 告警信息分流與智能化處理1\\)告警信息分類按照對電網影響的程度,電網告警信息通?？煞譃槭鹿市畔?、異常信息、變位信息、告知信息和越限信息等5種類型。而智能電網調度控制系統的告警服務需要接收各個應用發出的告警信息并統一進行處理,各應用產生的告警通常按應用角度區分類型,因此并不符合上述的告警分類。為滿足監控功能需求,需要對智能電網調度控制系統的告警類型與電網5類告警之間進行映射,映射關系如圖4所示?！?】
智能電網調度控制系統的告警分為遙信變位、遙測越限、事件順序記錄\\(SOE\\)和控制操作等。具體的映射方法分為兩種:第1種是在信號建模時對信號等級進行劃分,在信號產生動作時直接根據模型等級對應監控告警的某一類信息;第2種是在信號產生后再根據其具體的動作狀態進行映射,以確保映射的靈活性,即同樣是遙信變位類的信號,由于其動作狀態的不同也可以映射到不同類型的監控告警。
2\\)告警信息分流每一個用戶在創建時對其所管轄的責任區進行定義。在告警產生后,不同用戶的告警窗和最新告警行僅顯示用戶責任區范圍內的告警數據。
3\\)告警智能處理調控一體化給調度自動化系統帶來的最大挑戰是告警信息的海量增長[12]。通過告警窗的“展開/收起”功能,智能電網調度控制系統對由同一原因引起的多個告警信息進行合并,只給出核心的告警或者引起故障的原因。所有的告警信息都存入歷史數據庫并支持在實時告警界面通過綜合告警信息查看與之相關的詳細告警信息。對頻繁出現的告警信息\\(如保護信號頻繁誤動等\\),告警窗自動合并為一條信息,并自動累加動作次數,通過點擊告警查看告警詳情。利用告警窗有限的顯示空間充分展示有效信息,解決了以前重要信息被非關鍵信息所淹沒的問題。
3.3 告警直傳與遠程瀏覽
變電站有一些非電氣量信號會產生對電網運行沒有直接影響的告警,如防盜門未關閉、火警報警等。這些信號對于無人值守變電站極其重要但是主站模型又無法反映出來,導致信息取舍十分困難。告警直傳很好地解決了這一技術難題,大大減少了電網調度控制中心的信號維護量。通過遠程瀏覽,監控人員不再局限于變電站上送的監視信號,可以主動在電網調度控制中心對變電站上的集中監控系統進行瀏覽,輔助電網調度控制中心進行決策。
3.3.1告警直傳變 電 站 告 警 直 傳 過 程 如 圖5所 示。圖 中:SCADA表示數據采集與監控?！?】
從圖中可以看出,在電網調度控制中心部署告警信息直傳功能,在變電站部署告警信息的轉發功能。告警圖形網關采用DL476/104協議的字符串數據塊分別與變電站監控系統和電網調度控制中心進行告警信息傳輸。
變電站監控系統將SCADA系統的告警處理模塊產生的本地告警信息轉換為帶站名和設備名的標準告警信息傳送給告警圖形網關。電網調度控制中心的告警采集模塊與變電站監控系統建立網絡連接來接收告警信息,并以消息的方式發送給告警處理模塊。
電網調度控制中心的告警服務接收告警消息并在告警窗上顯示相關告警。
3.3.2變電站遠程瀏覽變電站遠程瀏覽過程如圖6所示?！?】
從圖中可以看出,在電網調度控制中心部署變電站代理服務程序;在變電站端部署專用的服務程序;電網調度控制中心與變電站端通過DL476協議進行交互。遠程瀏覽的實現主要包括畫面的繪制和數據的刷新兩個方面。
1\\)畫面的繪制:人機系統通過本地圖形網關向變電站端發送變電站畫面文件請求,本地圖形網關與變電站圖形網關交互,獲取請求的畫面文件,人機系統接收本地圖形網關返回的文件后,通過瀏覽器解析畫面文件。根據畫面中引用的圖元文件,通過本地網機向變電站端圖形網關發送請求,人機系統接收本地圖形網關返回的圖元文件,瀏覽器完成解析后繪制完整的畫面圖形。
2\\)數據的刷新:人機系統向本地圖形網關發送打開畫面的請求以獲取數據,變電站站端監控系統響應請求并返回結果,由本地圖形網關接收結果,人機系統接收本地圖形網關返回的刷新數據,瀏覽器完成數據、著色和狀態等的刷新。
3.4 安全控制
變電站集中監控和無人值守模式下,遠方操作范圍擴大,操作量大大增加,電網調度控制中心必須為確保遠方操作的安全性提供有效支撐[13]。
3.4.1安全遙控除采用傳統的防誤校驗技術外,采取權限管理、操作監護、前置數據點固化和遠方/就地閉鎖等措施來保障遠方操作的安全性,避免非主觀性操作失誤導致嚴重后果。
安全控制流程如圖7所示。
根據監控人員操作規程,通常遙控操作在間隔內執行,權限的劃分可以有效避免監控員“進”錯間隔,在間隔內進行遙控操作時,會再次要求監控人員同時輸入間隔名稱和遙控對象確?？貙?。同時,一旦開始遙控某一設備,將自動將此設備閉鎖避免同時多人操作。為確保遙控不會因為維護造成問題,通過前置數據點固化的方法來保證遙控點下發正確。自動化人員在維護調控系統時,對新建變電站都會執行一系列的傳動實驗,確保變電站端信息點和電網調度控制中心的信息點完全一致,但電網調度控制中心遙控點仍舊存在被篡改的風險。利用數據點固化的方法在傳動實驗完成后將完好的信息點表額外保存,下發遙控時同時比對兩張數據點表,一致時下發對應的遙控點。通過設置遠方/就地閉鎖點并采集該點信號,明確控制權歸屬,避免運維檢修人員在變電站端操作時電網調度控制中心人員同時進行操作導致事故。如果控制權在遠方,那么電網調度控制中心閉鎖所有遙控功能;如果控制權在電網調度控制中心,則在變電站端完全閉鎖控制?！?】
為進一步實現遙控的安全控制,還可以通過調用安全加密驗證模塊,使遙控操作人員在執行遙控操作時使用安全密鑰獲得遙控和監護權限。
3.4.2 操作預演對于變電站倒閘操作,智能電網調度控制系統提供獨立的模擬預演環境,支持系統實時斷面導入。
在智能電網調度控制系統的多態機制基礎上,新建一個模擬預演態,通過實時斷面拷貝到模擬預演態下,采用全圖形鼠標操作定義變電站倒閘操作序列。
對于定義完成的操作序列,可以按指定的時間間隔進行操作預演,預演中每一步執行前均調用防誤校核。對于不符合防誤要求的操作,給出錯誤提示和正確的操作序列。
3.5 光字牌處理
光字牌是設備運行人員監視變電站內設備運行工況的基礎性手段[14]。智能電網調度控制系統中設計并實現的光字牌監視圖是一種非常直觀的信號監視界面,由全站光字圖、間隔光字圖和間隔細節圖組成。三種光字圖按三級倒樹狀結構完成鏈接,構成光字牌功能。光字圖根據系統一、二次模型數據庫的信號結構自動生成,動作狀態顏色與信號的報警等級對應。
間隔細節圖除了提供類似于傳統變電站控制屏的光字牌信號和只含有該間隔的報警及SOE的動態列表信息,還增加了間隔一次設備拓撲圖和重要量測信息,如有功功率、電流等。其中,拓撲圖和廠站接線圖一致,反映設備之間的連通關系,有利于操作員觀察開關在遙控執行前后該間隔內一、二次設備的運行狀態;重要量測數據為監控人員提供更為直觀的間隔信息。以間隔細節圖為基礎,全站和間隔總信號通過顏色和是否閃爍來提示全站和間隔內信號動作和確認情況,輔助監控員在監視時更為高效地定位電網故障。比如,當某一間隔內有信號動作時,間隔總信號顯示該間隔點亮光字牌中最高等級信號的顏色。如果有未確認光字牌,間隔總信號閃爍,顏色顯示未確認光字牌中最高等級信號顏色。
4 工程實踐
國家電網從2008年開始在省地級調度開展變電站集中監控應用建設試點,積累了一定的運行經驗,從2012年開始加強調控一體模式的推廣力度。
目前,國家電網公司所有省級調控中心均已在智能電網調度控制系統上集成了變電站集中監控模塊,完成了對變電站信息點的改造和信息優化、告警直傳和遠程瀏覽功能實現等工作,為調控中心提供了宏觀與微觀的數據支持和有力的輔助決策信息,大大降低了監控人員的工作強度,極大地提升了調度決策能力和電網調度控制中心的運作效率。
5 結語
智能電網調度控制系統的變電站集中監控模塊能夠在電網調度控制中心實現集中監控功能,并執行安全遙控,實現了資源的合理配置和高效利用,提升了系統安全性和可靠性。同時,變電站集中監控功能在智能電網調度控制系統上集成,有效地節省了資源,通過充分利用其提供的穩定實時庫、高效消息總線等,避免了重復開發多套系統,有力促進了“大運行”體系的建設,產生了顯著的經濟和社會效益。
