未来态配电网模型管理方案范文

《模型世界》2017年第12期

摘要:配电网模型的频繁变更和数据质量问题对配电自动化主站系统实时监控类应用会产生较大干扰,而主站新的建设模式对多用户并发维护提出更高的性能要求。提出基于多态机制的未来态配电网模型管理方案,在独立的环境下开展基于异动单的模型维护、遵循IEC61970/61968标准的图模接入和校验、全量模型和增量模型相结合的版本管理,以及自动化调试工作,与在线运行环境适当解耦,同时解决了多用户并发维护的效率问题。通过配电自动化系统和省级集中监管系统的运用案例,实践证明基于多态机制的未来态模型管理方案可满足配电网模型管理的多源端、多用户、自动化离线调试的需求。

关键词:未来态;IEC61970/61968标准;配电网模型管理;版本管理;异动单

0引言

模型的重要性对于一个电网自动化系统来说是不言而喻的,模型是实时监控和应用分析的基础,模型准确性和及时性决定应用功能的实用化程度。配电自动化主站系统模型管理主要采用以外部导入模型为主,内部自建模为辅的建模手段。外部导入涉及多个源端系统,其中配电网中压模型由生产管理系统提供,但由于系统本身没有监控和应用分析类业务,图模质量常存在层次关系、拓扑连接错误和图模一致性等问题。按主站功能规范要求,配电自动化系统应按照地县一体化构架进行设计和建设,2017年国家电网有限公司提出了新一代配电自动化主站系统三种建设模式:安全Ⅰ区/安全Ⅲ区地市级别部署、安全Ⅰ区地市级部署/安全Ⅲ区省级集中部署、安全Ⅰ区/安全Ⅲ区均集中部署(直辖市模式),新的建设模式下对多个地区多个用户并行模型维护的效率提出了更高的要求。对于模型交互和共享技术,调度自动化取得很多值得借鉴的研究成果。文献[1-5]介绍了IEC61970/61968电网通用模型描述规范(CIM/E)、电网图形描述规范(CIM/G)标准的特点和在智能电网调度控制系统(D5000)的运用;文献[6]以独立系统的形式,实现省调调控中心多时态、多应用模型/图形的统一维护和管理;文献[7]提出一种基于厂站粒度的电网模型中心构建方法,与配电网业务系统基于馈线粒度的模型交互技术有相通之处。为解决配电网建模问题,国内配电自动化厂家也做了很多研究工作。文献[8-9]是对配电网公共信息模型(CIM)的研究,文献[10-12]是关于主站配电网信息集成技术的研究。目前配电自动化系统商用数据库中通常只有一套模型库。由于外部源端模型存在数据质量问题,异动模型通常先导入商用模型库,确认无误后再下装到实时库。在实时运行环境完成自动化调试工作。因此存在以下问题:①商用库中模型为离线维护模型,实时库中模型为在线运行模型,因此商用库模型与实时库模型不一致;②考虑到完整性的约束,系统通常不支持局部模型下装,模型异动整个流程有串行环节,因此很难满足多用户并发维护的性能需求;③模型验证不足,实时运行环境进行自动化调试对在线运行应用存在一定的干扰。2016年新修订的《配电自动化系统主站功能规范》要求模型必须在完成自动化调试后才能投入运行。。本文基于D5000平台,提出了基于多态机制的未来态配电网模型管理方案,构建了独立的模型维护和调试环境。研发基于模版的前置配置工具和现场数据接入调试功能,完善了基于IEC国际标准的模型、图形接入功能,采用异动单、馈线双重粒度的模型管理方法,以及未来态、实时态局部模型同步技术,支持多异动单并发维护、校验、审核、同步的管理,大大提高了多用户并发模型维护的性能;采用全模型和增量模型相结合存储技术实现主站配电网模型的版本管理。

1总体方案

为了满足配电网模型管理的功能和性能要求,本文利用D5000平台的多态机制并加以改造,建立“未来态”作为配电网离线模型的维护、调试和验证的运行环境,商用库建立两套模型库,一套为离线模型库(用于模型维护),与未来态实时库(用于模型调试)保持一致;另一套为在线模型库,与实时态下的实时库模型保持一致,提供在线运行和分析计算。未来态的相对独立而完整的应用运行环境具体包括离线模型库、离线图形集合、离线实时库、消息通道、人机界面等。配电网模型管理主要包含四大步骤:图模维护及图模校验、图模审核、自动化调试、异动同步。1)图模维护及图模校验图模维护存在外部导入和自建模两种方式。外部导入方式通过导入馈线模型文件在离线模型库建立相应馈线模型数据,同时转换馈线图形文件格式形成内部格式馈线图形文件;自建模方式通过图库一体化工具进行自建模,同时维护库中模型数据和图形文件。未来态离线模型库和实时库(数据采集与监控(SCADA))自动保持一致。图模校验可对未来态库中模型数据按馈线进行校验,判断是否满足实时监控、馈线自动化、潮流计算等要求。2)图模审核将馈线模型变更的情况通过红黑图的形式提供给调度和自动化人员确认和审核,审核不通过,异动终止,图模回退到原始状态。3)自动化调试自动化调试包括前置配置和终端调试。前置配置是在离线模型库维护设备测点信息,在离线前置库维护前置采集链路和采集点信息,未来态离线前置库和前置实时库(FES)自动保持一致。终端调试是在浏览器中选择该馈线未来态的接线图,进行新终端配置以及现场遥测、遥信、遥控的对点工作。4)异动同步自动化调试完毕以异动单为最小单元,完成实时态馈线图、模、前置通道数据的更新。模型管理软件由部署在未来态和实时态多个功能模块组成。“异动流程管理”提供图模维护流程控制和操作界面;“图模维护”模块部署在未来态,由图模导入工具、图库一体化工具组成;“图模审核”的异动分析工具比较未来态和实时态馈线模型的差异,给出分析结果,提交用户审核;“自动化调试”由部署在未来态的前置配置工具、SCADA程序、前置调试程序和实时态的前置程序、支持多态切换的浏览器协同配合完成;“异动同步”是基于馈线粒度实现未来态离线和实时态在线图模数据的增量同步;“版本管理”则是管理系统模型当前和历史版本,并提供模型版本的服务接口。

2关键技术

2.1未来态建模技术

D5000平台为应用提供了一个多态的运行环境,如“测试态”“实时态”“研究态”等,态与态之间是相对独立的运行环境。但要实现未来态建模平台原有机制还存在两方面不足:①不同态共用一套商用模型库和图形文件集合,也就是说不同态下的静态电网模型和图形是相同的;②态间独立运行环境导致非实时态下实时库的量测数据不能自动实时更新。未来态建模首先要构建未来态环境,利用平台多态机制建立新的态提供模型管理基本运行环境,包括实时库、消息通道,部署SCADA、拓扑分析等应用。其次,指定原商用库中的一套模型为在线模型库,另建一套离线模型库,作为未来态的模型库,两套模型库的结构相同。改造实时库下装程序,实现未来态离线模型库的下装功能,保证未来态离线模型库与实时库模型的一致性。建立离线图形文件存储目录,存储未来态图形文件。调整浏览器的配置,使之浏览未来态画面时读的是离线图形文件目录下的画面。在未来态部署模型接入软件和图库一体化工具,基于离线模型库和离线图形文件存储目录,完成离线模型的维护工作。未来态作为配电网模型的维护、调试和验证的运行环境,实时态作为在线监控、运行分析的运行环境,未来态与实时态之间需建立必要的桥梁,未来态下调试验证通过的离线模型能局部同步成为实时态的在线模型,实时态采集的数据能转发到未来态辅助完成模型的验证和测试。未来态实时数据接入技术,就是将实时态消息通道的实时量测变化消息转发到未来态的消息通道中,利用部署在未来态的SCADA应用更新设备量测,辅助模型测试;而基于馈线级别的离线/在线模型和图形同步技术,实现模型离线到在线的转换。

2.2基于IEC标准的主、配电网图模数据接入技术

目前配电自动化系统接收到的外部模型,包括来自调度自动化系统的主网图模信息和来自生产管理系统的配电网中压模型,主网图模交换格式通常遵循CIM/E和CIM/G规范,配电网图模通常遵循CIM/可扩展标记语言(XML)和CIM/可缩放矢量图形(SVG)规范。作为配电网模型管理软件,应支持CIM/E,CIM/G和CIM/XML,CIM/SVG两套标准数据格式的模型接入。CIM/E数据文件中的类名和属性名与CIM/XML中基本一致,主要的差异是拓扑连结关系和量测的描述方式不同。CIM/XML中用Terminal类和ConnectiveNode类对象来描述拓扑关系,而在CIM/E中拓扑关系的描述做了简化,用设备的连接属性来描述拓扑关系,因此CIM/XML格式文档可以很方便地转为CIM/E格式的文档[12]。考虑到模型版本一直在升级,本文借鉴CIM/资源描述框架(RDF)描述的公共电力系统模型,采用CIM/E模式(CIM/Eschema)对CIM/E中包含类及其属性特性进行了描述。同时,为了描述模式文件中的类与数据库中表的存储映射关系,还引入CIM/E映射配置文件,通过该配置文件实现CIM/E模型到数据库的存储格式转换,并且生成外部对象标识和内部对象标识对应关系表,CIM/SVG通过图形格式转换生成CIM/G图形文件,通过对象标识对应关系表完成对象标识转换,从而构建主、配电网电力系统模型完整的导入、导出机制,图模数据接入流程如附录A图A1所示。

2.3基于异动单流程管理技术

异动单最早源于地理信息系统(GIS)的设备变更管理,GIS平台建立一个异动单,包含变更的模型、图形,作为完整单元提交各个业务系统及相关部门,完成模型变更信息的审核和。配电自动化系统参与GIS异动流程管理的调度审核环节,如果审核通过,更新自身系统相应馈线图模信息。后期配电自动化系统异动单概念泛化为不考虑来源的一次完整的模型变更,包括系统内部自建模、调度自动化提供的主网模型等,实现了基于异动单的全生命周期管理。目前配电网模型的异动单,明确关联具体馈线,馈线图模状况完整地体现在异动单的图形和模型文件中。

2.4未来态自动化调试技术

自动化调试技术包含前置配置和终端调试。配电终端部署具备标准化和规模化特点,同一地区通常只采购和部署几种不同型号的终端产品,采集同类设备的同一类终端通常配置相同采集信息。设计和研发基于模板的点表维护工具,实现终端的模板化订制,终端链路、点号的统一管理和设备量测的自动维护。系统运维人员仅需事先指定几类馈线终端设备(FTU)、配电终端设备(DTU)、配电变压器监测终端设备(TTU)模板的配置信息,对于实际终端,只需选择模板类型、主设备,即可为设备自动添加采集量测和前置通道、链路的配置信息,大大减少了用户运行维护工作量。终端表中包含状态位,用以描述终端的状态。如附录B图B1所示,未来态下的终端状态有调试态和运行态,实时态下的终端只有运行态。新建终端自动设置为调试态,只有处于调试态的终端才可以在未来态下调试,用户确认调试完毕进入运行态。进入运行态的终端,异动同步后进入实时态。针对运行态的终端,执行终端重新调试时,应将实时态下对应终端及其自动化配置信息明确提示用户并由用户确认删除,未来态下终端回到调试态;否则,终端仍为运行态,不可调试。终端调试由支持多态切换的浏览器、部署在未来态的前置调试模块和SCADA程序、实时态的前置程序协同配合完成。选择未来态的浏览器与未来态SCADA交互,未来态SCADA与同态前置调试模块交互,前置调试模块与实时态前置程序交互,实时态前置程序与待调试终端交互,共同完成上行、下行信息贯通。实时态前置程序与终端建立临时链路,并负责与调试终端通信,未来态的前置调试模块实现实时态与未来态信息转发,在未来态模拟前置功能,将实时态采集的信息转发给未来态的SCADA。用户用浏览器浏览未来态测试馈线,选择待调试设备,观察上行遥测、遥信,发送遥控命令和遥控操作结果,完成终端自动化调试。

2.5模型版本管理

模型版本管理包括:①在线电网模型的构建,为实时监控分析业务提供支撑;②模型变更全过程管理,辅助用户清晰了解模型变更过程和变更内容;③模型版本服务,为基于时间断面的应用分析提供历史断面图模数据。配电网模型版本管理示意图如图4所示,图中三大要素是时间轴、异动单、版本,异动单中数字i,j表示馈线i,j变更的异动单。配电网模型版本管理主要是结合异动单的模型生命周期管理,每次模型变更里程碑以版本来标识,模型版本又分大版本和小版本。大版本生成与模型变更无关,主要是为了定时进行全量图模信息的存储和备份,大版本可由用户手动或定时触发生成,存储所有馈线CIM/E格式模型文件和CIM/G格式的图形文件。小版本因一个有效异动单的投入在线而触发生成,只包含本次异动相关的图、模信息,存储内容为本次异动涉及多个馈线的CIM/E格式模型文件和CIM/G图形文件。每次异动单投运成功,都会形成一个小版本模型版本,因此每个小版本都有唯一关联的异动单。基于上述的模型版本生成和存储方法,可为应用提供模型断面服务。根据输入时间,返回指定时间点所有馈线的图模信息文件。首先是版本搜索,根据输入时间点搜寻起点大版本,以及起点版本与指定时间点间所有馈线的最新小版本。以图4中红色箭头所指时间为例子,版本起点大版本为V2.0,馈线1最终版本为V2.02,馈线2和3最终版本为V2.03。然后是版本合并,按版本先后次序,依次用小版本图模文件覆盖起点大版本的图模文件,得到指定时间点的图模信息。

3工程实践

基于未来态模型管理软件已成为配电自动化主站产品重要组成部分,软件功能通过国家电网有限公司包含多用户模型维护、自动化调试的功能检测。未来态模型管理是基于异动单的模型管理,异动单贯穿模型管理的整个过程,异动单的状态表明模型维护的阶段,并由此决定了下一步可执行的操作,如图5所示。配电网模型管理主要包括模型维护、模型审核、模型调试、模型同步四大步骤,其中耗时较长的前面三大步骤是在未来态下完成,模型同步是异动单级别或馈线级别的未来态到实时态局部模型、图形的同步。未来态提供了离线模型维护、调试、测试的完整环境,为多用户的同步维护提供了基础,并最大限度地降低了对实时态运行环境的影响。通过未来态部署馈线自动化、潮流计算等应用,还可对图模质量进行更深层次的评估。按照源端唯一的思想,模型维护在其他的配电业务系统中需求同样存在,如配电网省调集中监管系统。配电网省调集中监管系统的模型、图形、断面数据文件来自于各地区配电自动化主站系统,因而可以省略图5中未来态下绿线框异动审核、自动化调试环节,通过调整异动单状态流转前置和后置条件,省去人工参与环节,因此可构建集中监管系统的图模全自动维护软件。基于模型版本管理,结合历史数据,还对任一地县的历史断面进行配电网经济性、可靠性的分析。该软件2016年底投入现场,已实现福建省十多个地县图模信息的自动收集,每个地区每天模型异动馈线数量平均在20条以上,系统可以及时自动接收模型变更信息并自动更新在线运行的实时库,支撑全省配电网集中监视功能,在多区域模型并发更新方面已满足功能和性能要求。

4结语

未来态配电网模型管理综合运用未来态建模技术、主配电网图模数据接入技术、图库一体化技术、基于异动单的模型管理、基于模板的前置配置和自动化调试技术等技术,实现系统离线环境的模型维护调试和在线环境的自动局部增量更新。基于完整、独立的未来态环境研发的配电网模型管理功能,为模型自动化调试、地县一体模式下多用户并发维护提供支撑,并为图模应用级验证提供了可能,使得配电网模型管理更加完善。同时,充分考虑了配电网模型的特点和模型变更的特点,采用基于异动单全量模型、馈线粒度的增量模型的存储方法,实现了配电自动化系统在线和历史模型的版本管理。为基于历史数据的应用分析提供更加准确的模型版本,也为配电网大数据平台模型数据的存储和管理提供新方法和新思路。由于篇幅限制,本文未考虑方式异动对图模数据接入和终端调试的影响,将此作为后续进一步研究的方向。

作者：陈宇星1;马志斌2,3;李晨4;黄文英1;周济1;张小娇2,3 单位：1.国网福建省电力有限公司,2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，3.北京科东电力控制系统有限责任公司，4.国家电力调度控制中心