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基于SCD语义的保护二次回路辨识技术探讨

智能变电站SCD文件构成了二次系统的核心组成部分,基于XML格式的SCD文件使得智能变电站二次回路呈现为“黑匣子”特征,给运行维护带来很大困难。


本文探索了基于语义强度的SCD虚回路辨识技术,可为智能变电站核心要素SCD管理提供有效的技术解决方案,为控制智能变电站二次系统风险提供可借鉴的技术路径。


自2009年国网公司智能电网战略推进以来,大量智能变电站进入了工程应用,我国已经成为智能变电站最多的国家[1-3]。智能变电站基于变电站配置文件SCD完成二次系统信号关联的配置,由于SCD采用XML格式,与常规综自系统以硬接线为特征的二次联接电缆表现特征有很大差异,二次系统呈现为不可见性,对于现场运行维护工作带来了很大困难。


为规范智能变电站二次系统设计与工程应用,国网公司颁布了Q/GDW 1161—2014,线路保护及辅助装置标准化设计规范,及Q/GDW 1175—2013,变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范。为智能变电站二次系统设计与工程应用提供了依据。


本文提出了基于语义强度的SCD虚回路辨识技术,通过分层解析SCD文件,判别智能变电站虚回路的关联关系,为智能变电站工程应用提供可靠的技术支撑。同时明确虚回路语义由标签语义和结构语义构成。标签语义在于识别回路标识的正确性,结构语义在于识别回路的功能完备性和正确性。而任何语义尤其是标签语义具有不同的强度,这种强度表现为不同层次的标准和规范约束。


1  SCD虚回路应用分析


江苏快3专家计划1.1  SCD虚回路描述特征


SCD文件中对于虚回路的描述是间接和隐含的,没有实现对象化的显性描述。例如发送远方跳闸令的虚回路,在SCD中的保护外部关联部分的描述如下:<ExtRef intAddr="PI/GOINGGIO13。SPCSO1。stVal" doName="Tr" lnInst="5" iedName="PM2201B" daName= "general" ldInst="PI" lnClass="PTRC" prefix="">


该回路是由母线保护PM2201B发给PL2201B的远方跳闸命令回路。对象化的描述应该包含3个部分:①回路名称;②发送虚端子;③接收虚端子。


因此,对于虚回路的对象化显性描述是实现符合保护设计原理检查的重要基础。


在IEC 61850标准中对于IED的输入输出虚端子描述采用FCDA和ExtRef,因此,建立IED装置之间的虚回路联接关系取决于FCDA和ExtRef之间的对应关系。FCDA的合法性为:通过FCDA中的LD、LN、DO、DA能否在IED的对应LD/LN/DO/DA路径下找到。


ExtRef和FCDA的对应为:ExtRef中每一组LD+LN+DO+DA能否在其指定iedName的FCDA中找到对应的LD+LN+DO+DA。


若满足:①FCDA合法;②ExtRef能够找到FCDA的对应,则虚回路能够建立,下一步再通过检查ExtRef来确定输入回路的含义是否满足1161和1175规范所需,对于规范中的输出回路,可以通过检查FCDA来实现。


1.2  基于业务特征的可视化


由于SCD仅仅是二次系统的功能载体,保护业务管理对象应该是二次功能回路,因此,基于SCD的智能变电站实现方案并没有改变变电站业务特征,却使变电站二次系统演变成了“黑匣子”。因此,基于业务特征的SCD虚回路可视化成为一种基本应用需求,如图1所示。然而,不同厂家IED基于XML格式描述的SCD二次虚回路存在的一定的差异。


图1  虚回路可视化

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具体如:北京四方公司500kV电压等级的CSC101线路保护用于起动发远方跳闸令的GOOSE虚端子的地址为PI/GOINGGIO13。SPCS01。stVal, 而其描述是“其他保护停信”。南瑞继保PCS931-GM保护双重化配置时虚端子的地址为PIGO/GOINGGIO5。SPCS01。stVal,相应的描述却是“发远方跳闸”。


1.3  工程应用发现的问题分析


在实际工程应用中发现了SCD虚回路的诸多问题,具体如下。


1)缺少失灵起动回路


某220kV智能变电站SCD文件某线路间隔的虚回路缺少失灵起动回路,如图2所示。 


图2  缺乏失灵起动回路

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原因是该变电站扩建时,系统集成商做工程时手工完成相关回路配置,没有采用工具配置;等同于常规站现场二次线更改后,竣工图没有修改。


2)二次回路错线


某变电站SCD文件中短引线保护存在二次虚回路错误现象,如图3所示。 


图3  二次回路错线

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SCD文件中对该回路的描述如下:<ExtRef daName="t" doName="Pos" iedName= "IL3321A" intAddr="PI/GOINGGIO1.DPCSO1.stVal" ldInst="RPIT" lnClass="XSWI" lnInst="1" prefix= "QG3"/>


原因是,该二次刀闸位置回路的输出虚端子被错误的配置到了刀闸变位时间“t”上。


3)未投运的二次设备回路不完整


变电站建设一般会分阶段进行,在某些智能变电站未投运间隔尽管保护设备已经配置,但在SCD文件中会完全不配置相关回路,该保护的二次虚回路完全缺失,如图4所示。


图4  二次回路没有配置

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江苏快3专家计划因此,探索SCD虚回路的检查技术成为确保智能变电站可靠运行的关键。


2  SCD检查方案分析


2。1  基于通用设计规则的模板库


江苏快3专家计划国网公司发布的“变电站通用设计规范”定义了变电站二次系统设计规范,这些规范规定了二次系统的配置原则,结合变电站一次典型接线方式,可以大体确定SCD所包含的二次虚回路的联接要求。基于此,构成二次系统检查的规则库[4]。


在此基础上,需要结合变电站过程层组网方案进行检查,检查的内容包括:①IED之间的功能回路连接,验证基本的功能回路是否完整以及是否符合二次系统设计规则。这种验证本质上是一种结构语义的验证,其核心是完备性和一致性;②功能回路的网络通信参数的规范性和正确性,验证是否存在网络参数错误等。这种验证本质上是一种语义标签验证,其核心是正确性和等价性。


例如,1.3中1)属于语义标签错误;1.3中的2)属于结构语义错误。两种错误的承载对象存在差异:标签语义错误的对象是回路对象;而结构语义错误的对象是功能,或包含功能的保护装置,或包含保护装置的变电站。


2.2  基于功能的回路检查


IEC 61850标准定义的逻辑节点(logical node, LN)是功能实现的载体和表现,展现和控制与功能实现相关的输入、输出、定值和参数等,即逻辑节点可以使:“功能”的所有输入和定值都是可见和可配置的;“功能”的所有输出都是可定向和可检查的。因此,对于二次系统功能的回路检查可以通过由大到小的方式,沿着电压等级、等级内间隔、间隔内装置、装置内功能的路径进行逐步。


如:①功能回路逻辑闭环的完整性:以线路保护为例,完整的逻辑闭环包括模拟量和开关量采样、保护跳闸动作出口等回路;②虚回路连接的正确性:根据SCD文件中配置的二次虚回路的模型和描述等信息提取回路的类型特征,与规则库进行匹配和比较,检查回路连接是否完整[5]。


2.3  基于通信描述机制的检查


IEC 61850标准对于IED之间的信息传递一般通过GOOSE和SMV数据描述,因此,需要针对SCD中的报告控制块特征,结合数据集定义、通信参数等要素,进行SCD的虚回路检查。检查的内容包括:①GOOSE和SMV的报告控制块的通信地址配置格式和范围是否合乎规范;②APPID、MAC地址是否有重复或者缺失;③IP地址的分配是否合理、是否存在重复或者缺失等。


智能变电站的集成商在工程现场修改SCD时,一般是通过各自的专用SCD配置工具,由人工配置其中的二次回路连接关系。虽然某些集成商的工具具备模板类的配置辅助功能,但是保护和智能设备之间的多样性组合仍然对SCD工程配置的正确性提出很大的挑战[6-9]。


3  基于语义强度的虚回路辨识技术


3.1  基于语义强度的虚回路辨识技术方案


江苏快3专家计划鉴于SCD语义有强弱区分,可以根据语义强度对于SCD虚回路实现逐层辨识。具体如:基于IEC 61850-6的要求,进行SCD输入二次虚回路的语义语法结构规范性辨识;基于国网企标《智能变电站配置文件技术规范》,进行IED装置与一次系统关联关系辨识;基于1396标准进行IED装置模型描述规范性辨识;基于1161、1175设计规范,进行基于引用路径及DESC的二次虚回路辨识,如图5所示。


图5  基于语义强度的虚回路辨识示意图

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3.2  基于Schema的实现技术分析


XML Schema是一种在XML中创建模式定义的语言,其以xsd为文件的后缀名。Schema模式文档自身以XML语言写成,且支持include、import等多种编程形式,使用Schema模式文档规定XML文件,可以使其正确性定义结构清晰,含义明确。


Schema模式文档给出了对指定XML文件的语法和语义规定,检查则由特定的程序或者软件完成,程序如JAVA等语言中的xml.validation包,软件如XMLSpy、Oxygen等。


Schema模式语言不仅能够规定XML文档的语法结构,而且可以通过一致性约束做到一定程度的语义检查。Schema模式语言中使用的一致性约束有两种,分别为:①惟一性约束,即xs:unique,其作用是指定某个元素的值或属性在一定范围内的唯一性;②关键字约束,即xs:key和xs:keyref,其作用是使用keyref的一组值或属性必须引用其对应的key这一组值或属性。


变电站中IED之间的连接关系、二次回路等信息是通过某一个IED的数据集中的FCDA表达输出,另一个IED的inputs中的ExtRef表达输入来完成,Schema模式语言只能描述单个元素的值或属性约束,无法直接使用Schema模式文档描述连接关系或二次回路等间接信息的正确性定义,因此不能通过Schema模式文档进行SCD虚回路的规范性检查。


SCD模型文件自身对连接信息、二次回路的描述机制决定了其不能使用Schema模式语言直接进行约束。但是SCD本身并不缺少变电站中的任何配置信息,只是大量信息耦合在一起难以处理。因此,需要对SCD文件中的信息按类型进行信息提取,即对不同类型的信息解耦,由此,实现SCD文件中彼此孤立却在实际上紧密联系的同类信息的整合,并按照利于Schema模式文档约束的形式写入到新的XML文件之后,用Schema模式文档描述检查规则,进行SCD虚回路辨识。


3.3  智能变电站设计规范特征


由上述可以看出,IEC 61850,1396,1161/1175,是目前分层强度检查的主要层次框架。但以虚回路的视角看,它们所约束的语义强度侧重点不同:


1)IEC 61850更侧重标签语义,即使是对于结构的约束,也多为通信目的,并非回路结构。因此应作为回路检查的基础标签语义依据。


2)1396属于结构语义的范畴,并细化了部分标签语义,但结构侧重于变电站通用结构。因此应作为回路检查的加强标签语义,及基础结构语义依据。


3)1161/1175,以装置类型为对象,详细的规定的装置的输入/输出,及模型表达约束,属于强结构语义。因此应作为回路检查的加强结构语义依据。


IEC 61850所提供的Schema模式,虽然仅仅表达了IEC 61850的约束,但其本质是一种词法/语法/句法的形式化表达,可作为自动检查的输入。所以,无论1396,还是1161/1175中涉及词法/语法/句法的约束,都可以采用扩充Schema的方式加以形式化表达,则自动检查的强度也随之加强。


除此之外,1161/1175对回路设计的规范约束更具有现实价值。在本文中,属于最高强度的回路语义依据。虽然标准的表达形式主要依靠表格与文字,但其实质是语义学中的词库、词袋、词向量,作为等价关系的检查,目前的技术已经是充分的。


参考目前AI技术和数学技术的发展,将“等于”这一单一运算,扩展到“大于”、“小于”、“相加”、“相减”等完整的运算体系,则可以近一步给出语义的“距离”,使之与“强度”、“完备”等性质对应,将使回路语义检查更具有量化特征。


4  典型工程案例分析 


为验证技术方案的有效性,选择了某500kV智能变电站SCD,采用基于语义强度的Schema技术,逐层对于所选择的SCD进行虚回路规范性辨识,具体如下。


1)第一步IEC 61850检查,基于XML的原始SCD文件与IEC 61850-6给出的XSD文件进行一致性比较,主要检查SCD的语法结构是否规范,检查结果如下。


(1)第56317行:PB5012B中元素“ExtRef”缺少必须属性prefix。(2)第56318行:PB5012B中元素“ExtRef”缺少必须属性prefix。(3)第99942行:PL5003B中元素“ExtRef”缺少必须属性prefix。(4)第1891953行:PM5001B中元素“ExtRef”缺少必须属性prefix。


前4条示例差异,缺乏上述属性,可能会影响SCD二次回路正确性的判断。


2)第二步基于SCD技术规范的检查,通过基于SCD技术规范的Schema技术,比对原始SCD文件与XSD文件的一致性。检查SCD是否满足SCD规范附录J对IED实例化命名的约束要求,具体如下。


(1)SCD文件第2031857行:装置命名为IT02A,该命名不正确!(2)SCD文件第2036225行:装置命名为IT02B,该命名不正确!(3)SCD文件第2040590行:装置命名为PT02A,该命名不正确!(4)SCD文件第2052491行:装置命名为PT02B,该命名不正确!(5)SCD文件第2241564行:装置命名为ZDTQ01,该命名不正确!(6)SCD文件第2245445行:装置命名为ZDTQ02,该命名不正确!(7)SCD文件第2581276行:装置命名为ythdy,该命名不正确!


上述7条差异反映IT02A、IT02B、PT02A、PT02B、ZDTQ01、ZDTQ02和ythdy均不符合SCD技术规范附录J的IED命名方式。命名不规范会影响对于保护属性的正确判断。


3)第三步IED配置检查,以Q/GDW 1396—2012《IEC 61850工程继电保护应用模型》为依据,采用Schema文件,比对SCD文件与XSD文件的一致性;具体如下。


(1)“PL5003A”的名字为PROT的LDevice中缺少名为PTOC的必选逻辑节点。(2)“PT02A”的名字为PROT的LDevice中缺少名为TVTR的必选逻辑节点。(3)“PT03A”的名字为PROT的LDevice中缺少名TVTR的必选逻辑节点。(4)“PM5001A”的名字为PROT的LDevice中缺少名为TCTR的必选逻辑节点。


检查结果体现的4条差异,缺少上述逻辑节点,则与该IED相关的虚回路检查时,无法直接调用Q/GDW 1161,线路保护及辅助装置标准化设计规范;Q/GDW 1175,变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范中定义的引用路径。


4)第四步基于Q/GDW 1161,线路保护及辅助装置标准化设计规范,及Q/GDW 1175,变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范的二次虚回路检查,主要采取两种方式:①基于引用路径检查;②基于DO的描述DESC信息的检查。考虑到每台装置的有效输出回路会在对端的输入回路得到体现,所以需要提取SCD中每一个IED输入虚回路的本端端子dodesc信息和对端端子dodesc信息,由此可以构成二次虚回路体系完整性检查。


具体结果如下:(1)“PL2204A”的输入虚回路中闭锁重合闸   -6不存在,与标准中不符。(2)“PL2204A”的输入虚回路中其他保护动作-6不存在,与标准中不符。(3)“PL2205A”的输入虚回路中闭锁重合闸   -6不存在,与标准中不符。(4)“PL2205A”的输入虚回路中其他保护动作-6不存在,与标准中不符。


结果示例:4条差异缺少标准中必须存在的输入虚回路,可能会影响对二次回路正确性的判断。

结论

本文针对智能变电站SCD应用现状,提出了基于语义强度的SCD虚回路辨识技术,通过对于工程应用中SCD文件的检查,印证了该技术方案的有效性。确保SCD文件的正确性是实现智能变电站SCD全寿命周期管理的基础[10-11],是落实国调80号文要求,是实现保护系统在线监测与智能诊断,构建智能变电站二次安全预警系统的前提[12]。


本文所提出的解决方式对于智能变电站保护系统运行安全性具有十分重要的价值,为智能变电站工程实践推广提供了可靠的技术保障。

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