第34卷第10期电网技术V ol. 34 No. 10 2010年10月Power System Technology Oct. 2010 文章编号：1000-3673（2010）10-0020-06 中图分类号：TM 734 文献标志码：A 学科代码：470·4054
王冬青1，李刚1，何飞跃2
（1．中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192；2．中国水利水电科学研究院，北京市西城区 100038）
Design of Integrative Information Platform for Smart Substations
WANG Dongqing1, LI Gang1, HE Feiyue2
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;
2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Xicheng District, Beijing 100038, China)
ABSTRACT: As a key node in smart grid, one of the functions of smart substation is to provide informat
ion supporting for the grid. For this reason, an integrative information platform in the smart substation is built. A layered and distributed structure is adopted in this platform to unify and simplify the data sources inside the substation, so unique and consistent basic data and information are formed and the interaction and sharing of data and information inside and outside the smart substation can be implemented by a unique and standard mode to provide reliable information support for operation and control of smart grid. The key techniques related to data identification and data estimation, the classification, dynamic sharing and intelligent information transmission of data and information inside the substation, which are adopted during the building of the platform, as well as the security of information and data are expounded and concrete solutions for them are given. Following the standards in IEC 61850, the platform communicates with equipments inside and outside the substation. The information flow and time delay of the built platform are simulated, and simulation results show that the communication time delay of the built platform can meet the requirements of data and information from users inside and outside the substation.
KEY WORDS: smart substation; information platform; IEC 61850 service; data identification; data estimation; dynamic sharing
摘要：作为智能电网的关键节点，智能变电站的功能之一是为电网提供数据信息支撑。为此建立了一 种智能变电站内的一体化信息平台，该平台采用分层分布式结构，统一和简化变电站的数据源，形成唯一性、一致性的基础数据和信息，以统一标准的方式实现变电站内外实时数据及信息的交互和共享，为电力系统运行控制提供可靠的信息支撑。阐述了建立平台所涉及的站内数据辨识、数据估计、数据及信息的分类、动态共享、智能传输以及站内数据及信息的安全等关键技术，提出了具体的解决方案。平台遵循IEC 61850规范与站内外的设备联系。对所建立平台的信息流量和延迟进行了仿真，结果表明，平台的通信延迟可以满足站内外数据及信息使用者的要求。
关键词：智能变电站；信息平台；IEC 61850服务；数据辨识；数据估计；动态共享
0 引言
传统变电站的数据采集功能和具体的逻辑判断功能结合紧密，通常由单一设备完成，因此，完成不同的功能就需要配置不同的设备或系统，如保护、测控、电能量、同步相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)[1]、行波测距[2]等。这些不同功能的设备或系统都有各自独立的数据采集单元。与此相对应，站内建有多种信息系统[3]，如数据采集与监控系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)、保护信息子站、故障录波系统、一次设备在线监测系统、行波测距系统等等。各个数据采集及信息系统都存在着交叉重复采集、利用率不高、数据及信息内容不一致、时间不统一等问题，形成了以纵向层次多、横向系统多为主要特征的“信息孤岛”[4]，制约了信息的进一步融合和应用，数据及信息的重复采集和重复传输处理势必造成各种资源的浪费[5]。
与传统变电站相比，智能变电站信息的获取范围与利用方式发生了很大的变化。站内一次设备的模拟量数据和状态量数据，以及过程层和间隔层设备的处理信息及运行信息等，都可通过站内网络获得[6]。借助于信息共享机制，智能变电站更容易与调度与控制中心、其他变电站或者用户等进行信息交换，实现系统级综合应用[6]。
为适应智能变电站的建设要求[7]，本文建立了
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一种智能变电站内的一体化信息平台。该平台将统一和简化变电站的数据源，形成唯一性、一致性的基础数据及信息，以统一标准的方式实现站内外信息交互和共享，为电力系统的保护和控制、运行及维护管理提供基础数据支撑。
1 统一信息平台
1.1 功能及结构
智能变电站内的一体化信息平台采集来自站内外的数据和信息，并对数据进行处理，完成数据辨识、数据估计、信息整合、信息分类、数据及信息记录和共享功能，为站内外使用者提供实时、安全的数据及信息资源。其数据及信息的流向如图1所示。
图1智能变电站一体化信息平台的数据及信息流向Fig. 1 Flow of data and information in universal data and information platform in smart substation
平台由多个子单元和1个中心单元组合而成，对变电站的数据和信息进行分层分布式处理[8]。子单元基于局域观测，完成数据采集、辨识估计以及数据记录功能，根据预定制的信息提取规则，形成位于间隔层的信息源，并按要求将其传送给站内外使用者。
子单元可以位于间隔层的某个设备内，与间隔层其他功能合并组成一套设备。子单元的配置可以采取按间隔配置、按功能配置、按信息使用者配置、按宿主设备处理能力配置、按通信流量配置等方式。
平台的中心单元在站控层的层面上对全站数据进行数据辨识及估计，融合全站数据及信息，形成更高层次的数据库和信息库。1.2 智能变电站的数据及信息
智能变电站采集的数据及信息包括：
1）电网运行数据。包括反映电网运行状态的电压、电流、开关状态等一次设备的数据。
2）变电站高压设备状态数据。包括反映站内高压设备运行状态的状态监测数据，反映与变电站相邻的运行设备(如输电线路)的状态监测数据。
3）相邻变电站的数据。包括反映本站与相邻变电站的状态关联的数据，相邻变电站的运行状态数据。
4）变电站保护控制设备以及其他设备的运行状态或控制状态数据及动作信息。
5）来自用户的数据。
6）保证变电站正常运行的环境数据，如站内火警监测数据，烟警监测数据，视频监测信息，甚至气象信息等。
基于各类数据及信息的实时性及可靠性要求的不同，在设计平台的过程中，必须对其采集和取用共享机制进行不同的处理，以保证数据的有效性和可用性。
1.3 数据的辨识
快速水分测定
数据辨识用于识别并剔除坏数据[9]，并向数据的使用者提供必要的报警信息。目前有以下规则用于站内数据辨识，更多的规则可在实际应用中继续扩展。
1）基于基尔霍夫电流定律的数据辨识。根据基尔霍夫电流定律，某一节点流入和流出的电流和应为零。在变电站内可以根据同一节点的所有设备的电流进行电流数据完备性的检测。如发现异常，可以进一步分析发生电流信息异常的设备。
2）基于模拟量突变的联合数据辨识。反应电网运行状态的参量是相互关联的，运行状态的变化会同时体现在多个有关联的电流和电压上。因此当某个模拟量发生突变而其他关联的模拟量未发生变化时，可以推断该变化的模拟量数据出现异常。
3）基于模拟量和状态量的联合数据辨识。断路器辅助接点位置信号与对应的电流或电压数据表达的
信息在一段延时后不匹配，则推断出现异常。
4）基于电流量和电压量的联合数据辨识。对于某些设备，流过该设备的电流和该设备的电压满足一定的规则。如不符合该规则，则推断该设备电流或电压数据出现异常。
5）基于功率平衡的数据辨识。正常运行时检
22 王冬青等：智能变电站一体化信息平台的设计 V ol. 34 No. 10
测各设备的功率平衡，如母线、变压器等具有多端量测信息的设备。如果流入流出的功率差额较大，说明功率信息异常。
6）基于模拟量和状态量本身特征的数据辨识。模拟量或状态量的变化不符合规律，则认为数据发生异常。如模拟量数据以周期性的方波形式变化，或者状态量不停地抖动等。易切削不锈钢
7）基于模拟量不平衡特征的数据辨识。模拟量不平衡特征的出现不符合规律，则认为数据发生异常。如在系统正常运行时，某个设备的零序、负序电流或电压突然跳变，而其他相关的量没有变化。 1.4 数据的估计
智能变电站数据的冗余采集给数据的估计带来了可能。数据估计可按以下规则进行。
1）基于基尔霍夫电流定律的数据估计。根据基尔霍夫电流定律，节点未发生故障时，根据同一节点上除k 支路外所有支路的电流，可以求取k 支路的异常电流数据。
1
0,N k m m i i m k −==−≠∑ (1)
式中N 为节点连接支路数。 2）基于设备特点的数据估计。变压器未故障时，根据信息完备侧的电流电压数据，求取信息异常侧的电流电压数据。
i 1 = k i
i 2 (2) 式中：i 1和i 2为变压器两侧的电流值；k i 为对应的变压器电流变比。
v 1 = k v
v 2 (3) 式中：v 1和v 2为变压器两侧的电压值；k v 为对应的
变压器电压变比。
对于通过母联或者分段断路器连通的不同母线，各母线电压应该相等，因此，可以根据正常母线电压
数据求取异常的母线电压数据。
3）基于历史数据和完备数据的数据估计。在系统运行方式未发生变化时，可以从历史数据或其他模拟量数据估计出某异常模拟量的估计值。如首先根据其他完备数据判断系统的运行状态未发生变化，根据模拟量周期性变化的特点，可以从某异常模拟量正常历史数据估计出当前数据。
4）基于模拟量三相平衡的数据估计。系统未故障时，可以根据系统的三相平衡情况推断出某相数据。如系统零负序电流电压保持恒定值，在某相数据异常时，可以根据历史零负序电流电压值以及
当前的其他两相正常数据，求取该异常相数据的正常值。
1.5 数据及信息的分类处理
为避免系统发生扰动后大量数据的涌入造成平台崩溃，提高平台的实时快速反应能力，有必要对数据及信息进行分类和过滤处理[10]。数据及信息的分类遵循以下原则：
1）按实时性要求分类。
根据实时性要求，分类不同的数据及信息，以采用不同的处理模式和信息共享机制。如：①用于保护和控制的电流电压数据、状态量数据或其他数据及信息，实时性要求最高，取用和处理时间在
10 ms 以下；②用于测量的电流电压数据、状态量数据或其他数据及信息，实时性要求较高，取用和处理时间与测量系统的要求有关，一般在1 s 以下；③用于状态监测或事后分析的数据及信息，实时性要求不高，取用和处理时间与系统的要求有关，一般在1 s 以上。
2）按间隔分类。 使用者需要某一间隔的数据及信息，如线路间
隔、变压器间隔、母线间隔等。
3）按功能分类。
使用者需要与某功能关联的数据及信息，如小
电流接地选线功能需要母线上各线路的零序电流、
零序电压等。
4）按数据及信息使用者要求分类。
平台应提供满足使用者要求的分类规则及实
现手段，为平台的扩展应用提供便利。
台球杆架1.6 数据及信息的智能共享
平台数据及信息的共享处理系统完成平台各部分与站内外设备的交互功能，应根据可定制、可预处理、可按需发布、可动态调整的原则来设计。
可定制要求可以灵活地预配置数据及信息的来源、流向、响应级别、可靠性级别、各种分类及对应的IEC 61850模型等基本定制要求，为数据及信息的共享提供完备的参数准备。
可预处理首先要求对数据及信息建立预处理的规则，其次实现对数据及信息的预处理。预处理规则的建立是实现数据及信息融合的前提，根据融合算法、预定规则或数据及信息的使用者要求建立预处理规则库。在平台的运行过程中，根据预处理规则库的要求实时处理数据及信息，提供信息使用者要求的数据及信息结果。
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可按需发布是按照预定的定制要求，向数据及信息的使用者按发布要求发布定制的内容。
可动态调整是提升平台智能化水平的关键。随着变电站智能化建设的不断深入，平台的信息共享可以从预定制预设参数提升为可以远程、在线动态调整数据及信息的全部或部分定制要求、预处理规则、发布规则等参数，进而发展为各数据及信息的使用者可以实时在线定制或取消所需要的内容。这就要
求平台能够提供先进的技术支撑手段，实时在线调整各部分的逻辑处理流程，完成数据及信息的IEC 61850模型配置等功能。
智能调度系统
1.7 数据及信息的智能传输机制
数据及信息的智能传输意味着能够对平台的数据及信息的传输路径进行调整。变电站内所有数据及信息的发布者和使用者都可以通过网络互联，是实现数据及信息的智能传输的基础。智能传输机制应根据实时性及可靠性要求，配置传输路径并将相关参数传送给对应设备，配置可以通过人为设定，也可以由平台提供。在平台运行过程中，如预定的传输路径破坏，平台应提供告警信息，同时根据预设的备选方案，重新建立数据及信息的传输路径，保证数据及信息的使用者的权益。
2 IEC 61850服务支撑
IEC 61850为变电站内、变电站之间及变电站和控制中心之间数据和信息的传输提供了标准服务。站内外数据及信息的使用者利用IEC 61850提供的各接口服务，可以获得所需的数据及信息[11]。实际应用中可以参照DL/T 860标准及IEC 61850 第2版[12]，建立及维护平台各子单元和中心单元的IEC 61850模型。平台的IEC 61850预配置工具需要根据数据及信息的实际情况配置生成相关的文件，同时随着平台建设的成熟，实时在线调整配置参数也成为可能[13]。
IEC 61850是一个开放式的国际标准，强调通用性和即插即用，开放的标准所带来的安全可靠性问题不容忽视，必须配置相应的安全保证措施。
IEC 62351(电力系统管理及关联的信息交换—数据和通信安全性)为站内外信息传输提供了安全规范。该标准主要采用认证和加密2种方式。考虑到对实时性有严格要求的报文，如面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)，采样测量值(sampled anologue value，SA V)，IEC 62351提出了一种最小计算需求的数字标识报文规范。在IEC 61850第2版中，根据IEC 62351-6增加了对采样报文的数据和通信安全机制，包括增加报文的验证码、公钥等。另外对采样控制块和采样报文进行了扩充和修改。
因此，平台需要根据IEC 62351和IEC 61850标准的要求，建立信息安全保障机制[14]，同时需要在数据及信息的辨识过程中，利用大量数据及信息采集获得的冗余条件，对数据及信息的合理性进行评估，及时剔除不安全因素，并提供相应的告警信息。
3 平台的实时性分析
平台的实时性分析是保证平台正常运转的必要环节，也是划分子单元的根据之一[15]。平台的实时性不仅要求站内具备高速可靠的通信网络，同时要求平台具备高效可靠的任务管理机制。
变电站内实时性要求最高的继电保护装置及系统，对智能变电站的通信网络提出了明确要求[16]，因此为满足继电保护装置及系统使用平台信息的需要，平台的通信网络配置不应低于《智能变电站继电保护技术规范》[16]的要求。平台提供的分布式的多维信息出口的管理机制，也是为了满足有不同实时性要求的数据及信息使用者的需要。同时，平台的逻辑功能的分布不要求与物理设备的绝对一一对应，各个功能可以分布于不同的设备内，也可以与平台外的站内其他设备组合，以实现经济高效的运转。
以图2所示变电站为例，过程层配置20套合并单元和智能终端，每个合并单元采集12个模拟量，每个智能终端接入16个状态量，间隔层配置
图2 示例变电站
Fig. 2 The example of smart substation
热转印墨水配方24 王冬青等：智能变电站一体化信息平台的设计
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10组平台处理子单元，平台处理子单元和保护控制设备组合，构成间隔层保护控制数据处理设备。可以由此估计变电站的数据及信息量。
假设合并单元采样率为4 000 Hz ，以IEC
61850-9-2LE 标准，800 Hz 的发布频率，实时发布采样值数据。智能终端以GOOSE 方式每隔2 s 发送一次状态量信息。
站外数据及信息的使用者所要求的实时采样数据和状态量，可以选择经代理网关传送，也可以直接由间隔层设备发送。本文假设直接由间隔层平台子单元发送，发送规格为每个报文中含6个模拟量通道一个采样点的采样数据，每周期发布16次。状态量信息每2 s 传送一次。间隔层设备向站控层网络以1 Hz 频率发布测量信息。
其他随机性数据流和突发性数据流等也计入网络流量。假设故障状态下，保护控制设备每隔
5 ms 发布一次用于控制的GOOSE 报文，持续时间100 ms 。保护控制设备向站控层每隔5 ms 上送一次事件记录报文，持续时间20 ms 。保护和控制设备的录波文件在故障平息后上传。
本文以OPNET 为仿真工具，测试平台各单元与数据及信息使用者之间的端到端延迟
[17]
。SA V 报
文、GOOSE 报文的端到端延迟定义为发布者链路层对接收者链路层之间的通信时间。其他服务的端到端延迟定义为发布者应用层到接收者应用层之间的通信时间。端到端延迟的计算方法为
t delay = t a + t b + t c (4)
式中：t a 为从发送方对数据及信息进行处理和协议封装，到数据及信息发布到设备的网络接口的延时；t b 为网络传输延时；t c 为从数据及信息传到接收方设备的网络接口，到接收方对数据及信息协议拆封完毕，进行应用数据拷贝的延时。
设置仿真时间为900 s ，各业务流从100 s 时开始产生，获得间隔层SA V 、间隔层GOOSE 、站控层MMS 、远方用户SA V 业务流端到端的延迟仿真结果见图3。
从结果可以看出，间隔层采样值SA V 报文延迟为1.3 ms 左右，间隔层GOOSE 报文延迟为1.2 ms 左右，远方用户经间隔层直传SA V 报文延迟为
2.1 ms 左右，站控层MMS 报文延迟为15 ms 左右，因此平台可以满足IEC 61850标准对数据及信息的实时性要求。
t /s
(a) 间隔层SA V 平均延迟
平均延迟/m s
012300
600900 t /s
(b) 间隔层GOOSE 平均延迟平均延迟/m s
12300 600
900
t /s
(c) 站控层MMS 延迟
平均延迟/m s
1030300
600
900
t /s
菱镁材料
(d) 远方用户SA V 平均延迟
平均延迟/m s
0.0
1.53.0300 600
900
20
图3 报文处理端到端延迟
Fig. 3 End to end delay of message processing
4 结论
本文综合考虑了灵活性、实时性、可靠性、易维护及可扩展性的要求，整合了站内的数据及信息资源，提出了用于站内数据及信息辨识估计、分类等数据及信息预处理的规则，讨论了站内一体化信息平台的功能设置以及共享原则，旨在为智能变电站的数据及信息资源的处理和应用提供了新思路。一
体化平台的建设将促进变电站信息的融合和利用，不仅强化站内的各种功能，同时有利于电网的安全运行、优化调度、经济运营和优质服务。
本文所提出的平台建设方案，有待于在工程化实施中进一步充实，也将随着智能变电站建设的发展而不断扩展完善。
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