配电主站系统一体化设计之经验谈

0 引言 随着我国城网改造的逐步开展，城区配电自动化/管理系统的市场需求日益增大。在配电管理系统(DMS)中引入地理信息系统(GIS)是当前DMS发展方向，也是配电产业的必然选择。 DMS一体化设计的主要目的是为电力用户提供一个简单、直观、统一的操作环境，实现不同数据流(包括设备地理图形数据、网络拓扑数据、静态档案数据、动态实时数据等)之间的交互和共享，用户所需的数据要实现一次输入和维护、多处共享和使用。必须强调，DMS的数据存储方案、拓扑内部表达、内部数据流向、功能内部实现等对于用户来说都是透明的，DMS一体化设计首先要根据电力管理系统中数据流的特点，从数据结构一体化设计着手，才能为一体化功能的实现提供强有力的支持。总之，一体化实现的核心和关键在于统一的数据建模、网络拓扑映射技术及开放标准的功能接口。 本文试图结合作者在DMS领域多年的工作经验及亲身经历，围绕配电自动化主站系统(包括配电SCADA子系统、配电故障诊断恢复和配电网应用软件(DAS)子系统、配电自动成图(AM)/设备管理(FM)/GIS应用子系统)一体化设计所涉及的诸多问题进行深入的探讨。为了论述问题的方便，本文以下涉及具体GIS平台的相关内容均以Smallworld为例进行阐述。 一 各子系统的功能定位 配电自动化主站系统通常可划分为配电SCADS子系统、配电故障诊断恢复和配电网应用软件(DAS)子系统、配电AM/FM/GIS应用子系统，其中配电SCADA子系统是DAS子系统和配电AM/FM/GIS应用子系统中实时应用的基础，为DAS和FM提供实时数据源，并在系统设计中提供平台支持。 配电AM/FM/GIS系统的任务主要集中在进行图形显示控制、设备管理、静态离线分析、工作管理等方面，同时为其他系统提供相应的数据、信息。该系统主要面向电业局或供电所各生产职能部门，为生产运行一线员工和管理人员提供基础数据平台及信息服务。 SCADA系统完成基本的电网数据采集和监视控制功能。主站SCADA包含数据采集、通信服务、数据处理、在线事件/事故处理、安全管理、调度员操作、报表、打印管理、数据库维护、画面组态(画面管理和维护)、人机界面(画面显示和操作)、事故追忆、网络和进程管理等基础功能，以及Web服务、调度员培训仿真(DTS)等附加功能，要求具有很高的安全性、可靠性、实时性以及强大的数据处理能力。 DAS子系统可完成配电网应用软件各种功能的计算机处理并收集多个馈线终端设备(FTU)采集的故障信息、判断故障性质、精确故障位置并进行隔离。该系统的故障检测、故障定位、故障隔离与非故障区恢复供电控制可分为3个层次：①以配电终端为基础的故障检测、故障定位、故障隔离与非故障区恢复供电；②以数据终端设备(DTU)/配电子站为单元的故障定位、故障隔离与非故障区恢复供电；③以主站为管理中心的高层全局控制。 配电自动化主站系统一体化设计首先要从数据库方面进行一体化设计，必须统一对象标识，开关中的编号或名称在各自的表中最好取相同的字段名称，定义相同的数据类型。在建立各种设备数据表或SCADA/DAS参数表时，应充分考虑各种应用对电力对象数据属性的要求，同时考虑降低数据的冗余。在GIS维护程序中，实现AM/FM/GIS中的图形向SCADA/DAS格式转换和拓扑的无缝迁移，从而避免图形的重复录入及两个系统维护时可能造成的不一致问题。 值得注意的是，每个配电网都有其特殊性，比如地理环境、范围和规模、管理模式、用户性质等，这往往要求开发方根据具体情况制定适用于该配电网最佳的配电自动化模式。 二 一体化数据来源 一体化方案中涉及的数据包括以下内容： a.设备台帐数据：由GIS输入并加以维护。 b.实时采集数据：由SCADA系统采集并构造实时库，并可传送给GIS用于显示。 c.电网拓扑数据：SCADA系统与GIS通常具有不同的拓扑表达方式，SCADA系统中电网拓扑连接关系可由人工输入，也可由GIS根据其图形拓扑关系按SCADA系统的拓扑表达格式进行转换(即图形拓扑到线路拓扑的转换)，还可通过“中间格式”进行过渡。此“中间格式”是由一套由开发方定义的图形拓扑来表达规范，具体形式可以是纯文本文件、XML文件等。当然，开发方通常还需要相应地提供对该中间格式进行转换(导入/导出)的程序。 d.设备电气参数：GIS在进行模拟分析操作(模拟态)时由手工输入；在实时态时直接由SCADA实时采集量对应。 在配电主站系统中，AM/FM/GIS与SCADA/DAS之间的信息共享包括数据的传递与显示、不同图形格式的转换、拓扑关系的映射。为了便于GIS和SCADA系统之间的数据流的双向交换(包括GIS从SCADA系统中取实时数、向SCADA系统发送遥控命令以及SCADA系统查询保存在GIS中的设备台帐信息等)，在数据结构设计之初就需要建立“设备对象统一标识”。具体说来，设备对象统一标识是GIS和SCADA系统中对相同电力对象的编码，即通过对该设备对象统一标识可以建立GIS与SCADA系统中的电力设备对象的一一对应关系。 以Smallworld作为GIS平台为例，需要利用配电主站系统提供的API函数和Smallworld提供的进程间数据通信的机制(如ACP或TICS)，编写一个实时运行的程序，负责AM/FM/GIS与SCADA/DAS应用之间的实时数据和控制信息的交互。在GIS画面上实现对配电网运行状态的显示(例如开关合分状态、线路带电状态、遥测量的大小等)，以及对配电网故障事项的显示。这就要求实时SCADA系统与GIS共同定义设备对象统一标识(即统一的数据库表的关键字)，以保证不同系统之间信息交互的唯一性。 三 一体化图形组织 3.1 是否在GIS端保存站房内部图(采用GIS图形格式) Smallworld可以利用超节点(Hypernode)机制通过编程完成从一个世界(world)到另一个世界的追踪，即可以很方便地完成诸如站房外到站房内部或站房内到站房外的拓扑追踪，这是选择Smallworld作为配电GIS平台的原因之一。简单地说，超节点是一个拥有两个分别属于不同世界的几何图形的特殊对象，它通过其内部封装的方法在进行拓扑追踪时完成拓扑关系低层的迁移，即将一个世界中的几何图形对应到存在于另一个世界的几何图形上，使拓扑分析程序继续追踪下去。 结论是：如果需要实现站房内外的追踪，GIS端(Smallworld系统中)需要保存站房内部图(如站内一次接线图)。站内一次接线图在配电SCADA系统投运前就需要绘制完成，所以对于站内图可考虑由SCADA图形格式转换到Smallworld系统中。 3.2 是否在GIS端保存电系全图(采用GIS图形格式) 从技术实现角度来说，在Smallworld中采用GIS图形格式既要保存地理沿布图、又要保存电系全图是完全可以实现的，同时，还可以通过数据模型的特别处理实现电力设备在地理沿布图与电系全图上都有各自的图形表达，而设备台帐却只有一套数据，即一套是民办科技设备属性数据对应于多个(分属于不同world)几何图形。 这种方案使得配电主站系统中出现了两种图形格式的电系全图，即GIS图形格式的电系全国与SCADA绘图格式的电系全图。显然，为了使用户一次图形输入，避免图形的重复录入及两系统维护时可能造成的不一致问题，这两种图形格式的电系全图之间以及地理沿布图与电系全图之间都存在一个图形的转换问题，从而大大增加了系统的复杂度。 另外，由于Smallworld图形格式的电系全图与SCADA绘图格式的电系全图在表达拓扑连接关系时往往存在差异，前者直接通过图形的连通性来表达电力线路及设备之间的拓扑关系，后者则往往使用对开发者不透明的拓扑表来表达这种拓扑关系，所以在实现上也存在一定的难度。 综上所述，建议不要在GIS端采用GIS图形格式保存电系全图。 3.3 电系全图(站外一次接线图)是否采用GIS图形格式 尽管GIS系统从本质上说也是一个图形系统，可以表达数据量大、结构复杂、覆盖范围较大的地理地物图形，包括横平竖直的电系图，但建议不要这样做。这是因为调度员界面(MMI)显示的电系图可以使用具体厂商的绘图包格式(例如配电SCADA绘图格式)来表达，相对说来，这些具体厂商提供的图形格式往往比GIS平台提供的图形格式简单，但对于表达横平竖直的电系图却更为实用。 另外，为了完成电力系统的高级分析，需要维护存储了电力元器件连接关系、对开发者不透明的拓扑表，而Smallworld图形的特点是直接通过图形的连通性来表达电力线路及设备之间的拓扑关系，电力系统的高级分析算法无法利用这种Smallworld图形内在的连通性。 综上所述，建议将GIS平台的选型与配电自动化系统平台的统一选型分开，不要用GIS图形系统来表达横平竖直的电系图。但由于某些GIS图形格式(例如shape格式)对外是公开的或可以通过一些图形转换工具方便地完成图形格式的转换，因此，在进行图形转换时仍然可考虑使用某种GIS图形格式(例如shape格式)作为中间格式。值得注意的是，实现GIS系统中的地理沿布图向电系全图(SCADA图形格式)的转换可以根据用户要求进行增量转换，同时允许用户对转换结果中图形的位置进行编辑调整。 3.4 电力设备之间拓扑关系的表达 Smallworld图形格式中的拓扑直接通过图形的连通性来表达，即当两个几何图形在其图形位置上没有发生重叠或覆盖(coincident)关系时，按照Smallworld提供的拓扑分析机制会发现这两个几何图形所属的对象是不可能发生拓扑连接关系的。 在表达电力线路及设备之间的拓扑连接关系时，SCADA绘图格式的图形则往往是通过一个拓扑表来实现，这个拓扑表按前、后连接器件来表达电力线路及设备之间的连接关系。实际上，SCADA绘图格式的图形位置与图形所属的电力对象的拓扑关系是分离的，即使SCADA绘图格式的图形在其图形位置上没有被连接(即没有发生重叠或覆盖关系)，只要拓扑表中表明二者是前后连接器件，则在DAS中仍然认为这两个电力设备是相连的。 在Smallworld中，当需要了解电力线路及设备之间的连接关系时，可使用Smallworld提供的底层拓扑分析方法完成对Smallworld图形的拓扑追踪。实际上，并不存在(或