基于SOA的智能变电站设计平台的建模

摘要：为解决智能变电站建设周期相比传统变电站周期长的问题，通过对比分析两类变电站设计、调试过程的不同，提出将智能变电站的配置(设计)过程由系统集成商负责改为由设计部门管理配置(设计)网络平台完成。该平台基于SOA构架设计，根据设备提供商上传的IED设备的ICD文件，自动生成全站的SCD文件，进而生成各个IED装置的CID文件。设备提供商和系统集成商可以通过网络从该平台下载自己所需的CID或SCD文件。用户可以通过该平台对ICD、SCD、CID文件进行版本控制，进而约束各方的工作进度和质量。通过该平台用户调整了在整个智能变电站的设计、调试、建设过程中各个不同单位的角色权限和职能，优化了管理流程，缩短了智能变电站的建设周期。

0 引言

智能变电站是统一坚强智能电网的重要基础和支撑，智能变电站遵循IEC 61850 标准的“三层两网”通信体系[1]，过程层网络的通信介质采用光纤，以虚回路连接代替传统变电站的二次电回路。虚回路的连接以配置文件的形式体现。其中，全站系统配置文件(SCD，Substation Configuration Description)作为全站的信息模型，是整个变电站的信息数据源，是实现信息共享的基础。

目前，SCD文件一般由后台监控系统厂商集成 并提供，这造成智能变电站在设计、施工、调试、维护过程中严重依赖设备厂商，联调工作进度和工程进度基本上由集成商掌握。并且由一个厂商负责修改全站信息不利于工作的协调[2]。文献[2]提出由第三方设计院承担部分系统集成商的职责;但采用这种方式，在工程进度和工作质量的把关上，用户的掌控力度有限。

本文通过对比分析两类变电站设计、调试过程的不同，提出将智能变电站的配置(设计)过程由系统集成商负责改为由设计部门管理配置(设计)网络平台完成。该平台基于SOA构架设计，根据设备提供商上传的IED设备的ICD文件，自动生成全站的SCD文件，进而生成各个IED装置的CID文件。设备提供商和系统集成商可以通过网络从该平台下载自己所需的CID或SCD文件。用户可以通过该平台对ICD、SCD、CID文件进行版本控制，进而约束各方的工作进度和质量。通过该平台用户调整了在整个智能变电站的设计、调试、建设过程中各个不同单位的角色权限和职能，优化了管理流程，缩短了智能变电站的建设周期。

1 智能变电站建设过程的特点

1.1智能变电站的体系结构

智能变电站结构上分为变电站层设备、间隔层设备、过程层设备、站控层网络和过程层网络。与常规变电站相比，智能变电站增加了过程层网络及设备，用于实现信息的共享以及间隔层设备与智能化一次设备之间的链接。从对应的角度看，智能变电站过程层网络相当于常规变电站的二次电缆回路、以及间隔层设备的开入开出回路和采样回路。各智能设备之间的信息通过报文来交换，信息回路主要包括采样值回路、GOOSE开关量输入输出回路等。从功能实现上看，智能变电站二次设备分为过程层和站控层，如图1所示。

图1 智能变电站分层

1.2智能变电站建设过程的特点

智能变电站的设计(配置)过程基本遵循如下流程：用户提出建设变电站的需求，电力设计部门根据需求进行初步设计，用户依据初步设计进行设备招标。中标单位包括设备制造商和系统集成商。设备制造商向系统集成商提供装置和装置的ICD文件。同时设计部门获取各类装置的ICD文件，并设计全站虚端子表。系统集成商根据ICD文件和全站虚端子表，采用系统配置工具，生成SCD文件。设备制造商根据SCD文件生成自己每个装置CID文件并下载到装置中。系统集成商进行设备集成并开展厂内联调，现场联调，厂家验收等环节，使变电站合格投运，期间向用户提交相关资料，用户开展电力生产和检修维护。

目前，在调试、施工其间，装置配置工具、系统配置工具都是由设备厂商自备，配置过程由设备制造厂商自己完成，其中系统配置一般由后台监控系统厂商完成并提供SCD 文件。变电站配置流程图如图2所示[3]。

图2 变电站配置流程图

其中，ICD(IED Capability Description，装置模版配置文件)描述了预先定义的装置数据模型配置。通常对于每一类装置有一个对应的ICD配置文件，为装置最原始文件，由装置制造厂商提供。它包括IED(智能电子设备)的基本数据模型及服务，不包含IED实例名称和通信参数。SSD(System Specification Description，一次系统配置文件) 描述了系统一次设备模型及对应的功能LN类型。通常一个变电站只有一个。由于一次系统智能化发展较慢，目前变电站还没有提供SSD文件。CID(ConfiguredIEDDescription，装置实例配置文件)描述了实际装置的通信配置、数据模型以及GOOSE、SMV等装置间通信配置。每个装置对应有一个实例配置文件，文件结构与ICD文件一致，通常由SCD文件直接导出，禁止手动修改。SCD(Substation Configuration Description，全站系统配置文件)描述了包括一次系统模型、通信网络配置、装置实例配置、LN功能分配、GOOSE配置、SMV配置等所有和变电站自动化系统有关的配置。通常一个变电站只有一个。

2 智能变电站建设过程的模式再造

如上所述，目前智能变电站的建设过程如图3所示。这种模式的弊端是：1)变电站的设计(配置)对系统集成商依赖严重，用户在设备联调过程中对SCD、CID、ICD的掌控手段非常有限，对变电站的调试周期不好把握;2)由一个厂商(系统集成商)负责全站配置信息不利于工作的协调，联调周期长。3)对变电站的改扩建不便利，由于系统集成由设备厂商完成，改扩建时若更换厂商，则原有的配置继承非常有限[2]。

图3 变电站建设模式图

针对以上不足，本文提出图4所示的智能变电站建设过程模式。将变电站配置工作集中于一个网络平台，设计部门负责维护该平台，用户通过该平台对SCD、CID和ICD进行版本控制。如果在变电设计和调试过程中，某些单位反复对配置文件进行修改，将对其进行考核。责任划分如下：ICD的修改次数(质量)由设备提供商负责;SCD的修改次数根据情况确定是设计部门或集成商负责，例如如果虚端子连线错误应由设计部分负责，如果后台控制节点因不满足技术合同要求，少配置了节点，需 要在SCD文件中添加的情况，应由监控厂商负责(一般为集成商)。

该方案克服了变电站的设计(配置)对系统集成商依赖严重的问题。通过用户对配置文件的版本控制等手段，一方面用户对变电站设计(配置)过程的协调工作掌控更加有力，另一方面可以有效把握联调时间，缩短联调周期。最后，由于所有配置文件已经上传至网络平台，资料的有效性透明、可靠，而平台由用户掌控，利于变电站的进一步维护和改扩建工作。

图4 变电站建设模式改造图

3 基于SOA的智能变电站设计平台建模

该网络平台要满足用户和不同设备制造商、设备集成商、设计部门、施工单位不同角色和任务的要求，并利于扩展。本文采用面向面向服务的架构(SOA，Service Oriented Architecture)搭建。

3.1面向服务的体系结构

面向服务的体系结构如图5所示。主要由三个角色构成，分别是服务提供者、服务注册(或称服务注册中心、服务注册机构等)和服务请求者。当应用程序利用Web Service在三个角色之间进行交互时，涉及三个操作分别是发布服务描述，发现(查找)服务描述，以及基于服务描述绑定或调用服务。服务注册机构负责提供这三个操作所需的基础构架，服务提供者发布Web Service，服务请求者搜寻并调用Web Service。这三个基本操作既可能只进行一次，也可能会重复进行。

图5 面向服务的体系结构

3.2基于SOA的智能变电站设计平台的服务模型

1)服务需求

不同服务涉及不同的利益相关者。在总体分析面向服务架构的信息系统中，本文提出引入不同类型利益相关者，并以这些相关者作为分析视角来获得不同服务的方法。为了简化，本文以智能变电站设计平台的服务对象作为利益相关者。一般情况下智能变电站设计平台的服务对象有用户、设计部门、系统集成部门、各个设备提供商、施工单位。而不同服务对象对设计平台具有不同的功能需求。它们分别如表1所示：

表1 功能需求

基于不同服务对象的功能需求，可以寻找并构造不同的服务，进而确定系统所必须拥有的服务。根据表1容易得出基于SOA的智能变电站设计平台的服务(粗粒度)主要有七个：系统管理服务、SCD管理服务、ICD管理服务、工程进度管理服务、工程质量管理服务、版本控制管理服务、变电站投建管理服务。

2)服务模型

(1)用例视图

用例图表示的是服务内的用例跟参与者的交互关系，即服务跟参与者的相互关系。下面以SCD管理服务为例进行用例分析如图6所示。

图6 服务的用例图

如上所述，在用例分析中采用了“粗用例”的思想进行用例分离。SCD管理服务包含四个用例，分别跟设计人员、集成商、设备提供商和施工人员交互。

(2)静态视图

静态视图表示了服务及与服务相关类之间的静态结构，SCD管理服务的静态视图如图7所示。

图7 服务的静态视图

由以上静态视图看到，一方面服务由类聚合而成，另一方面各个服务中的类也有“共同部分”，这部分不同服务之间的重用问题，通过企业服务总线(ESB)来完成，基于SOA的智能变电站设计平台的服务模型结构图，如图8所示。在系统实现和实际运行过程中，各个服务的数据及操作除了在XML中体现外，还映射到数据库，本文采用SQL-Server数据库。

图8服务集成

4 结语

1) 提出将智能变电站的配置(设计)过程由系统集成商负责改为由设计部门维护的网络配置(设计)平台完成的SCD集成模式。

2)用户通过该平台对智能变电工程的配置文件SCD、CID和ICD进行版本控制。解决了原有建设模式的建设(特别是联调)周期长，维护、改扩建工作难于开展的问题。

3)提出智能变电站设计平台基于SOA构架设计理念，便于系统的运行管理，方便异地开展工作。适合智能变电站的建设特性(用户、设计部门、系统集成部门、各个设备提供商、施工单位常常不在同一个地点)。

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