软件定义的变电站自动化系统

传统的变电站自动化是使用电气连接实现的逻辑功能。从最早的过流过压继电器，逐渐发展为复杂的基于微处理器的继电保护和控制系统。

而数字化变电站则是将电气的逻辑连接，升级为复杂的通信系统，典型的数字化变电站网络拓扑如下图所示：

典型的数字化变电站网络拓扑

IEC61850定义了完备的自描述方法，通过规范的数据结构和语义，实现变电站的智能电子设备IED之间的互操作性。此时的变电站自动化实际表现为在限定区域的一种信息物理系统——Cyber Physical System(CPS)。变电站自动化，不再是功能高度集中，不再强调面向特定间隔，而是广泛感知、分布式计算、紧密联系实际物理系统的一种新的工业信息化技术。

数字化变电站可以被认为是CPS的典型用例，而CPS又是工业4.0的核心内容，代表未来的技术发展方向。

CPS系统概念图

现有的数字变电站配置和定义方法

数字变电站与传统变电站最大的变化是使用CIM模型描述设备的接口信息，描述工程应用。IEC61850花了很大的篇幅引入了一种变电站配置语言SCL，实际上它一种针对电力的XML Schema.

变电站内的每一类IED都有其独特的ICD文件进行描述，全站设备之间的逻辑关系或称为联闭锁关系(Interlock)被定义为SSD，某个特定的变电站成为一个“实例”（参考高级计算机语言，“类”与“实例”的关系），ICD是“类”描述，实例化的变电站自动化系统SCD，再将具体的每个智能电子设备IED在系统中的表述具体设备的“实例”CID。也就是说：ICD是“类”，CID是“实例”。IED设备之间的联闭锁，被定义为基于网络的数据发布与订阅关系。

变电站配置示意图

因此可以看出，当前变电站的配置方式是变电站物理系统抽象为计算机模型后，描述这种物理系统逻辑关系的方法。

而数字化变电站作为一种典型的CPS，它具有两层属性——物理层和通信层属性。作为承载物理系统逻辑关系的通信系统，两者之间存在较强的依赖和约束关系。我们知道，变电站内网络非常复杂，可能包括：站控层、间隔层和过程层网络，包含子网、环网等不同的形式，很可能出现错误的设计，导致物理层上的逻辑功能在网络上是不可到达。因此，如何实现可视化的网络与物理设备的自动配置与优化是数字化变电站最重要的维护问题。

数字化变电站示意图——CPS系统

在通信系统中，我们已经非常熟悉软件定义网络SDN的概念，那么，新的数字化变电站作为一种CPS系统，也需要实现一种完整意义上的软件定义功能。

南瑞的软件定义变电站自动化系统

软件定义的变电站自动化首先实现通信网络拓扑的可视化，通过层次化方式来展示变电站自动化系统的全站物理网络拓扑、子系统物理网络拓扑、二次虚回路网络以及设备信息展示。全站物理拓扑展示变电站总体的网络拓扑信息；子系统物理拓扑为全站网络拓扑展示的补充，更加详细的展示子网络的拓扑信息；二次虚回路网络拓扑展示物理设备上的逻辑模块间连接关系；设备信息展示设备名称、设备网络参数、设备健康情况等信息；

全站总拓扑示意如下：

子网拓扑：

虚回路：

变电站自动化系统的通信系统模型集成到设备模型ICD和系统工程设计SSD中，SCD文件描述了全站设备间的物理连接关系、逻辑连接关系、逻辑设备控制块的数据订阅关系等信息。基于SCD可导出自动化设备配置信息，设备互联的网络设备配置信息（CSD）通过软件定义的变电站自动化系统集成的工具软件从SCD中解析生成以下内容：

基于物理系统的逻辑关系，自动定义网络设备的转发机制，自动划分VLAN，自动生成多播转发表：
基于默认配置和指定VLAN分配规则，根据SCD配置信息自动划分VLAN信息，包括接口默认VLAN、接口unTagVLAN配置、接口TagVLAN配置；
根据SCD配置文件提取虚链路信息，提取appid和对应组播地址信息，工具自动把VLAN信息、接口信息和组播MAC地址进行提取，生成交换机组播表项配置信息；

软件系统还具有：

实时监控功能，监测网络上交换机链路、交换机端口、交换机运行状态、光模块信息、交换机电源状态、温度等信息，实时接收和展示交换机告警；监测交换机链路报文统计信息，识别物理链路通信状态、逻辑链路通信状态，检测相应异常信息并实时展示；
系统集成安全监测功能，实时监测网络设备的非法接入、实时检测网络异常信息等信息，对链路异常情况通过可视化界面展示，方便快速定位及排除故障；
配置校验功能，校验分析SCD文件网络连接的正确性和合理性、校验分析网络设备的配置正确性、网络物理连线的正确性、设备位置的正确性校验，提示和告警配置异常情况、连线异常情况等；

软件定义变电站自动化系统的应用效果

提升变电站自动化配置的完整性、准确性和可靠性，解决了网络配置通过人工设置容易出现问题的情况；

传统变电站网络的设计是通过人工逐台进行设计VLAN划分、接口默认VLAN、交换机级联配置等信息，工作量大且非常容易出现设计错误和实时设置错误的情况，导致安装调试效率低下的情况；
实现了网络行为的监控，实时告警提示网络异常信息及异常点，及时排除网络故障保障系统安全运行；

对于物理链路故障、逻辑链路故障的情况实际告警及展示故障点位置及信息；设备非法接入网络系统实时告警并且对接入端口进行禁用；实时监测链路流量信息，识别异常流量并根据既定策略进行抑制和告警；
易于变电站的升级和扩展，按照标准完全基于设计进行配置和管理，保障系统的升级和扩展安全、方便和高效；

基于统一的标准和规范，升级和扩展时只需要修改相应的系统配置文件并导入到SCD中，经过校验后，即可根据SCD生成相应的配置，实时下发给相关设备
降低安装和维护的难度，极大提升安装效率，保证安装的准确性；可视化的界面及全备的监控信息，大大提高运维效率；

支持软件定义的保护自动化装置

NSR300系列保护测控