1  引言
               
　　社會經(jīng)濟的發(fā)展對電能的依賴和需求日益增多，當前國家大力倡導優(yōu)先發(fā)展低碳經(jīng)濟，加大對清潔能源的開發(fā)，促進能源高效利用，這為水電的開發(fā)利用迎來了一個發(fā)展機遇期。在水電廠特別是大型水電廠并網(wǎng)的同時，調(diào)度對負荷調(diào)節(jié)的手段和方式有了更高要求。為此南網(wǎng)調(diào)度要求子站101通道具備接收和反措計劃曲線功能并能自動按計劃曲線實行負荷調(diào)節(jié)。本文對iec101規(guī)約作了擴展研究，并通過nc2000監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)子站對設(shè)定日計劃負荷曲線的接收與反措功能。實際工程應用表明，擴展后的iec101能夠滿足南網(wǎng)電網(wǎng)調(diào)度運行要求。
           
2  iec60870-5-101規(guī)約
               
　　iec101規(guī)約全稱是：iec60870-5-101，是中華人民共和國電力行業(yè)標準，標準號：dl/t634.5101-2002。
               
　　iec60870-5協(xié)議集是國際電工委員會(iec)第57技術(shù)委員會電力系統(tǒng)控制以及通訊委員會為適應電力系統(tǒng)(包括ems、scada和配電自動化系統(tǒng))及公用事業(yè)的需要而制定的一系列傳輸規(guī)約[1]。101規(guī)約自1995年出版了iec60870-5-101:2002（2.0版）。我國也對這個新版本的標準進行了等同采用。iec101規(guī)約是基于串行接口通訊模式，非平衡式傳輸，通常采用4線制通道，是中華人民共和國電力行業(yè)標準，標準號：dl/t634.5101-2002。
               
　　調(diào)度主站與廠站側(cè)通訊數(shù)據(jù)主要是“四遙”信息，分別為：遙信、遙測、遙調(diào)和遙控。數(shù)據(jù)傳輸方向分為：監(jiān)視方向和控制方向，其中遙信和遙測屬于監(jiān)視方向數(shù)據(jù)（常稱為：上行數(shù)據(jù)），遙調(diào)和遙控屬于控制方向數(shù)據(jù)（常稱為：下行數(shù)據(jù)）。
               
　　iec101允許采用固定幀長和可變幀長，也可采用單個控制字符。當傳輸應用服務數(shù)據(jù)單元(asdu)時，采用可變幀長幀。當沒有asdu傳輸時，采用固定幀長幀或者單字節(jié)幀。單個控制字符：e5，表示當子站無所需求的數(shù)據(jù)時，采用單個控制字符應答；固定幀長幀通常用于鏈路層服務；可變幀長幀常用于傳輸應用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（asdu）數(shù)據(jù)，通用結(jié)構(gòu)定義如下：如圖1所示[2]。
               
　　其中asdu主要由信息對象標識和信息對象組成。對于可變幀長幀的完整結(jié)構(gòu)定義如圖2所示[2]。
          
　　 鏈路控制域定義了報文報文傳輸方向、功能作用以及鏈路不至丟失和重復傳送的控制信息等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

            表1   曲線“拐點”對應關(guān)系表

            圖1  apdu的通用結(jié)構(gòu)組成示意圖

            圖2  可變幀長幀結(jié)構(gòu)組成示意圖

            圖3  鏈路控制域結(jié)構(gòu)示意圖

　　其中：
           
　　res：保留位，始終為0；
           
　　prm：信源信息，其中1表示：報文從被控站（響應站）發(fā)出；0表示：報文從控制站（啟動站）發(fā)出；
           
　　fcb：幀計數(shù)位，控制站通過判斷其是否翻轉(zhuǎn)來決定是否重發(fā)上一幀報文；
           
　　fcv：幀計數(shù)位有效位，值為1表示fcb有效，值為0表示fcb無效；
           
　　acd：請求訪問一級用戶數(shù)據(jù)，值為1，表示被控站有一級數(shù)據(jù)；
           
　　dfc：數(shù)據(jù)流控制位，值為1表示被控站不能接收后續(xù)報文；
           
　　本文的規(guī)約擴展主要是可變幀長幀下的asdu類型標識的擴展。
           
　　2.1 iec101規(guī)約應用狀況
           
　　國內(nèi)目前多數(shù)網(wǎng)調(diào)和省調(diào)采用iec101規(guī)約作為104通訊的備用通信傳輸規(guī)約，進行“四遙”信息的傳輸。但有些地方不具備網(wǎng)絡通訊條件，或者一旦網(wǎng)絡發(fā)生故障時，iec101規(guī)約將作為下行令通道進行設(shè)值或者控制。但對于調(diào)度與電廠通信而言，通過遙調(diào)設(shè)值來調(diào)節(jié)負荷所采用的模式仍然是電網(wǎng)給定瞬時設(shè)定值[3]。此種方式不足之處在于：調(diào)度預測幾天內(nèi)的負荷變化趨勢無法下達到電廠，從而給火電廠的煤炭儲存和水電廠的水庫蓄水帶來不便，因調(diào)節(jié)的延時性，造成電廠負荷出力無法保持與負荷變化同步。因此，南方電網(wǎng)調(diào)度要求通過設(shè)定12日內(nèi)的日計劃曲線與反措模式解決此問題，實現(xiàn)安全校正與超前控制功能[4]，從而將電廠出力與電網(wǎng)負荷變化的調(diào)節(jié)誤差降到最低，達到負荷短期預測目的。
           
　　2.2 南方電網(wǎng)與水電廠間的iec101規(guī)約應用
           
　　由于水電廠調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)速度快，一般情況下由水電廠來承擔電力系統(tǒng)中日負荷中的峰荷和腰荷，自動發(fā)電控制（agc）也就隨之出現(xiàn)在水電廠的控制調(diào)節(jié)領(lǐng)域。通常電網(wǎng)負荷首先通過電網(wǎng)agc系統(tǒng)計算獲得，再下發(fā)到電廠。調(diào)度給定的方式主要有兩種，一是瞬間負荷給定值方式，即按電網(wǎng)agc定時計算出給定值即時下達給電廠執(zhí)行。另一種則是日負荷給定曲線的方式，通常是電網(wǎng)調(diào)度中心在前一日下達次日的全天負荷計劃曲線給電廠，到當天零時計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動將此預先給定的日負荷曲線存于當天該執(zhí)行的日負荷曲線存放區(qū)，以便電廠agc自動執(zhí)行[5-7]。南方電網(wǎng)調(diào)度要求水電廠具備接收給定日負荷計劃曲線并對曲線進行反措的能力，電廠agc具備按照設(shè)定負荷曲線執(zhí)行的能力。調(diào)度將執(zhí)行誤差作為考核成本，并對agc進行輔助考核[8-9]。因此，需要研究iec101規(guī)約擴展及其應用。
           
3  iec101規(guī)約擴展應用
           
　　3.1 iec101規(guī)約擴展傳送計劃曲線
           
　　iec101規(guī)約標準協(xié)議未定義曲線報文類型，因而需要對asdu類型進行定義擴展。南網(wǎng)調(diào)度iec101規(guī)范中定義了曲線asdu類型為137號報文（帶cp56time2a時標計劃曲線傳送命令），asdu結(jié)構(gòu)分為[2]：
           
　　多個非連續(xù)的信息對象計劃曲線值結(jié)構(gòu)（如圖4所示）和多個連續(xù)的信息對象計劃曲線值結(jié)構(gòu)（如圖5所示）。
           
　　帶有cp56time2a時標的計劃曲線傳送主要分為兩類：一類是多個非連續(xù)的信息對象計劃曲線，另一類是多個連續(xù)的信息對象計劃曲線。計劃曲線主要是按照agc調(diào)節(jié)要求，每5分鐘作為一個點，全天24小時被分割成離散的288個點，表示信息對象地址，對應的范圍是（0~287），其中：每天的零點零分作為第0點，每天的23時55分作為第287點。按照南網(wǎng)規(guī)范所定義的兩種結(jié)構(gòu)，則日設(shè)定計劃負荷曲線相應的可以分為兩種傳輸模式：一種是將288點全部傳輸，由于南網(wǎng)調(diào)度并不是頻繁設(shè)定負荷曲線，且一天中多數(shù)點時刻的計劃值也都是相同的，從而沒必要將288點都傳送。此模式的弊端是需要3幀才能將288點全部傳送完，占用了系統(tǒng)傳輸資源和傳輸時間；另一種就是只傳輸變化點，即非連續(xù)的信息對象實現(xiàn)整條曲線傳輸。為此，引入“拐點”概念，所謂拐點，就是某點與其相鄰兩點的測值或者方向發(fā)生改變，則此點就為拐點。如圖6所示。
           
　　圖6中，紅圈所注的點為拐點。此種傳輸方法，可以減少占用系統(tǒng)的傳輸資源，以較少的數(shù)據(jù)量將288點全部描述出來。即使不是拐點的第1點和第288點也必須傳輸，它們將作為完整曲線的開始和結(jié)束的判斷依據(jù)。水電廠監(jiān)控系統(tǒng)必須具備將離散的288點繪制成一條完整曲線的能力。目前，通過南瑞水利水電公司nc2000監(jiān)控平臺，可以將離散的288點繪制成一條完整的曲線，并通過友好的界面將曲線動態(tài)地展示給用戶。

           
　　南網(wǎng)調(diào)度要求水電廠應具備接收12天計劃曲線的能力，并且原先次日曲線在時間過零點后能夠自動平穩(wěn)過渡為其前一日曲線，南瑞水利水電公司的nc2000監(jiān)控平臺能夠達到以上要求。

            圖4  多個非連續(xù)的信息對象計劃曲線值結(jié)構(gòu)

            圖5  多個連續(xù)的信息對象計劃曲線值結(jié)構(gòu)

            圖6  “拐點”示意圖

            圖7  入庫曲線圖

　　3.2 曲線反措
               
　　為確保南網(wǎng)調(diào)度下發(fā)曲線的正確性和寫入水電廠數(shù)據(jù)庫的準確性，子站必須具備對下發(fā)的調(diào)度曲線進行反措的能力。反措并非簡單的鏡像報文返回，而是通過收到的曲線報文對曲線測值和曲線時間兩方面進行判斷后返送調(diào)度，具體方法如下：主站通過讀命令(102號報文)讀取曲線，子站通過計算得出曲線拐點值送調(diào)度，并將當?shù)貢r間作為曲線時標一同返送調(diào)度，調(diào)度再根據(jù)子站返回的報文，判斷子站是否正確接收曲線。若正確，此條曲線才能入子站數(shù)據(jù)庫，并作為電廠負荷調(diào)節(jié)標準，否則，子站須丟棄此曲線，調(diào)度可重新下發(fā)曲線或者告知電廠運行人員。拐點的計算策略如下，令：

            delt=pcurve[i+1]-pcurve[i]        (1)
            delt1=pcurve[j+1]-pcurve[j]       (2)    
            j=i+1                             (3)
            |delt-delt1|＞0.5                 (4)
           
　　其中pcurve[]表示曲線中5分鐘點的測值，i的取值范圍為0~287；如果公式(4)滿足，或者delt與delt1方向相反，則j是拐點。調(diào)度下發(fā)的日計劃曲線只帶有一個cp56time2a時間時標，有效位是年、月、日，其它位置零，用于說明該計劃曲線值是哪一天的，時間為當天的則為第一條曲線，時間為明日的為第二條曲線，以此類推。子站系統(tǒng)根據(jù)收到曲線報文分析為第幾條并結(jié)合自身的當?shù)貢r間，確定返送曲線的時間時標，從而與計算得出的曲線拐點一道上送調(diào)度。通過測試表明，曲線反措功能能夠有效發(fā)現(xiàn)異常問題，確保曲線下發(fā)的安全性和可靠性。以南網(wǎng)下發(fā)的全廠負荷計劃曲線報文為例(曲線點起始地址為0x6701)：

            68 59  59  68  54  1  89  13  6  1  1  67  0  0  2  67  58  2  23 
            67  58  2  26  67  5e  1  47  67  5e  1  4a  67  58  2  6b  67  58 
            2  6e  67   84  3  8c  67  84  3  8f 67   58  2  a7  67  58  2  aa 
            67  84  3  cb 67  84  3  ce  67  58  2   e3  67  58  2 e6 67  84  3 
            fe  67  84  3    1  68  58  2 21 68  58  2   0  0  0  0 51  6  a  0 
            16

　　對該報文分析有：共有19個拐點，其中6701點值為0，表示傳送整條曲線，非曲線點第一點，6702和6821表示曲線的開始和結(jié)束。真正的拐點及測值如表1所示。
           
　　報文的最后3個字節(jié)表示日、月和年，時間為2010年6月17日，其中日只取字節(jié)的低5位，年需加上2000。
          
　　 反措報文為：

            68 59  59  68  8  1  89  13  6  1  1  67  0  0  2  67  58  2  23  67
             58  2  26  67  5e  1  47  67  5e  1  4a  67  58  2  6b  67  58  2 
            6e  67   84  3  8c  67  84  3  8f 67   58  2  a7  67  58  2  aa  67 
            84  3  cb 67  84  3  ce  67  58  2   e3  67  58  2 e6 67  84  3  fe 
            67  84  3    1  68  58  2 21 68  58  2   0  0  0  0 51  6  a  b4  16
           
　　反措報文正確，此曲線有效，可入庫。當前的時間為2010年6月16日，此曲線是第2天計劃曲線（明日計劃曲線），存入數(shù)據(jù)庫中明日計劃曲線位置。288點中非拐點按照斜線斜率方法獲得，它們的值按以下策略計算：
           
　　令：
            delt=(pcurve[i]-pcurve[j])/(j-i)       (5)
            pcurve[m]=pcurve[i]+(m-i)×delt      
            (6)
            i＜j                                              (7)
            i＜m＜j                                       (8)
           
　　其中：pcurve[]表示曲線中5分鐘點的測值，i、j為拐點，m為非拐點。只有公式5、6、7和8條件同時滿足時，計算結(jié)果才有效。通過此策略可獲得曲線的其他267個非拐點的測值，從而完整地描述整條曲線。通過nc2000系統(tǒng)展示如圖7所示。

           
　　3.3 曲線應用效果
           
　　子站系統(tǒng)對南網(wǎng)調(diào)度預先下發(fā)未來12天的計劃曲線接收并進行反措，確保了水電廠能夠按照計劃曲線自動調(diào)節(jié)負荷出力，更好地滿足“無人值班”（少人值守）要求[5]。水電廠結(jié)合經(jīng)濟運行(edc)，在滿足計劃負荷曲線的前提下，實現(xiàn)對水庫的綜合管理利用，更好地控制水庫的出庫和入庫流量，調(diào)節(jié)庫容，達到以最節(jié)省的水資源獲得最大發(fā)電量的目的，從而產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。目前，曲線接收和反措已在廣西龍灘水電廠、貴州構(gòu)皮灘水電廠、云南小灣水電廠、貴州天生橋一級、貴州天生橋二級、廣西光照水電廠和云南魯布革水電廠等電廠中得到實際應用，應用效果非常理想。
           
4  結(jié)束語
               
　　通過對iec104規(guī)約的擴展應用，南網(wǎng)調(diào)度實現(xiàn)了采用日計劃值曲線模式下發(fā)負荷調(diào)節(jié)計劃給各個電廠，使各電廠可以更好地根據(jù)計劃曲線自動運行廠內(nèi)agc，提高負荷調(diào)節(jié)效率，滿足電網(wǎng)的負荷需求，達到調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷的目的，提升了自動化應用水平。通過曲線反措措施，確保曲線設(shè)值更加安全和可靠，更好地滿足“無人值班”(少人值守)要求。若將設(shè)定負荷計劃曲線方法應用到自動開停機曲線中，那么水電廠可自動按照開停機曲線執(zhí)行對機組的操作，從而調(diào)度具備遠方對水電廠機組進行計劃性的開機和停機操作能力，這必將進一步提高電廠自動化應用水平，豐富調(diào)度手段，有效地促進電網(wǎng)調(diào)度的遠控和遠調(diào)的工作效能。