1  引言
               
　　社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對電能的依賴和需求日益增多，當(dāng)前國家大力倡導(dǎo)優(yōu)先發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，加大對清潔能源的開發(fā)，促進(jìn)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(jī)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(fù)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(fù)荷調(diào)節(jié)。本文對iec101規(guī)約作了擴(kuò)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(fù)荷曲線的接收與反措功能。實際工程應(yīng)用表明，擴(kuò)展后的iec101能夠滿足南網(wǎng)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)傳輸應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(asdu)時，采用可變幀長幀。當(dāng)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(dāng)子站無所需求的數(shù)據(jù)時，采用單個控制字符應(yīng)答；固定幀長幀通常用于鏈路層服務(wù)；可變幀長幀常用于傳輸應(yīng)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(biāo)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(kuò)展主要是可變幀長幀下的asdu類型標(biāo)識的擴(kuò)展。
           
　　2.1 iec101規(guī)約應(yīng)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(jìn)行“四遙”信息的傳輸。但有些地方不具備網(wǎng)絡(luò)通訊條件，或者一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，iec101規(guī)約將作為下行令通道進(jìn)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(fù)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(yù)測幾天內(nèi)的負(fù)荷變化趨勢無法下達(dá)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(fù)荷出力無法保持與負(fù)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(fù)荷變化的調(diào)節(jié)誤差降到最低，達(dá)到負(fù)荷短期預(yù)測目的。
           
　　2.2 南方電網(wǎng)與水電廠間的iec101規(guī)約應(yīng)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(dān)電力系統(tǒng)中日負(fù)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(fù)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(fù)荷給定值方式，即按電網(wǎng)agc定時計算出給定值即時下達(dá)給電廠執(zhí)行。另一種則是日負(fù)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(dá)次日的全天負(fù)荷計劃曲線給電廠，到當(dāng)天零時計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動將此預(yù)先給定的日負(fù)荷曲線存于當(dāng)天該執(zhí)行的日負(fù)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(fù)荷計劃曲線并對曲線進(jìn)行反措的能力，電廠agc具備按照設(shè)定負(fù)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(jìn)行輔助考核[8-9]。因此，需要研究iec101規(guī)約擴(kuò)展及其應(yīng)用。
           
3  iec101規(guī)約擴(kuò)展應(yīng)用
           
　　3.1 iec101規(guī)約擴(kuò)展傳送計劃曲線
           
　　iec101規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議未定義曲線報文類型，因而需要對asdu類型進(jìn)行定義擴(kuò)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(fù)荷曲線相應(yīng)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(fù)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(yīng)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(dá)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(zhǔn)確性，子站必須具備對下發(fā)的調(diào)度曲線進(jìn)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(jìn)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(dāng)?shù)貢r間作為曲線時標(biāo)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(fù)荷調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)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(biāo)，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(dāng)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(dāng)?shù)貢r間，確定返送曲線的時間時標(biāo)，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(fù)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(dāng)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(yīng)用效果
           
　　子站系統(tǒng)對南網(wǎng)調(diào)度預(yù)先下發(fā)未來12天的計劃曲線接收并進(jìn)行反措，確保了水電廠能夠按照計劃曲線自動調(diào)節(jié)負(fù)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(jì)運(yùn)行(edc)，在滿足計劃負(fù)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(dá)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(jì)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(yīng)用，應(yīng)用效果非常理想。
           
4  結(jié)束語
               
　　通過對iec104規(guī)約的擴(kuò)展應(yīng)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(fù)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(yùn)行廠內(nèi)agc，提高負(fù)荷調(diào)節(jié)效率，滿足電網(wǎng)的負(fù)荷需求，達(dá)到調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷的目的，提升了自動化應(yīng)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(fù)荷計劃曲線方法應(yīng)用到自動開停機(jī)曲線中，那么水電廠可自動按照開停機(jī)曲線執(zhí)行對機(jī)組的操作，從而調(diào)度具備遠(yuǎn)方對水電廠機(jī)組進(jìn)行計劃性的開機(jī)和停機(jī)操作能力，這必將進(jìn)一步提高電廠自動化應(yīng)用水平，豐富調(diào)度手段，有效地促進(jìn)電網(wǎng)調(diào)度的遠(yuǎn)控和遠(yuǎn)調(diào)的工作效能。