智能變電站微機保護裝置集中式網(wǎng)絡(luò)打印方案研究

李道霖，齊文平，萬啟芳，韓緒鵬

（1.三峽電力職業(yè)學(xué)院電力工程學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.湖北超高壓輸變電公司，湖北 武漢 430050）

微機保護裝置信息打印作為變電站自動化系統(tǒng)的一項基本功能，應(yīng)用在很多場合如裝置在調(diào)試階段，需要打印試驗報告和波形；在投運階段，需要打印裝置的版本、定值、參數(shù)等信息并存檔；在現(xiàn)場運行階段，出現(xiàn)裝置告警和故障，也需要實時打印輸出，作為異常分析資料。

在變電站的運行維護中，現(xiàn)有的微機保護裝置的信息打印方式通常存在以下不足：一方面，裝置打印的試驗結(jié)果、裝置參數(shù)、定值單等紙質(zhì)文件只能就地閱讀，不能被充分利用，也不利于備份及歸檔保存，更無法接入到電力系統(tǒng)的信息共享平臺中，實現(xiàn)信息的共享和整合；另一方面，由于地區(qū)需求差異，裝置打印的內(nèi)容和格式也很難滿足不同用戶的閱讀習(xí)慣，且在裝置內(nèi)部實現(xiàn)這些差異化的工程定制，有很大的困難。

現(xiàn)有的智能化變電站系列技術(shù)規(guī)范中未對微機保護裝置的信息打印功能做具體規(guī)定[1]，所以二次設(shè)備廠家基本沿用了常規(guī)綜合自動化系統(tǒng)的“按間隔組屏配置打印機”方式來實現(xiàn)微機保護裝置的就地打印功能[2]。

本文針對常規(guī)微機保護裝置信息打印方式存在的不足，根據(jù)智能化變電站的網(wǎng)絡(luò)化特征，研究一種適用于智能變電站的微機保護裝置集中式網(wǎng)絡(luò)打印方案及其應(yīng)用。

1 業(yè)務(wù)分析

常規(guī)變電站綜合自動化系統(tǒng)的微機保護裝置信息打印方式一般采用分布式配置[2]，一個間隔或一個重要的保護裝置配置一臺打印機，后臺主站又配置單獨的打印機。這種分布式的打印方式不利于打印設(shè)備的共享，占用了屏位，在一定程度上浪費了資源，增加了變電站間隔層的組網(wǎng)復(fù)雜性，而且打印機一般采用交流電源，要求系統(tǒng)具備較大的逆變電源容量（具體取決于站內(nèi)配置了多少臺上屏打印機），由于打印機是變電站自動化系統(tǒng)的故障率較高設(shè)備之一，這樣就增加了系統(tǒng)的運行維護工作量，提高了變電站系統(tǒng)的安全生命周期成本[3]。另一方面，為了實現(xiàn)裝置的打印服務(wù)，裝置的通訊接口部分一般都要設(shè)計獨立的打印服務(wù)模塊，這又增加了裝置設(shè)計的復(fù)雜性，同時也降低了裝置的運行效率。另外，裝置的就地打印輸出一般采用基于串行端口的終端字符方式（俗稱“針打”），打印觀感效果較差。

為了在變電站自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)裝置信息的集中式網(wǎng)絡(luò)打印，系統(tǒng)應(yīng)在通信速度、通訊規(guī)約和打印服務(wù)方面具備基礎(chǔ)技術(shù)條件。

通信速度：站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的通信速度要滿足打印服務(wù)組件從全站微機裝置中實時獲取打印數(shù)據(jù)的需要。

通訊規(guī)約：站內(nèi)通訊規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)要滿足打印服務(wù)組件從全站微機裝置中獲取全部打印數(shù)據(jù)的需要。

打印服務(wù)：為了解決常規(guī)變電站中分布式打印的問題和不足，應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)計和部署全站統(tǒng)一的打印服務(wù)。打印服務(wù)組件的設(shè)計應(yīng)滿足安全可靠、應(yīng)用靈活、內(nèi)容格式、文件標(biāo)準(zhǔn)以及文件傳輸方面的要求。

變電站自動化技術(shù)目前已進(jìn)入到數(shù)字化/智能化時期，無論是系統(tǒng)建模，還是網(wǎng)絡(luò)通信等都發(fā)生了重大變化，網(wǎng)絡(luò)化是其最重要的技術(shù)特征，所有IED設(shè)備均具備以太網(wǎng)通信接口，信息交互均基于IEC61850，實現(xiàn)無縫網(wǎng)絡(luò)化通信。繼電保護裝置中可靠性要求極高的保護控制功能都實現(xiàn)了功能分布化，如網(wǎng)絡(luò)化備自投、網(wǎng)絡(luò)化母線保護等[5]，作為裝置輔助功能之一的信息打印功能的實現(xiàn)方式應(yīng)更能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化這一特征。

基于上述分析，筆者提出一種智能化變電站自動化系統(tǒng)的集中式網(wǎng)絡(luò)打印的解決方案。方案的主要思路是：取消間隔層微機裝置的就地打印功能，利用變電站的高速工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過提供一個集中式的網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)組件（以下簡稱打印服務(wù)組件），從全站微機裝置中實時獲取打印信息，并通過共享站內(nèi)的打印機，實現(xiàn)打印內(nèi)容的輸出。打印輸出的方式可以是紙質(zhì)文件，也可以是電子文檔。并利用打印服務(wù)組件中的文件傳輸服務(wù)，在考慮信息的安全防護及分區(qū)的前提下，將標(biāo)準(zhǔn)格式的電子文檔接入到電力系統(tǒng)綜合信息平臺中，實現(xiàn)打印文件的共享和流轉(zhuǎn)[5～6]。

2 技術(shù)方案

在國家電網(wǎng)《智能電網(wǎng)發(fā)展的十年規(guī)劃》中，現(xiàn)階段正處于智能變電站關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的研制攻關(guān)階段。根據(jù)智能變電站設(shè)備智能化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息集成化的要求，集中式網(wǎng)絡(luò)打印的方案應(yīng)當(dāng)符合智能電網(wǎng)及智能變電站的發(fā)展要求。智能變電站也為集中式網(wǎng)絡(luò)打印提供了優(yōu)勢，高速工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)在智能變電站中得到了廣泛的應(yīng)用，百兆級的帶寬能夠滿足打印服務(wù)組件實時查詢打印數(shù)據(jù)的要求。智能變電站采用IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，能夠滿足打印服務(wù)組件通過該規(guī)約的服務(wù)獲取全部打印數(shù)據(jù)的需要（見表1）。

表1 打印服務(wù)和IEC61850服務(wù)的映射表

打印服務(wù)組件與站內(nèi)智能裝置的通訊方式采用以太網(wǎng)通訊，底層通訊模塊采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約服務(wù)接口從裝置獲取打印數(shù)據(jù)。將獲取的打印數(shù)據(jù)以XML文件格式進(jìn)行存儲，通過XML渲染技術(shù)實現(xiàn)打印數(shù)據(jù)的預(yù)覽和保存，打印文件的內(nèi)容格式可以在XML約束文件XML-FO中進(jìn)行定義。打印服務(wù)組件的實現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 打印服務(wù)組件方案

打印的輸出方式可以通過共享站內(nèi)的打印機直接紙質(zhì)輸出，也可以直接輸出格式為PDF的打印文件，輸出方式則可以由變電站運行維護人員靈活定義。對于輸出的PDF文件，可以通過打印服務(wù)組件提供文件傳輸服務(wù)接口（如FTP）接入到遠(yuǎn)方的信息共享平臺中，從而實現(xiàn)打印數(shù)據(jù)文件的共享和流轉(zhuǎn)?？紤]到打印服務(wù)組件要作為變電站一個服務(wù)插件長期不間斷運行，其保存的歷史打印文件的數(shù)量也比較大，打印服務(wù)組件中應(yīng)設(shè)計專門的文件管理模塊，按照變電站的生產(chǎn)運行方式管理起來，以方便用戶的檢索和調(diào)取。

打印服務(wù)組件之所以采用PDF作為打印輸出文件的格式，其原因在于輸出打印文件的目的是發(fā)布和流轉(zhuǎn)，其格式應(yīng)符合W3C的要求，而PDF恰好能夠滿足這一要求。

為了實現(xiàn)文檔內(nèi)容的共享和協(xié)作，必須進(jìn)行文檔格式的轉(zhuǎn)換。XML文檔轉(zhuǎn)換為PDF文檔的過程如圖2所示。

圖2中展示了XML文檔到PDF文檔的轉(zhuǎn)換過程，可以將這個轉(zhuǎn)換過程分為兩步。

圖2 XSL-FO轉(zhuǎn)換流程

第一步：將源XML文檔轉(zhuǎn)換為另外一種XML文檔，利用XSLT樣式表約定轉(zhuǎn)換規(guī)則，這一轉(zhuǎn)換過程是通過XSLT Engine自動完成的。這里轉(zhuǎn)換后的XML文檔是被XSL-FO語言格式化的XML文檔[5～6]，如圖3所示。

圖3是XSL-FO文檔的部分內(nèi)容，標(biāo)記“fo：”用于格式化輸出，可以指定輸出紙張的大小、頁邊距以及輸出內(nèi)容的具體形式等。鑒于格式化輸出的特點，對打印內(nèi)容的格式可以按照國網(wǎng)“六統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)的格式輸出，也可以通過XSL-FO來靈活配置打印格式，以滿足不同用戶個性化的需求。

圖3 XSL-FO文檔示例

第二步：生成PDF，需要用XSL-FO Render來完成。這里選擇FOP（Formatting Object Processor/格式化處理對象）來完成XSL-FO文檔到PDF文檔的轉(zhuǎn)換。

集中式網(wǎng)絡(luò)打印在打印方式上有所轉(zhuǎn)變，但在打印內(nèi)容上仍應(yīng)保留傳統(tǒng)的分布式打印項目，即實時打印和查詢打印。實時打印包括裝置告警、操作記錄、自檢信息和故障報告等，查詢打印包括裝置版本、參數(shù)信息和定值等。

由于間隔層不再單獨配置打印機，打印服務(wù)組件通過共享站控層打印機進(jìn)行打印輸出，而變電站站控層服務(wù)器也具備一定的打印功能，難免出現(xiàn)重復(fù)打印的問題。為了消除這種影響，打印服務(wù)組件應(yīng)允許用戶配置要打印輸出的項目。在打印輸出控制方面，用戶通過設(shè)定輸出方案，既可以通過控制共享打印機進(jìn)行紙質(zhì)打印，也可以直接保存為PDF文件。

對于打印輸出的時間控制，如果是查詢打印，一般設(shè)定為直接輸出，而對于實時數(shù)據(jù)打印，由于目前共享的站控層一般為激光打印機，走紙方式為整頁打印，為節(jié)約紙張和便于閱讀，可采用一定的緩存策略來實現(xiàn)。具體做法是將實施上送的打印數(shù)據(jù)先放到緩存隊列里，并在主窗口分類顯示，采用顯示內(nèi)容滿頁方式或定時打印方式輸出。打印文件的輸出也采取同樣的策略，只不過輸出的方式是數(shù)據(jù)文件而已。由于目前變電站無人值守者居多，所以這種準(zhǔn)實時的打印方式并不會影響運行維護人員對變電站信息的掌握，相反由于打印數(shù)據(jù)文件可通過文件傳輸服務(wù)遠(yuǎn)傳至電力系統(tǒng)的信息共享平臺，更能夠使運行維護人員全面具體地掌握變電站的情況。

打印服務(wù)組件在變電站的應(yīng)用方式可以靈活多樣，既可以安裝在主站服務(wù)器上，以服務(wù)組件的形式實現(xiàn)全站智能裝置的數(shù)據(jù)打印，也可以安裝在便攜式PC上，利用站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對單個微機裝置的無紙化調(diào)試，并可將調(diào)試結(jié)果以電子文檔的形式保存?zhèn)浞?，或用于編制調(diào)試報告。

3 應(yīng)用實例

為某新一代智能變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計的集中式網(wǎng)絡(luò)打印技術(shù)方案如圖4所示。

圖4 新一代智能變電站自動化系統(tǒng)打印方案

該電站采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，并采用IEC61850作為唯一通信建模標(biāo)準(zhǔn)，保護屏體上不再設(shè)計打印機屏位，間隔層微機保護裝置待打印信息通過網(wǎng)絡(luò)方式送達(dá)打印服務(wù)器進(jìn)行實際打印或電子文檔存儲或遠(yuǎn)傳。維護和繼保分析人員也可以從打印服務(wù)器上選擇相應(yīng)的保護裝置進(jìn)行信息的召喚打印。打印輸出文件格式可滿足各地區(qū)的不同要求，實現(xiàn)內(nèi)容輸出靈活的差異化控制，并且還具備與電力管理信息系統(tǒng)（MIS）電子文檔格式接口功能。

智能變電站集中式網(wǎng)絡(luò)打印方案將對原有的繼電保護定值管理規(guī)程等產(chǎn)生一定的影響，筆者相信這種影響就如同其它智能變電站新技術(shù)應(yīng)用對傳統(tǒng)規(guī)程的影響一樣，會逐步得到認(rèn)可和應(yīng)用。

4 結(jié)論

在智能變電站中用集中式網(wǎng)絡(luò)打印取代傳統(tǒng)的就地化上屏打印，符合智能變電站“應(yīng)用功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化”的技術(shù)特征，可在以下方面發(fā)揮積極的作用：

1）優(yōu)化屏體的配置，在取消了控制屏上打印機屏位后，保護屏將更輕巧、更經(jīng)濟。

2）簡化裝置的設(shè)計，由于裝置不再擔(dān)負(fù)打印服務(wù)功能，設(shè)計將會更簡單、可靠，運行效率更高。

3）加強信息的集成，由于打印信息的傳輸仍使用原有的站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和通訊標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加強了信息的集成化。

4）提高信息的共享，采用集中式網(wǎng)絡(luò)打印方式后，打印數(shù)據(jù)輸出的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，可以通過電力系統(tǒng)的信息共享平臺，實現(xiàn)打印數(shù)據(jù)的共享和流轉(zhuǎn)，更有利于變電站信息的共享。

本文所述的變電站集中式網(wǎng)絡(luò)打印方案符合智能電網(wǎng)及智能變電站的技術(shù)發(fā)展趨勢，是智能變電站技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要創(chuàng)新之一。

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