基于IEC 61850的變電站系統(tǒng)配置工具設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任 翔，周心亮

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中定義了基于XML的變電站配置描述語言（以下簡(jiǎn)稱SCL語言），用于描述變電站系統(tǒng)，即變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和變電站（開關(guān)場(chǎng)）本身及其之間的相對(duì)關(guān)系[1]。更清楚地說，是提供并規(guī)定了一種統(tǒng)一的、簡(jiǎn)潔的、易于理解的配置文件格式，用于描述以下三方面信息：（1）變電站的功能結(jié)構(gòu)和一次設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系；（2）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中智能電子設(shè)備（IED）的功能；（3）變電站的通信系統(tǒng)。最終，利用這些文件實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和智能電子設(shè)備的配置，并完成不同廠家設(shè)備以及系統(tǒng)之間兼容的信息和數(shù)據(jù)交互，從而為實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備的互操作提供基礎(chǔ)性支持。文中基于SCL語言的變電站系統(tǒng)配置模型及其實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種系統(tǒng)配置工具。

1 變電站系統(tǒng)配置模型

基于SCL的配置模型可由以下5個(gè)部分模型組成。

（1）頭部分（Header）：包含 SCL 模型的版本、修訂信息以及名稱映射等信息。

（2）變電站：用于描述變電站的功能結(jié)構(gòu)、主元件、電氣連接等一次設(shè)備信息。

（3）IED：結(jié)構(gòu)化描述了站內(nèi)IED的對(duì)象模型，主要包含邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象等。

（4）通信系統(tǒng)：主要包括邏輯子網(wǎng)和IED接入點(diǎn)的通信參數(shù)。

（5）數(shù)據(jù)類型模板：提供了IED中邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)屬性等數(shù)據(jù)類型的模板信息。

其中，變電站和IED模型是相對(duì)層次化的結(jié)構(gòu)模型，完整的SCL配置模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。而SCL本身的語法結(jié)構(gòu)遵循XML Schema的規(guī)定，即每個(gè)SCL元素均從根元素類型派生而來[2]，包含若干屬性和若干子元素，基本語法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 SCL 配置模型結(jié)構(gòu)

圖2 SCL基本語法結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和提供者的不同，在變電站系統(tǒng)的實(shí)際配置工作中涉及到如下4種SCL配置文件。

（1）ICD文件：由IED設(shè)備制造商在設(shè)備出廠時(shí)提供，用于描述IED的一般能力，包含Header、IED和數(shù)據(jù)類型模版三部分模型信息。

（2）SSD文件：多數(shù)情況下由設(shè)計(jì)單位在完成變電站一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后給出，用以描述變電站一次系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備信息。

（3）SCD文件：由系統(tǒng)集成商在完成全站系統(tǒng)配置后生成，包含了變電站的全部配置信息。

（4）CID文件：可由系統(tǒng)集成商完成全站SCD后提取，也可由IED設(shè)備制造商得到SCD后自行生成，描述了IED實(shí)例化后的配置信息。

2 模型配置方法

一般情況下，由設(shè)備制造商根據(jù)出廠IED實(shí)際具備的功能，借助IED模型配置工具，生成IED的模型文件ICD，提供給系統(tǒng)集成商，再由系統(tǒng)集成商統(tǒng)一使用系統(tǒng)配置工具將全站IED的ICD文件作系統(tǒng)級(jí)的集成，主要工作是配置全站各層次的通信系統(tǒng)，以及實(shí)例化IED的相關(guān)參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)各IED的定制功能，在形成SCD模型文件之后，系統(tǒng)集成商輸出各個(gè)IED的CID文件，或提供SCD文件給設(shè)備制造商，由其形成CID文件，并下載完成IED設(shè)備的最終配置。

至于SSD文件，在當(dāng)前的工程實(shí)踐中，應(yīng)該說尚未發(fā)揮應(yīng)有作用。主要是因?yàn)橄到y(tǒng)集成商大多無法根據(jù)SSD文件提取出SCD文件中所需的變電站一次系統(tǒng)相關(guān)信息，且作為文件提供者的設(shè)計(jì)單位也很難給出符合標(biāo)準(zhǔn)的SSD，系統(tǒng)集成商通常只有手動(dòng)配置此類信息至SCD模型中[3]。實(shí)際模型配置方法如圖3所示。

圖3 模型配置方法

3 系統(tǒng)配置工具的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 功能分析

通過以上分析可歸納出系統(tǒng)配置工具所需具備的兩大類功能。

（1）文件級(jí)操作功能：對(duì)基于SCL的模型配置文件進(jìn)行新建、導(dǎo)入、導(dǎo)出和校驗(yàn)，主要包括構(gòu)建初始的SCD模型或解析SCD文件生成SCD模型，解析ICD文件后提取信息并入SCD模型，從SCD模型中提取信息生成CID文件，生成SCD文件以及在文件導(dǎo)入導(dǎo)出時(shí)進(jìn)行Schema語法校驗(yàn)。

（2）界面編輯功能：通過樹狀、表狀和列表視圖配合呈現(xiàn)SCD模型的全部信息，并可對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化的編輯操作，將編輯操作的結(jié)果更新至SCD模型中。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

該配置工具在QT4.5.3下進(jìn)行開發(fā)，Qt是跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，完全支持面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，并提供豐富的API，能有效地提高程序的開發(fā)效率。

程序模塊劃分為主程序和SCL解析器兩部分，其中，SCL解析器實(shí)現(xiàn)各類SCL模型的數(shù)據(jù)解析處理和有效性校驗(yàn)，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的形式封裝后供主程序調(diào)用，以保證其獨(dú)立性和復(fù)用性。

主程序借鑒MVC的設(shè)計(jì)思想可劃分為3個(gè)部分[4]：模型部分用于當(dāng)前配置中的SCD模型管理；界面部分實(shí)現(xiàn)工具中所有界面功能；控制部分是模型和界面聯(lián)系的橋梁，觸發(fā)兩者之間的信息交互，并實(shí)現(xiàn)其他輔助操作。各模塊功能如圖4所示。

圖4 模塊功能示意

3.3 SCL解析器

SCL解析器提供了通用的SCL模型解析和校驗(yàn)功能，并具備較為完整的外部接口，以實(shí)現(xiàn)SCL模型與文件之間的交互，在其內(nèi)部主要封裝有以下幾個(gè)類。

（1）CSaxHandler類：用于處理基于SAX2.0的XML文件解析，該類繼承自xercesc中提供的DefaultHandler類，并重新實(shí)現(xiàn)了其中一些事件處理函數(shù)，其中SAX2.0是基于事件機(jī)制的XML標(biāo)準(zhǔn)處理接口API，而xercesc則是一種開源的XML語法分析器，在解析XML時(shí)，解析到特定位置時(shí)會(huì)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)生成SCL模型中特定的類對(duì)象實(shí)例，以此更新SCD模型，其他需用到xercesc中的類還包括 SAX2XMLReader、XMLReaderFactory 等；

（2）CSCLHandler類：實(shí)現(xiàn)SCD模型與SCL文件的操作接口，并對(duì)SCD模型中各數(shù)據(jù)管理功能進(jìn)行封裝，主要功能有加載XML文件并創(chuàng)建模型（loadXmlFile）、導(dǎo)入icd文件并添加至模型中（importIcdFile）、從現(xiàn)有模型中導(dǎo)出指定IED對(duì)應(yīng)的CID文件 （exportCidFile）、 保存修改后的 SCD文件（saveScdFile）等。

（3）CSCLFactory類：是SCL中各數(shù)據(jù)模型的工廠類，主要功能是在解析SCL文件過程中，根據(jù)解析到的不同內(nèi)容創(chuàng)建相應(yīng)的SCL數(shù)據(jù)類。

（4）SCL數(shù)據(jù)類：根據(jù)SCL語法和模型結(jié)構(gòu)定義的各種SCL數(shù)據(jù)類，每個(gè)類的實(shí)例對(duì)應(yīng)SCL模型結(jié)構(gòu)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)例，如CtBase、CtSCL、CtHeader、CtCommunictaion、CtIED 等。

3.4 模型部分

模型部分主要實(shí)現(xiàn)CSCDHandler類，該類提供SCD模型的各種訪問接口，如：獲取CtHeader節(jié)點(diǎn)實(shí)例指針、獲取CtCommunication節(jié)點(diǎn)實(shí)例指針、獲取指定CtIED節(jié)點(diǎn)實(shí)例指針、獲取指定CtLDevice節(jié)點(diǎn)實(shí)例指針、獲取指定CtLN節(jié)點(diǎn)類指針等。

3.5 界面設(shè)計(jì)

配置工具的主界面采用三分屏的模式，即左、中、右功能區(qū)。

（1）左側(cè)工作區(qū)：通過樹形視圖顯示SCD模型的各層次節(jié)點(diǎn)，考慮到SCD模型中IED節(jié)點(diǎn)規(guī)模和顯示更新的效率，故只展開至LD節(jié)點(diǎn)這一層級(jí)。

（2）右側(cè)工作區(qū)：通過樹形視圖顯示SCD模型內(nèi)數(shù)據(jù)源信息，主要是指GOOSE配置信息，并提供拖拽功能，以便于IED中GOOSE信息的配置操作。

（3）中間工作區(qū)：以Tab頁(yè)分別顯示指定LD的LN、DataSet、控制塊和Inputs等分類信息。

界面程序中主要包括以下幾類。

（1）CTreeItem類：繼承自 QTreeWidgetItem類，用于構(gòu)建左右側(cè)樹狀視圖中的節(jié)點(diǎn)項(xiàng)，并封裝了用于訪問指定節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的函數(shù)，如：獲取父節(jié)點(diǎn)名稱、刪除子節(jié)點(diǎn)等。

（2）UTreeWidget類：繼承自 QTreeWidget類，用于構(gòu)建左右側(cè)樹狀視圖，對(duì)于右側(cè)樹狀視圖，還增加了鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖拽功能，該功能通過重新mousePressEvent （QMouseEvent*e）、mouseMove-Event(QMouseEvent*e)和 mouseReleaseEvent（QM-ouseEvent*e）等事件處理函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

（3）CTable 類：繼承自 QTableWidget類，用于構(gòu)建中間工作區(qū)Tab頁(yè)中的表狀視圖，也增加了拖放功能，該功能則是通過重新實(shí)現(xiàn)dragEnterEvent（QDragEnterEvent*e）、dropEvent （QDropEvent*e）和 dragMoveEvent（QDragMoveEvent*e）等事件處理函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

3.6 控制部分

借助QT的信號(hào)-槽機(jī)制，能較為簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)界面與模型之間的交互，控制部分中最主要的是USlotHandler類，該類在主程序中只存在一個(gè)單實(shí)例，實(shí)例中實(shí)現(xiàn)了各種用于界面和模型交互響應(yīng)的槽函數(shù)。

4 結(jié)束語

該配置工具開發(fā)完成后，已實(shí)際應(yīng)用于工程配置中。實(shí)踐證明，能滿足當(dāng)前工程環(huán)境中的配置需求，有效降低了配置工作難度，提升了工作效率，保證了配置準(zhǔn)確性，發(fā)揮了應(yīng)有的作用。

考慮到后期SSD文件的應(yīng)用，建議還需進(jìn)一步對(duì)功能進(jìn)行完善，以實(shí)現(xiàn)變電站一次系統(tǒng)信息自動(dòng)配置。此外，通過界面拖放功能的使用，能相對(duì)簡(jiǎn)便地進(jìn)行GOOSE信息的配置，但在節(jié)點(diǎn)容量較大或通信系統(tǒng)較為復(fù)雜的情形下，仍有較大的工作量需手動(dòng)完成，下一步的工作是如何提供更加高效的配置方式，以實(shí)現(xiàn)GOOSE信息的快速配置。

[1]IEC/TC57，IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations[S].2004.

[2]周鄴飛，張海濱，徐石明，等.IEC 61850工程組態(tài)中的統(tǒng)一建模技術(shù)研究[J].江蘇電機(jī)工程，2007，26（S1）：72-74.

[3]王 松，宣曉華，周華.基于IEC 61850變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的系統(tǒng)組態(tài)研究[J].繼電器，2008，36（3）：48-50，74.

[4]王映輝，王英杰，王彥君，等.基于MVC的軟件界面體系結(jié)構(gòu)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004，（9）：188-190，193.