智能變電站虛回路可視化方案研究與應用

劉蔚，杜麗艷，楊慶偉

（1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100081；2. 長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057）

智能變電站以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，采用三層兩網(wǎng)的架構體系，變電站的過程層以網(wǎng)絡通信方式替代大量的二次回路電纜，常規(guī)變電站的二次硬回路轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茏冸娬镜亩翁摶芈贰＿@種轉(zhuǎn)變方式表現(xiàn)為原來以電纜傳輸單一信號構成的純電路結(jié)構，變成以光纜傳輸多路信號，再也無法從外部的物理連線分析整個回路[1]。常規(guī)變電站的工作思路基于電氣回路歸檔展開[2]，但智能變電站中由于缺乏可視化工具，原來可以“看見、摸到”的回路信息，智能變電站的二次虛回路配置信息“看不見、摸不著”，影響了繼電保護安全措施實施。

針對虛回路無法可視化的問題，文獻[1]利用“黑盒測試原理”，嘗試分別從靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測驗證虛回路配置的正確性，靜態(tài)檢測從SCD文件中導出虛回路配置信息，然后驗證關聯(lián)邏輯是否滿足變電站設計的要求；動態(tài)檢測從網(wǎng)絡通信做通信工況、報文分析和模擬收發(fā)檢測，根據(jù)SCD中配置的信息，驗證設備的通信行為是否滿足IEC 61850標準和工程設計需求。文獻[3]簡單介紹了一種可視化的思路。文獻[4-9]依次從各個角度分析了SCD文件的結(jié)構層次，并提出詳盡的解析方法。文獻[10-12]提出了虛回路圖的設計方法。

本文在已有技術的基礎上，認真分析了SCD文件的結(jié)構和虛回路的表示方法，提出了一種智能變電站虛回路可視化方案，能夠自動輸出單裝置虛端子圖、裝置虛回路圖、裝置邏輯鏈路圖、網(wǎng)絡結(jié)構圖，方便智能變電站的設計人員、運行維護人員查看。

1 SCD文件研究

SCD（Substation Config Description，智能變電站配置描述文件）描述了智能變電站的一二次設備配置、通信配置，是智能變電站運行的重要數(shù)據(jù)來源，它包含了全站的IED設備、通信參數(shù)、參數(shù)集、各類控制塊、CF及描述（DC）屬性值等，還包含了IED虛端子關聯(lián)配置等[12]。它由5個主要元素構成，分別是Header、Substation、Communication、IED、DataType Template。其中Header描述文件的基本信息，重點描述了文件歷史版本和修訂信息；Substation是變電站功能描述，包含電壓等級、間隔、電力設備、拓撲點等信息；Communication描述了智能變電站的通訊參數(shù)，MMS、GOOSE、SV等通信參數(shù)；IED為變電站智能電子設備描述，它又包含Services、name、type、AccessPoint等結(jié)點元素，name在SCD范圍內(nèi)唯一，里面的配置信息有裝置的訪問點、服務器、邏輯設備、虛端子配置等信息；DataTypeTemplate描述了SCD文件中使用的數(shù)據(jù)類型模板。

圖1 SCD文件結(jié)構Fig. 1 The structure of the SCD file

2 可視化方案設計

2.1 裝置過程層虛端子信息

裝置過程層虛端子信息主要有GOOSE、SV。裝置虛端子輸出信息是配置于數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集名字為dsGOOSE和dsSV的虛端子信息。裝置GOOSE 輸入虛端子模型為包含“GOIN”關鍵字前綴的數(shù)據(jù)對象。裝置SV 輸入虛端子模型為包含“SVIN”關鍵字前綴數(shù)據(jù)對象。GOOSE的虛端子信息按照“LD/PrefixLN.DO.DA”的順序拼裝。SV的虛端子信息按照“LD/PrefixLN.DO”的順序拼裝[13]。

2.2 軟壓板信息展示

根據(jù)規(guī)范裝置的跳閘邏輯結(jié)點開出虛端子宜配置出口軟壓板。出口軟壓板配置規(guī)則為：邏輯結(jié)點為PTRC，DO分別為Tr、StrBF、BlkRecST的虛端子都應繪制軟壓板進行示意。Tr為經(jīng)保護出口軟壓板后的跳閘出口信號，StrBF為啟動失靈，BlkRecST為閉鎖重合信號[13]。

2.3 通信參數(shù)信息

通過獲取裝置的網(wǎng)絡通信參數(shù)信息和裝置間的虛端子關聯(lián)關系，可以展現(xiàn)裝置間的通訊邏輯鏈路關系。站控層網(wǎng)絡通信參數(shù)需要獲取的內(nèi)容有a.裝置IEDName，b.裝置IP地址，c.裝置子網(wǎng)掩碼。過程層網(wǎng)絡需要獲取的網(wǎng)絡參數(shù)信息有a.裝置IEDName，b.組播MAC地址，c.APPID，d.配置網(wǎng)絡的訪問點，e.控制塊名字（GOOSE網(wǎng)絡為gocb，SV網(wǎng)絡為svcb），f.VlanID。

如GOOSE網(wǎng)絡實際獲取的信息展示：

IEDName:CL2201

apName:G1

cbName:gocb0

AppID:10A0

VLAN-ID:002

MAC-Address:01-0C-CD-01-00-A0

2.4 單裝置虛端子圖

單裝置虛端子圖中描述了單個裝置的所有過程層的開入開出虛端子信息。展示的虛端子內(nèi)容包括輸入序號（Inxxx）/輸出序號（Outxxx）、虛端子中文描述、虛端子地址、壓板信號標識，如圖2所示。中間矩形放置裝置，直接顯示裝置名，左邊顯示裝置的開入虛端子，右邊顯示裝置的開出虛端子。

圖2 單裝置虛端子圖Fig. 2 Virtual terminal diagram of the single device

2.5 裝置虛回路圖

裝置虛回路圖顯示裝置與其他裝置之間所有的虛回路連接關系。虛回路信息展示在圖上面的包括輸入輸出（通過箭頭標識）、虛回路連接中文描述、壓板圖形標識。智能變電站每臺裝置都有一張裝置虛回路圖。中間矩形顯示裝置名，從矩形的底邊起，依次顯示和裝置虛端子有關聯(lián)的裝置，如圖3所示。

2.6 裝置邏輯鏈路圖

裝置邏輯鏈路圖展示單裝置與其他裝置之間的網(wǎng)絡通訊參數(shù)，具體信息包括MAC地址、APPID、GOCB。對于本裝置，用藍色線表示輸入，用黑色線表示輸出。顯示效果圖如圖4所示。

2.7 網(wǎng)絡結(jié)構圖

圖3 裝置虛回路圖Fig. 3 Device virtual circuit diagram

網(wǎng)絡結(jié)構圖描述某一網(wǎng)絡類型中所有裝置。本圖參考變電站自動化結(jié)構圖繪制，網(wǎng)絡用一個線段表示，位于本網(wǎng)絡的裝置直接連線到網(wǎng)絡線段上即可。設計效果圖如圖5所示。

圖4 裝置邏輯鏈路圖Fig. 4 Device logical link diagram

圖5 網(wǎng)絡結(jié)構圖Fig. 5 Net structure diagram

3 方案實現(xiàn)

3.1 軟件架構

本文提出的可視化方案基于Qt4.6開發(fā)，可以跨平臺運行于Linux、Windows之上，開發(fā)可視化工具。如圖6所示，可視化工具方案包含四個模塊：解析模塊、SCD內(nèi)存庫模塊、離線可視化模塊、畫圖模塊。該工具的輸入是SCD文件，輸出是單裝置虛端子圖、裝置信號圖、通信鏈路圖、母線保護關聯(lián)圖、主變保護關聯(lián)圖、網(wǎng)絡結(jié)構圖。

圖6 可視化工具系統(tǒng)架構圖Fig. 6 System structure of the visual tool

3.2 流程實現(xiàn)

3.2.1 網(wǎng)絡信息解析

網(wǎng)絡信息從SCD文件中獲取裝置的網(wǎng)絡配置信息。解析流程如下：

1）從根結(jié)點進入Communication元素，再轉(zhuǎn)入Communication子元素SubNetwork，依次獲取網(wǎng)絡名稱和網(wǎng)絡類型。

2）若是MMS網(wǎng)絡類型，獲取裝置IEDName、IP地址、子網(wǎng)掩碼等。

3）若是GOOSE網(wǎng)絡類型，獲取裝置IEDName、MAC組播地址、APPID、GOCB。GOCB是指獲取GOCB的61850的變量名，即LD/LN$GOCB

4）若是SV網(wǎng)絡類型，獲取裝置IEDName、MAC組播地址、APPID、SVCB。SVCB是指獲取SVCB的61850的變量名，即LD/LN$SVCB。

3.2.2 裝置虛端子信息解析

裝置虛端子信息是指裝置的開入開出虛端子信息，此類信息可以根據(jù)標準[13]從SCD文件解析出來。該部分解析出來的信息主要用于繪制單裝置虛端子圖。解析流程如下：

1）從根結(jié)點進入IED元素，獲取IEDName、IEDDesc。

2）從IED元素進入子元素AccessPoint，Access Point的屬性值name若為S開頭，表示該訪問點屬于站控層訪問點，不解析；若為G開頭，表示訪問點為GOOSE訪問點，轉(zhuǎn)入第3步；若為M開頭，表示訪問點為SV訪問點，轉(zhuǎn)入第4步。

3）處理GOOSE訪問點，由AccessPoint元素轉(zhuǎn)入子元素LDevice，獲取LDevice的inst屬性值。再進入LDevice的子元素LLN0，LLN0子元素DataSet，再解析DataSet子元素FCDA，按“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”依次拼裝組合裝置的虛端子開出路徑變量名，該條開出虛端子的中文描述需要定位到LN結(jié)點的子元素DO，再定位DO到的子元素DA的Desc屬性值處獲取，其中LN、DO、DA的值即是虛端子變量名路徑“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”的取值，若在LN結(jié)點下面找不到LN、DO、DA的值為路徑“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”的中值，說明IED結(jié)點配置有錯誤，錯誤原因是在LLN0中描述了存在開出信息，但在LN中查不到。

再進入LDevice的子元素LN，依次判斷LN的prefix的屬性是否為GOIN。若prefix的屬性是GOIN，表示該條信息是裝置的GOOSE開入信息。每個LN又包含多個DO子元素，每個DO又包含多個DA，對于DO，需要依次解析，對于DA，一般僅用到stVal、q、t這3項，其他不需要解析。按“LD/prfixLNclass.DO.DA”組成虛端子開入路徑變量名，虛端子中文描述取DA的描述。

4）處理SV訪問，由AccessPoint元素轉(zhuǎn)入子元素LDevice，獲取LDevice的inst屬性值。再進入LDevice的子元素LLN0，LLN0子元素DataSet，再解析DataSet子元素FCD，按“LD/lnprfixLNclass.DO”依次拼裝組合裝置的虛端子開出路徑變量名，該條開出虛端子的中文描述需要定位到LN結(jié)點的子元素DO的Desc屬性值處獲取，其中LN、DO的值即是虛端子變量名路徑“LD/lnprfixLNclass.DO”的取值，若在LN結(jié)點下面找不到LN、DO、DA的值等于“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”的中值，說明IED結(jié)點配置有錯誤，錯誤原因為在LLN0中描述了存在開出信息，但在LN中查不到。

再進入LDevice的子元素LN，依次判斷LN的prefix的屬性是否為SVIN。若prefix的屬性是SVIN，表示該條信息是裝置的SV開入信息。每個LN又包含多個DO子元素，對于DO需要依次解析。按“LD/prfixLNclass.DO”組成虛端子開入路徑，虛端子中文描述取DO的描述。

3.2.3 裝置虛端子關聯(lián)信息解析

裝置虛端子關聯(lián)信息是指裝置與裝置間的虛端子開入開出對應關系，如合并單元發(fā)送采樣值給保護裝置，合并單元就會有到保護裝置的虛端子開出信息，用于發(fā)送采樣值，保護裝置有接收采樣值的虛端子開入信息。本部分解析的信息主要用于繪制裝置信號圖。解析流程如下：

1）從根結(jié)點進入IED元素，獲取IEDName、IEDDesc。

2）從IED元素，進入子元素AccessPoint，根據(jù)標準AccessPoint的屬性值name若為S開頭，表示訪問點屬于站控層訪問點，不解析；若為G開頭，表示訪問點為GOOSE訪問點，需要解析；若為M開頭，表示訪問點為SV訪問點，需要解析。

3）處理GOOSE訪問點，由AccessPoint元素轉(zhuǎn)入子元素LDevice，獲取LDevice的inst屬性值。再進入LDevice的子元素LLN0，LLN0子元素Inputs，再解析Inputs子元素ExtRef，一般情況下ExtRef有intAddr、iedName、ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName等屬性，其中daName通常只在GOOSE信息中存在。intAddr描述的是和外裝置關聯(lián)的本裝置內(nèi)部虛端子變量名路徑。ExtRef屬性描述的信息是intAddr的內(nèi)部虛端子信息和iedName、ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName關聯(lián)在一起。

4）校驗intAddr的值本IED中的LN中是否存在，iedName、ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName的值是否存在。不存在則表示配置有問題。

3.3 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫

為快速解析SCD文件，并繪制相應圖紙，本工具采用體型小巧而功能強大文件數(shù)據(jù)庫Sqlite3構建內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，通過參數(shù)rc=sqlite3_open（":memory:"，&db）；打開數(shù)據(jù)庫，其他操作和常規(guī)操作數(shù)據(jù)庫方式一致。重點數(shù)據(jù)庫表結(jié)構裝置虛端子信息表GseModel、虛端子關聯(lián)關系表inputs、網(wǎng)絡配置表netConfig設計如表1、表2、表3所示。

3.4 畫圖實現(xiàn)

畫圖模塊用于繪制本文第2節(jié)設計的圖紙。繪制單裝置虛端子圖直接從表GseModel獲取裝置的開入開出信息，再結(jié)合虛端子的61850變量名，判斷是否需要繪制軟壓板。繪制裝置信息號圖需要根據(jù)裝置間的虛端子關聯(lián)表inputs表內(nèi)容繪制。繪制裝置邏輯鏈路圖首先根據(jù)inputs表獲取裝置間的關聯(lián)關系，然后根據(jù)關聯(lián)關系中的虛端子所屬cbName，在netConfig查找該裝置的cbName所配的網(wǎng)絡參數(shù)信息，從而繪制裝置邏輯鏈路圖。繪制網(wǎng)絡結(jié)構圖直接根據(jù)netConfig判斷裝置屬于哪個網(wǎng)絡，從而直接繪制。

表1 裝置虛端子信息表GseModel Tab. 1 Virtual terminal table of the single device: GseModel

表2 虛端子關聯(lián)關系表inputsTab. 2 Virtual terminal association Table：inputs

表3 網(wǎng)絡配置表netConfigTab. 3 Network configuration Table: netConfig

4 結(jié)語

本文所提出的虛回路可視化方案彌補了由于缺乏工具而導致SCD文件中虛回路“看不見，摸不到”的缺陷。本文從實際出發(fā)，著力解決虛回路可視化問題，通過本文所提出的方案，實現(xiàn)了以下功能：①查看裝置所有的虛端子信息；②查看和裝置有虛端子聯(lián)系的虛回路圖；③查看裝置間具有通訊參數(shù)的邏輯通信鏈路圖。從而達到了以下目標：方便智能變電站的調(diào)試，提高智能變電站運維水平。

[1] 劉彬，林俊. 數(shù)字化變電站虛回路智能檢測軟件開發(fā)與應用[J]. 廣西電力，2011，2（34）: 5-7.LIU Bin，LIN Jun. Development and application of intelligent software for virtual circuit test in digital substation[J].Guangxi Electric Power，2011，2（34）: 5-7（in Chinese）.

[2] 胡道徐，沃建棟. 基于IEC 61850的智能變電站虛回路體系[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34（17）: 78-82.HU Daoxu，WO Jiandong. Virtual circuit system of smart substations based on IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems，2010，34（17）: 78-82（in Chinese）.

[3] 孫一民，裘愉濤，楊慶偉，等. 智能變電站設計配置一體化技術及方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（14）：70-74.SUN Yimin，QIU Yutao，YANG Qingwei，et al. Study on the technology integration of project design and configuration for smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37（14）：70-74（in Chinese）.

[4] 高磊. IEC 61850 SCL配置文件比對工具的研究與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37（20）: 88-91.GAO Lei. Research and implementation of comparison tool for IEC 61850 SCL configuration file[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37（20）:88-91（in Chinese）.

[5] 祁忠，篤竣，張志學，等.IEC61850 SCL配置工具的研究與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（7）: 76-81.QI Zhong，DU Jun，ZHANG Zhixue，et al. Research and implementation of IEC61850 SCL configuration tool[J].Power System Protection and Control，2009，37（7）: 76-81（in Chinese）.

[6] 朱二中，傅軍棟. 變電站配置語言SCL的分析與研究[J].電力學報，2013，28（4）: 328-331.ZHU Erzhong，F(xiàn)U Jundong. Analysis and research of substation configuration language（SCL）[J]. Journal of Electric Power，2013，28（4）: 328-331（in Chinese）.

[7] 郭健生，吳文宣，王云茂，等. 基于TinyXML的智能變電站SCD文件的解析[J]. 電力與電工，2011，31（3）: 7-10.GUO Jansheng，WU Wenxuan，WANG Yunmao，et al.Parse for SCD file of smart substations based on TinyXML[J].Electric Power and Electrical Engineering，2011，31（3）:7-10（in Chinese）.

[8] 王德文，朱永利，邸劍，等. 一種改進的SCL系統(tǒng)配置工具[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33（12）: 75-79.WANG Dewen，ZHU Yongli，DI Jian，et al. An improved SCL system configuration tool[J]. Automation of Electric Power Systems，2009，33（12）: 75-79（in Chinese）.

[9] 鄒曉玉，王浩，吳曉博. IEC 61850標準中SCL語言的幾個實踐應用問題探討[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2006，30（15）: 77-80.ZOU Xiaoyu，WANG Hao，WU Xiaobo. Discussion on practical issues of substation configuration language in IEC 61850 standards[J]. Automation of Electric Power Systems，2006，30（15）: 77-80（in Chinese）.

[10] 秦建松，傅三川，俞永軍，等.智能變電站二次施工圖設計的標準化技術[J]. 浙江電力，2013（6）: 61-63.QIN Jiansong，F(xiàn)U Sanchuan，YU Yongjun，et al. Standardization technology of construction-drawing in secondary specialty in smart substation[J]. Zhejiang Electric Power，2013（6）: 61-63（in Chinese）.

[11] 馬凱，黃曙，侯艾君，等.智能變電站二次系統(tǒng)典型設計智能輔助方案研究[J]. 廣東電力，2014，27（3）: 40-43.MA Kai，HUANG Shu，HOU Aijun，et al.Study on typical designed intelligent assistant scheme for secondary system in intelligent substation[J]. Guangdong Electric Power，2014，27（3）: 40-43（in Chinese）.

[12] 劉振亞. 國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設備：110（66）-750 kV智能變電站二次設備[M]. 北京：中國電力出版社，2012.

[13] Q/GDW 1396—2012 IEC61850工程繼電保護應用模型[S].北京: 國家電網(wǎng)公司，2012.