基于二維碼的智能變電站光纜標簽系統設計和實現

高 磊 ，劉 玙 ，袁宇波 ，王曉坤

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2.南京智網信息技術有限公司，江蘇 南京 211009）

0 引言

智能變電站與常規(guī)變電站相比具有信號數字化、傳輸網絡化的技術優(yōu)勢，采用光信號進行數據傳輸，光纖替代了80%以上的電纜。常規(guī)變電站一般通過電纜號牌來標定回路號和端子號，通過紙質圖紙表達回路原理和接線，用于施工調試和運維作業(yè)。智能變電站二次回路原理的設計改為光纜聯系圖和變電站配置描述 SCD（Substation Configuration Description）文件表達，二次回路的原理設計實現了數字化［1-5］。采樣值、保護控制信號均采用數字編碼、光纖傳輸，物理介質與信號存在“一對多”的關系，1根纖芯中同時傳輸幾十個不同的信息，而光纖光纜沿用了電纜號牌或采用常規(guī)標簽，僅描述了光纜的起點、終點位置和光纜編號，所能描述的信息較單一。調試和運維人員在檢修校驗或排查故障時，往往需要交替查閱SCD文件和光纜聯系圖；施工人員在打印標簽時也要翻閱光纜聯系圖逐條輸入，工作繁瑣，沒有充分發(fā)揮二次回路原理設計數字化的優(yōu)勢。

本文針對上述問題提出了基于二維碼［6-10］的智能變電站光纜標簽設計方案，制定了光纜標簽的格式，闡述了二維碼光纜標簽的生成和解析模塊的實現方法。標簽生成系統模塊（下文簡稱生成模塊）將設計的二次回路物理信息和邏輯信息存入數據庫，生成標簽文件，打印二維碼標簽；手持終端解析模塊（下文簡稱解析模塊）以二維碼為入口，通過手持終端以現場掃描方式，快速展示光纜連接信息和光纜中傳輸的虛回路信息，將信號查找時間由原來的幾分鐘縮減為幾秒鐘，實現“即掃即看”。該方案充分利用了智能變電站二次回路設計數字化的優(yōu)勢，能夠有效解決智能變電站現場工作無法直觀獲取二次回路原理信息的問題，極大提高了施工、調試、運維的效率及正確性，準確實現過程層物理回路與邏輯回路的“虛實對應”。

1 系統總體設計

1.1 系統應用流程

基于二維碼的智能變電站光纜標簽系統分為生成模塊軟件和解析模塊軟件2個部分：設計單位使用生成模塊軟件設計變電站二次系統接線，生成全站設計圖紙（光纜聯系圖、虛端子圖、SCD文件等）、手持終端數據庫和標簽文件，提供給施工調試單位；施工單位使用標簽文件打印光纜標簽；調試單位將數據庫下載到手持終端中，既可查閱整站的物理和虛回路連接信息，也可通過二維碼標簽掃描獲取指定的物理和虛回路連接信息。

1.2 系統模塊設計

根據應用流程的要求，光纜標簽系統分為生成模塊和解析模塊開發(fā)，軟件的總體架構如圖1所示。

生成模塊運行在PC機側，包含二次系統設計功能、標簽數據生成功能和標簽打印功能，分別用于配置生成完整的變電站二次系統連接信息，生成手持終端數據庫和光纜標簽文件。

設計單位使用智能變電站二次系統設計功能完成變電站物理接線和虛回路設計工作，并生成全站設計圖紙資料（包括光纜聯系圖、虛端子表、全站SCD文件等），生成的設計資料均存儲在數據庫中。使用標簽數據生成功能從數據庫中獲取變電站物理配置信息和虛回路配置信息，整理成后期打印標簽和解析標簽所需的數據格式，生成標簽文件，包括光纜、尾纜標簽，纖芯標簽和光配口標簽3個文件；另一方面把數據庫文件轉換成手持終端便于加載和識別的標簽數據庫文件，在庫中存儲光纜物理連接信息和虛回路信息。

圖1 光纜標簽系統總體架構圖Fig.1 Overall architecture of optical cable label system

光纜標簽文件格式為Excel表格方式，標簽打印功能使用第三方的標簽打印機自帶軟件實現，標簽打印機軟件能夠鏈接Excel格式的光纜標簽文件，編輯標簽格式模板后，直接打印出光纜標簽。

標簽數據解析功能和標簽掃描功能運行于iPad上，主要用于圖形化展示變電站配置、二次系統連接信息以及二維碼標簽掃描。展示內容包括小室布置、屏柜配置、光纜聯系、纖芯連接、虛端子信息。使用標簽掃描功能，掃描光纜標簽上的二維碼，二維碼中的標記字符類型若屬于光纜二維碼則展示光纜中的纖芯信息，若屬于纖芯二維碼則展示該纖芯中的虛端子信息，并支持各級信息導航瀏覽。

1.3 系統數據庫設計

根據二維碼光纜標簽系統所需實現的功能，將智能變電站站內的二次系統信息分解為如表1所示的數據庫表，由設計單位在生成模塊中使用二次系統設計功能完成數據庫的構建，并存儲在PC機上，使用標簽數據生成功能將數據庫轉換成iPad手持終端易于解析的sqlite數據庫文件，同時導出Excel格式的標簽文件。

2 光纜標簽格式設計

2.1 光纜標簽

光纜標簽用于標示屏柜間的光纜信息。標簽上的文字信息主要描述光纜的起點屏柜、終點屏柜、光纜編號、光纜規(guī)格等基本信息；標簽上的二維碼是光纜的數據庫入口，可以通過二維碼標簽掃描，快速展現該光纜內的纖芯信息。光纜的標簽樣式如圖2所示，圖中S表示起點，E表示終點，后同。

2.2 光纖標簽

裝置端口光纖標簽用于標示裝置端口處所連接的纖芯信息。標簽上的文字信息主要描述光纖的起點端口、終點端口、所屬光纜編號、光纖序號等基本信息；標簽上的二維碼是光纖的數據庫入口，可以通過二維碼標簽掃描，搜索光纖回路和虛回路的關系，快速展現該光纖中傳輸的具體虛回路信息，并且可以進一步了解纖芯連接端口所屬裝置的全部虛端子信息。光纖的標簽樣式如圖3所示。

表1 系統數據庫表Table 1 System databases

圖2 光纜標簽樣式Fig.2 Format of optical cable label

圖3 光纖標簽樣式Fig.3 Format of optical fiber label

2.3 光纖配線架標簽

光纖配線架（ODF）標簽用于標示光配端口所熔接的纖芯信息。光纖配線架標簽與光纖標簽格式類似，由于受到粘貼面積限制，對標簽上的文字信息進行了簡化，省略了屏柜信息，縮短了標簽長度，便于粘貼在光纖配線架專用的標簽卡內。光纖配線架的標簽樣式如圖4所示。

圖4 光纖配線架標簽樣式Fig.4 Format of ODF label

3 光纜標簽生成系統的實現

3.1 二次系統設計

系統提供設計單位使用的變電站二次系統設計功能：首先構建變電站二次系統物理位置、裝置型號、裝置配置、組屏方案的信息模型；然后構建變電站二次系統回路原理，包括裝置、交換機間的端口連接關系及所傳輸的信息類型，軟件根據回路原理建模的信息，識別出屏柜連接關系及屏柜間所需的纖芯數，按照同一小室內使用尾纜、不同小室和戶外場地內使用光纜的原則選擇光纜或尾纜，按照軟件設定的工程光纜、尾纜規(guī)格分配光纜和尾纜的最終纖芯數；最后構建變電站的邏輯回路虛端子連接信息。軟件將工程中所有的裝置與智能電子設備（IED）能力描述ICD（IED Capability Description）文件關聯，解析出通用面向對象的變電站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）以及采樣值 SV（Sampled Values）虛端子，然后根據回路原理建模時的關聯關系，識別出有信息交互的裝置及其連接端口，由設計軟件依次選擇輸入和輸出虛端子，完成邏輯回路建模。

3.2 標簽數據文件生成

與光纜標簽格式設計對應，標簽數據文件分為光纜標簽文件、光纖標簽文件和光纖配線架標簽文件3種類型。

光纜標簽文件按屏柜輸出屏柜間光纜連接信息。軟件從數據庫中遍歷屏柜的光纜信息，包括起點屏柜名稱、終點屏柜名稱、光纜編號和規(guī)格，二維碼標簽中的內容是光纜標記字符、起點屏柜索引和光纜名稱索引。

光纖標簽文件按光纜所連接跳纖或尾纜纖芯，輸出裝置端口連接信息。軟件從數據庫中遍歷每個光纜的纖芯信息，包括起點和終點的屏柜、裝置，端口名稱和端口間所連接的纖芯所屬光纜編號、纖芯序號。二維碼標簽中的內容是纖芯標記字符、起點端口索引。光纖標簽文件如表2所示，纖芯二維碼一列即所生成的二維碼字符串信息。

光纖配線架標簽文件與光纖標簽文件的生成方法類似，只是在最終打印標簽時使用光纖配線架標簽模板打印。

表2 光纖標簽文件Table 2 File of optical fiber labels

3.3 二維碼標簽生成

二維碼標簽由標簽打印機的編輯軟件生成：首先使用標簽打印機提供的打印軟件按照光纜標簽格式編輯標簽模板；然后使用打印軟件的數據庫連接功能將模板中的數據與標簽文件的列數據關聯；最后選擇需要打印的標簽文件數據，完成標簽打印。標簽中二維碼由打印機編輯軟件將標簽數據文件中的二維碼標簽字段編碼生成，打印出的標簽見圖5。

圖5 打印標簽示例Fig.5 A printed label

4 光纜標簽解析系統的實現

4.1 手持終端數據解析功能

系統提供調試單位使用的手持終端數據解析功能。手持終端為ipad，數據庫采用sqlite文件數據庫，采用IOS7以上系統，開發(fā)環(huán)境采用XCODE 6.1。

解析功能的實現如圖6所示，通過軟件設置功能加載工程數據庫，支持物理信息解析、光纜信息解析、纖芯信息解析和虛端子信息解析。

圖6 解析功能模塊Fig.6 Analysis module

界面采用IOS系統提供的UIKit框架實現：使用視圖控制器作為基礎容器，界面之間的切換使用導航控制器作為子容器實現，界面中的圖形采用可縮放矢量圖形（SVG）格式生成，圖形中的數據通過數據庫接口，從sqlite數據庫中獲取，圖形的展示、超鏈接導航使用Web視圖控件加載瀏覽器實現。

4.2 虛實對應數據搜索的實現

解析功能的核心是裝置端口與虛端子的虛實對應功能，并將數據最終顯示在用戶界面中，其搜索方法如圖7所示。通過纖芯端口在數據庫信息邏輯表中獲取整個回路原理的路徑，通過虛端子連接表獲取回路原理中兩側設備的虛端子關聯記錄，根據回路原理類型、網絡類型最終確定纖芯中傳輸的虛端子信息。

4.3 二維碼標簽掃描功能

二維碼掃描功能使用IOS系統的AV視頻框架實現，打開手持終端的攝像頭，獲取二維碼標簽上的二維碼圖像，之后使用ZBar二維碼解析庫解析該二維碼圖像獲取編碼字符，根據字符中的光纜標記字符和纖芯標記字符，分別進入光纜纖芯解析界面和纖芯虛端子解析界面，完成二維碼標簽掃描功能。

圖7 虛實對應搜索方法Fig.7 Flowchart of virtual-physical terminal matching

5 結語

本文針對目前智能變電站二次系統過程層光纜標簽只能表達裝置物理連接關系，無法直觀地表達二次系統虛回路信息的問題，提出了基于二維碼的光纜標簽系統設計方案，方案包括生成系統實現方法和解析系統實現方法。

針對生成系統開發(fā)了二次系統設計功能和二維碼標簽生成功能軟件，與目前常用的標簽打印機接口，完成現場標簽的打印工作。針對解析系統開發(fā)了手持終端數據解析功能和二維碼標簽掃描功能，直接將手持終端數據庫通過圖形化的界面展示給調試人員，界面中能夠實現虛實數據的對應，通過掃描現場的二維碼光纜標簽，直接獲取調試人員關心的信息，提高了調試和運維的效率。