智能變電站SCD文件可視化管理和分析決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊華強(qiáng) ，萬 勇 ，桂小智 ，杜 科 ，葉 飛

（1.江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.北京博電新力電氣股份有限公司，北京 100098；3.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引言

智能變電站是國(guó)家智能電網(wǎng)規(guī)劃下變電環(huán)節(jié)的重要建設(shè)目標(biāo)。智能變電站配置描述（SCD）文件是反映智能變電站系統(tǒng)配置信息的重要工具，主要針對(duì)變電站內(nèi)一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各智能電子設(shè)備（IED）配置參數(shù)及IED之間的通信配置等信息。SCD文件的規(guī)范性與正確性是變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，而SCD文件的解析、校驗(yàn)和比對(duì)工作是SCD文件應(yīng)用的基礎(chǔ)。當(dāng)前這方面的主要問題包括：基于變電站配置語(yǔ)言（SCL）編寫的SCD文件可閱讀性差，不利于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維檢修人員理解［1］；系統(tǒng)調(diào)試需要頻繁升級(jí)SCD文件，且現(xiàn)有的SCD文件版本管控方法粗放，不能完整描述升級(jí)的細(xì)節(jié)；IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定IED配置描述（CID）文件是裝置的運(yùn)行配置文件，但CID文件中發(fā)送裝置的過程層通信參數(shù)不完整，且在智能變電站擴(kuò)建過程中，SCD文件的修改會(huì)造成全站IED通信結(jié)構(gòu)的變化［2-3］。

目前針對(duì)智能變電站SCD文件或運(yùn)行設(shè)備的配置文件在實(shí)際應(yīng)用中可讀性差的問題，研究人員設(shè)計(jì)改進(jìn)的SCL系統(tǒng)配置工具，可以實(shí)現(xiàn)可縮放矢量圖形（SVG）的編輯。通過對(duì)SCD文件的解析，可以借助圖表等圖形化的形式來展示信息，如二次設(shè)備表、IED的實(shí)例配置、通信配置信息、GOOSE配置、虛端子連接關(guān)系等［4］，或同時(shí)依托AutoCAD的二次開發(fā)技術(shù)生成各類施工圖紙［5］。在檢驗(yàn)SCD文件所描述的模型及其語(yǔ)法和配置參數(shù)的正確性和設(shè)計(jì)規(guī)范性方面，主要成果包括：基于schema的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）索引［6］以保證 SCD 文件的信息完整，基于IEC61850的一致性測(cè)試方案以確保離線狀態(tài)下信息的一致性、合法性以及互聯(lián)的正確性［7-8］，在線檢驗(yàn)IED配置文件與SCD文件的一致性。在智能變電站SCL建模、配置和檢測(cè)工具日臻完善的同時(shí)，配置文件的比對(duì)工具也取得一定的發(fā)展。定義關(guān)鍵元素的比較判據(jù)，利用循環(huán)、排序、交叉對(duì)比的方法，可迅速查找出變更前后2個(gè)SCD文件的差異性［9］。

本文基于C++設(shè)計(jì)了SCD文件可視化管理系統(tǒng)，并引入基于位置的文本文件對(duì)比算法，設(shè)計(jì)了SCD文件的比對(duì)系統(tǒng)，通過前后不同版本的SCD文件的對(duì)比，可自動(dòng)生成一套合理的檢修策略，形成了一套完整的可視化管理和比對(duì)檢查決策系統(tǒng)。

1 SCD文件可視化管理和分析決策系統(tǒng)

SCD文件可視化管理和分析決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特征在于通過對(duì)典型SCD文件或運(yùn)行設(shè)備的配置文件的圖形化處理來提高文件的可讀性，以檢查系統(tǒng)和比對(duì)系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，合理評(píng)估出檢修策略作為文件分析決策的結(jié)果；從文件的編輯、存儲(chǔ)、版本的管理到檢查檢修圖紙及報(bào)告的生成均為可視化操作。

圖1 可視化管理與分析決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of visual management and analytical decision system

2 SCD文件可視化管理

SCL是變電站內(nèi)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，而SCD文件是符合SCL規(guī)范的文件，是全站唯一的配置文件。本文系統(tǒng)的組態(tài)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組態(tài)流程圖Fig.2 Flowchart of system configuration

2.1 SCD文件結(jié)構(gòu)分析

SCD文件描述了變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、所有IED的實(shí)例配置信息、通信訪問點(diǎn)的位置及地址和所有IED間信號(hào)聯(lián)系信息等［10］。SCD文件主要由5個(gè)元素組成，具體包括：信息頭（Header）用于標(biāo)識(shí)SCD文件的配置版本號(hào)和規(guī)定有關(guān)名字與信號(hào)之間的映射；變電站描述（Substation）主要描述變電站的功能結(jié)構(gòu)、一次設(shè)備及一次拓?fù)?；IED描述（IED）主要描述各個(gè)IED的配置及其功能，包含訪問點(diǎn)（Access Point）、邏輯設(shè)備（LDevice）、邏輯節(jié)點(diǎn)（LNode）、數(shù)據(jù)對(duì)象等信息；通信系統(tǒng)描述（Communication）通過邏輯總線和IED訪問點(diǎn)來描述通信網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系；數(shù)據(jù)類型模板（Data Type Templates）描述了SCD文件中邏輯節(jié)點(diǎn)類型、數(shù)據(jù)對(duì)象類型、數(shù)據(jù)屬性類型和枚舉類型。

SCL是智能變電站的全站配置文件的基礎(chǔ)，由XML發(fā)展而來，是XML在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。XML的解析方法主要包括：文檔對(duì)象模型DOM（Document Object Model）；用于 XML 的簡(jiǎn)單 API SAX（Simple API for XML）；基于“拉”模式的解析 XPP（XML Pull Parser）。DOM以其原理簡(jiǎn)單、易用性強(qiáng)得到廣泛應(yīng)用［11-12］。DOM為樹狀結(jié)構(gòu)視圖，從一次設(shè)備角度看，分為變電站、電壓等級(jí)、間隔、一次設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)等層次；從二次設(shè)備的角度看，分為IED、訪問點(diǎn)、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)等。變電站的DOM如圖3所示［13］。

根據(jù)SCD文件中定義的元素、屬性、注釋和控制指令等不同的內(nèi)容進(jìn)行分解，以節(jié)點(diǎn)樹的形式表示DOM。DOM中每個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)模型中的一個(gè)對(duì)象，并且根據(jù)對(duì)象提供的編程接口進(jìn)行訪問操作。查找結(jié)點(diǎn)、遍歷文檔可以實(shí)現(xiàn)以DOM樹的形式讀取SCD文件，同時(shí)對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行添加、刪除及替換等操作可以重構(gòu)新的DOM樹，即完成了解析過程。

2.2 SCD文件可視化

典型的變電站全站系統(tǒng)配置SCD文件通常以文本的格式給出，少則上十萬行，多則百萬行，給運(yùn)維人員的理解與檢查帶來極大的不便。以SCL模型樹的形式編輯SCD文件能夠使文件具有層次性，在實(shí)際應(yīng)用中便于理解。然而，當(dāng)出現(xiàn)變電站一次設(shè)備拓?fù)漭^為龐大、IED數(shù)目繁多、非層次結(jié)構(gòu)的通信子網(wǎng)和訪問點(diǎn)復(fù)雜的情形時(shí)，其在可閱讀性方面同樣存在劣勢(shì)。因此，SCD文件的圖形化及端子和回路的可視化對(duì)于提高SCD文件可讀性具有重要意義。

圖3 對(duì)象模型Fig.3 Object model

SVG是一種基于XML的開放的二維圖形描述語(yǔ)言，其出現(xiàn)為電力系統(tǒng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)圖形化實(shí)現(xiàn)提供了新的思路和技術(shù)手段［14］。本系統(tǒng)基于程序語(yǔ)言C++動(dòng)態(tài)生成SVG文件，而SVG文件基于純文本的特性，擁有類似文本文件的可檢索性。此外，SVG文件的DOM將文件分解為獨(dú)立的元素、屬性和注釋等，允許腳本語(yǔ)言訪問所有元素及其屬性，并支持大量事件句柄的響應(yīng)，從而容易實(shí)現(xiàn)對(duì)自身或?qū)ζ渌氐目刂啤?/p>

本系統(tǒng)通過添加圖形編輯工具以及SVG模塊，可繪制與編輯SCD文件中的變電站描述、IED描述、通信系統(tǒng)描述等元素，并能夠以SVG技術(shù)對(duì)圖形化后的變電站模型等文件進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)SCD文件的可視化管理。變電站描述可以顯示不同電壓等級(jí)的電力變壓器、相關(guān)輸電線路與母線，且電壓等級(jí)和間隔可以標(biāo)注在元件附近。電子互感器等IED不僅有各自的圖形，且可以對(duì)其GOOSE和采樣值（SMV）控制塊進(jìn)行圖形化配置。此外，虛端子連線等抽象的概念也可以得到可視化的展示。

3 分析決策系統(tǒng)

分析決策系統(tǒng)由檢查系統(tǒng)、比對(duì)系統(tǒng)以及檢修策略生成系統(tǒng)構(gòu)成。本系統(tǒng)開發(fā)的分析決策系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：基于位置的文本文件比較算法設(shè)計(jì)的SCD文件比對(duì)系統(tǒng)；基于專家評(píng)估系統(tǒng)的檢修策略生成系統(tǒng)。

3.1 SCD文件比對(duì)系統(tǒng)

SCD不同版本文件的對(duì)比與普通文件的比較算法不同，其特殊之處是比對(duì)的意義在于發(fā)現(xiàn)不一致的參數(shù)及回路，供調(diào)試人員重點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，避免調(diào)試過程中的項(xiàng)目遺漏和重復(fù)工作。SCD文件比對(duì)的重點(diǎn)在于前后版本的變化內(nèi)容，然而常見的基于圖論的文本文件比較算法雖然可以計(jì)算出最大的匹配率或最優(yōu)的路徑，但是考慮到圖論理論的復(fù)雜性以及SCD文件比對(duì)的特殊性，引入適用于監(jiān)控等系統(tǒng)的基于位置的文本文件比較算法［15］。

基于位置的文本文件比較算法遵循位置優(yōu)先原則：對(duì)每個(gè)元素在文件中的位置設(shè)置優(yōu)先權(quán)，在匹配過程中，位置排在前面的元素優(yōu)先進(jìn)行匹配。且當(dāng)2個(gè)元素都可以進(jìn)行匹配，但是不能同時(shí)匹配時(shí)，也會(huì)優(yōu)先考慮前面的元素。

假設(shè)源文件有m個(gè)元素，而更新后的目標(biāo)文件有 n個(gè)元素，數(shù)組 FP［m］和 LP［n］分別存放源文件和目標(biāo)文件中每個(gè)元素的標(biāo)志位。首先通過將源文件的所有元素與目標(biāo)文件進(jìn)行比較，得到賦值后的FP［m］和LP［n］；再選取出 FP［m］中遞增元素最多的標(biāo)志位并修改 FP［m］；最后根據(jù) FP［m］和 LP［n］中的元素進(jìn)行相應(yīng)的“刪除”和“插入”操作。算法流程具體如下。

a.令源文件位置i=0。

b.令目標(biāo)文件位置j=i。

c.如果 FP［i］=LP［j］，則 LP［j］=1、FP［i］=j；否則 LP［j］=-1、FP［i］=-1。

d.記錄FP［m］中每個(gè)元素之后元素遞增個(gè)數(shù)，遞增元素個(gè)數(shù)最多的起始元素下標(biāo)記為k。

e.FP［k］前面的元素的值全改為 -1，其后面非遞增的元素的值也改為-1。

f.數(shù)組FP［m］中為-1的元素為“刪除”的元素，數(shù)組LP［n］中為-1的元素為“插入”的元素。

g.如果i

通過基于位置的文本文件比對(duì)算法，可以查找出IED數(shù)據(jù)類型等信息差異以及虛回路條目的不一致性等其他文件內(nèi)容的變化，在圖形化SCD文件中表示出來，并可以生成詳細(xì)的比對(duì)結(jié)果。

3.2 檢修策略生成系統(tǒng)

電力系統(tǒng)通常采用計(jì)劃?rùn)z修、事故檢修和狀態(tài)檢修幾種檢修策略。事故檢修是指檢修工作發(fā)生在事故發(fā)生之后，計(jì)劃?rùn)z修的特點(diǎn)是檢修周期以時(shí)間為基準(zhǔn)，與設(shè)備狀態(tài)無關(guān)，這2種檢修策略都需要投入大量的人力物力，經(jīng)濟(jì)效益低下，不能滿足當(dāng)下電力系統(tǒng)的要求。

本文設(shè)計(jì)的檢修策略生成系統(tǒng)，其核心是內(nèi)部的專家評(píng)估系統(tǒng)。專家評(píng)估系統(tǒng)能夠調(diào)用SCD文件的檢查系統(tǒng)以及比對(duì)系統(tǒng)給出的結(jié)果程序，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，根據(jù)編寫的評(píng)估算法，綜合評(píng)價(jià)當(dāng)前變電站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而提出合理的檢修策略。針對(duì)多目標(biāo)復(fù)雜的決策問題，僅依靠主觀分析難以做出正確的判斷，本系統(tǒng)所運(yùn)用的評(píng)估算法主要是層次分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）。

層次分析法充分考慮了定性因素的影響，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，將其融入到遞階層次結(jié)構(gòu)中，從而對(duì)問題進(jìn)行綜合分析評(píng)判，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法形成判斷矩陣，經(jīng)過計(jì)算得到量化的結(jié)果［16］。

以二次設(shè)備檢查及檢修為例，專家評(píng)估系統(tǒng)能夠根據(jù)檢修的結(jié)果報(bào)告，以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和其對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響程度等為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行年份、家族缺陷及安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算得出方案層中各檢修方案的權(quán)重，比重最大的即為檢修策略生成系統(tǒng)的最終結(jié)果。

變電站二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可分為正常運(yùn)行狀態(tài)、可靠性下降狀態(tài)、危險(xiǎn)狀態(tài)3種。而按工作性質(zhì)內(nèi)容及工作涉及范圍，檢修工作分為A類檢修、B類檢修、C類檢修。A類檢修為停電檢修，是指對(duì)二次設(shè)備的整體更換及試驗(yàn)；B類檢修為停電檢修，是指設(shè)備裝置或二次回路的部件（如電源插件、繼電器）等更換及試驗(yàn)；C類檢修是對(duì)二次設(shè)備在不停電狀態(tài)下進(jìn)行的帶電測(cè)試、外觀檢查和維修。

對(duì)評(píng)價(jià)為正常狀態(tài)的二次設(shè)備，執(zhí)行C類檢修；對(duì)評(píng)價(jià)為可靠性下降狀態(tài)的二次設(shè)備，日常仍執(zhí)行C類檢修，結(jié)合實(shí)際情況安排一次設(shè)備停電下的B類檢修；當(dāng)二次設(shè)備的評(píng)價(jià)等級(jí)為危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果和設(shè)備運(yùn)行年限，執(zhí)行A類檢修或B類檢修。

4 實(shí)例應(yīng)用與功能測(cè)試

所開發(fā)的系統(tǒng)已在多個(gè)變電站投入運(yùn)行，本節(jié)以其在北海220 kV變電站的具體應(yīng)用來說明可視化管理在SCD文件管控方面的優(yōu)越性以及在提升工作效率方面的有效性。

4.1 SCD文件可視化管理測(cè)試

SCD文件的可視化管理注重對(duì)典型的文本型SCD文件進(jìn)行圖形化處理，直觀展示變電站一次設(shè)備及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、IED間的物理連線、GOOSE/SMV控制塊虛端子連線以及變電站各母線電壓等級(jí)、控制塊參數(shù)或通信參數(shù)等。重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面說明可視化管理軟件對(duì)北海220 kV變電站的圖形化展示。

a.變電站描述。

變電站描述部分主要描述變電站一次結(jié)構(gòu)信息，包含變電站電壓等級(jí)劃分（Voltage Level）節(jié)點(diǎn)、間隔的劃分（Bay）節(jié)點(diǎn)、每個(gè)間隔中的一次設(shè)備（Conducting Equipment）節(jié)點(diǎn)、各一次設(shè)備的連接點(diǎn)信息（Connectivity Node）節(jié)點(diǎn)等。

b.GOOSE/SMV控制塊信息。

從變電站圖形化的主接線圖，依次可以進(jìn)入不同電壓等級(jí)下，不同間隔下的一次設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在二次回路中，點(diǎn)擊IED中GOOSE/SMV控制塊，可以看到包括控制塊連線與控制塊參數(shù)在內(nèi)的信息，GOOSE/SMV控制塊連線如圖4所示。

圖4 GOOSE/SMV控制塊連線Fig.4 Connections between GOOSE/SMV control blocks

c.虛端子連接信息。

在邏輯節(jié)點(diǎn)元素中，通過Inputs元素描述了本IED的虛端子與其他IED的虛端子的互聯(lián)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 虛端子連接圖Fig.5 Connections between virtual terminals

4.2 分析決策系統(tǒng)功能測(cè)試

通過對(duì)北海220 kV變電站的SCD文件進(jìn)行校驗(yàn)分析，比對(duì)更新后的文件與文件的區(qū)別，自動(dòng)生成檢修策略以驗(yàn)證分析決策系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。

4.2.1 SCD文件規(guī)范性檢查測(cè)試

分析決策系統(tǒng)的SCD文件規(guī)范性檢查測(cè)試主要包括IED連線、GOOSE/SMV虛端子連線、控制塊通信參數(shù)與數(shù)據(jù)集以及數(shù)據(jù)類型等相關(guān)錯(cuò)誤與告警。檢查出的不規(guī)范、不合理的地方以橙色數(shù)字的形式標(biāo)注在圖形化SCD文件上，點(diǎn)擊標(biāo)識(shí)出的控制塊等區(qū)域，可以查看具體的參數(shù)、數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤，如圖6所示。檢查出的參數(shù)異常系統(tǒng)會(huì)以紅色字體進(jìn)行標(biāo)記，為便于閱讀，圖6中以加粗字體顯示。檢查與檢修欄目用于生成詳細(xì)的檢查結(jié)果，詳見圖7。

圖6 圖形化標(biāo)注與檢查結(jié)果對(duì)話框Fig.6 Graphical annotation and inspection result box

4.2.2 SCD文件版本比對(duì)系統(tǒng)測(cè)試

分析決策系統(tǒng)的SCD文件版本比對(duì)系統(tǒng)測(cè)試側(cè)重于比對(duì)變電站IED的添加與替換、虛回路變化和控制塊參數(shù)、SCD文件數(shù)據(jù)類型的變更。比對(duì)系統(tǒng)將前后版本的差異在更新后的圖形化SCD文件上以紅色數(shù)字的形式標(biāo)注出，點(diǎn)擊標(biāo)識(shí)出的控制塊等區(qū)域，查看前后版本變更的環(huán)節(jié)，如圖8所示。檢查出的參數(shù)變更會(huì)以紅色字體進(jìn)行標(biāo)記，為便于閱讀，圖8中以加粗字體顯示。比對(duì)及檢修欄目生成的詳細(xì)比對(duì)結(jié)果見圖9。

4.2.3 檢修策略生成系統(tǒng)測(cè)試

圖7 詳細(xì)檢查結(jié)果Fig.7 Detailed inspection results

圖8 圖形化標(biāo)注與比對(duì)結(jié)果對(duì)話框Fig.8 Graphical annotation and comparison result box

圖9 詳細(xì)比對(duì)結(jié)果Fig.9 Detailed comparison results

分析與決策系統(tǒng)的檢修策略生成系統(tǒng)主要是在檢查和比對(duì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)規(guī)范性檢查和版本比對(duì)系統(tǒng)生成的結(jié)果報(bào)告，基于系統(tǒng)的專家評(píng)估系統(tǒng)，初步給出合理有效的檢修策略。以根據(jù)檢查系統(tǒng)生成檢修策略為例，結(jié)果參見圖7。

5 結(jié)論

本文深入分析了SCD文件結(jié)構(gòu)和解析過程，介紹了基于C++語(yǔ)言開發(fā)的SCD文件可視化及比對(duì)檢查決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)SCD文件的可視化處理，增強(qiáng)SCD文件的可閱讀性；基于位置的文本文件比較算法有效地比對(duì)了不同版本的文件，找出區(qū)別以提高運(yùn)維檢修人員的工作效率。同時(shí)，檢修策略生成系統(tǒng)可以配合對(duì)比系統(tǒng)，根據(jù)不同版本文件的差異，自動(dòng)給出合理的檢修策略。通過實(shí)例展示，驗(yàn)證了軟件的正確性及其實(shí)踐意義。