基于Web架構(gòu)的智能變電站SCD圖形化研究及應(yīng)用

王鵬舉，錢 海，吳興林，盧盛陽，孫謀成

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;3.國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

隨著智能變電站的推廣應(yīng)用，以智能站工程配置文件SCD為核心的智能變電站數(shù)字化資料管控系統(tǒng)得到了越來越多的應(yīng)用，以實現(xiàn)智能變電站在設(shè)計、調(diào)試、驗收和運維等環(huán)節(jié)對于SCD等資料的修改跟蹤以及版本控制，確保SCD的配置信息始終與二次系統(tǒng)中各個裝置的實際功能保持一致，確保智能變電站的設(shè)計、施工調(diào)試以及運維等工作高效有序地進(jìn)行。

智能變電站的核心標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850(國內(nèi)為DL/T860)。由于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要以網(wǎng)絡(luò)通信與軟件技術(shù)對智能變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范，尤其是采用軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)對二次系統(tǒng)的功能進(jìn)行建模[1]，并基于XML語言定義了一整套針對二次系統(tǒng)功能配置的SCL(變電站配置語言)。對于二次裝置即IED、智能變電站的一次結(jié)構(gòu)(二次功能設(shè)計的依據(jù))、二次系統(tǒng)都規(guī)定了相關(guān)的功能和信息模型。并規(guī)定了一整套的工程配置過程，最終整個二次系統(tǒng)的功能配置均表現(xiàn)為基于SCL的SCD文件，即所謂的變電站配置描述文件。由于SCD文件在工程上的引入，使得原有的設(shè)計院圖紙里的相當(dāng)一部分內(nèi)容(主要是裝置間信號連接)以SCL文件的方式表達(dá)出來。因此，將這些用SCL語言描述的配置文件按照電力人員傳統(tǒng)的認(rèn)知模式在管控系統(tǒng)的Web頁面上進(jìn)行直觀清晰地呈現(xiàn)，是管控系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。

因此，本文主要探討如何基于SCL文件，主要是SCD文件的工程配置信息以及智能變電站二次資料管控系統(tǒng)中其他的信息來合理地采用圖形化的方式，以用戶熟悉的方式呈現(xiàn)給用戶。文章主要從管控系統(tǒng)的圖形化需求分析入手，進(jìn)而對每種圖形化需求應(yīng)該具有的具體的圖形化方案進(jìn)行分析，并基于Web軟件技術(shù)的特點及SVG圖形規(guī)范給出了軟件實現(xiàn)策略，最后基于應(yīng)用案例驗證了其實用性和有效性。

1 智能變電站管控系統(tǒng)的圖形化概述

智能變電站管控系統(tǒng)的圖形化需求除了以基于SCL語言的配置文件按照業(yè)務(wù)解析的圖形化之外，還應(yīng)包括在智能變電站全過程管控系統(tǒng)中的變電站及一、二次系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)、多個站之間的關(guān)聯(lián)、比對、綜合統(tǒng)計等圖形化需求[2]。

對于管控系統(tǒng)的圖形化功能，必須考慮智能變電站全周期各個階段相關(guān)人員的使用需求，并能夠依據(jù)用戶角色的不同自動調(diào)整顯示形式以及信息的廣度和深度。

1.1 基于SCL語言配置文件的圖形化需求

SCL語言是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的智能變電站二次系統(tǒng)功能配置描述語言，以XML格式表達(dá)二次系統(tǒng)的通信，裝置功能以及裝置間的信息交互配置?；赟CL的配置文件主要有4類，包括描述智能變電站一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)的SSD文件，描述單個裝置功能模板的ICD文件，描述智能站工程二次系統(tǒng)配置的SCD文件，以及描述智能站工程中特定裝置的CID文件。在IEC61850第2版中還增加了SED文件和IID文件，但目前尚未得到應(yīng)用[3]。另外，目前國內(nèi)工程中也尚未使用SSD文件，因此，這里主要探討ICD、SCD以及CID幾種文件的圖形化需求。

實際上，這幾種文件的內(nèi)容均有著共同的結(jié)構(gòu)框架，并且相互之間有著明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系。SCD文件由智能變電站所有IED的ICD文件按照二次系統(tǒng)的通信及信息交互要求配置形成，然后再由SCD文件分解出各個IED所需的CID配置文件。因此，對于這幾種文件的圖形化要求可以統(tǒng)一進(jìn)行考慮。

對于智能變電站全過程管控系統(tǒng)，基于SCL語言配置文件的圖形化需求主要有如下幾方面。

a. SCD中不同裝置間的虛端子連接關(guān)系的圖形化。這是配置文件圖形化功能的核心業(yè)務(wù)需求，虛端子連接直接表達(dá)了整個二次系統(tǒng)中不同裝置間的“虛回路”，以對應(yīng)傳統(tǒng)變電站物理上的電氣回路，讓相關(guān)電力人員在軟件頁面上直觀地瀏覽裝置間的功能依賴關(guān)系。

b. ICD或CID文件中的虛端子信息。即展示一個裝置中所提供的所有虛端子，包括已經(jīng)連接的以及尚未使用的虛端子。

c. SCD文件中基于信息通信的邏輯網(wǎng)絡(luò)配置，從而可以展示裝置間的通信連接關(guān)系。

1.2 綜合分析與統(tǒng)計功能的圖形化需求

由于智能變電站二次資料管控系統(tǒng)管理著一個較大區(qū)域(至少是市級電力公司)所有智能變電站的SCD等資料，因此，針對多個智能變電站的工程過程中的各方面信息進(jìn)行分析與統(tǒng)計，從而能夠?qū)こ踢M(jìn)行總結(jié)以及評估，為后續(xù)的工程實施提供有借鑒意義的改進(jìn)措施。這方面的圖形化需要結(jié)合SCL文件的基礎(chǔ)信息提取和必要的系統(tǒng)輔助信息[4],其需求主要如下。

a. 智能變電站IED所屬關(guān)系圖。主要是根據(jù)系統(tǒng)中已有的智能站、所屬單位、IED以及供貨商等幾類信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而可以全面了解該區(qū)域內(nèi)的裝置基本情況。

b. 智能變電站一次設(shè)備與IED對應(yīng)關(guān)系的圖形化。主要是展示一次設(shè)備的接線結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的IED配置。本部分正常應(yīng)該由SSD文件導(dǎo)出[5]，但由于工程中并未應(yīng)用SSD，因此采用系統(tǒng)自定義的輔助一次設(shè)備信息來完成圖形化。

2 基于Web的智能站業(yè)務(wù)信息圖形化技術(shù)的研究

前面分析了智能變電站二次資料管控系統(tǒng)對于業(yè)務(wù)功能圖形化的主要需求。為了基于Web技術(shù)來實現(xiàn)這些功能，需要進(jìn)一步分析這些圖形化需求的具體要求和特點，從而為軟件層面的實現(xiàn)提供指導(dǎo)。

2.1 圖形化類別分析

按照上述的圖形化需求分析結(jié)果，首先需要對所有的圖形化展示形式進(jìn)行必要的分析。不同的圖形化展示形式所需要的軟件實現(xiàn)技術(shù)和圖形化表現(xiàn)策略都會有差異。

依據(jù)前面所探討的圖形化需求，其分類如表1所示。

表1 圖形化需求及展示方式

由表1可知，為了能夠直觀有效地展示智能變電站管控所需要的圖形化信息，需要依據(jù)用戶的關(guān)注點和信息的自身特點來對圖形展示方法進(jìn)行考慮。為此設(shè)計了至少5種圖形展示類別，每一種類別會根據(jù)不同角色的用戶使用特點來提供必要的靈活性，即需要根據(jù)用戶的使用偏好來呈現(xiàn)相應(yīng)的信息[6]。

2.2 圖形化效果設(shè)計

前面根據(jù)各種圖形化需求的特點，給出了圖形表達(dá)的基本類別。對不同圖形類別的具體UI效果做進(jìn)一步詳細(xì)分析，才能真正為基于Web的軟件實現(xiàn)提供可以參考的依據(jù)。下面分別對各個類別進(jìn)行設(shè)計。

2.2.1 虛端子及虛回路圖

虛端子的概念是國內(nèi)針對傳統(tǒng)的端子排硬接線電氣回路的一種比照叫法，目的是讓電力專業(yè)人員仍然可以以原來的認(rèn)知習(xí)慣來開展工作。因此，其表現(xiàn)形式主要是模仿傳統(tǒng)變電站圖紙中的端子及端子排圖的形式，并能夠反應(yīng)出基于IEC61850通信的必要標(biāo)識信息。

虛端子包括GOOSE虛端子和SV虛端子2大類[7]。虛回路則主要表達(dá)不同裝置間基于GOOSE或SV的虛端子連接而構(gòu)成的信號關(guān)聯(lián)回路，是跨裝置的。一個IED往往有大量的虛端子和多個虛回路，因此，必須考慮在有限的展示空間里如何清晰有效地將這些信息中必要的部分展示給用戶。按照這樣的思路，需要分層次設(shè)計圖形界面，即提供粗略的IED連接關(guān)系和詳細(xì)的虛端子連接關(guān)系。大體效果如圖1—圖2所示。

圖1 關(guān)聯(lián)IED連接圖

圖2 虛端子連接圖

如圖1所示為關(guān)聯(lián)IED連接圖的效果示意圖，該圖主要顯示的是IED間的虛回路連接關(guān)系，用于表達(dá)某個IED通過哪種類型的虛端子連接與其他IED相關(guān)聯(lián)，整個圖像布局是選中的IED居中，關(guān)聯(lián)IED分居中心IED的兩側(cè)，連線表示有數(shù)據(jù)連接關(guān)系，箭頭表示數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送方向。圖2為虛端子連接圖，該圖主要顯示IED之間的虛端子詳細(xì)連接。圖2中的連線與IED關(guān)聯(lián)圖的連線意義相同。當(dāng)用戶瀏覽一個SCD時，如果需要查看虛端子連接，則首先給出IED關(guān)聯(lián)關(guān)系圖，了解某個IED與其它IED的基本關(guān)聯(lián)情況。如果需要進(jìn)一步了解與某個IED之間的具體虛端子連接時，可以通過點擊二者之間的連線而進(jìn)入詳細(xì)的虛端子連接圖[8]。另外，還應(yīng)結(jié)合智能站二次資料管控系統(tǒng)的其他功能需求，如校驗、比對等功能，能夠在圖形中展示校驗后的虛端子配置錯誤，或2個不同版本SCD文件中虛端子的修改情況。

2.2.2 邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

通信關(guān)系圖是從SCD文件中能夠解析的另一類重要信息。主要是體現(xiàn)智能站二次系統(tǒng)中所有的IED是如何通過MMS、GOOSE以及SV邏輯網(wǎng)絡(luò)連接在一起的，表達(dá)的是一種基于通信的邏輯上的信息通信關(guān)系。按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以邏輯子網(wǎng)(SubNetwork)來表達(dá)不同通信的邏輯網(wǎng)絡(luò)，用訪問點(AccessPoint)作為子網(wǎng)和IED之間對接的節(jié)點。

由于一個智能變電站中的IED數(shù)量較多，而Web頁面的顯示空間有限，為了能夠直觀全面地反映通信關(guān)系圖，通信關(guān)系圖應(yīng)采用類似網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D或Chord圖，分別表達(dá)基本的網(wǎng)絡(luò)連接信息以及詳細(xì)的IED與子網(wǎng)的連接關(guān)系。

2.2.3 IED所屬關(guān)系圖

基于智能變電站二次資料管控系統(tǒng)所管轄的多個SCD文件可以解析出變電站、供貨商、IED型號以及數(shù)量等基礎(chǔ)信息。用圖形表達(dá)出這些信息的關(guān)聯(lián)統(tǒng)計關(guān)系，對于掌握某個電力單位的所有智能變電站二次裝置的基本情況具有重要意義。

IED所屬關(guān)系圖需要表達(dá)系統(tǒng)中所管理的所有智能站、IED型號、IED類別、IED供貨商之間的對應(yīng)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，并提供相應(yīng)的數(shù)量統(tǒng)計，從而可以為使用者提供清晰明了的統(tǒng)計信息展示。

2.2.4 一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)圖

智能變電站的一次設(shè)備是基礎(chǔ)框架，所有的二次裝置都是為一次設(shè)備服務(wù)的，因此，所有的IED配置也是根據(jù)一次設(shè)備的需求設(shè)計的。因此，在智能變電站二次資料全周期管控系統(tǒng)中提供一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)圖是一個基本的需求，便于使用者掌握一個變電站整體的設(shè)備配置和功能基礎(chǔ)。

由于智能變電站在功能原理上并沒有變化，一次設(shè)備方面沒有變化，因此，一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系與傳統(tǒng)站沒有大的差異，只要采用最常用的樹形結(jié)構(gòu)來表達(dá)就可以了。但是這里需要考慮未來的標(biāo)準(zhǔn)化問題，即未來工程中引入SSD文件后的兼容性問題，需要對構(gòu)成一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)樹形圖的信息定義進(jìn)行必要的考慮[9]。主要是在目前一次結(jié)構(gòu)的層次和命名上盡可能與SSD上的規(guī)則相同，并預(yù)留相應(yīng)的SSD模型元素的擴(kuò)展接口。

基于以上考慮，樹形結(jié)構(gòu)應(yīng)包括變電站、電壓等級、間隔、一次設(shè)備、對應(yīng)的IED，層次依次加深，從而表達(dá)出清晰的從屬關(guān)系。

3 圖形化的實現(xiàn)及工程應(yīng)用

3.1 基于Web的圖形化實現(xiàn)策略

為了能夠提供較好的用戶體驗，把比較復(fù)雜的圖形快速清晰地展示給用戶，需要在瀏覽器的客戶端實現(xiàn)對圖形的構(gòu)建以及渲染，只是從服務(wù)端獲取必要的后臺基礎(chǔ)業(yè)務(wù)信息，因此，采用JavaScript腳本語言來構(gòu)建基于Web瀏覽器的圖形。另外還應(yīng)考慮圖形的可縮放性以及易配置性，所以應(yīng)采用SVG(可縮放矢量圖形)。

SVG圖形技術(shù)采用XML(可擴(kuò)展置標(biāo)語言)來描述二維矢量圖，是互聯(lián)網(wǎng)的一個通用圖形規(guī)范，大多數(shù)瀏覽器均可以支持將SVG描畫為矢量圖。由于采用基于結(jié)構(gòu)化文本的模型描述形式，SVG文件可以很容易在不同的軟件系統(tǒng)和異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行共享，從而有利于對圖形建模的標(biāo)準(zhǔn)化以及提高可復(fù)用性。因此在電力系統(tǒng)中也把SVG作為圖形畫面的一個建模規(guī)范，用于描述電力圖形元素的SVG語言被稱為G語言。

基于以上方案，由數(shù)據(jù)到用戶界面圖形化基本分為3個層次，即數(shù)據(jù)是最底層，中間層為SVG模型，最上層即用戶可見的圖形畫面層?？梢娨雽⒒赟VG的文本模型解析并描畫到頁面上，需要選用合適的軟件技術(shù)。考慮到兼容性以及用戶的視覺體驗要求，引用數(shù)據(jù)可視化庫“D3”來完成數(shù)據(jù)操作，D3是以JS編寫的插件，其技術(shù)基礎(chǔ)是SVG，通過使用HTML5、SVG、CSS3來給要展示的數(shù)據(jù)注入生命，以各種簡單易懂的絢麗圖形展示給用戶。那么整個流程就是在瀏覽器端通過JavaScript程序獲取服務(wù)器上的業(yè)務(wù)信息，并按照圖形化的需求，調(diào)用D3的接口，將必要的信息傳遞給D3，最終由D3將這些信息在瀏覽器里進(jìn)行圖形化展示[10]。

3.2 工程案例

上述圖形化實現(xiàn)策略在智能變電站二次系統(tǒng)全過程管控系統(tǒng)中得到了有效應(yīng)用。該系統(tǒng)目前已經(jīng)上線使用，并已經(jīng)實現(xiàn)了對28座智能變電站的管控工作。通過實現(xiàn)清晰直觀的圖形化展示功能，為系統(tǒng)使用者的工作帶來了很大便利，提高了工程的效率。

圖3展示了某220 kV智能變電站1個合并單元的虛端子連接，包括GOOSE及SV 2類。并且在圖中還同時展示了當(dāng)前版本與上一版本的虛端子差異，其中紅色表示當(dāng)前版本刪除了一些虛端子。圖4采用Chord圖的形式直觀地展示了智能變電站的子網(wǎng)以及每個子網(wǎng)對應(yīng)的裝置名稱。圖中的每個節(jié)點(裝置及子網(wǎng))均可以點選，從而更為明確了解特定的從屬關(guān)系。圖5是全省的IED、對應(yīng)的智能站以及供貨商的所屬關(guān)系圖。其中IED既隸屬于變電站，又隸屬于供貨商，從而清晰展示了三者之間的關(guān)聯(lián)及從屬關(guān)系，并在關(guān)聯(lián)線上有實際應(yīng)用IED的數(shù)量。作為一種統(tǒng)計類的圖形展示可以很方便了解IED的總體概況。圖6展示了某220 kV智能變電站的一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)圖，從圖6中可以清晰了解各個一次間隔或設(shè)備下所配置的二次設(shè)備。

圖3 虛端子連接圖

圖4 全站子網(wǎng)與IED關(guān)系圖

圖5 全省IED所屬關(guān)系圖

圖6 一、二次設(shè)備關(guān)聯(lián)圖

4 結(jié)束語

本文提出了智能變電站二次系統(tǒng)全過程管控系統(tǒng)中的圖形化實現(xiàn)策略，并為Web軟件技術(shù)構(gòu)建了核心業(yè)務(wù)信息的圖形化，使得系統(tǒng)的用戶能夠借助豐富多樣的圖形界面，清晰明了地掌握智能變電站的關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息和過程信息，既可以從全局著眼，也可以從局部聚焦，從而使管控系統(tǒng)更加人性化，更加高效，提高了用戶的工作效率。

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