智能變電站SCD文件解析結(jié)果存儲(chǔ)方案研究及應(yīng)用

錢(qián) 海，楊 飛，于同偉，盧盛陽(yáng)，李麗群

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

智能變電站SCD文件解析結(jié)果存儲(chǔ)方案研究及應(yīng)用

錢(qián) 海1，楊 飛1，于同偉2，盧盛陽(yáng)2，李麗群3

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

基于web管控系統(tǒng)中對(duì)智能變電站SCD文件的可視化展示需求，探究基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的SCD文件解析結(jié)果存儲(chǔ)方案，提出了以面向海量數(shù)據(jù)訪問(wèn)的面向文檔的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，將SCD解析結(jié)果以不同文件形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，滿足不同類(lèi)型信息的可視化要求。文中給出了基于SVG、json等數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在MongoDB非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)方案，并在國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司的管控平臺(tái)中進(jìn)行應(yīng)用，滿足用戶SCD文件可視化高速瀏覽需求。

智能變電站；非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；SCD；可視化；存儲(chǔ)方案

隨著智能變電站的推廣應(yīng)用，以智能變電站工程配置文件SCD為核心的智能變電站二次系統(tǒng)的數(shù)字化資料管控系統(tǒng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。管控系統(tǒng)的意義在于通過(guò)對(duì)智能變電站工程在設(shè)計(jì)、集成、調(diào)試、施工、驗(yàn)收和運(yùn)維等環(huán)節(jié)對(duì)SCD等資料的修改跟蹤及版本管理，實(shí)現(xiàn)SCD文件在智能變電站整個(gè)生命周期內(nèi)的配置一致性，從而確保智能變電站工程的建設(shè)及運(yùn)維等工作可以有序高效地進(jìn)行[1]。由于管控系統(tǒng)兼顧智能變電站建設(shè)及運(yùn)維等階段，而具有面向多工程、多角色、多用戶的屬性，因此管控系統(tǒng)應(yīng)建設(shè)為一個(gè)綜合性的管控平臺(tái)，包括資料管理、工程進(jìn)度管理、工程統(tǒng)計(jì)分析、配置文件解析及可視化結(jié)果展示、配置文件比對(duì)等功能，這些功能可用于輔助用戶進(jìn)行分析和決策。

現(xiàn)階段，SCD文件解析及解析結(jié)果的可視化展示功能已經(jīng)作為各廠家標(biāo)配的功能集中到廠家的配置工具中，SCD文件的解析規(guī)則主要遵照IEC61850規(guī)范，SCL語(yǔ)法解析上多采用libxml2開(kāi)源庫(kù)，因此在SCD文件解析效率上，各廠家的配置工具并無(wú)明顯差異，主要差異集中在顯示效果上[2]。管控系統(tǒng)作為web管控系統(tǒng)，通常采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因此SCD文件可視化功能的效率上主要取決于服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)選擇和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。管控系統(tǒng)的配置文件可視化顯示功能具有版本準(zhǔn)確性高、復(fù)用性高等優(yōu)點(diǎn)，可降低各建設(shè)單位之間的溝通成本，節(jié)約重復(fù)操作帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，從而提高用戶的工作效率。

數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇和存儲(chǔ)方案是管控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要工作，是影響管控系統(tǒng)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的基石。因此，本文主要探討如何基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)SCD文件的可視化功能，并在此前提下合理地選擇數(shù)據(jù)庫(kù)及設(shè)計(jì)合理的存儲(chǔ)方案，并結(jié)合實(shí)際案例驗(yàn)證其實(shí)用性和有效性。

1 SCD文件可視化數(shù)據(jù)解析

通常1個(gè)SCD文件大小有幾十甚至上百M(fèi)，幾十萬(wàn)行的標(biāo)簽，對(duì)于專(zhuān)業(yè)人員也是海量的工作量，更何況非專(zhuān)業(yè)人員，因此SCD文件的可視化功能受到電網(wǎng)人員的普遍歡迎，也成為SCD文件相關(guān)配置工具及管控系統(tǒng)必備功能。SCD文件的可視化是指將XML語(yǔ)言標(biāo)簽翻譯成易讀、易懂的信息，并將其以圖表等形式展示出來(lái)。

1.1SCD文件的可視化內(nèi)容

SCD文件的可視化功能架構(gòu)如圖1所示。 圖1中包含SCD文件的可視化基本內(nèi)容，根據(jù)顯示內(nèi)容可分圖和表兩種顯示形式，由于管控系統(tǒng)是基于web的B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，控制顯示效果是由前端代碼控制，經(jīng)分析決定以SVG(可縮放矢量圖形)格式來(lái)顯示IED邏輯連接關(guān)系圖、虛端子詳圖、通信子網(wǎng)信息，其他信息以列表形式展示。

SVG是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，用于描述二維矢量圖形的一種圖形格式。SVG具有可伸縮、隨意放大和縮小(縮放后圖像質(zhì)量不下降)等優(yōu)點(diǎn)和特性，同時(shí)SVG在網(wǎng)絡(luò)圖形應(yīng)用上，可配合JavaScript語(yǔ)言來(lái)響應(yīng)用戶操作從而實(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)[3]。

圖1 SCD功能架構(gòu)圖

1.2管控系統(tǒng)架構(gòu)

管控系統(tǒng)從系統(tǒng)需求、效率及先進(jìn)性上考慮，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

a. 服務(wù)器：采用輕量級(jí)web服務(wù)器Nginx，其特點(diǎn)是占內(nèi)存少，并發(fā)能力強(qiáng)，是很多國(guó)內(nèi)頂尖網(wǎng)站的選擇；

b. 前端：采用HTML5+JS+CSS3+SVG，此組合支持多插件，符合國(guó)內(nèi)外技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，功能強(qiáng)大。

c. 服務(wù)端：服務(wù)端在Nginx服務(wù)器中自定義ECMS_Module模塊，以純C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)管控系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)，在保證功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上使性能達(dá)到最優(yōu)。

d.數(shù)據(jù)庫(kù)：采用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)，適合存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，支持更多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的存儲(chǔ)，且具備數(shù)據(jù)組織的高靈活性。MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)支持冗余、集群，集成GridFS文件系統(tǒng)，提供分布式存儲(chǔ)，在存儲(chǔ)文件上更接近文件系統(tǒng)形式，使管控系統(tǒng)在文件操作上效率更高[4]。

1.3解析步驟

SCD文件可視化數(shù)據(jù)的解析主要由ECMS_Module模塊調(diào)用libxml2開(kāi)源庫(kù)來(lái)完成，其主要解析步驟如下[5]：

a.使用C語(yǔ)言的XML程序庫(kù)Libxml2來(lái)遍歷SCD文件，同時(shí)解析出特定節(jié)點(diǎn)；

b.按照業(yè)務(wù)邏輯將相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)建立關(guān)系，其中關(guān)系分為一、二級(jí)，同時(shí)可分為“包含、被包含、連接、被連接、使用、被使用”6類(lèi)關(guān)系；

c.在一級(jí)關(guān)系的前提下，通過(guò)查詢函數(shù)可查出節(jié)點(diǎn)的間接引用關(guān)系，即二級(jí)關(guān)系；

d.建立兩級(jí)節(jié)點(diǎn)的引用關(guān)系后，直接在內(nèi)存中以圖數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)，通過(guò)建立圖數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化查詢過(guò)程和提高查詢效率；

SCD文件經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析后，在服務(wù)器程序中以圖數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中。圖數(shù)據(jù)中包括SCD可視化內(nèi)容中需要的子網(wǎng)通信信息、IED列表、IED邏輯連接關(guān)系、虛端子連接關(guān)系等。面向可視化的需求，這些信息離最終的可視化還需經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理并存儲(chǔ)。

1.4圖數(shù)據(jù)

圖數(shù)據(jù)里信息的建模使用3種構(gòu)造單元：節(jié)點(diǎn)(即頂點(diǎn))；關(guān)系(即邊，具有方向和類(lèi)型，即標(biāo)記和標(biāo)向)；節(jié)點(diǎn)和關(guān)系上面的屬性(即特性)。構(gòu)造單元關(guān)系如圖3所示。

圖3 構(gòu)造單元關(guān)系圖

圖3中的“1”和“2”代表2個(gè)有關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1的屬性信息名稱為leg(桌腿)，節(jié)點(diǎn)2的屬性信息是名稱為desk(書(shū)桌)和white(白色)。兩者間的關(guān)系是PART_OF(屬于)，也就是桌腿屬于桌子，桌腿的數(shù)量為4個(gè)。

圖數(shù)據(jù)中的圖是1個(gè)被標(biāo)記和標(biāo)向的屬性多重圖。被標(biāo)記的圖每條邊都有1個(gè)標(biāo)簽，它被用來(lái)作為那條邊的類(lèi)型。有向圖允許邊有一個(gè)固定的方向，從末或源節(jié)點(diǎn)到首或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。屬性圖允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)和邊有一組可變的屬性列表，其中的屬性是關(guān)聯(lián)某個(gè)名字的值。多重圖允許2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條邊。這意味著2個(gè)節(jié)點(diǎn)可以由不同邊連接多次，即使2條邊有相同的尾、頭和標(biāo)記[6]，如圖4

所示。

以圖4中的節(jié)點(diǎn)IED為例，直接與其連接的節(jié)點(diǎn)有3個(gè)，分別是AccessPoint、ExtRef以及ConnectAP，3條連線上的標(biāo)號(hào)[2]、[3]、[4]分別代表IED與這3個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。當(dāng)要檢索與某個(gè)IED連接的ConnectAP時(shí)，遍歷所有ConnectAP，選擇ConnectAP:iedName等于IED:name的ConnectAP節(jié)點(diǎn)，此集合即為IED包含的ConnectAP，其他節(jié)點(diǎn)的查找類(lèi)似。

2 SCD文件可視化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

SCD文件可視化解析結(jié)果以圖數(shù)據(jù)的形式暫存于服務(wù)器系統(tǒng)內(nèi)存中，當(dāng)后續(xù)用戶發(fā)送查看請(qǐng)求時(shí)可快速將解析結(jié)果返回給前端，并以圖表形式顯示出來(lái)，服務(wù)器端將圖數(shù)據(jù)形式的解析結(jié)果以合理的方式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證前端和服務(wù)器的高效通信[7]。

2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式

在管控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)中服務(wù)器可將SVG文件直接發(fā)送給前端，列表形式的數(shù)據(jù)通常需要通過(guò)json數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，因此前端期待接收到的數(shù)據(jù)是SVG及json數(shù)據(jù)，前端的數(shù)據(jù)格式歸納見(jiàn)表1。

圖4 圖數(shù)據(jù)示例

可視化內(nèi)容存儲(chǔ)格式通信子網(wǎng)信息展示SVGIED邏輯連接關(guān)系圖SVG虛端子詳圖SVGSCD中的IED列表json智能裝置數(shù)據(jù)關(guān)系展示json主要對(duì)象的屬性展示json

從表1中可以看出，管控系統(tǒng)的前端期待接收到的數(shù)據(jù)格式有SVG和json2種形式，而SCD文件的解析結(jié)果以圖數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)于服務(wù)器內(nèi)存中，為了前端可以更高效地獲取數(shù)據(jù)，將直接以前端期待的數(shù)據(jù)以SVG和json數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，而從SCD文件解析結(jié)果的圖數(shù)據(jù)中抽取出可視化內(nèi)容并以SVG和json數(shù)據(jù)格式做成文件，以文件形式存儲(chǔ)也是管控系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)選擇MongoDB的一個(gè)原因，因?yàn)镸ongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)介于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)之間。MongoDB最大的特點(diǎn)是它支持的查詢語(yǔ)言非常強(qiáng)大，其語(yǔ)法類(lèi)似于面向?qū)ο蟮牟樵冋Z(yǔ)言，幾乎可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)單表查詢的絕大部分功能，而且還支持對(duì)數(shù)據(jù)建立索引。另外MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)中集成了GridFS，其在文件讀取效率上接近文件服務(wù)器，因此管控系統(tǒng)選擇以非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[8]。

2.2數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管控平臺(tái)中的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括管控平臺(tái)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、原文件、SCD文件可視化解析結(jié)果的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 管控平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為3個(gè)類(lèi)集，分別用于存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、原文件數(shù)據(jù)、SCD文件的可視化解析結(jié)果。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)管控平臺(tái)中非原文件以外的所有數(shù)據(jù)，此類(lèi)集中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)各個(gè)表中的ID建立表與表之間的關(guān)聯(lián)，以達(dá)到關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效果[9]。而原文件數(shù)據(jù)和SCD文件的可視化解析結(jié)果這2個(gè)類(lèi)集采用GirdFS形式存儲(chǔ)文件，GridFS的優(yōu)勢(shì)在于其可以更好地存儲(chǔ)大于16 M的文件，將大文件對(duì)象分割成多個(gè)小的chunk(文件片段),1個(gè)chunk為256 k,每個(gè)chunk作為MongoDB的1個(gè)文檔被存儲(chǔ)在chunks集合中。

2.3SCD文件可視化處理流程

用戶進(jìn)行SCD文件上傳操作時(shí)主要處理步驟如下，如圖6所示。

a. 用戶執(zhí)行SCD文件上傳，客戶端將SCD文件發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行處理。

b. 服務(wù)器端接收到上傳文件命令及文件數(shù)據(jù)后，將源文件進(jìn)行保存，并調(diào)用SCD文件解析模塊對(duì)文件進(jìn)行解析，最終將解析結(jié)果以圖數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)與服務(wù)器內(nèi)存中。

c. 服務(wù)器端根據(jù)可視化的不同需求從圖數(shù)據(jù)中抽取出SVG和json數(shù)據(jù)。

d. 服務(wù)器端將抽取的SVG和json數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)到MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖6 上傳SCD文件處理流程

用戶進(jìn)行SCD文件可視化操作時(shí)主要處理步驟如下[10],如圖7所示。

a. 用戶執(zhí)行SCD文件可視化，客戶端將SCD文件可視化請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器端。

b. 服務(wù)器端接收到可視化請(qǐng)求后，對(duì)可視化請(qǐng)求進(jìn)行分析。

c. 服務(wù)器端根據(jù)可視化請(qǐng)求分析結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢，并從MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)的SVG或json文件。

d. 服務(wù)器端將讀取的文件轉(zhuǎn)發(fā)到用戶的客戶端。

e. 客戶端對(duì)獲取的文件進(jìn)行解析并渲染。

f. 客戶端將最終的可視化內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。

圖7 SCD文件可視化請(qǐng)求處理流程

3 工程應(yīng)用

上述的智能變電站SCD文件解析結(jié)果存儲(chǔ)方案以及整體的可視化功能在國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司的智能變電站二次系統(tǒng)全過(guò)程管控平臺(tái)中得到有效應(yīng)用。該平臺(tái)目前已經(jīng)全面上線使用，并已經(jīng)完成了28個(gè)已投運(yùn)智能變電站的資料收集和歸檔工作，并在3個(gè)新建智能變電站實(shí)施對(duì)智能變電站的全過(guò)程管控。通過(guò)實(shí)現(xiàn)SCD文件的可視化功能，為多個(gè)單位的系統(tǒng)使用者帶來(lái)便利，提高了工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了智能變電站二次系統(tǒng)全過(guò)程管控平臺(tái)中的SCD文件解析結(jié)果存儲(chǔ)方案，該方案及管控平臺(tái)的整體架構(gòu)與同類(lèi)web系統(tǒng)在SCD文件的數(shù)據(jù)解析及可視化功能相比，具有一定的性能優(yōu)勢(shì)和技術(shù)先進(jìn)性，而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司的成功搭建及應(yīng)用，也為后續(xù)同類(lèi)項(xiàng)目積累了應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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Research and Application of SCD File Resolving Results Storage Scheme in Intelligent Substation

QIAN Hai1, YANG Fei1, YU Tongwei2, LU Shengyang2, LI Liqun3

(1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114007，China)

With the gradual popularization of intelligent substation applications, SCD file-based intelligent substation secondary system data management system has gradually been valued and applied. Based on the visual display demand of SCD file in the web-based control system, this paper explores the storage scheme of SCD file based on non-relational database. Based on the document-oriented non-relational database oriented to mass data access, SCD analysis results in different formats of documents stored in the database, and ultimately meet the different types of information visualization requirements. Finally, the storage scheme based on SVG, json and other data formats stored in the MongoDB non-relational database is given and applied in the control platform of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.to meet the needs of users’ SCD file visualization high speed browsing.

intelligent substation; non - relational database; SCD; visualization; storage plan

TM76；TM63

A

1004-7913(2017)08-0051-05

錢(qián) 海(1972)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)相關(guān)工作。

2017-04-03)