智能變電站二次回路可視化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張汀荃，何鑫剛，陳 剛，施武作，張炳旺

（1.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046；2.陜西送變電工程公司，陜西 西安 710000；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001；4.武漢凱默電氣有限公司，湖北 武漢 430223）

0引言

智能變電站以網(wǎng)絡(luò)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翁摶芈罚渲帽４嬗谥悄茏冸娬九渲妹枋鑫募?SCD)件內(nèi)，這樣有利于維護(hù)人員的精準(zhǔn)、快捷、有效維護(hù)[1-2]。

智能變電站在硬件配置上也有非常顯著的區(qū)別，引進(jìn)了合并單元、智能終端、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、以及交換機(jī)等設(shè)備。同時(shí)使用了三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)網(wǎng)絡(luò)通信的形式取代過(guò)去模擬量和開關(guān)量信號(hào)電纜連接的方式，這種方式合理整合了資源，更有利于實(shí)時(shí)有效通信[3]。

當(dāng)前智能變電站中的二次回路設(shè)計(jì)都是將二次回路中的實(shí)回路（光纖連接）和虛回路（虛端子）完全分開來(lái)設(shè)計(jì)的，然而虛回路中的信息傳遞是通過(guò)實(shí)回路中的物理鏈路實(shí)現(xiàn)的。理論來(lái)說(shuō)，虛回路和實(shí)回路的設(shè)計(jì)應(yīng)該是相互依托的[2]。當(dāng)前實(shí)回路設(shè)計(jì)依賴 CAD、Visio、Excel等軟件手動(dòng)編制[4]，設(shè)計(jì)工作存在工作量大，周期長(zhǎng)，問(wèn)題排查難，設(shè)計(jì)人員很難通過(guò)圖紙和表格信息來(lái)了解變電站的光纖連接的具體情況等問(wèn)題。而虛回路通過(guò)配置工具進(jìn)行單獨(dú)配置[5]，設(shè)計(jì)者也很難看到信息在實(shí)際光纖中的流向，不利于設(shè)計(jì)者排查問(wèn)題[6]。

本文提出一種虛實(shí)回路結(jié)合的可視化二次回路設(shè)計(jì)方法，結(jié)合IEC61850信息模型以及過(guò)去的電氣二次圖紙，通過(guò)IED裝置建模的方式將IED的物理模型與ICD文件關(guān)聯(lián)建立IED裝置的模型文件，工程中IED關(guān)聯(lián)相應(yīng)的IED裝置的模型文件，將IED設(shè)備的物理模型可視化顯示，在可視化圖中進(jìn)行實(shí)回路光纖連接配置，由于IED模型文件中關(guān)聯(lián)了設(shè)備的ICD文件，因此在光纖光纜連接配置完成之后即可進(jìn)行虛端子配置。配置完成后，可實(shí)現(xiàn)虛回路、實(shí)回路結(jié)合的二次回路可視化顯示方便設(shè)計(jì)人員對(duì)變電站二次回路的理解，提高設(shè)計(jì)效率和結(jié)果文件的可用率。

1IED設(shè)備建模

二次回路中實(shí)回路與虛回路結(jié)合的關(guān)鍵是IED設(shè)備的建模，由于IED的ICD文件與IED的物理模型是完全獨(dú)立的[7]，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模式將實(shí)回路和虛回路設(shè)計(jì)獨(dú)立開進(jìn)行，該設(shè)計(jì)模式不利于設(shè)計(jì)人員對(duì)二次回路的整體清晰認(rèn)知，也不利于設(shè)計(jì)人員排查問(wèn)題。因此IED建模需要將IED的物理模型與IED的ICD文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將二次回路的實(shí)回路與虛回路結(jié)合起來(lái)，并且通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)信息模型圖形化配置，方便設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作。

IED物理建模是用形象直觀的矢量表征不同對(duì)象，實(shí)現(xiàn)IED設(shè)備端口信息的圖形化配置，將IED設(shè)備的插板，端口信息展示出來(lái)。在IED物理建模前，建立插板，端口模型等基本圖元，如圖1所示，圖元為實(shí)物的簡(jiǎn)化和抽象，能反應(yīng)出實(shí)物的基本特征和各種狀態(tài)。通過(guò)拖放圖元操作實(shí)現(xiàn)裝置插板端口配置，如圖2所示，圖中裝置物理模型中包含了2個(gè)光口插板，一個(gè)光口插板中包含了2個(gè)FC光口，一個(gè)光口插板包含8個(gè)LC光口。

圖1 IED設(shè)備模型圖元Fig.1 IED device model primitives

圖2 IED設(shè)備物理模型Fig.2 IED device physical model

完成裝置物理建模后，導(dǎo)入該IED的ICD文件，與該物理模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)解析ICD文件，將IED的GOOSE、SV發(fā)送信息在物理模型界面展示。通過(guò)選中發(fā)送數(shù)據(jù)集，拖放操作將發(fā)送GOOSE、SV數(shù)據(jù)集與模型中的光口關(guān)聯(lián)，建立虛端子連線與光纖連接之間的映射，為高級(jí)應(yīng)用中光纖斷鏈的判斷提供支持。

2 二次回路設(shè)計(jì)

裝置的模型文件中包含了裝置的物理信息模型和通訊信息模型，在二次回路實(shí)回路設(shè)計(jì)中包含了一部分虛回路信息，當(dāng)虛回路配置完成之后，配置工具會(huì)自動(dòng)根據(jù)虛回路信息查找實(shí)回路路徑，最終實(shí)現(xiàn)虛回路自動(dòng)識(shí)別對(duì)應(yīng)實(shí)回路信息，自動(dòng)完成虛實(shí)回路的匹配過(guò)程，不需要人工配置虛實(shí)回路信息，而且還能自動(dòng)識(shí)別配置過(guò)程中的錯(cuò)誤，可以大大減少設(shè)計(jì)周期，簡(jiǎn)化配置流程。

2.1 實(shí)回路設(shè)計(jì)

實(shí)回路設(shè)計(jì)即建立IED設(shè)備之間物理端口的光纖連接關(guān)系。物理端口間的連接主要采用直連和級(jí)聯(lián)兩種方式，IED之間的直采直跳鏈路采用直連方式，IED之間必須經(jīng)過(guò)交換機(jī)的網(wǎng)采鏈路采用級(jí)聯(lián)方式[8]。IED設(shè)備建模實(shí)現(xiàn)了設(shè)備物理端口信息可視化，實(shí)回路設(shè)計(jì)可基于可視化的IED設(shè)備模型進(jìn)行，如圖3所示，圖中左側(cè)為本側(cè)IED，右邊為對(duì)側(cè)IED，單擊左右兩邊IED的端口實(shí)現(xiàn)兩個(gè)裝置之間的光纖連接配置。通過(guò)右側(cè)的下拉框可切換不同IED設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本側(cè)IED設(shè)備與不同IED設(shè)備之間的光纖連接配置。圖中展示了端口光纖對(duì)側(cè)設(shè)備信息以及端口光纖發(fā)送的信息類型（SV或GOOSE），方便設(shè)計(jì)人員排查錯(cuò)誤。同時(shí)也為輸出一些設(shè)計(jì)文檔提供了基礎(chǔ)。

圖3 光纖連接配置Fig.3 Fiber optic connection configuration

在工程實(shí)際中一般需要定位光纖在光纜以及光纜在熔接盤（ODF）的具體位置，因此在實(shí)回路設(shè)計(jì)中還會(huì)涉及到光纜光纖配置[9]。尾纜中的光纖直接連接設(shè)備端口，在配置尾纜中光纖時(shí)，將尾纜與IED的端口關(guān)聯(lián)并選出所要關(guān)聯(lián)的光纜芯即可。光纜中的光纖需要ODF對(duì)光纖熔接分組，并關(guān)聯(lián)到ODF插口，因此在光纜光纖配置時(shí)，需要將光纜先關(guān)聯(lián)到ODF中，再將光纖與ODF插口關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)光纜光纖配置。

2.2 虛回路設(shè)計(jì)

IED的ICD文件中包含了裝置所需的所有輸入輸出信號(hào)，其中dsGOOSE數(shù)據(jù)集包含了IED裝置的GOOSE發(fā)送信息dsSV數(shù)據(jù)集包含了IED裝置的SV發(fā)送信息；包含“GOIN”關(guān)鍵字為前綴的數(shù)據(jù)對(duì)象為裝置的GOOSE輸入，包含“SVIN”關(guān)鍵字為前綴的數(shù)據(jù)對(duì)象為裝置的SV輸入[10]。

通過(guò)ICD文件解析工具，將ICD的相關(guān)信息根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)依次按照IED、訪問(wèn)點(diǎn)、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)對(duì)象等層次關(guān)系[10]，以樹形圖的方式展示，如圖4所示。

圖4 外部IED的數(shù)據(jù)集信息Fig.4 External IED data set information

進(jìn)行配置虛回路信息時(shí)，首先選擇中心IED，然后依據(jù)設(shè)計(jì)院的虛端子表選中外部IED，并在其數(shù)據(jù)集中選擇中心IED的外部信號(hào)拖放到如圖5所示的虛回路配置表中。完成中心IED所有外部信號(hào)拖放后，從中心IED數(shù)據(jù)對(duì)象中包含“GOIN”或“SVIN”前綴的數(shù)據(jù)集中查找中心IED的內(nèi)部信號(hào)，如圖6所示，并拖放到圖5中相應(yīng)的位置。如在圖5中，將圖4中外部IED的保護(hù)GOOSE數(shù)據(jù)集中的第一個(gè)條目斷路器總位置作為中心IED的外部信息，然后選擇中心IED中的邏輯節(jié)點(diǎn)GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作為中心IED內(nèi)部信號(hào)，形成中心IED與外部IED之間的一條虛回路。虛回路設(shè)計(jì)結(jié)果支持圖像化方式顯示，如圖7所示，以選中的IED設(shè)備為中心設(shè)備，與之關(guān)聯(lián)的IED設(shè)備分列左右兩側(cè)，連線標(biāo)示兩個(gè)設(shè)備之間關(guān)聯(lián)的虛端子連接，箭頭方向表示虛回路中信息流向。

圖5 虛回路配置Fig.5 Virtual loop configuration

圖6 中心IED的內(nèi)部信息模型Fig.6 Internal information model of center IED

總位置作為中心IED的外部信息，然后選擇中心IED中的邏輯節(jié)點(diǎn)GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作為中心IED內(nèi)部信號(hào)，形成中心IED與外部IED之間的一條虛回路。虛回路設(shè)計(jì)結(jié)果支持圖像化方式顯示，如圖7所示，以選中的IED設(shè)備為中心設(shè)備，與之關(guān)聯(lián)的IED設(shè)備分列左右兩側(cè)，連線標(biāo)示兩個(gè)設(shè)備之間關(guān)聯(lián)的虛端子連接，箭頭方向表示虛回路中信息流向。

2.3 虛回路在實(shí)回路中的映射

利用本文所提的虛實(shí)回路結(jié)合的可視化二次回路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)回路與虛回路設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)虛回路在實(shí)回路中的映射。通過(guò)虛端子信息，可以找到虛回路中的發(fā)送端和接收端，通過(guò)發(fā)送端的物理鏈路可以查詢是否有直接連接的接收端IED，若有直接連接的接收端IED，則可以判定此虛端子為直連虛端子，即虛回路與直連的物理鏈路對(duì)應(yīng)。若通過(guò)發(fā)送端的物理鏈路沒(méi)有查詢到接收端IED，則判定此虛端子為級(jí)聯(lián)虛端子，這樣的虛回路需要通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行信息交流。

圖7 虛回路可視化Fig.7 Virtual loop visualization

將發(fā)送端IED直接連接的交換機(jī)集合稱為第一級(jí)交換機(jī)組，與第一級(jí)交換機(jī)組中交換機(jī)直接連接的交換機(jī)集合稱為第二級(jí)交換機(jī)組，以此類推。因此要查找此虛回路對(duì)應(yīng)的實(shí)回路映射，應(yīng)當(dāng)查詢發(fā)送端物理鏈路中的交換機(jī)，再通過(guò)交換機(jī)的物理鏈路去查詢接收端IED，如果在第一級(jí)的交換機(jī)組中沒(méi)有查詢到接收端IED，則需要在第二級(jí)交換機(jī)組中去查詢接收端IED，以此類推，直到找到接收端IED為止，通過(guò)查找接收端IED的路徑確定虛回路在實(shí)回路中的映射。如圖8為某一虛回路對(duì)應(yīng)的實(shí)回路，這條虛回路級(jí)聯(lián)了3套交換機(jī)。虛實(shí)回路結(jié)合方便查看智能變電站中二次回路中的信息流向，有助于問(wèn)題排查。

圖8 某條虛回路在實(shí)回路中的映射Fig.8 The mapping of a virtual loop in a real loop

3 二次回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于本文提出的方法，在Qt4.6框架下開發(fā)出一套相應(yīng)的配置工具。配置工具將虛實(shí)回路設(shè)計(jì)可視化可以分為3個(gè)模塊，設(shè)備建模模塊，工程匹配模型模塊，設(shè)計(jì)虛實(shí)回路模塊。配置工具框架如圖9所示。

圖9 配置工具整體框架Fig.9 The overall framework of the configuration tools

3.1 裝置建模

在設(shè)備建模模塊中，為各個(gè)廠家的IED建立了模型，及各種屬性，模型列表以圖10所示方式排列展示。模型配置文件可以為以后的工程所復(fù)用，減少后期的配置工作量。

3.2 工程模型匹配

工程設(shè)備模型建模完成，為工程用的IED設(shè)備匹配相應(yīng)的模型文件，匹配的過(guò)程中，既可以以IED設(shè)備為中心匹配模型文件，也可以以模型文件為中心，匹配IED設(shè)備，匹配完成之后，IED設(shè)備中包含了模型文件中的信息，為工程中IED的實(shí)回路和虛回路設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。圖11為以模型為中心匹配IED設(shè)備界面。通過(guò)拖放操作將工程中的IED放到相匹配的模板下完成匹配。通過(guò)展開模型節(jié)點(diǎn)可以查看匹配該模型的IED數(shù)目。

圖10 裝置設(shè)備列表Fig.10 Device list

3.3 虛實(shí)回路設(shè)計(jì)

IED設(shè)備匹配了對(duì)應(yīng)的物理模型文件，通過(guò)配置工具解析物理模型文件信息，在可視化的物理模型中配置IED間的光纖連接。設(shè)備的模型文件中包含了ICD文件，利用配置工具解析、展示ICD文件信息，通過(guò)拖放操作關(guān)聯(lián)裝置的內(nèi)部信號(hào)和外部信號(hào)，完成虛回路配置。配置完成后可在同一副圖中展示IED的虛回路、實(shí)回路信息，如圖12所示，黃色粗線表示光纖，細(xì)線表示兩設(shè)備間的虛端子連接，點(diǎn)擊某一虛端子連接可查看其對(duì)應(yīng)的實(shí)回路，如圖13所示。

圖11 以模型文件為中心匹配IED設(shè)備Fig.11 Match the IED device with the model file as the center

圖12 虛實(shí)回路圖Fig.12 Virtual loop diagram

圖13 某一虛回路對(duì)應(yīng)的實(shí)回路圖Fig.13 The real circuit diagram corresponding to a virtual loop

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了智能變電站二次回路可視化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)建模手段，將裝置的物理模型和信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可通過(guò)裝置間的虛回路自動(dòng)匹配實(shí)回路信息，能自動(dòng)識(shí)別配置錯(cuò)誤等問(wèn)題。由于光纖中包含了虛回路信息，可視化配置的過(guò)程中，虛實(shí)回路自動(dòng)匹配，可以大大簡(jiǎn)化配置工作，縮短配置流程。通過(guò)配置的光纖連接信息可以自動(dòng)生成相應(yīng)的工程配置文檔，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的附加工作量，縮短設(shè)計(jì)周期。同時(shí)通過(guò)虛回路在實(shí)回路中的映射，可以較直觀反映信息在物理鏈路中的流向，方便設(shè)計(jì)人員的錯(cuò)誤排查。該方案還實(shí)現(xiàn)了實(shí)回路與虛回路的綜合設(shè)計(jì)，可以大大提高智能變電站設(shè)計(jì)人員的工作效率和結(jié)果文件的可用率，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用及智能變電站高級(jí)應(yīng)用有積極的意義。

（References）

[1]篤峻,葉翔,王長(zhǎng)瑞,等.智能變電站設(shè)計(jì)配置一體化功能規(guī)范研究及工具開發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(20):85-89.DU Jun,YE Xiang,WANG Zhangrei,et al.Research and tool development of integrated functional specification for intelligent substation design[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38(20):85-89.

[2]張曼，陳典麗.智能變電站改擴(kuò)建二次實(shí)施方法的探討[J].湖北電力,2016,40(2):43-47.ZHANG Man,CHEN Dianli.Research on methods of secondary circuit connections in intelligent substation expansion[J].Hubei Electric Power,2016,40(2):43-47.

[3]高磊,石慧,楊毅,等.智能變電站配置描述文件管控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(12):3328-3332.GAO Lie,SHI Hui,YANG Yi,et al.The research and implementation of the control system of the substation configuration[J].Power System Technology,2014,38(12):3328-3332.

[4]莊先濤.智能變電站虛端子設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)[D].成都：西南交通大學(xué),2015.ZHUANG Xiantao.Research and development of key technology for virtual terminal design of intelligent substation [D].Chengdu:SouthwestJiaotong University,2015.

[5]劉蔚,杜麗艷,楊慶偉.智能變電站虛回路可視化方案研究與應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2014，30(10):32-37.LIU Wei,DU Liyan,YANG Qingwei.Research and application of smart substation virtual circuit visualization[J].Power System and Clean Energy,2014,30(10):32-37.

[6]劉濤,王壽星,黃興,等.智能變電站虛擬二次回路可視化分析[J].科技與企業(yè),2015(15):191-193.LIU Tao,WANG Shouxing,Hang Xing,et al.Visual analysisofvirtualsecondaryloop ofintelligent substation[J].Technology and Enterprises,2015(15):191-193.

[7]王冬霞,紀(jì)陵,檀庭方,等.智能變電站二次虛回路運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華電技術(shù),2016,38(8):19-24.WANG Dongxia,JI Ling,TAN Tingfang,et al.The design and implementation of the secondary virtual circuit running maintenance management system of intelligent substation[J].Huadian Technology,2016,38(8):19-24.

[8]苗新軍,王鋒,魏勇,等.智能變電站技術(shù)應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015(4):89-90.MIAO Xingjun,WANG Feng,WEI Yong,et al.Research on the application of intelligent substation technology[J].Digital Technology and Application,2015(4):89-90.

[9]高磊,楊毅,蘇麟,等.智能變電站二次系統(tǒng)物理回路建模方法及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,44(24):130-139.GAO Lie,YANG Yi,SU Ling,et al.The modeling method and design of the secondary system physical circuit of intelligent substation[J].Power System Protection and Control,2016,44(24):130-139.

[10]馬凱,黃曙,侯艾君,等.智能變電站二次系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)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.Intelligent substation secondary system design intelligent auxiliaryschemestudy[J].GuangdongElectric Power,2014,27(3):40-43.

[11]修黎明,高湛軍,黃德斌,等.智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(22):124-128.XIU Liming,GAO Zhanjun,HUANG Debing,et al.Design method of secondary system of intelligent substation[J].Power System Protection and Control,2012,40(22):124-128.