智能變電站二次系統(tǒng)傳動過程的高可視化

本文提出一種基于圖形化表達的智能變電站二次系統(tǒng)傳動過程的高可視化分析方法。通過對智能站SCD配置文件進行解析，提取出圖形化動態(tài)展示所需要的模型信息（比如IED描述信息、SMV、GOOSE、MMS的DA信息等），并所提取的信息按報文對象（GOOSE、SMV、MMS）進行分類、存儲與建立索引；結合變電站的動態(tài)數據，如SMV錄波數據、GOOSE動作及MMS報告事件等有用信息，借助Java2D技術，將模型與數據相結合的信息用圖形化的方式生成按時間順序的漸進時序圖，從而可以完整展示與還原復雜二次事件的傳動過程，有利于直觀分析站內二次系統(tǒng)聯動和故障辨識與定位。

【關鍵詞】智能變電站 IEC61850 二次系統(tǒng) 傳動分析 圖形化表達

1 引言

1.1 行業(yè)背景

采用IEC61850作為核心技術的智能變電站的引入帶來很多技術上的變革，簡化了變電站的部署與調試，提高了二次系統(tǒng)的可靠性，為各種智能化電子設備的引用提供了信息共享的基礎，使不同廠家二次設備間的互通及互操作變的更加容易。同時信息的數字化、網絡化給系統(tǒng)維護和分析提出了一些新的課題。

隨著智能變電站信息的網絡化及信令化，傳統(tǒng)的連接端子變的看不見、摸不著。因為二次回路的虛擬化，由二次裝置及網絡設備故障引起的異常情況，變電站運行維護人員難以進行定位排查；現有的報文記錄類產品和方案缺乏將站內事件發(fā)生過程中各IED設備間信息交互過程用可視化方式展現的手段，從而給具有傳統(tǒng)變電站運維背景的技術人員帶來理解、操作、故障分析定位等方面的難度，不利于對故障的快速診斷定位，也就無法保證變電站的安全穩(wěn)定運行。

針對上面提到的變電站運行IED設備事件交互表達方式不夠直觀的問題，尋求一種對變電站報文進行捕獲、篩選、存儲及關聯分析，并最終通過動態(tài)漸進的圖形方式表達出來的技術研究，就顯得極為迫切。

1.2 技術背景

IEC61850是國際電工委員會TC57工作組針對解決變電站自動化系統(tǒng)面臨的互操作性問題最新制定的《變電站通信網絡和系統(tǒng)》系列標準。該標準得到國內外大部分主流廠家的支持，成為全球在電力系統(tǒng)變電站自動化領域統(tǒng)一的信息交互標準。

采用IEC61850通信標準的智能變電站，智能設備之間的交互報文通常有三種：

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）報文，也即通用的面向對象的變電站事件報文。主要是用來發(fā)送設備狀態(tài)及狀態(tài)變化信息，狀態(tài)變化稱之為事件。

SMV（Sampled Measured Value）報文，也即采樣測量值報文。主要用來傳遞傳感采集到的電流電壓等電氣量采樣信息。

GOOSE報文和SMV報文是基于數據鏈路層傳輸，一般采用多播的方式傳播。報文發(fā)送快速穩(wěn)定。除了這兩種之外，還有MMS報文。

MMS （Manufacturing Message Specification） 是由國際標準化組織ISO制定的一套用于開發(fā)和維護工業(yè)自動化系統(tǒng)的國際標準報文規(guī)范。MMS規(guī)范了工業(yè)領域具有通信能力的智能傳感器、智能電子設備、智能控制設備的通信行為，使出自不同廠商的設備之間具有互操作性，使系統(tǒng)集成變得簡單、方便。IEC61850標準采用MMS規(guī)范，通過對真實設備及其功能進行建模的方法，實現網絡環(huán)境下計算機應用程序或智能電子設備IED （Intelligent Electronic Device） 之間數據和監(jiān)控信息的實時交換。MMS廣泛用于遙控設備，設備自身狀態(tài)及采集到的非電氣量信息。

隨著智能變電站的逐漸推廣和應用，IEC61850通訊被廣泛應用于變電站自動化系統(tǒng)中。系統(tǒng)中裝置交互方式發(fā)生改變，裝置之間的關聯通過網絡化的報文交換來建立，而非通過過去的繁雜的物理連線來建立。這一方面簡化了系統(tǒng)接線， 增加了系統(tǒng)的靈活性與互操作性；但另一方面給二次系統(tǒng)調測帶來了新的挑戰(zhàn)。

1.3 二次系統(tǒng)傳動分析圖形化表達的定義

所謂站內二次系統(tǒng)的傳動分析，是指能夠按照時序展示和追蹤相互關聯的IED之間的報文、事件和告警，包含SMV信息、保護跳閘、斷路器失靈等動作事件等，通過在測試中對整個事件交互過程進行逐步跟蹤與分析，不管是在哪個環(huán)節(jié)產生異常，用戶都能夠方便的進行定位與判據。事件跟蹤的結果可以以模板的形式保存，后期進行同樣的實驗時，可以對兩次實驗結果進行直觀的比較。

例如從合并單元加模擬量，條件滿足的情況下開關沒有正常動作，目前我們能夠想到的最通用的方法，是逐步檢查合并單元的輸出量是否正常、保護輸出的信號是否正常、智能終端接收的信號是否正常，而傳動分析功能是將事件全部關聯提取出來并進行基于時序的邏輯展示，如果保護裝置的入、出口信息正常，那么我們可以判定保護沒有問題，直接從智能終端設備端再進行判別。

2 理論與實踐依據

2.1 研究的技術依據

（1）將要圖形化展示的信息模型在變電站配置描述文件（SCD）中已有準確描述。通過對SCD配置文件進行解析，可以提取出成圖所需要的DA信息。

（2）智能站的二次回路是以標準的（光或電）以太網的組網方式來實現的，站內測量、保護及遙控等業(yè)務是依據符合IEC61850標準的信息模型，以規(guī)范的報文形式，通過以太網在不同IED 間的信息交換來完成的。

（3）對于變電站內信息的采集，有效信息的提取及存儲，可以以現有的軟硬件技術手段來實現。

（4）如何快速將采集到的有效信息進行解析，提取出諸如IED設備名稱、事件詳細信息、相關聯的IED設備、發(fā)生的先后順序以及采用何種技術通過圖形化的方式進行呈現，是問題研究的關鍵所在。

（5）Java 2D提供了實現復雜圖形化的機制，這些機制同Java平臺的GUI體系結構很好地集成在一起。它將藝術線條、文本和圖像囊括在一個綜合模型中，同時也提供了一套進行精確顏色空間定義和轉換的類，以及豐富的圖像符號。使用Java 2D功能調用，可以方便的構造基于圖和網格的數據結構，應用經典算法（如聚類、最短路徑，最大流量等），實現用戶自己的算法以及圖形化地表達數據信息。本研究通過Java 2D技術，對變電站內的所要描述的信息進行高可視化的展示。

2.2 基于Java 2D 技術的成圖功能

本文采用Java2D技術作為具體實現手段，概要功能如下：

（1）根據信息模型進行圖形化的展示。對相關信息隊列中每個結果所涉及的IED，將其作為圖元引入圖中，可按IED類型進行不同形式的渲染，渲染的內容主要包括IED圖元形狀、顏色及IED裝置在站內的實例化名稱，如所涉及的IED或者DA未在SCD中定義，則展示為未知IED及未知DA。一條虛連接關系，在圖中對應一條有向連線，用連線來代表設備間的邏輯連接，方向代表報文發(fā)送方向，圖中序號表示事件的發(fā)生時序關系，并在邊上渲染出事件的編號及事件類型。在IED的漸進引入中，使用自動布局算法，使得圖形得到最優(yōu)化的展示效果。

（2）可定制的動態(tài)圖的回放。站內二次事件的發(fā)生是毫秒級別的實時序列，實際事件在瞬間完成。需要通過一定的技術手段，實現對于實時數據的實用化回放，如支持多種展示方式（按事件類型、涉及的IED等）、調整回放間隔、手動漸進回放等。通過手動設置成圖方式，可以從事件類型或者涉及的IED等多個方面對成圖順序進行辨識；調整成圖間隔時間，則可以調整動態(tài)成圖中兩條信息之間的間隔，方便不同閱讀速度人員的不同要求；手動漸進成圖則采用回播的方式，對前期采集存儲的數據進行依次播放，這種方法可以方便站內人員掌握成圖速率，在查詢故障也驗證回路的過程中有著很高的應用價值。

（3）對每一條結果，均可通過點擊有向連線來查看其交互詳情。通過點擊線段，可以把與該條信息相關的IED裝置單獨放大展示，詳盡的表述該條報文所包含的信息，IED裝置可以展示到DA級別。

3 系統(tǒng)實現

本文所述方法的實現流程如圖1所示。

3.1 解析SCD文件

根據IEC61850所定義的SCL語法規(guī)范，使用Java JAXB 函數庫進行SCD解析，解析的內容包括IED、數據集、Inputs、DO、DA，各種描述信息等。為圖形化展示時提取需要的模型基礎。

3.2 對解析的SCD信息進行分類、存儲并建立索引

將解析出的IED、SMV、GOOSE和MMS等信息進行分類并保存到系統(tǒng)內部數據庫MySQL各個表中，并對各表建立數據庫索引。

3.3 接入變電站動態(tài)數據

根據需要，實時監(jiān)測并記錄某一時間段的變電站網絡報文。針對當前接收的報文信息，基于IEC61850標準，根據選擇的條件，對該段報文進行解析、過濾與分析，從海量數據中把關聯的SMV事件數據、 GOOSE動作及MMS報告事件等信息提取出來，包括事件類型、事件發(fā)生的時間、事件的DA信息、事件的詳細描述信息、事件內所有的參與裝置的IEDname等基本描述信息。

同時，將捕獲內容進行預處理，依據事件發(fā)生的時間先后順序，存入“結果隊列”中，以備后期的動態(tài)成圖使用。

3.4 圖形化表達

根據“結果隊列”中的數據，按時間順序，以動態(tài)圖的方式，依次回放，同時將所涉及的IED漸進引入。采用Java2D實現圖示化的功能。主要圖形化表達方式有報文列表模式、對話模式以及可視化圖形模式，列表模式強調信息的完整性，對話模式強調信息的交互性，圖形模式強調信息的圖形化。這三種模式從不同的角度直觀的展示事件發(fā)生的整個過程，對故障分析及業(yè)務回路驗證等運行維護工作提供強有力的技術支持。

3.4.1 列表模式

如圖2所示，列表模式則是以列表的形式將事件發(fā)生的過程按照時間先后順序進行了詳細記錄。每一條信息都對應展示發(fā)送端設備、時間內容、接收端設備以及事件發(fā)生的時間。列表形式將事件發(fā)生的過程原原本本的展示出來，易于瀏覽和查看報文詳情。

3.4.2 對話模式

如圖3所示，對話方式對事件發(fā)生的整個過程采用類似“微信”對話的方式進行展示，通過交互問答的方式，直觀的展示事件發(fā)生的時間、事件詳情、接收和發(fā)送設備。展示方式更易于理解事件的交互過程。

3.4.3可視化圖形模式

如圖4所示，可視化圖形模式可以直觀的展示與此次事件相關的所有參與交互的IED裝置，并且能夠方便的查看事件的發(fā)生順序和信息流動方向。

4 本文解決的主要問題

本文提出了一種將智能變電站二次系統(tǒng)傳動過程進行可視化表征的技術方法，通過對發(fā)生事件的記錄和圖形化展示，為二次系統(tǒng)復雜交互過程的分析提供了有效的手段。

該方法將智能變電站一段時間內發(fā)生的事件，通過IED信息交互的方式漸進的以圖形化的形式展現，并且提供可選的不同展現方式，便利了用戶對傳動過程進行不同角度的研究。

基于該方法所構建的設備和方案已在山西省網公司下屬的多處智能變電站應用，有效的幫助解決了一批二次系統(tǒng)故障排查和定位的問題。相關工作統(tǒng)計數據表明這種方法對站內二次系統(tǒng)運維效率有30% ～ 40%的提高。

5 結語

本文提供了一種基于圖形化表達的智能變電站二次系統(tǒng)傳動過程的分析方法，通過對SCD配置文件的解析，提取出在圖形化展示時需要的相關模型信息，并將其針對數據對象進行分類、存儲并建立索引。同時對接入的變電站海量實時報文數據進行有效甄選，并結合已獲取的數據對象模型，將變電站事件信息用IED間動態(tài)交互的形式圖形化的表達出來，表達方式按時序進行排序。這種方法直觀的顯示了各IED之間的交互情況及交互的順序，包括這個事件發(fā)生的先后順序，事件內容的描述，事件的類型，事件交互的方向等，對于一段時間內發(fā)生的相關事件有一個高可視化的直觀動態(tài)展示。

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作者簡介

李劍（1976-），男，山西省太原市人。1998年畢業(yè)于太原電力高等?？茖W校供用電技術專業(yè)，工程師。

閆李濱（1994-），男，山東省濱州市人。2014畢業(yè)于山東理工大學電氣工程及自動化專業(yè)，本科在讀學生。

張燦勇（1981-），男，山東省泰安市人。2005年畢業(yè)于山東大學計算機科學與技術專業(yè)，工程師。

陳云志（1978-），男，湖北省黃岡市人。2003年畢業(yè)于大連理工大學信息與計算科學專業(yè)，工程師。

作者單位

1.國家電網山西省電力公司太原分公司繼電保護所 山西省太原市 030012

2.山東理工大學 山東省淄博市 255049

3.山東網聰信息科技有限公司 山東省濟南市 250101