直流換流站控制保護(hù)程序特征碼的算法設(shè)計(jì)

湯曉崢 劉海斌 施琳 喻春雷 宋金山

摘要：基于ViGET工具平臺(tái)上，完成的特高壓直流控制保護(hù)程序，保存并生成CFC文件，然后通過對(duì)CFC文件的導(dǎo)入，解析其中各個(gè)不同功能塊之間及變量與功能塊之間的連接關(guān)系。通過這種連接關(guān)系，構(gòu)建出實(shí)現(xiàn)整體邏輯功能的模型結(jié)構(gòu)，建立完全對(duì)應(yīng)于根據(jù)XML格式生成相應(yīng)的關(guān)系模式，并轉(zhuǎn)換為XML格式的存儲(chǔ)文件。構(gòu)建一條完整邏輯功能的數(shù)據(jù)鏈，并剔除掉與邏輯運(yùn)算無關(guān)的因素，然后合并形成包含特定信息的字符串，最后生成的特征碼作為控制和保護(hù)程序的唯一特征碼。該方法確保在工程現(xiàn)場(chǎng)下載到裝置中的控制保護(hù)程序準(zhǔn)確無誤。

關(guān)鍵詞：控制保護(hù)程序;特征碼;圖形化編程;邏輯關(guān)系;功能塊

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）29-0217-03

1 背景

對(duì)于特高壓工程換流站控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用程序，作為全站最核心的數(shù)據(jù)信息，描述了換流站系統(tǒng)中所有的控制保護(hù)功能，對(duì)特高壓直流工程的設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行、檢修具有十分重要的意義。雖然特高壓直流工程建設(shè)在不斷地加快，但仍然缺少可靠的整體調(diào)試方案和全面系統(tǒng)的安全控制手段提供支撐[1]。現(xiàn)有特高壓控制和保護(hù)程序的管理存在著很多的不規(guī)范，比如針對(duì)控制和保護(hù)可視化程序缺少可靠的程序升級(jí)修改后，一致性功能校核的手段。

對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)行的特高壓直流工程、柔性直流輸電保護(hù)工程，當(dāng)系統(tǒng)功能要求改進(jìn)時(shí)，需要進(jìn)行可視化頁面程序功能的修改。首先由開發(fā)人員在實(shí)驗(yàn)室修改部分程序，然后做完全部試驗(yàn)并驗(yàn)證功能正確后，再經(jīng)過專家審核評(píng)審，然后將修改過的程序頁面以及修改內(nèi)容發(fā)給換流站現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員在換流站現(xiàn)場(chǎng)工作站打開需要修改的程序頁面，按照修改的內(nèi)容，逐步進(jìn)行程序的修改，最近完成全部編譯并下載到系統(tǒng)裝置中[2]?，F(xiàn)場(chǎng)工作站是網(wǎng)絡(luò)物理隔離的，不允許外接移動(dòng)設(shè)備等操作，也不能直接復(fù)制廠家修改的程序文件進(jìn)行粘貼操作，這就出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室修改的程序和現(xiàn)場(chǎng)修改的程序是否修改完全一致的問題，所以迫切需要有一種可靠的校驗(yàn)手段，能夠在程序邏輯功能的層面實(shí)現(xiàn)可信的判據(jù)，既不會(huì)誤判，也不能漏判。

針對(duì)直流控制保護(hù)程序的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及一致性校驗(yàn)國(guó)外未見有相關(guān)的研究報(bào)告或文獻(xiàn)，也未有專門的檢測(cè)裝置或測(cè)試儀器。而當(dāng)前對(duì)程序的一致性分析對(duì)比研究主要內(nèi)容是在文本代碼或二進(jìn)制文件之間的差異方面，它們的本質(zhì)操作就是直接處理程序的存儲(chǔ)文件，將其轉(zhuǎn)換成一種更易于處理的表示形式，從而確定相似度和分析差異。對(duì)可視化頁面程序的差異分析尚未有涉及[3]。

故本文提出了一種控制保護(hù)程序校驗(yàn)碼算法，通過分析控制保護(hù)程序的邏輯內(nèi)容，通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算出校驗(yàn)碼，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)行程序一致性的快速判斷，校驗(yàn)內(nèi)容不僅能去除與邏輯運(yùn)算無關(guān)的屬性設(shè)置以及模塊位置差異的同時(shí)，又能有效比較出程序?qū)嵸|(zhì)邏輯功能發(fā)生的變化。通過本算法的應(yīng)用，從而提高程序的防誤校驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2 ViGET工具介紹

2.1 ViGET工具軟件整體結(jié)構(gòu)

ViGET軟件是一種采用IEC61131-3國(guó)標(biāo)的控制與保護(hù)程序可視化編程工具，IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范總體對(duì)公共元素和編程語言做出指導(dǎo)性的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)的程序模型采用多層次結(jié)構(gòu)表示，采用這種層次結(jié)構(gòu)可直觀看出基本元素與元素之間的相互聯(lián)系[41。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的程序?qū)哟文Ｐ腿鐖D1所示。

配置（裝置級(jí)）：位于程序模型的第1層，是頂層的語言元素;

資源（處理器）：位于程序模型的第2層，為程序的正常運(yùn)行提供支持的系統(tǒng)，每個(gè)配置內(nèi)可由數(shù)量不限的資源組成; 任務(wù)：位于程序模型的第3層，用于定義POU（程序組織單元）在程序執(zhí)行期間的特性，具有調(diào)用和分配能力，一個(gè)資源可由一個(gè)或多個(gè)任務(wù)所組成，任務(wù)分為兩種類型：周期任務(wù)和中斷任務(wù);

程序（應(yīng)用）：資源的程序執(zhí)行是由任務(wù)來控制并激活，然后按照所定義的順序來運(yùn)行。

2.2 CFC編輯器介紹

CFC編程語言是ViGET軟件中一種主要應(yīng)用語言。該編程語言主要用于工業(yè)系統(tǒng)中的過程控制中，而且其基本的圖形圖符是由三個(gè)部分所組成：函數(shù)功能塊、變量、連接線。它們通常用來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算功能。每個(gè)單獨(dú)的CFC應(yīng)用程序可作為一個(gè)完整的電氣電路圖，電氣中邏輯數(shù)據(jù)的連接用于描述在模塊之間信號(hào)流的傳輸路徑。路徑的方向是從左傳導(dǎo)到右，其中信號(hào)流在每一個(gè)函數(shù)功能塊變量之間的傳遞方向都是從某一個(gè)函數(shù)功能塊的輸出傳到另一個(gè)函數(shù)功能塊的輸入值。

3 特征碼算法設(shè)計(jì)

需要先在ViGET工具平臺(tái)上，完成特高壓直流控制保護(hù)程序的開發(fā)與編輯，保存并生成CFC文件，然后通過對(duì)CFC文件的提取分析與計(jì)算，最后生成針對(duì)該程序具有唯一性的特征碼。其主要功能是實(shí)現(xiàn)針對(duì)控制保護(hù)程序的智能校核，并判斷出不同程序之間是否一致。

首先需要導(dǎo)人控制與保護(hù)應(yīng)用程序（CFC文件），讀取包含控制與保護(hù)程序的文件內(nèi)容，然后解析其中所包含的函數(shù)功能塊、變量以及連線信息，形成邏輯功能數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈，建立各個(gè)不同功能塊之間及變量與功能塊之間的連接關(guān)系。通過這種連接關(guān)系，構(gòu)建出實(shí)現(xiàn)整體邏輯功能的模型結(jié)構(gòu)，建立完全對(duì)應(yīng)于根據(jù)XML格式生成相應(yīng)的關(guān)系模式，并轉(zhuǎn)換為XML格式的存儲(chǔ)文件。

基于控制保護(hù)邏輯功能塊與外部連接輸入和輸出調(diào)用關(guān)系，通過功能塊輸入的連接線回溯到相連接功能塊的輸出，排列所遍歷到的全部功能塊，構(gòu)建一條完整邏輯功能的數(shù)據(jù)鏈;添加每一個(gè)邏輯數(shù)據(jù)鏈中的功能塊屬性、功能塊管腳的初始值，從而得到所有功能塊調(diào)用邏輯運(yùn)算連接關(guān)系和相關(guān)屬性設(shè)置信息，并剔除掉與邏輯運(yùn)算無關(guān)的因素，然后合并形成包含特定要求數(shù)據(jù)信息的字符串[5];將得到的字符串通過特定算法處理后，最后生成的CRC作為控制和保護(hù)程序的唯一特征碼。技術(shù)方案如圖2所示。

3.1 CFC文件解析

首先讀取控制和保護(hù)程序文件內(nèi)容，解析所包含的模塊和變量信息，形成邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立各功能塊之間及各變量與功能塊之間的調(diào)用關(guān)系，然后綜合考慮，并構(gòu)建出一種邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，清晰表達(dá)了功能塊之間的邏輯關(guān)系，然后進(jìn)行一系列的處理運(yùn)算工作，對(duì)邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷。通過這種連接關(guān)系，構(gòu)建出實(shí)現(xiàn)整體邏輯功能的模型結(jié)構(gòu)，得出輸入同輸出變量之間的線性關(guān)系。提取并匯總當(dāng)前程序?qū)ν獾妮斎搿⑤敵龅娜窟B接關(guān)系，基于邏輯功能塊對(duì)外連接輸入輸出關(guān)系的分析，完成適應(yīng)唯一性功能校驗(yàn)的邏輯功能塊連接關(guān)系的排序;對(duì)外的輸入和輸出連接信息，變量按照名字的字母順序完成降序排列。然后建立符合根據(jù)XML模式生成對(duì)應(yīng)的關(guān)系模式，再根據(jù)生成的關(guān)系模式實(shí)現(xiàn)對(duì)XML的映射。格式如圖3所示。

3.2 剔除無效因子

剔除掉程序中所有與邏輯運(yùn)算無關(guān)的信息，包括模塊的位置坐標(biāo)信息、備注信息、創(chuàng)建修改時(shí)間、頁碼信息等。分析影響應(yīng)用程序邏輯的關(guān)鍵因子，模塊的執(zhí)行次序，模塊的屬性，模塊增減等均為影響程序行為邏輯的因子，剔除對(duì)應(yīng)用邏輯無影響的因子，在此基礎(chǔ)上根據(jù)有序數(shù)據(jù)鏈表生成排除了無影響因子的通用數(shù)據(jù)信息，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行特征分析和計(jì)算。影響校驗(yàn)結(jié)果的因素如表1所示，不影響校驗(yàn)結(jié)果的因素如表2所示。

3.3 計(jì)算特征碼

基于控制保護(hù)邏輯功能塊對(duì)外連接輸入輸出調(diào)用關(guān)系，構(gòu)建體現(xiàn)控制和保護(hù)程序可視化程序整體邏輯功能的模型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可視化程序中功能塊節(jié)點(diǎn)及其他連接關(guān)系同有向無環(huán)圖數(shù)據(jù)多層結(jié)構(gòu)之間的互相映射;基于有向無環(huán)圖的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑判蛩惴?，完成適應(yīng)唯一性程序校驗(yàn)的邏輯功能塊連接關(guān)系排序，形成表征邏輯功能塊連接關(guān)系的執(zhí)行順序表[6j。提取程序中輸出點(diǎn)為外部連接的功能塊，作為完整數(shù)據(jù)鏈的終點(diǎn)功能塊。依次對(duì)程序中每一個(gè)終點(diǎn)功能塊選擇廣度優(yōu)先的遍歷算法，通過功能塊輸入點(diǎn)的連接線找到連接到輸出點(diǎn)的功能塊，匯總所遍歷到的全部功能塊，形成該控制保護(hù)程序的完整數(shù)據(jù)鏈。

匯總每一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路徑中的功能塊屬性、功能塊管腳變量的初始值，能得到輸出變量的連接邏輯運(yùn)算表達(dá)式和相關(guān)屬性設(shè)置信息，合并形成包含全部特定數(shù)據(jù)信息的字符串。最后生成的CRC作為控制和保護(hù)程序的唯一特征碼。

分別導(dǎo)人程序A和程序B，如圖4和5所示。具體差異為：“刪除模塊ADD2—0001，增加模塊RTYO01，模塊ADD4_ 0002周期任務(wù)改為T2”。實(shí)現(xiàn)將比對(duì)結(jié)果另存為EXCEL文件中。

比對(duì)結(jié)果如圖6所示，第1、2、3頁面的邏輯功能完全一致，其中標(biāo)紅的第4頁為兩個(gè)CFC文件的特征碼不同，分別為“10283lb3”和“3aff49f9”，表明該頁碼內(nèi)容不一致，表明第4頁程序存在差異。

4 結(jié)束語

基于直流控制保護(hù)程序的控制邏輯模塊對(duì)外連接輸入輸出調(diào)用關(guān)系的分析，提出控保程序頁面的特征碼生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)程序頁面生成可信唯一特征碼的目的，可快速準(zhǔn)確地判斷修改前后兩個(gè)頁面的邏輯功能是否一致。可確保軟件修改和工程維護(hù)升級(jí)的正確性，可提升特高壓直流輸電工程的運(yùn)維能力和水平?；谔卣鞔a算法的工具軟件目前已經(jīng)在+800kV特高壓金華換流站中得到應(yīng)用，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，運(yùn)行效果良好，并且極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員的工作效率，確保可視化程序修改和工程維護(hù)的一致性、正確性。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

作者簡(jiǎn)介：湯曉崢（1976-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)。