基于XML的智能變電站二次電回路建模與解析方法

石 慧，翁惠廉，王永升，王浩宇，李 巖，張克聲

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電分公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州浩辰電力設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002;3.武漢映瑞電力科技有限公司，湖北 武漢 430074；4.貴州理工學(xué)院人工智能與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

傳統(tǒng)變電站到數(shù)字化的智能變電站的轉(zhuǎn)型過程中，采用了大量光纖替代二次回路電纜，將二次硬回路轉(zhuǎn)變?yōu)槎翁摶芈穂1]。然而，智能組件到機(jī)構(gòu)開關(guān)之間的二次電回路仍采用物理電纜方式連接，缺乏相關(guān)的模型語(yǔ)言加以描述，而只能采用常規(guī)的CAD圖紙來展示，缺乏相應(yīng)的二次電回路數(shù)字化建模和解析方法[2]。這會(huì)導(dǎo)致二次電纜回路信息不可視化和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際回路與原理圖內(nèi)容不符等問題，從而嚴(yán)重影響運(yùn)維人員的判斷，極大地降低其工作效率和故障排查的準(zhǔn)確率[1,3]。

本文通過可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML(Extensible Markup Language)定義變電站二次電回路中的裝置、元器件、端子、節(jié)點(diǎn)和電纜等模型格式；對(duì)每一個(gè)電回路指定一個(gè)電源節(jié)點(diǎn)為起始點(diǎn)，確定每一副節(jié)點(diǎn)的所屬類型(包括開入、開出、模入和電源)，生成XML格式的二次電回路模型文件；對(duì)模型文件中各電源節(jié)點(diǎn)間連接的回路進(jìn)行解析檢索，記錄下每條電回路的相關(guān)信息，最終生成二次電回路信息的可視化展示圖，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次電回路的數(shù)字化XML建模和解析工作。

1 二次電回路XML模型定義

XML具有顯示和數(shù)據(jù)分開，利于結(jié)構(gòu)化的描述信息，嚴(yán)格的語(yǔ)法要求，以及優(yōu)越的可讀性和維護(hù)性等特點(diǎn)[4]。本文借鑒光纖物理回路模型(SPCD)思路[5-6]，采用XML格式定義SPCD中屏柜、裝置模型的屬性，并增加了電回路的對(duì)象模型，包括各類元器件、端子、節(jié)點(diǎn)、屏內(nèi)接線和短連片、屏間電纜。

a.元器件模型。定義為SPCD文件中的單元UNIT元素，智能電子設(shè)備名字iedName為空，在class類型屬性中增加“TERMS-端子排”、“Enable-壓板”、“AirSwitch-空開”、“Light-指示燈”、“Button-按鈕”、“TransferSwitch-轉(zhuǎn)換開關(guān)”、“Power-電源”等表示電回路中的元器件設(shè)備；對(duì)于不區(qū)分板卡的元器件，其板卡Board元素的插槽slot編號(hào)元素始終為“1”，對(duì)于端子排，其Board元素用于描述端子排中的每一個(gè)端子段。

b.端子模型。電回路中都是采用端子連接，端子模型均定義為SPCD中的端口PORT元素，其方向direction屬性為“RT-收發(fā)”，接口類型plug屬性為“無”特殊類型。

c.節(jié)點(diǎn)模型。在SPCD文件的Board元素下新增節(jié)點(diǎn)PNode子元素用于標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)，定義的節(jié)點(diǎn)類型包括開入節(jié)點(diǎn)、開出節(jié)點(diǎn)、模入節(jié)點(diǎn)、電源節(jié)點(diǎn)，并加入設(shè)備描述文本desc和標(biāo)注節(jié)點(diǎn)端口的名稱。

d.屏內(nèi)接線和短連片模型。電回路連接中使用的屏內(nèi)接線和短連片定義為SPCD文件中的柜內(nèi)線芯IntCore元素，在跳線類型type屬性中增加“DTX-電跳線”和“TLP-短連片”。

e.屏間電纜模型。電回路連接中使用的屏間電纜定義為SPCD文件中的電纜Cable和線纜線芯Core元素，在Cable元素的type物理線纜類型屬性中增加“DL-電纜”，Core元素中的portA和portB屬性所引用的端口均為各類元器件模型下描述的端子模型。

2 二次電回路建模

通過定義的節(jié)點(diǎn)類型完成整條二次電回路建模。節(jié)點(diǎn)由2個(gè)端子構(gòu)成，包括開入、開出、模入和電源節(jié)點(diǎn)，在建模過程中將裝置、各類元器件中的節(jié)點(diǎn)或端子通過電纜連接，形成一個(gè)完整的回路，并給每個(gè)回路接入唯一的1副電源節(jié)點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 二次電回路建模流程

a.建立屏柜和裝置模型。根據(jù)SPCD建模規(guī)范對(duì)變電站內(nèi)的屏柜和裝置進(jìn)行建模，建立屏柜和裝置模型，包括名稱、型號(hào)等屬性。

b.建立元器件模型。根據(jù)屏柜內(nèi)配置的元器件，建立元器件模型，包含屏柜端子排、空開、壓板、電源、指示燈、傳感器和轉(zhuǎn)換開關(guān)等，模型中包括名稱、型號(hào)等屬性。

c.建立端子模型。根據(jù)裝置和元器件的端子數(shù)量，建立端子模型，對(duì)于區(qū)分板卡的裝置和元器件，首先建立對(duì)應(yīng)的板卡信息，如電源、開入、開出、采樣、端子段等板卡，對(duì)于不區(qū)分板卡的元器件，默認(rèn)建立1塊板卡，之后在板卡上建立端子模型，包括端子名稱和序號(hào)等屬性。

d.建立節(jié)點(diǎn)模型。根據(jù)端子內(nèi)部連接關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)，當(dāng)2個(gè)端子間存在內(nèi)部回路或繼電器能夠使其斷開或閉合時(shí)，將這2個(gè)端子定義為1副節(jié)點(diǎn)，當(dāng)多個(gè)端子需要與同一個(gè)公共端間定義為節(jié)點(diǎn)時(shí)，則在模型中創(chuàng)建多個(gè)節(jié)點(diǎn)信息。

e.建立電回路模型。選擇一個(gè)起點(diǎn)端的電源節(jié)點(diǎn)(如：互感器接線盒中的電流或電壓類型的電源節(jié)點(diǎn))，從選擇電源節(jié)點(diǎn)的正極端子開始，依次連接整個(gè)電回路需要經(jīng)過的端子;根據(jù)2個(gè)端子間使用的電纜類型，分別創(chuàng)建屏內(nèi)接線和短連片、屏間電纜及其纖芯，使用屏內(nèi)接線、短連片或電纜纖芯連接兩側(cè)的端子；當(dāng)連接到一側(cè)端子為1副節(jié)點(diǎn)中的端子時(shí)，選擇該副節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)端子繼續(xù)該電回路中剩余的連接建模;當(dāng)連接到的端子為起點(diǎn)端電源節(jié)點(diǎn)中的負(fù)極端子時(shí)，則完成了整條電回路的建模;當(dāng)1副電源節(jié)點(diǎn)間的電回路中存在多條路徑時(shí)，則重復(fù)之前的操作，直至所有電回路的相應(yīng)模型建立完成。

當(dāng)各子模型建立完畢后，存為XML文件格式，從而完成整個(gè)二次電回路的建模工作。

3 二次電回路解析

一條完整的二次電回路的解析過程是以每一副電源節(jié)點(diǎn)為回路的起點(diǎn)和終點(diǎn)，即從電源正極開始依次識(shí)別和記錄連接的各個(gè)端子信息，直至到電源負(fù)極端子結(jié)束。

a.解析電氣連接信息。解析變電站電回路模型文件，遍歷出其中所有的屏柜，依次選擇每一個(gè)屏柜，按屏柜解析電氣連接信息，根據(jù)每根屏內(nèi)接線和短連片、或屏間電纜及其纖芯，記錄屏內(nèi)接線和短連片以及屏柜電纜纖芯兩側(cè)的端子信息。

b.解析屏柜端子及節(jié)點(diǎn)信息。依次選擇每一個(gè)屏柜，遍歷選中屏柜內(nèi)的所有端子，記錄其名稱，遍歷屏柜內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)信息，記錄每副節(jié)點(diǎn)的類型以及節(jié)點(diǎn)中的2個(gè)端子名稱。

c.解析電回路信息。依次選擇每一個(gè)屏柜，若屏柜內(nèi)存在電源節(jié)點(diǎn)，則從該節(jié)點(diǎn)的正極端子開始搜索，在電氣連接信息中搜索出與該正極端子連接的對(duì)側(cè)端子信息，若對(duì)側(cè)端子不屬于任何節(jié)點(diǎn)，用對(duì)側(cè)端子名稱在電氣連接信息中搜索與之連接的下一級(jí)對(duì)側(cè)端子；若對(duì)側(cè)端子屬于節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息，獲取節(jié)點(diǎn)中跟另一個(gè)端子的名稱，用另一端子名稱在電氣連接信息中搜索與之連接的下一級(jí)對(duì)側(cè)端子；當(dāng)在電氣連接信息中搜索到的對(duì)側(cè)端子是起點(diǎn)電源節(jié)點(diǎn)中的負(fù)極端子時(shí)，該條電回路搜索結(jié)束；記錄該電回路所經(jīng)過的所有端子、節(jié)點(diǎn)、屏內(nèi)接線和短連片、屏柜電纜纖芯的名稱信息，完成電回路搜索。

d.完成解析。當(dāng)所有屏柜中的電源節(jié)點(diǎn)都完成了電回路搜索，并記錄下每一條電回路經(jīng)過的所有端子、節(jié)點(diǎn)、屏內(nèi)接線和短連片、屏柜電纜纖芯的名稱信息后，即完成了整個(gè)變電站電回路模型的解析。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

利用本文二次電回路建模與解析方法，開發(fā)了能融合二次物理回路SPCD的建模設(shè)計(jì)軟件，并在揚(yáng)州110 kV氾水變電站進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。

首先，進(jìn)行設(shè)備建模，建立相應(yīng)的小室、屏柜、設(shè)備、板卡和端子信息，根據(jù)設(shè)計(jì)需求將元器件節(jié)點(diǎn)相互連接，建立電回路的XML模型文件，定義了揚(yáng)州110 kV氾水變110 kV GIS室線路智能控制柜內(nèi)，從端子排1QD1-4端子，連接至線路合智一體X11板卡的A-B端子，以及線路保測(cè)一體X3板卡的A-B端子的二次電回路模型。該模型節(jié)點(diǎn)層級(jí)包括：變電站Substation節(jié)點(diǎn)，描述工程信息，含有名稱name和描述desc屬性；小室Region節(jié)點(diǎn)，描述站內(nèi)包含的小室與場(chǎng)地信息，含有名稱name、描述desc和戶外場(chǎng)地area屬性；屏柜Cubicle節(jié)點(diǎn)，描述屏柜信息，含有名稱name和描述desc屬性；設(shè)備Unit節(jié)點(diǎn)，描述柜內(nèi)設(shè)備信息，含有名稱name、描述desc、廠家manufacture、類型class和型號(hào)type等屬性；板卡Board節(jié)點(diǎn)，描述設(shè)備的板卡信息，含有板卡號(hào)slot、型號(hào)type和描述desc屬性；端口Port節(jié)點(diǎn)，描述端口信息，含有端口序號(hào)no、描述desc、方向direction和接口類型plug屬性；屏柜內(nèi)線芯IntCore節(jié)點(diǎn)，描述柜內(nèi)線芯連接信息，含有名稱name、線芯型號(hào)type和兩側(cè)端口portA、portB屬性。

建立的XML模型部分示例如下：在Substation節(jié)點(diǎn)描述“揚(yáng)州110 kV氾水變”()；在Region節(jié)點(diǎn)描述“GIS室”()；在Cubicle節(jié)點(diǎn)里描述“110 kV GIS室線路智能控制柜”()；柜內(nèi)的Unit節(jié)點(diǎn)定義了端子排類型()；在Board節(jié)點(diǎn)下定義1QD端子排板卡()；在Port節(jié)點(diǎn)下描述1QD1-4端子()；在IntCore節(jié)點(diǎn)中描述該端子連接至線路合智一體X11板卡的A-B端子，以及線路保測(cè)一體X3板卡的A-B端子的二次電回路()。

其次，對(duì)建立的模型文件中所有的電源節(jié)點(diǎn)間連接的回路進(jìn)行解析檢索，按屏柜展示端子排信息，以及端子排間的電纜線芯連接關(guān)系，開始依次識(shí)別和記錄下連接電回路中各個(gè)端子信息，進(jìn)而生成如圖2所示的可視化二次電回路信息。

圖2 解析后生成的可視化二次電回路信息

在以往變電站運(yùn)檢維護(hù)中，工作人員是通過電力設(shè)計(jì)院CAD繪制后打印出的紙質(zhì)藍(lán)圖查找二次電回路相關(guān)信息。這導(dǎo)致工作人員需要查閱大量分散且煩瑣的紙質(zhì)圖紙，并通過端子排圖與實(shí)際接線進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，才能確認(rèn)相關(guān)信息而進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)維工作。這種高度依賴運(yùn)維人員專業(yè)知識(shí)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的工作方式，不僅效率低下，而且當(dāng)二次電回路拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜時(shí)，極易造成二次電回路的漏檢和錯(cuò)檢，而導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行事故。在揚(yáng)州110 kV氾水變實(shí)際應(yīng)用中，利用模型可視化軟件，避免翻閱紙質(zhì)圖紙的煩瑣過程，且經(jīng)過二次電回路軟件自動(dòng)解析而確保錄入二次電回路信息的準(zhǔn)確性；運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)可通過可視化軟件迅速查找到所需的回路信息，將查詢時(shí)間從至少分鐘級(jí)縮短至秒級(jí)，同時(shí)還保證查詢結(jié)果的正確性，也降低了對(duì)運(yùn)維人員專業(yè)知識(shí)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的要求。另外，在建模過程中還可根據(jù)實(shí)用需求，對(duì)元器件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接和修改，從而修訂現(xiàn)場(chǎng)CAD藍(lán)圖由于節(jié)點(diǎn)過多而導(dǎo)致的人為繪圖錯(cuò)誤，進(jìn)一步保證了變電站二次電回路信息的準(zhǔn)確性。本文經(jīng)解析后所建立的可視化二次電回路模型可與二次物理模型SPCD文件相互對(duì)應(yīng)和融合，即在設(shè)計(jì)軟件中可生成SPCD文件，也可生成描述電回路的XML文件模型，完成了二次電纜回路信息模型與物理模型的關(guān)聯(lián)，為智能變電站的智能診斷與智能運(yùn)維奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前智能變電站二次電回路只能通過CAD圖紙的方式表達(dá)，無法與物理回路模型相互匹配的問題，提出了一種基于XML格式的二次電回路建模與解析的方法。對(duì)電回路中的裝置、元器件、端子、節(jié)點(diǎn)和電纜等定義了XML格式的描述模型；通過定義的節(jié)點(diǎn)類型完成了屏柜和裝置模型、元器件、端子、節(jié)點(diǎn)，直至整條電回路模型的建立；從1副電源節(jié)點(diǎn)的正極開始依次識(shí)別和記錄連接的各個(gè)端子信息，到電源負(fù)極端子結(jié)束而完成整條電回路的解析檢索，最終生成可視化的二次電回路完整信息。從而解決了智能變電站二次電回路拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜，無法清晰建模表達(dá)和難于用軟件解析的問題，完善了變電站二次回路的模型體系。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可有效解決現(xiàn)場(chǎng)二次電纜回路與CAD圖紙不一致、無法有效查閱二次回路信息和無法有效可視化展示等問題，提高了智能變電站二次電回路運(yùn)維信息的準(zhǔn)確性和數(shù)字化表達(dá)，從而促進(jìn)了智能變電站信息化技術(shù)的發(fā)展。