智能變電站虛擬二次回路SCD文件比對技術(shù)

張煥青,江 淵,吳 迪,陳 理,張 曼,付 裕,王志高,李 挺

(1.國家電網(wǎng)湖北省電力有限公司 檢修公司,武漢 430050;2.國家電網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力調(diào)度控制中心,武漢 430050;3.國家電網(wǎng)湖北省電力有限公司 設(shè)備管理部,武漢 430050)

0 引 言

傳統(tǒng)的SCD配置文件可視化工具[1-2],通過孤立裝置信號圖、孤立裝置邏輯圖譜、孤立裝置虛端子圖圖形化顯示SCD配置信息。雖然可以在一定程度上解析SCD配置文件有用信息,但依舊存在各種問題,如信息顯示不夠直觀、光纖回路信息不完備、GUI界面不符合人機交互基本原理等[3],仍未達到運維檢修人員對SCD配置文件的需求水平。因此,針對傳統(tǒng)SCD可視化工具的缺點與用戶需求[4],本文設(shè)計了一種SCD文件可視化比對系統(tǒng)。

1 SCD可視化對比技術(shù)

1.1 智能變電站回路的配置

智能變電站的完備二次回路模型由物理回路和邏輯回路組成[5]。在設(shè)備的制造階段和系統(tǒng)集成階段分別對物理回路與邏輯回路配置,然后通過解耦操作完成配置[6]。物理配置的具體流程如下:

1)IPCD文件配置。在設(shè)備制造階段,將設(shè)備板卡信息、端口信息等,使用IPCD配置程序錄入IPCD文件,且時刻保證配置文件信息與系統(tǒng)物理硬件一致。

2)IPCD文件再加工。使用SPCD配置程序,繼承SPCD文件,以涵蓋全站物理信息。

3)系統(tǒng)集成。將相物理端口標簽、裝置標識標簽及其映射關(guān)系錄入SCD配置文件[7]與SPCD配置文件。后續(xù)操作中,可以使用在SCD配置文檔內(nèi)檢索邏輯回路;在SPCD配置文檔內(nèi)檢索物理回路,從而獲得2類回路的虛實映射關(guān)系。

智能變電站的關(guān)鍵信息絕大多數(shù)被封裝在SCD和SPCD配置文檔中[8]。換言之,SCD和SPCD配置文件實現(xiàn)了將常規(guī)變電站二次電纜回路向智能變電站二次虛回路轉(zhuǎn)換的突破。在缺少有力的SCD可視化系統(tǒng)時,運維檢修人員將難以獲取SCD配置文件隱藏信息,導(dǎo)致工作難以進行。

1.2 可視化對比技術(shù)框架

為了實現(xiàn)對SCD系統(tǒng)中設(shè)備網(wǎng)絡(luò)之間的虛端子聯(lián)系的全方位展示,本次使用圖形化互動設(shè)計。在使用宏觀圖直觀顯示IED與發(fā)送接收設(shè)備之間的聯(lián)系基礎(chǔ)上,設(shè)計了本地IED與某個特定發(fā)送接收設(shè)備間的虛連接、局部IED的全部輸入或輸出虛連接子圖[9],如圖1所示。從不同的觀測角度顯示出某設(shè)備虛連接的細節(jié)情況。與圖形化宏觀圖互動,可以在不同設(shè)備的宏觀圖與子圖間無縫切換。

圖1 SCD虛端子圖形化系統(tǒng)Fig.1 SCD virtual terminal graphic system

1.3 IED網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系模型

將某個IED視為本地IED中心,使用宏觀圖展示本地IED與各個節(jié)點的虛連接關(guān)系網(wǎng)[10]。將本地IED的外圍設(shè)備分為接收設(shè)備與發(fā)送設(shè)備,在宏觀圖兩側(cè)顯示。

宏觀圖的內(nèi)部,IED分為IED模塊、LD模塊、發(fā)送控制模塊、接收LD模塊等圖元。參考圖元嵌套和疊加顯示方法,使用QGraphicsRectItem圖形程序與QGraphicsTextItem圖形程序,構(gòu)建一個從下至上的IED單元,并建立各單元之間的宏連接。由發(fā)送控制模塊指向本地IED的LD接收模塊。宏連接帶有虛連接個數(shù)標簽。發(fā)送設(shè)備中,若收到本地IED的虛端子[11]信息,則自動增加接收模塊,顯示接收虛端子信息。

1.4 圖形化子系統(tǒng)

本次設(shè)計的發(fā)送端LD控制模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)與本地IED某宏連接的虛連接交流信息,控制模塊包括:發(fā)送端、LD模塊、發(fā)送控制模塊、LD接收模塊、輸入輸出虛端子屬性與其接收端、LD接收模塊與引用設(shè)計描述。IEC 61850 2.0位增加了虛連接的Desc屬性,用于儲存虛連接的各項屬性信息,并在終端顯示。圖形化子系統(tǒng)如圖2所示,其搭建流程如下:首先搭建2個分別表示發(fā)送接收的IED模塊,嵌入LD模塊、控制模塊,控制模塊中添加控制塊名、數(shù)據(jù)集特征與關(guān)聯(lián)信息的標簽;添加虛端子模塊,添加輸出虛端子屬性與引用;在輸入與輸出之間建立虛連接,并添加虛連接設(shè)計屬性[12]。

圖2 圖形化子系統(tǒng)Fig.2 Graphical subsystem

考慮到現(xiàn)場檢修人員的工作特點,本次使用3種不同的方法標記虛端子:

1)只顯示已關(guān)聯(lián)輸入虛端子;

2)分類顯示發(fā)送端子關(guān)聯(lián)與未關(guān)聯(lián)的輸出端;

3)分類顯示接收端子關(guān)聯(lián)與未關(guān)聯(lián)的輸入端。

1.5 圖形化虛端子與信息顯示控制設(shè)計

在2個IED間全部虛連接子圖中,顯示2個IED間宏連接對應(yīng)的每組虛連接細節(jié)。由于考慮到發(fā)送端與本地IED會通過多個LD模塊產(chǎn)生虛連接,故設(shè)計雙向顯示2個IED間的虛連接細節(jié)。將本地IED的全部輸入虛端子圖像化,可以使用戶查閱輸出虛端子與發(fā)送設(shè)備間的信息。在某IED全部輸入虛端子圖中,除了顯示輸入虛端子的描述與引用,還著重標記了發(fā)送源。同理,在某IED全部輸出虛端子圖中,除了顯示輸出虛端子描述與引用,還著重標記了接收源[13]。

從屬于SCD的LD模塊內(nèi)嵌多個GSEControl控制模塊,在宏觀圖中選中IED的控制塊,其詳細信息包括:IED簡介、訪問節(jié)點、邏輯終端、APPID(Application Identity,應(yīng)用編號)、goID(控制塊編號)、數(shù)據(jù)集屬性、IP與MAC地址。

在多個IED間、宏觀圖與子圖間使用圖形化操作,實現(xiàn)高效切換。在宏觀圖中,選中宏連接指向箭頭,自動切換至2個IED間虛連接子圖,查看所有虛連接信息;選中某IED與本地IED間的任意水平區(qū)域,可切換至2個IED間的任意虛連接子圖;選中IED模塊的任意一點,可以清空當(dāng)前IED宏觀圖,畫出相應(yīng)IED的宏觀圖,并定位其在IED樹中的位置。在全局IED樹中,通過高級檢索功能添加查找標簽,可以高效定位某IED,并顯示宏觀圖和從屬控制塊信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高效SCD讀取技術(shù)

基于xml的SCD文件,語言結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。本次使用DOM(docimentobjectmodel,文檔對象模型)獲取SCD信息。為了實現(xiàn)SCD的快速讀取,僅讀取SCD文件各IED點與下層及節(jié)點、虛端子屬性,忽略了DataTemple等內(nèi)容。

為了顯示虛連接中虛端子的描述,即讀取屬性intAddr。在本地IED對應(yīng)的LN中,在具有標簽“GOIN”、標記為“GGIO”的InClass的本地LN中查找需要的虛端子及其屬性。

通過上述搭建IED的List鏈表發(fā)送終端信息、接收終端信息,詳細說明如下:

1)規(guī)定本地IED。本地IED的外圍設(shè)備分為2種,一種是發(fā)送終端,用于向本地IED發(fā)送相關(guān)虛端子信息;另一種是接收終端,從本地IED獲取相關(guān)虛端子信息。

2)解析選定IED的某LD只能以LN0子節(jié)點Inputs的形式,遍歷虛連接[14]。每個虛連接包含輸入與輸出虛端子、設(shè)計細節(jié)信息,用于表征2個IED間的輸入與輸出關(guān)系。將上述信息融合進LD虛連接List鏈表。

3)搭建本地IED的List鏈表信息,包括發(fā)送終端List鏈表、接收終端List鏈表。

2.2 宏連接網(wǎng)絡(luò)的搭建

為表示接收終端下,某LD獲取的信息來自于某設(shè)備的一組同源邏輯虛回路[15],本文提出了“宏連接”的概念。宏連接由發(fā)送終端、接收LD與虛連接方向個數(shù)信息組成。發(fā)送源的組成情形較為復(fù)雜,主要包括3類:

1)發(fā)送終端CL2203從發(fā)送設(shè)備IL2203A(智能終端)發(fā)送LD的2個控制塊:gocb1與gocb0接收1組虛端子,其中g(shù)ocb0與gocb1用于保護GOOSE(面向通用對象變電站事件);

2)同一接收單元LD(GOLD)接收來自ML2203A(220 kV合并單元)和發(fā)送LD(PI)的2組虛端子;

3)某終端的多個接收LD可以獲取到多個發(fā)送LD控制模塊輸出的虛端子信息。由于各組虛端子不同,故需指明IED的發(fā)送控制模塊。同樣,接收終端的發(fā)送控制模塊可將輸出虛端子信息回饋給發(fā)送模塊,從而實現(xiàn)兩終端間的對向溝通。

2.3 虛端子排序分組問題

為了解決虛連接讀取查閱混亂問題,本次對虛連接的虛端子使用排序分組算法進行處理,如下所示:遍歷IED所有虛連接,篩選所有發(fā)送IED;尋找發(fā)送IED與本地IED間的所有虛連接并歸類;將對類的虛連接按輸出虛端子升序排列;在GUI界面中,從上至下排列顯示所有發(fā)送IED與其輸出虛端子。

3 實驗與分析

操作系統(tǒng)選用Ubuntu,屏幕分辨率為3 648×2 734,系統(tǒng)核心處理器的主頻為3.4 GHz,硬件接口采用DSC,編碼器接口為ADEV。使用CAN數(shù)據(jù)總線,并采用高效節(jié)能的電源轉(zhuǎn)換器:工作電壓(220±15)V,工作電流穩(wěn)定在約750 mA。在操作系統(tǒng)中,使用Qt設(shè)計智能變電站SCD虛擬回路的可視化對比技術(shù)。

在實驗平臺中,EMF會根據(jù)IEC 61850-6中定義的XML模式自動生成模型的Java代碼表示,其還為SCD文件生成XML解析器,該解析器是為此模型量身定制的。SCD解析器的輸出是一個模型實例(Java對象的層次結(jié)構(gòu)),可以在軟件中查詢和操縱該實例。該種方法的優(yōu)勢是:1)自動生成類層次結(jié)構(gòu);2)自動創(chuàng)建對象并使用SCD文件中的數(shù)據(jù)填充;3)EMF完全自動化驗證文件的狀態(tài)。這樣就有效解決了手動創(chuàng)建IEC 61850-6中定義類層次結(jié)構(gòu)并編寫模型函數(shù)耗時較長的問題。此外,使用以模型為中心的工具可確保平臺更輕松地適應(yīng)SCD文件的改動。

3.1 性能實驗

從表1可以看出,隨著實驗的進行,本設(shè)計方案的性能也發(fā)生了顯著的變化。軟件運行1 h,CPU占用率較低,系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新率處理較快。隨著時間的進行,本軟件將占用更多的計算機資源。總體而言,由于SCD文件系統(tǒng)的龐大,對于計算機多線程處理問題的能力要求較高,故對CPU的占用率偏高。隨著時間增長,軟件的運行平穩(wěn)速度有所下降,未影響檢修人員的日常操作。

表1 軟件運行速率Table 1 Software operation rate

3.2 方案可靠性驗證

在實際的物理系統(tǒng)中,基于SCD文件可視化系統(tǒng)對比技術(shù),驗證其有效性和可靠性,對3種智能變電站的SCD文件可視化對比系統(tǒng)做識別檢測實驗。針對斷路合并單元ML2203A、斷路器智能終端IL2203A、斷路器合并單元ML2203B為核心的3種不同智能變電站SCD網(wǎng)絡(luò),隨機選取未經(jīng)培訓(xùn)的6組變電站檢修人員,使用本軟件尋找故障元件或線路。

實驗結(jié)果表明,在沒有減少負載的情況下,總負載功率超過了可用的發(fā)電容量,且系統(tǒng)頻率迅速下降。根據(jù)電力系統(tǒng)的保護政策,系統(tǒng)會觸發(fā)電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備的低頻保護,并切斷所有負載的供電。

對比軟件可靠性驗證實驗結(jié)果數(shù)據(jù)(圖3),其中,ML2203A-1表示針對ML2203A所屬SCD網(wǎng)絡(luò)的第一次實驗?？梢钥闯?未經(jīng)訓(xùn)練的檢修人員使用本軟件,可以排查出大多數(shù)問題,識別正確率接近100%。而對于正常元件的誤識別率低于5%,這是由于人員對對比軟件操作的不熟悉而導(dǎo)致的。在今后的應(yīng)用中,除了加強對檢修人員的培訓(xùn)外,仍需優(yōu)化軟件的交互邏輯與容錯保障系統(tǒng)[16]設(shè)計。

圖3 對比軟件可靠性驗證實驗Fig.3 Comparison software reliability verification experiment

4 結(jié) 論

本文針對智能變電站的回路配置,設(shè)計基于可視化的SCD對比技術(shù)方案,實現(xiàn)了對SCD系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)間虛端子連接的全方位展示。在實驗中,本設(shè)計方案的有效性和可靠性也得到了驗證。在SCD設(shè)計方案日趨向交互邏輯優(yōu)化、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的情形下,方案穩(wěn)定性將是今后工作的重點。