智能变电站虚回路可视化方案研究与应用

刘蔚，杜丽艳，杨庆伟

（1. 国网冀北电力有限公司，北京 100081；2. 长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057）

智能变电站以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，采用三层两网的架构体系，变电站的过程层以网络通信方式替代大量的二次回路电缆，常规变电站的二次硬回路转变为智能变电站的二次虚回路。这种转变方式表现为原来以电缆传输单一信号构成的纯电路结构，变成以光缆传输多路信号，再也无法从外部的物理连线分析整个回路[1]。常规变电站的工作思路基于电气回路归档展开[2]，但智能变电站中由于缺乏可视化工具，原来可以“看见、摸到”的回路信息，智能变电站的二次虚回路配置信息“看不见、摸不着”，影响了继电保护安全措施实施。

针对虚回路无法可视化的问题，文献[1]利用“黑盒测试原理”，尝试分别从静态检测和动态检测验证虚回路配置的正确性，静态检测从SCD文件中导出虚回路配置信息，然后验证关联逻辑是否满足变电站设计的要求；动态检测从网络通信做通信工况、报文分析和模拟收发检测，根据SCD中配置的信息，验证设备的通信行为是否满足IEC 61850标准和工程设计需求。文献[3]简单介绍了一种可视化的思路。文献[4-9]依次从各个角度分析了SCD文件的结构层次，并提出详尽的解析方法。文献[10-12]提出了虚回路图的设计方法。

本文在已有技术的基础上，认真分析了SCD文件的结构和虚回路的表示方法，提出了一种智能变电站虚回路可视化方案，能够自动输出单装置虚端子图、装置虚回路图、装置逻辑链路图、网络结构图，方便智能变电站的设计人员、运行维护人员查看。

1 SCD文件研究

SCD（Substation Config Description，智能变电站配置描述文件）描述了智能变电站的一二次设备配置、通信配置，是智能变电站运行的重要数据来源，它包含了全站的IED设备、通信参数、参数集、各类控制块、CF及描述（DC）属性值等，还包含了IED虚端子关联配置等[12]。它由5个主要元素构成，分别是Header、Substation、Communication、IED、DataType Template。其中Header描述文件的基本信息，重点描述了文件历史版本和修订信息；Substation是变电站功能描述，包含电压等级、间隔、电力设备、拓扑点等信息；Communication描述了智能变电站的通讯参数，MMS、GOOSE、SV等通信参数；IED为变电站智能电子设备描述，它又包含Services、name、type、AccessPoint等结点元素，name在SCD范围内唯一，里面的配置信息有装置的访问点、服务器、逻辑设备、虚端子配置等信息；DataTypeTemplate描述了SCD文件中使用的数据类型模板。

图1 SCD文件结构Fig. 1 The structure of the SCD file

2 可视化方案设计

2.1 装置过程层虚端子信息

装置过程层虚端子信息主要有GOOSE、SV。装置虚端子输出信息是配置于数据集，数据集名字为dsGOOSE和dsSV的虚端子信息。装置GOOSE 输入虚端子模型为包含“GOIN”关键字前缀的数据对象。装置SV 输入虚端子模型为包含“SVIN”关键字前缀数据对象。GOOSE的虚端子信息按照“LD/PrefixLN.DO.DA”的顺序拼装。SV的虚端子信息按照“LD/PrefixLN.DO”的顺序拼装[13]。

2.2 软压板信息展示

根据规范装置的跳闸逻辑结点开出虚端子宜配置出口软压板。出口软压板配置规则为：逻辑结点为PTRC，DO分别为Tr、StrBF、BlkRecST的虚端子都应绘制软压板进行示意。Tr为经保护出口软压板后的跳闸出口信号，StrBF为启动失灵，BlkRecST为闭锁重合信号[13]。

2.3 通信参数信息

通过获取装置的网络通信参数信息和装置间的虚端子关联关系，可以展现装置间的通讯逻辑链路关系。站控层网络通信参数需要获取的内容有a.装置IEDName，b.装置IP地址，c.装置子网掩码。过程层网络需要获取的网络参数信息有a.装置IEDName，b.组播MAC地址，c.APPID，d.配置网络的访问点，e.控制块名字（GOOSE网络为gocb，SV网络为svcb），f.VlanID。

如GOOSE网络实际获取的信息展示：

IEDName:CL2201

apName:G1

cbName:gocb0

AppID:10A0

VLAN-ID:002

MAC-Address:01-0C-CD-01-00-A0

2.4 单装置虚端子图

单装置虚端子图中描述了单个装置的所有过程层的开入开出虚端子信息。展示的虚端子内容包括输入序号（Inxxx）/输出序号（Outxxx）、虚端子中文描述、虚端子地址、压板信号标识，如图2所示。中间矩形放置装置，直接显示装置名，左边显示装置的开入虚端子，右边显示装置的开出虚端子。

图2 单装置虚端子图Fig. 2 Virtual terminal diagram of the single device

2.5 装置虚回路图

装置虚回路图显示装置与其他装置之间所有的虚回路连接关系。虚回路信息展示在图上面的包括输入输出（通过箭头标识）、虚回路连接中文描述、压板图形标识。智能变电站每台装置都有一张装置虚回路图。中间矩形显示装置名，从矩形的底边起，依次显示和装置虚端子有关联的装置，如图3所示。

2.6 装置逻辑链路图

装置逻辑链路图展示单装置与其他装置之间的网络通讯参数，具体信息包括MAC地址、APPID、GOCB。对于本装置，用蓝色线表示输入，用黑色线表示输出。显示效果图如图4所示。

2.7 网络结构图

图3 装置虚回路图Fig. 3 Device virtual circuit diagram

网络结构图描述某一网络类型中所有装置。本图参考变电站自动化结构图绘制，网络用一个线段表示，位于本网络的装置直接连线到网络线段上即可。设计效果图如图5所示。

图4 装置逻辑链路图Fig. 4 Device logical link diagram

图5 网络结构图Fig. 5 Net structure diagram

3 方案实现

3.1 软件架构

本文提出的可视化方案基于Qt4.6开发，可以跨平台运行于Linux、Windows之上，开发可视化工具。如图6所示，可视化工具方案包含四个模块：解析模块、SCD内存库模块、离线可视化模块、画图模块。该工具的输入是SCD文件，输出是单装置虚端子图、装置信号图、通信链路图、母线保护关联图、主变保护关联图、网络结构图。

图6 可视化工具系统架构图Fig. 6 System structure of the visual tool

3.2 流程实现

3.2.1 网络信息解析

网络信息从SCD文件中获取装置的网络配置信息。解析流程如下：

1）从根结点进入Communication元素，再转入Communication子元素SubNetwork，依次获取网络名称和网络类型。

2）若是MMS网络类型，获取装置IEDName、IP地址、子网掩码等。

3）若是GOOSE网络类型，获取装置IEDName、MAC组播地址、APPID、GOCB。GOCB是指获取GOCB的61850的变量名，即LD/LN$GOCB

4）若是SV网络类型，获取装置IEDName、MAC组播地址、APPID、SVCB。SVCB是指获取SVCB的61850的变量名，即LD/LN$SVCB。

3.2.2 装置虚端子信息解析

装置虚端子信息是指装置的开入开出虚端子信息，此类信息可以根据标准[13]从SCD文件解析出来。该部分解析出来的信息主要用于绘制单装置虚端子图。解析流程如下：

1）从根结点进入IED元素，获取IEDName、IEDDesc。

2）从IED元素进入子元素AccessPoint，Access Point的属性值name若为S开头，表示该访问点属于站控层访问点，不解析；若为G开头，表示访问点为GOOSE访问点，转入第3步；若为M开头，表示访问点为SV访问点，转入第4步。

3）处理GOOSE访问点，由AccessPoint元素转入子元素LDevice，获取LDevice的inst属性值。再进入LDevice的子元素LLN0，LLN0子元素DataSet，再解析DataSet子元素FCDA，按“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”依次拼装组合装置的虚端子开出路径变量名，该条开出虚端子的中文描述需要定位到LN结点的子元素DO，再定位DO到的子元素DA的Desc属性值处获取，其中LN、DO、DA的值即是虚端子变量名路径“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”的取值，若在LN结点下面找不到LN、DO、DA的值为路径“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”的中值，说明IED结点配置有错误，错误原因是在LLN0中描述了存在开出信息，但在LN中查不到。

再进入LDevice的子元素LN，依次判断LN的prefix的属性是否为GOIN。若prefix的属性是GOIN，表示该条信息是装置的GOOSE开入信息。每个LN又包含多个DO子元素，每个DO又包含多个DA，对于DO，需要依次解析，对于DA，一般仅用到stVal、q、t这3项，其他不需要解析。按“LD/prfixLNclass.DO.DA”组成虚端子开入路径变量名，虚端子中文描述取DA的描述。

4）处理SV访问，由AccessPoint元素转入子元素LDevice，获取LDevice的inst属性值。再进入LDevice的子元素LLN0，LLN0子元素DataSet，再解析DataSet子元素FCD，按“LD/lnprfixLNclass.DO”依次拼装组合装置的虚端子开出路径变量名，该条开出虚端子的中文描述需要定位到LN结点的子元素DO的Desc属性值处获取，其中LN、DO的值即是虚端子变量名路径“LD/lnprfixLNclass.DO”的取值，若在LN结点下面找不到LN、DO、DA的值等于“LD/lnprfixLNclass.DO.DA”的中值，说明IED结点配置有错误，错误原因为在LLN0中描述了存在开出信息，但在LN中查不到。

再进入LDevice的子元素LN，依次判断LN的prefix的属性是否为SVIN。若prefix的属性是SVIN，表示该条信息是装置的SV开入信息。每个LN又包含多个DO子元素，对于DO需要依次解析。按“LD/prfixLNclass.DO”组成虚端子开入路径，虚端子中文描述取DO的描述。

3.2.3 装置虚端子关联信息解析

装置虚端子关联信息是指装置与装置间的虚端子开入开出对应关系，如合并单元发送采样值给保护装置，合并单元就会有到保护装置的虚端子开出信息，用于发送采样值，保护装置有接收采样值的虚端子开入信息。本部分解析的信息主要用于绘制装置信号图。解析流程如下：

1）从根结点进入IED元素，获取IEDName、IEDDesc。

2）从IED元素，进入子元素AccessPoint，根据标准AccessPoint的属性值name若为S开头，表示访问点属于站控层访问点，不解析；若为G开头，表示访问点为GOOSE访问点，需要解析；若为M开头，表示访问点为SV访问点，需要解析。

3）处理GOOSE访问点，由AccessPoint元素转入子元素LDevice，获取LDevice的inst属性值。再进入LDevice的子元素LLN0，LLN0子元素Inputs，再解析Inputs子元素ExtRef，一般情况下ExtRef有intAddr、iedName、ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName等属性，其中daName通常只在GOOSE信息中存在。intAddr描述的是和外装置关联的本装置内部虚端子变量名路径。ExtRef属性描述的信息是intAddr的内部虚端子信息和iedName、ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName关联在一起。

4）校验intAddr的值本IED中的LN中是否存在，iedName、ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName的值是否存在。不存在则表示配置有问题。

3.3 内存数据库

为快速解析SCD文件，并绘制相应图纸，本工具采用体型小巧而功能强大文件数据库Sqlite3构建内存数据库，通过参数rc=sqlite3_open（":memory:"，&db）；打开数据库，其他操作和常规操作数据库方式一致。重点数据库表结构装置虚端子信息表GseModel、虚端子关联关系表inputs、网络配置表netConfig设计如表1、表2、表3所示。

3.4 画图实现

画图模块用于绘制本文第2节设计的图纸。绘制单装置虚端子图直接从表GseModel获取装置的开入开出信息，再结合虚端子的61850变量名，判断是否需要绘制软压板。绘制装置信息号图需要根据装置间的虚端子关联表inputs表内容绘制。绘制装置逻辑链路图首先根据inputs表获取装置间的关联关系，然后根据关联关系中的虚端子所属cbName，在netConfig查找该装置的cbName所配的网络参数信息，从而绘制装置逻辑链路图。绘制网络结构图直接根据netConfig判断装置属于哪个网络，从而直接绘制。

表1 装置虚端子信息表GseModel Tab. 1 Virtual terminal table of the single device: GseModel

表2 虚端子关联关系表inputsTab. 2 Virtual terminal association Table：inputs

表3 网络配置表netConfigTab. 3 Network configuration Table: netConfig

4 结语

本文所提出的虚回路可视化方案弥补了由于缺乏工具而导致SCD文件中虚回路“看不见，摸不到”的缺陷。本文从实际出发，着力解决虚回路可视化问题，通过本文所提出的方案，实现了以下功能：①查看装置所有的虚端子信息；②查看和装置有虚端子联系的虚回路图；③查看装置间具有通讯参数的逻辑通信链路图。从而达到了以下目标：方便智能变电站的调试，提高智能变电站运维水平。

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