基于Web架构的智能变电站SCD图形化研究及应用

2017-03-14王鹏举吴兴林卢盛阳孙谋成

东北电力技术 2017年12期

王鹏举，钱海，吴兴林，卢盛阳，孙谋成

(1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006;3.国网本溪供电公司，辽宁本溪 117000)

随着智能变电站的推广应用，以智能站工程配置文件SCD为核心的智能变电站数字化资料管控系统得到了越来越多的应用，以实现智能变电站在设计、调试、验收和运维等环节对于SCD等资料的修改跟踪以及版本控制，确保SCD的配置信息始终与二次系统中各个装置的实际功能保持一致，确保智能变电站的设计、施工调试以及运维等工作高效有序地进行。

智能变电站的核心标准是IEC61850(国内为DL/T860)。由于IEC61850标准主要以网络通信与软件技术对智能变电站二次系统进行规范，尤其是采用软件的面向对象技术对二次系统的功能进行建模[1]，并基于XML语言定义了一整套针对二次系统功能配置的SCL(变电站配置语言)。对于二次装置即IED、智能变电站的一次结构(二次功能设计的依据)、二次系统都规定了相关的功能和信息模型。并规定了一整套的工程配置过程，最终整个二次系统的功能配置均表现为基于SCL的SCD文件，即所谓的变电站配置描述文件。由于SCD文件在工程上的引入，使得原有的设计院图纸里的相当一部分内容(主要是装置间信号连接)以SCL文件的方式表达出来。因此，将这些用SCL语言描述的配置文件按照电力人员传统的认知模式在管控系统的Web页面上进行直观清晰地呈现，是管控系统的关键功能。

因此，本文主要探讨如何基于SCL文件，主要是SCD文件的工程配置信息以及智能变电站二次资料管控系统中其他的信息来合理地采用图形化的方式，以用户熟悉的方式呈现给用户。文章主要从管控系统的图形化需求分析入手，进而对每种图形化需求应该具有的具体的图形化方案进行分析，并基于Web软件技术的特点及SVG图形规范给出了软件实现策略，最后基于应用案例验证了其实用性和有效性。

1 智能变电站管控系统的图形化概述

智能变电站管控系统的图形化需求除了以基于SCL语言的配置文件按照业务解析的图形化之外，还应包括在智能变电站全过程管控系统中的变电站及一、二次系统的关联、多个站之间的关联、比对、综合统计等图形化需求[2]。

对于管控系统的图形化功能，必须考虑智能变电站全周期各个阶段相关人员的使用需求，并能够依据用户角色的不同自动调整显示形式以及信息的广度和深度。

1.1 基于SCL语言配置文件的图形化需求

SCL语言是IEC61850标准所规定的智能变电站二次系统功能配置描述语言，以XML格式表达二次系统的通信，装置功能以及装置间的信息交互配置。基于SCL的配置文件主要有4类，包括描述智能变电站一、二次设备关联的SSD文件，描述单个装置功能模板的ICD文件，描述智能站工程二次系统配置的SCD文件，以及描述智能站工程中特定装置的CID文件。在IEC61850第2版中还增加了SED文件和IID文件，但目前尚未得到应用[3]。另外，目前国内工程中也尚未使用SSD文件，因此，这里主要探讨ICD、SCD以及CID几种文件的图形化需求。

实际上，这几种文件的内容均有着共同的结构框架，并且相互之间有着明确的关联关系。SCD文件由智能变电站所有IED的ICD文件按照二次系统的通信及信息交互要求配置形成，然后再由SCD文件分解出各个IED所需的CID配置文件。因此，对于这几种文件的图形化要求可以统一进行考虑。

对于智能变电站全过程管控系统，基于SCL语言配置文件的图形化需求主要有如下几方面。

a. SCD中不同装置间的虚端子连接关系的图形化。这是配置文件图形化功能的核心业务需求，虚端子连接直接表达了整个二次系统中不同装置间的“虚回路”，以对应传统变电站物理上的电气回路，让相关电力人员在软件页面上直观地浏览装置间的功能依赖关系。

b. ICD或CID文件中的虚端子信息。即展示一个装置中所提供的所有虚端子，包括已经连接的以及尚未使用的虚端子。

c. SCD文件中基于信息通信的逻辑网络配置，从而可以展示装置间的通信连接关系。

1.2 综合分析与统计功能的图形化需求

由于智能变电站二次资料管控系统管理着一个较大区域(至少是市级电力公司)所有智能变电站的SCD等资料，因此，针对多个智能变电站的工程过程中的各方面信息进行分析与统计，从而能够对工程进行总结以及评估，为后续的工程实施提供有借鉴意义的改进措施。这方面的图形化需要结合SCL文件的基础信息提取和必要的系统辅助信息[4],其需求主要如下。

a. 智能变电站IED所属关系图。主要是根据系统中已有的智能站、所属单位、IED以及供货商等几类信息的关联关系，从而可以全面了解该区域内的装置基本情况。

b. 智能变电站一次设备与IED对应关系的图形化。主要是展示一次设备的接线结构及其对应的IED配置。本部分正常应该由SSD文件导出[5]，但由于工程中并未应用SSD，因此采用系统自定义的辅助一次设备信息来完成图形化。

2 基于Web的智能站业务信息图形化技术的研究

前面分析了智能变电站二次资料管控系统对于业务功能图形化的主要需求。为了基于Web技术来实现这些功能，需要进一步分析这些图形化需求的具体要求和特点，从而为软件层面的实现提供指导。

2.1 图形化类别分析

按照上述的图形化需求分析结果，首先需要对所有的图形化展示形式进行必要的分析。不同的图形化展示形式所需要的软件实现技术和图形化表现策略都会有差异。

依据前面所探讨的图形化需求，其分类如表1所示。

表1 图形化需求及展示方式

由表1可知，为了能够直观有效地展示智能变电站管控所需要的图形化信息，需要依据用户的关注点和信息的自身特点来对图形展示方法进行考虑。为此设计了至少5种图形展示类别，每一种类别会根据不同角色的用户使用特点来提供必要的灵活性，即需要根据用户的使用偏好来呈现相应的信息[6]。

2.2 图形化效果设计

前面根据各种图形化需求的特点，给出了图形表达的基本类别。对不同图形类别的具体UI效果做进一步详细分析，才能真正为基于Web的软件实现提供可以参考的依据。下面分别对各个类别进行设计。

2.2.1 虚端子及虚回路图

虚端子的概念是国内针对传统的端子排硬接线电气回路的一种比照叫法，目的是让电力专业人员仍然可以以原来的认知习惯来开展工作。因此，其表现形式主要是模仿传统变电站图纸中的端子及端子排图的形式，并能够反应出基于IEC61850通信的必要标识信息。

虚端子包括GOOSE虚端子和SV虚端子2大类[7]。虚回路则主要表达不同装置间基于GOOSE或SV的虚端子连接而构成的信号关联回路，是跨装置的。一个IED往往有大量的虚端子和多个虚回路，因此，必须考虑在有限的展示空间里如何清晰有效地将这些信息中必要的部分展示给用户。按照这样的思路，需要分层次设计图形界面，即提供粗略的IED连接关系和详细的虚端子连接关系。大体效果如图1—图2所示。

图1 关联IED连接图

图2 虚端子连接图

如图1所示为关联IED连接图的效果示意图，该图主要显示的是IED间的虚回路连接关系，用于表达某个IED通过哪种类型的虚端子连接与其他IED相关联，整个图像布局是选中的IED居中，关联IED分居中心IED的两侧，连线表示有数据连接关系，箭头表示数据的接收或发送方向。图2为虚端子连接图，该图主要显示IED之间的虚端子详细连接。图2中的连线与IED关联图的连线意义相同。当用户浏览一个SCD时，如果需要查看虚端子连接，则首先给出IED关联关系图，了解某个IED与其它IED的基本关联情况。如果需要进一步了解与某个IED之间的具体虚端子连接时，可以通过点击二者之间的连线而进入详细的虚端子连接图[8]。另外，还应结合智能站二次资料管控系统的其他功能需求，如校验、比对等功能，能够在图形中展示校验后的虚端子配置错误，或2个不同版本SCD文件中虚端子的修改情况。

2.2.2 逻辑网络拓扑图

通信关系图是从SCD文件中能够解析的另一类重要信息。主要是体现智能站二次系统中所有的IED是如何通过MMS、GOOSE以及SV逻辑网络连接在一起的，表达的是一种基于通信的逻辑上的信息通信关系。按照IEC61850标准的规定，以逻辑子网(SubNetwork)来表达不同通信的逻辑网络，用访问点(AccessPoint)作为子网和IED之间对接的节点。

由于一个智能变电站中的IED数量较多，而Web页面的显示空间有限，为了能够直观全面地反映通信关系图，通信关系图应采用类似网络拓扑图或Chord图，分别表达基本的网络连接信息以及详细的IED与子网的连接关系。

2.2.3 IED所属关系图

基于智能变电站二次资料管控系统所管辖的多个SCD文件可以解析出变电站、供货商、IED型号以及数量等基础信息。用图形表达出这些信息的关联统计关系，对于掌握某个电力单位的所有智能变电站二次装置的基本情况具有重要意义。

IED所属关系图需要表达系统中所管理的所有智能站、IED型号、IED类别、IED供货商之间的对应和关联关系，并提供相应的数量统计，从而可以为使用者提供清晰明了的统计信息展示。

2.2.4 一、二次设备关联图

智能变电站的一次设备是基础框架，所有的二次装置都是为一次设备服务的，因此，所有的IED配置也是根据一次设备的需求设计的。因此，在智能变电站二次资料全周期管控系统中提供一、二次设备关联图是一个基本的需求，便于使用者掌握一个变电站整体的设备配置和功能基础。

由于智能变电站在功能原理上并没有变化，一次设备方面没有变化，因此，一、二次设备关联关系与传统站没有大的差异，只要采用最常用的树形结构来表达就可以了。但是这里需要考虑未来的标准化问题，即未来工程中引入SSD文件后的兼容性问题，需要对构成一、二次设备关联树形图的信息定义进行必要的考虑[9]。主要是在目前一次结构的层次和命名上尽可能与SSD上的规则相同，并预留相应的SSD模型元素的扩展接口。

基于以上考虑，树形结构应包括变电站、电压等级、间隔、一次设备、对应的IED，层次依次加深，从而表达出清晰的从属关系。

3 图形化的实现及工程应用

3.1 基于Web的图形化实现策略

为了能够提供较好的用户体验，把比较复杂的图形快速清晰地展示给用户，需要在浏览器的客户端实现对图形的构建以及渲染，只是从服务端获取必要的后台基础业务信息，因此，采用JavaScript脚本语言来构建基于Web浏览器的图形。另外还应考虑图形的可缩放性以及易配置性，所以应采用SVG(可缩放矢量图形)。

SVG图形技术采用XML(可扩展置标语言)来描述二维矢量图，是互联网的一个通用图形规范，大多数浏览器均可以支持将SVG描画为矢量图。由于采用基于结构化文本的模型描述形式，SVG文件可以很容易在不同的软件系统和异构的数据库中进行共享，从而有利于对图形建模的标准化以及提高可复用性。因此在电力系统中也把SVG作为图形画面的一个建模规范，用于描述电力图形元素的SVG语言被称为G语言。

基于以上方案，由数据到用户界面图形化基本分为3个层次，即数据是最底层，中间层为SVG模型，最上层即用户可见的图形画面层。可见要想将基于SVG的文本模型解析并描画到页面上，需要选用合适的软件技术。考虑到兼容性以及用户的视觉体验要求，引用数据可视化库“D3”来完成数据操作，D3是以JS编写的插件，其技术基础是SVG，通过使用HTML5、SVG、CSS3来给要展示的数据注入生命，以各种简单易懂的绚丽图形展示给用户。那么整个流程就是在浏览器端通过JavaScript程序获取服务器上的业务信息，并按照图形化的需求，调用D3的接口，将必要的信息传递给D3，最终由D3将这些信息在浏览器里进行图形化展示[10]。

3.2 工程案例

上述图形化实现策略在智能变电站二次系统全过程管控系统中得到了有效应用。该系统目前已经上线使用，并已经实现了对28座智能变电站的管控工作。通过实现清晰直观的图形化展示功能，为系统使用者的工作带来了很大便利，提高了工程的效率。

图3展示了某220 kV智能变电站1个合并单元的虚端子连接，包括GOOSE及SV 2类。并且在图中还同时展示了当前版本与上一版本的虚端子差异，其中红色表示当前版本删除了一些虚端子。图4采用Chord图的形式直观地展示了智能变电站的子网以及每个子网对应的装置名称。图中的每个节点(装置及子网)均可以点选，从而更为明确了解特定的从属关系。图5是全省的IED、对应的智能站以及供货商的所属关系图。其中IED既隶属于变电站，又隶属于供货商，从而清晰展示了三者之间的关联及从属关系，并在关联线上有实际应用IED的数量。作为一种统计类的图形展示可以很方便了解IED的总体概况。图6展示了某220 kV智能变电站的一、二次设备关联图，从图6中可以清晰了解各个一次间隔或设备下所配置的二次设备。