智能变电站SCD文件解析结果存储方案研究及应用

钱 海，杨 飞，于同伟，卢盛阳，李丽群

(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.国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114007)

智能变电站SCD文件解析结果存储方案研究及应用

钱 海1，杨 飞1，于同伟2，卢盛阳2，李丽群3

(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.国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114007)

基于web管控系统中对智能变电站SCD文件的可视化展示需求，探究基于非关系型数据库的SCD文件解析结果存储方案，提出了以面向海量数据访问的面向文档的非关系型数据库为基础，将SCD解析结果以不同文件形式存储在数据库中，满足不同类型信息的可视化要求。文中给出了基于SVG、json等数据格式存储在MongoDB非关系型数据库的存储方案，并在国网辽宁省电力有限公司的管控平台中进行应用，满足用户SCD文件可视化高速浏览需求。

智能变电站；非关系数据库；SCD；可视化；存储方案

随着智能变电站的推广应用，以智能变电站工程配置文件SCD为核心的智能变电站二次系统的数字化资料管控系统得到越来越多的应用。管控系统的意义在于通过对智能变电站工程在设计、集成、调试、施工、验收和运维等环节对SCD等资料的修改跟踪及版本管理，实现SCD文件在智能变电站整个生命周期内的配置一致性，从而确保智能变电站工程的建设及运维等工作可以有序高效地进行[1]。由于管控系统兼顾智能变电站建设及运维等阶段，而具有面向多工程、多角色、多用户的属性，因此管控系统应建设为一个综合性的管控平台，包括资料管理、工程进度管理、工程统计分析、配置文件解析及可视化结果展示、配置文件比对等功能，这些功能可用于辅助用户进行分析和决策。

现阶段，SCD文件解析及解析结果的可视化展示功能已经作为各厂家标配的功能集中到厂家的配置工具中，SCD文件的解析规则主要遵照IEC61850规范，SCL语法解析上多采用libxml2开源库，因此在SCD文件解析效率上，各厂家的配置工具并无明显差异，主要差异集中在显示效果上[2]。管控系统作为web管控系统，通常采用B/S网络架构，因此SCD文件可视化功能的效率上主要取决于服务器端的数据库选择和数据存储方案。管控系统的配置文件可视化显示功能具有版本准确性高、复用性高等优点，可降低各建设单位之间的沟通成本，节约重复操作带来的时间开销，从而提高用户的工作效率。

数据库的选择和存储方案是管控系统开发的重要工作，是影响管控系统整个开发过程的基石。因此，本文主要探讨如何基于B/S网络架构实现SCD文件的可视化功能，并在此前提下合理地选择数据库及设计合理的存储方案，并结合实际案例验证其实用性和有效性。

1 SCD文件可视化数据解析

通常1个SCD文件大小有几十甚至上百M，几十万行的标签，对于专业人员也是海量的工作量，更何况非专业人员，因此SCD文件的可视化功能受到电网人员的普遍欢迎，也成为SCD文件相关配置工具及管控系统必备功能。SCD文件的可视化是指将XML语言标签翻译成易读、易懂的信息，并将其以图表等形式展示出来。

1.1SCD文件的可视化内容

SCD文件的可视化功能架构如图1所示。 图1中包含SCD文件的可视化基本内容，根据显示内容可分图和表两种显示形式，由于管控系统是基于web的B/S架构实现的，控制显示效果是由前端代码控制，经分析决定以SVG(可缩放矢量图形)格式来显示IED逻辑连接关系图、虚端子详图、通信子网信息，其他信息以列表形式展示。

SVG是基于可扩展标记语言，用于描述二维矢量图形的一种图形格式。SVG具有可伸缩、随意放大和缩小(缩放后图像质量不下降)等优点和特性，同时SVG在网络图形应用上，可配合JavaScript语言来响应用户操作从而实现与用户的互动[3]。

图1 SCD功能架构图

1.2管控系统架构

管控系统从系统需求、效率及先进性上考虑，对系统架构进行设计，如图2所示。

图2 管控系统架构图

a. 服务器：采用轻量级web服务器Nginx，其特点是占内存少，并发能力强，是很多国内顶尖网站的选择；

b. 前端：采用HTML5+JS+CSS3+SVG，此组合支持多插件，符合国内外技术及应用的发展趋势，功能强大。

c. 服务端：服务端在Nginx服务器中自定义ECMS_Module模块，以纯C语言来实现管控系统的主要业务，在保证功能实现的基础上使性能达到最优。

d.数据库：采用MongoDB数据库，适合存储大量数据，支持更多种数据类型的存储，且具备数据组织的高灵活性。MongoDB数据库支持冗余、集群，集成GridFS文件系统，提供分布式存储，在存储文件上更接近文件系统形式，使管控系统在文件操作上效率更高[4]。

1.3解析步骤

SCD文件可视化数据的解析主要由ECMS_Module模块调用libxml2开源库来完成，其主要解析步骤如下[5]：

a.使用C语言的XML程序库Libxml2来遍历SCD文件，同时解析出特定节点；

b.按照业务逻辑将相关联的节点建立关系，其中关系分为一、二级，同时可分为“包含、被包含、连接、被连接、使用、被使用”6类关系；

c.在一级关系的前提下，通过查询函数可查出节点的间接引用关系，即二级关系；

d.建立两级节点的引用关系后，直接在内存中以图数据形式存储，通过建立图数据可以进一步简化查询过程和提高查询效率；

SCD文件经过数据解析后，在服务器程序中以图数据形式存储在内存中。图数据中包括SCD可视化内容中需要的子网通信信息、IED列表、IED逻辑连接关系、虚端子连接关系等。面向可视化的需求，这些信息离最终的可视化还需经过进一步处理并存储。

1.4图数据

图数据里信息的建模使用3种构造单元：节点(即顶点)；关系(即边，具有方向和类型，即标记和标向)；节点和关系上面的属性(即特性)。构造单元关系如图3所示。

图3 构造单元关系图

图3中的“1”和“2”代表2个有关系的节点，节点1的属性信息名称为leg(桌腿)，节点2的属性信息是名称为desk(书桌)和white(白色)。两者间的关系是PART_OF(属于)，也就是桌腿属于桌子，桌腿的数量为4个。

图数据中的图是1个被标记和标向的属性多重图。被标记的图每条边都有1个标签，它被用来作为那条边的类型。有向图允许边有一个固定的方向，从末或源节点到首或目标节点。属性图允许每个节点和边有一组可变的属性列表，其中的属性是关联某个名字的值。多重图允许2个节点之间存在多条边。这意味着2个节点可以由不同边连接多次，即使2条边有相同的尾、头和标记[6]，如图4

所示。

以图4中的节点IED为例，直接与其连接的节点有3个，分别是AccessPoint、ExtRef以及ConnectAP，3条连线上的标号[2]、[3]、[4]分别代表IED与这3个节点的关系。当要检索与某个IED连接的ConnectAP时，遍历所有ConnectAP，选择ConnectAP:iedName等于IED:name的ConnectAP节点，此集合即为IED包含的ConnectAP，其他节点的查找类似。

2 SCD文件可视化数据存储方案

SCD文件可视化解析结果以图数据的形式暂存于服务器系统内存中，当后续用户发送查看请求时可快速将解析结果返回给前端，并以图表形式显示出来，服务器端将图数据形式的解析结果以合理的方式存储在数据库中，保证前端和服务器的高效通信[7]。

2.1数据存储形式

在管控系统的架构设计中服务器可将SVG文件直接发送给前端，列表形式的数据通常需要通过json数据进行传输，因此前端期待接收到的数据是SVG及json数据，前端的数据格式归纳见表1。

图4 图数据示例

可视化内容存储格式通信子网信息展示SVGIED逻辑连接关系图SVG虚端子详图SVGSCD中的IED列表json智能装置数据关系展示json主要对象的属性展示json

从表1中可以看出，管控系统的前端期待接收到的数据格式有SVG和json2种形式，而SCD文件的解析结果以图数据形式存储于服务器内存中，为了前端可以更高效地获取数据，将直接以前端期待的数据以SVG和json数据文件的形式存储到数据库中，而从SCD文件解析结果的图数据中抽取出可视化内容并以SVG和json数据格式做成文件，以文件形式存储也是管控系统在进行系统架构时选择MongoDB的一个原因，因为MongoDB数据库介于关系型数据库与非关系型数据库之间。MongoDB最大的特点是它支持的查询语言非常强大，其语法类似于面向对象的查询语言，几乎可以实现类似关系数据库单表查询的绝大部分功能，而且还支持对数据建立索引。另外MongoDB数据库中集成了GridFS，其在文件读取效率上接近文件服务器，因此管控系统选择以非关系型数据库MongoDB进行数据的存储[8]。

2.2数据库结构设计

管控平台中的数据库结构设计包括管控平台中的基础数据、原文件、SCD文件可视化解析结果的存储结构，如图5所示。

图5 管控平台数据结构示意图

管控平台的数据库设计为3个类集，分别用于存储基础数据、原文件数据、SCD文件的可视化解析结果。基础数据集中存储管控平台中非原文件以外的所有数据，此类集中的数据可以通过各个表中的ID建立表与表之间的关联，以达到关系型数据的存储效果[9]。而原文件数据和SCD文件的可视化解析结果这2个类集采用GirdFS形式存储文件，GridFS的优势在于其可以更好地存储大于16 M的文件，将大文件对象分割成多个小的chunk(文件片段),1个chunk为256 k,每个chunk作为MongoDB的1个文档被存储在chunks集合中。

2.3SCD文件可视化处理流程

用户进行SCD文件上传操作时主要处理步骤如下，如图6所示。

a. 用户执行SCD文件上传，客户端将SCD文件发送到服务器端进行处理。

b. 服务器端接收到上传文件命令及文件数据后，将源文件进行保存，并调用SCD文件解析模块对文件进行解析，最终将解析结果以图数据形式存储与服务器内存中。

c. 服务器端根据可视化的不同需求从图数据中抽取出SVG和json数据。

d. 服务器端将抽取的SVG和json数据以文件形式存储到MongoDB数据库中。

图6 上传SCD文件处理流程

用户进行SCD文件可视化操作时主要处理步骤如下[10],如图7所示。

a. 用户执行SCD文件可视化，客户端将SCD文件可视化请求发送到服务器端。

b. 服务器端接收到可视化请求后，对可视化请求进行分析。

c. 服务器端根据可视化请求分析结果对数据库进行查询，并从MongoDB数据库中读取相应的SVG或json文件。

d. 服务器端将读取的文件转发到用户的客户端。

e. 客户端对获取的文件进行解析并渲染。

f. 客户端将最终的可视化内容呈现给用户。

图7 SCD文件可视化请求处理流程

3 工程应用

上述的智能变电站SCD文件解析结果存储方案以及整体的可视化功能在国网辽宁省电力有限公司的智能变电站二次系统全过程管控平台中得到有效应用。该平台目前已经全面上线使用，并已经完成了28个已投运智能变电站的资料收集和归档工作，并在3个新建智能变电站实施对智能变电站的全过程管控。通过实现SCD文件的可视化功能，为多个单位的系统使用者带来便利，提高了工作效率。

4 结束语

本文介绍了智能变电站二次系统全过程管控平台中的SCD文件解析结果存储方案，该方案及管控平台的整体架构与同类web系统在SCD文件的数据解析及可视化功能相比，具有一定的性能优势和技术先进性，而非关系型数据库在国网辽宁省电力有限公司的成功搭建及应用，也为后续同类项目积累了应用经验。

[1] 王 冰，徐明宇. 智能变电站二次装置整合测试方法研究[J]. 东北电力技术，2015，36(17)：78-82.

[2] 金世鑫，张武洋. 基于DM5000E手持式继保仪的220 kV智能化微机母线保护调试方法研究[J]. 东北电力技术，2015，36(20)：90-92.

[3] 高 翔，杨漪俊，姜健宁，等. 基于SCD的二次回路监测主要技术方案介绍与分析[J]. 东北电力技术，2014，35(15)：149-154.

[4] 张巧霞，贾华伟，叶海明. 智能变电站虚拟二次回路监视方案设计及应用[J]. 电力系统保护与控制，2015，43(10)：124-128.

[5] 熊华强，万 勇，桂小智.智能变电站SCD文件可视化管理和分析决策系统的设计与实现[J]. 电力自动化设备，2015，35 (5)：166-171.

[6] 刘 蔚，杜丽艳，杨庆伟. 智能变电站虚回路可视化方案研究与应用[J]. 电网与清洁能源，2014，30(10)：33-37.

[7] 刘 彬，林 俊. 数字化变电站虚回路智能检测软件开发与应用[J]. 广西电力，2011，34(2)：5-7.

[8] 于 蕾，吴 海，黄建英.智能变电站虚拟二次回路自动测试系统开发与应用[J]. 内蒙古电力技术，2015，33(5)：53-57.

[9] 孙 鹏，张大国，汪发明,等.智能变电站调试与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2014：43-44.

[10] 王天锷，潘丽丽.智能变电站二次系统调试技术[M].北京：中国电力出版社，2013：10-13.

Research and Application of SCD File Resolving Results Storage Scheme in Intelligent Substation

QIAN Hai1, YANG Fei1, YU Tongwei2, LU Shengyang2, LI Liqun3

(1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114007，China)

With the gradual popularization of intelligent substation applications, SCD file-based intelligent substation secondary system data management system has gradually been valued and applied. Based on the visual display demand of SCD file in the web-based control system, this paper explores the storage scheme of SCD file based on non-relational database. Based on the document-oriented non-relational database oriented to mass data access, SCD analysis results in different formats of documents stored in the database, and ultimately meet the different types of information visualization requirements. Finally, the storage scheme based on SVG, json and other data formats stored in the MongoDB non-relational database is given and applied in the control platform of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.to meet the needs of users’ SCD file visualization high speed browsing.

intelligent substation; non - relational database; SCD; visualization; storage plan

TM76；TM63

A

1004-7913(2017)08-0051-05

钱 海(1972)，男，硕士，高级工程师，从事电力系统继电保护相关工作。

2017-04-03)