融合一二次设备的变电站多侧面逻辑视图自动生成技术

顾礼斌，刘 悦，许良斐

(北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

IEC61850协议定义了常见设备的数据格式、标识符、行为和控制，如断路器、调压器和继电保护等站内或馈线设备。IEC61850作为开发电力系统无缝远动通信系统的基础，解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。利用该标准的自我描述能力，可以显著降低数据管理成本，简化数据维护，增加自动化系统使用期间的灵活性；采用该标准能极大地方便系统的集成，降低变电站自动化系统的现场验收、运行、监视、诊断和维护等工程费用，节约大量时间。

理论上，下游变电站所生成的模型与图形，可以通过转化成CIM/XML和SVG/XML格式后上传至上游调度主站EMS系统，并在调度主站端自动导入，构建出系统全模型和图形，从而避免EMS主站系统重复建模和绘图，实现数据源唯一。但在实际应用中，对变电站侧视图的要求，上游EMS与下游变电站自动化系统是不一致的，且来源于不同区域的变电站自动化系统对厂站图形的描述风格也是不一致的，这就需要借助变电站自动成图技术，直接利用SCD或CIM中的模型信息自动构建出满足不同应用需求的统一风格的变电站逻辑视图。

国内外变电站自动成图技术主要集成在商用软件包，通常为潮流图的自动绘制上，总体比较简化，没有深入到站内主接线和元件，通常基于IEC61970/CIM。国内外自动成图技术往往是在原始模型基础上的单一视图，缺乏模型抽象基础上的多视图模式，且实用化程度有待发展。文献[1-3]提出厂站接线图的自动生成方法，文献[4-6]分别从自动成图技术的厂站布局和线路自动走线两个方面进行了专题研究，但这些研究往往是单一视图，且范围较小，缺乏多侧面逻辑视图的概念。

本文实现对复杂变电站SCD模型文件的解析，构建变电站一二次模型对象关系，形成规格化的空间点线模型，并自动识别一次设备接线类型，同时支持基于IEC61970/CIM的变电站模型描述，利用自动布局与布线技术，生成变电站多侧面逻辑视图，并自动叠加关联及显示二次测点数据对象，融合不同应用需求的决策视野，较好地满足了电力系统运行决策的需要。

1 变电站多侧面逻辑视图自动生成技术路线

变电站自动成图系统，基于厂站的IEC61850/SCD模型或者电网IEC61970/CIM模型，通过拓扑分析建立厂站不同电压等级之间的电气连接关系及电压等级内部的间隔关系，自动生成变电站电气接线图，提供多种不同的排布模式，满足视图排布简洁性和紧凑性要求；当变电站模型发生变化时，采用增量继承方式实现图形自动更新, 最后通过SVG文件导入到第三方系统中应用，如图1所示。

图1 变电站自动成图流程

2 变电站逻辑结构智能识别

变电站多侧面逻辑视图需要涵盖宏观与微观决策视野，其基础是基于SCD模型的拓扑解析及分析，以保证在有限的屏幕空间内浏览到完整的电网结构与逻辑关系。

2.1 间隔设备自动识别

IEC 61850/SCD中有间隔描述，但无自动成图时所需要的间隔内设备的排布信息，而IEC 61970/CIM中间隔信息不严谨(非必要信息)，需要程序自动识别，如图2所示。

图2 变电站典型间隔划分示意图

自动成图时将整个间隔抽象成一个虚拟设备，该虚拟设备带端子和拓扑结点，复用间隔之间的拓扑结点。由间隔外边界结点向内遍历主要设备确定间隔内部的主干支路，其余为分支支路。

由于IEC 61970/CIM中间隔信息不全，需要按照表1所示的典型间隔模板进行归类、匹配和抽取。

表1 典型间隔抽取

变电站主接线布局时，在保持电气连接约束关系条件下，间隔先按照虚拟设备布局、定位、连线，在确定间隔矩形范围后，再排布间隔内部主干支路，最后排布分支支路，逐级排布出所有设备。间隔排布子流程与变电站完整布局布线流程见图3。

图3 变电站布局布线与间隔排布流程

2.2 站内母线自动排序

对于单母线多分段接线类型，需要识别出母线的排布顺序，利用反射原理，任意两点之间的最短路径就是关键路径，当最短路径包含所有分段母线时，该最短路径就是实际的母线排布路径，其单一方向的反射路径中的排布顺序就是母线的排布顺序，算法如下(见图4):

图4 单母线多分段接线类型排序流程

1)以厂站为单元范围，构造厂站内设备电气连接基础拓扑；

2)在电压等级范围内进行电气岛分析；

3)每个电气岛内，以母线为顶点，搜索与其相邻母线作为连接边，构建子网；

4)在子网内搜索顶点度数为1的母线数；

5)如果母线数大于2，利用反射原理搜索母线之间最短路径，则得到母线的排布顺序；如果母线数为1, 则单母线独立悬挂；否则，非单母线多分段接线类型，另转作其他接线处理。

2.3 接线类型智能判别

变电站存在规范的接线形式，厂站接线类型可以通过自动识别和人工辅助识别的方式来判别。相对于标准的主接线方式，一些特殊类型需要人工进行干预，以降低机器识别的复杂性，提高识别精度。

界限类型自动判别采用模式匹配的原则：每个电压等级对应的母线或母线对；母线之间的排布关系；母线与设备之间的约束描述。利用这些关系进行匹配，匹配成功，则装载匹配结果至接线图各对应电压等级内；匹配不成功，则标志控制其转换为非内部展现的模式。匹配的典型特征如图5所示。

图5 接线类型典型路径特征

对于未能自动识别的厂站，可人工辅助识别，借助于模板，程序自动进行信息过滤，只选取属于目标容器内部的对象组织成选择性菜单供人工选择，包括待识别的目标对象、对象类型、目标容器等，如图6所示。

图6 人工识别接线类型

3 多侧面逻辑视图生成

厂站图布局对象为厂站内部电压等级单元和变压器单元，布线对象则是变压器单元与各个电压等级单元之间的连接线。

3.1 自动布局布线技术

布局中的点对象为电压等级，线对象为变压器支路连接线，利用行布局模式，将空间的点按照大致的地理分布排列成多行，点对象可以上下左右移动，同时支持水平或垂直排布，点对象为矩形，其内部主接线展开以间隔为单元。

接线图布局是在全局布局前首先完成计算，并将参数整合到全局布局流程中；接线布局采用内部的空间布局模式与外部的少交叉算法及规范的排布模式，以单母线多分段为例，各独立电压等级可选择纵向布局或者横向布局，然后对各电压等级之间关系进行交叉计算，确定各电压等级的出线间隔位置；最后实现主接线展示状态下容器名称排布与容器内部各设备细节对象的排布。

具体算法主要包括如下步骤：

1)布线采用少交叉与最短路径双目标优化算法，自动计算出超长线路跨越行时的转折点位置。利用Dijkstra算法计算最短路径步骤如下：

a.先取一点v[0]作为起始点，初始化dis[i]，dis[i]的值为v[0]到其余点v[i]的距离w[0][i]，如果直接相邻，初始化为权值，否则初始化为无限大；

b.标记v[0]，vis[0]= 1(vis初始化为0)；

c.找寻与v[0]相邻的最近点v[k]，将v[k]点记录下来，v[k]与v[0]的距离记为min；

d.标记v[k]，vis[k]= 1；

e.查询并比较，将dis[j]与min+w[k][j]进行比较，判断是直接v[0]连接v[j]短，还是经过v[k]连接v[j]更短，即dis[j]=MIN(dis[j],min+w[k][j])；

f.继续重复步骤c)与步骤e)，直到找出所有点为止。

2)电压等级内部接线类型自动识别并绘制，其要点是：内部出线与外部进线位置保持一致。具体步骤见图7。

图7 布局布线算法

3.2 二次设备动态叠加

对于电压互感器、电流互感器、保护等二次设备，其拓扑连接方式较为简单，其在接线图上多是以合并单元的形式表达。以双母线出线为例，如图8所示，在一次设备绘制完成后，依据一二次设备之间的拓扑关系及一次设备排布走向，在关键位置自动叠加二次设备。关键位置确定过程大致包括以下几点：

图8 二次设备动态叠加示意图

1)确定一次设备的位置及走向；

2)确定与二次设备相连节点位置；

3)与一次设备免碰撞处理。

3.3 二次测点信息自动关联

二次测点信息与一次设备的关联规则可以概括为如下几点：

1)二次设备中的功能和信息通过逻辑节点实现与一次设备的关联。

2)依据逻辑节点，将二次设备和一次设备进行关联，通过一次设备关联的间隔，将逻辑节点下的二次设备测点信息关联到相关间隔。

3)二次设备和一次设备没有关联的，其二次测点直接关联至变电站。

SCD中的量测定义与物理模型包含在自动成图的算法中，以符合不重叠交叉的约束要求，并保持量测显示的矩形区域与设备对象的最短距离为原则，如图9所示。

图9 一二次设备关联关系

3.4 多侧面逻辑视图生成

基于IEC61850的变电站模型，自动完成信息提取筛选，并依据与IEC61970之间映射关系，通过模型拼接技术将站端模型融入电网大模型中，利用全景视图自动生成技术[7-8]实现满足调度需求的宏观潮流图、片网图成图。通过该技术，可以从站端模型获取，并实时生成不同颗粒度电网专业图形。新增独山变电站后，自动生成对应厂站图及更新对应系统潮流图如图10、图11所示。

图10 独山变电站厂站图

图11 独山变电站对应系统潮流图

通过逻辑结构智能识别技术，可以判断出该变电站存在3个电压等级：500 kV为3/2倍接线形式，220 kV为双母线四分段接线形式，35 kV为单母线接线形式。通过自动布局布线技术进行各电压等级的绘制，在线路、主变等电气设备侧自动叠加二次测点信息。通过全景视图自动生成技术将独山变电站添加到地区潮流图内，展示宏观信息。

4 结 语

电力系统运行状态的图形化显示在各级电网运行调度中至关重要，无论是站端，还是各级运行调度都需要有电网可视化图形的支持。传统的手工绘制耗时多、效率低，已经难以适应大规模电网运行管理的要求。

融合一二次设备对象的变电站自动成图技术，实现了基于IEC61850模型的厂站多侧面逻辑视图自动生成，动态图模映射自动关联，满足了变电站多侧面逻辑视图实时生成的需求，减轻了变电站图模维护管理难度，提高了变电站自动化水平，提升了电网上下游信息融合一体化，实现了电力系统全景画面集成和图模的同步更新，为电网运行和调度业务管理提供了统一可靠的电网逻辑视图支持，提高了电网的安全运行水平。