基于XML的智能变电站二次电回路建模与解析方法
2021-04-27翁惠廉王永升王浩宇张克声
石 慧，翁惠廉，王永升，王浩宇，李 岩，张克声
(1.国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司，江苏 扬州 225002；2.扬州浩辰电力设计有限公司，江苏 扬州 225002;3.武汉映瑞电力科技有限公司，湖北 武汉 430074；4.贵州理工学院人工智能与电气工程学院，贵州 贵阳 550003)
0 引言
传统变电站到数字化的智能变电站的转型过程中，采用了大量光纤替代二次回路电缆，将二次硬回路转变为二次虚回路[1]。然而，智能组件到机构开关之间的二次电回路仍采用物理电缆方式连接，缺乏相关的模型语言加以描述，而只能采用常规的CAD图纸来展示，缺乏相应的二次电回路数字化建模和解析方法[2]。这会导致二次电缆回路信息不可视化和现场实际回路与原理图内容不符等问题，从而严重影响运维人员的判断，极大地降低其工作效率和故障排查的准确率[1,3]。
本文通过可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)定义变电站二次电回路中的装置、元器件、端子、节点和电缆等模型格式；对每一个电回路指定一个电源节点为起始点，确定每一副节点的所属类型(包括开入、开出、模入和电源)，生成XML格式的二次电回路模型文件；对模型文件中各电源节点间连接的回路进行解析检索，记录下每条电回路的相关信息，最终生成二次电回路信息的可视化展示图，实现智能变电站二次电回路的数字化XML建模和解析工作。
1 二次电回路XML模型定义
XML具有显示和数据分开，利于结构化的描述信息，严格的语法要求，以及优越的可读性和维护性等特点[4]。本文借鉴光纤物理回路模型(SPCD)思路[5-6]，采用XML格式定义SPCD中屏柜、装置模型的属性，并增加了电回路的对象模型，包括各类元器件、端子、节点、屏内接线和短连片、屏间电缆。
a.元器件模型。定义为SPCD文件中的单元UNIT元素，智能电子设备名字iedName为空，在class类型属性中增加“TERMS-端子排”、“Enable-压板”、“AirSwitch-空开”、“Light-指示灯”、“Button-按钮”、“TransferSwitch-转换开关”、“Power-电源”等表示电回路中的元器件设备；对于不区分板卡的元器件，其板卡Board元素的插槽slot编号元素始终为“1”，对于端子排，其Board元素用于描述端子排中的每一个端子段。
b.端子模型。电回路中都是采用端子连接，端子模型均定义为SPCD中的端口PORT元素，其方向direction属性为“RT-收发”，接口类型plug属性为“无”特殊类型。
c.节点模型。在SPCD文件的Board元素下新增节点PNode子元素用于标识节点，定义的节点类型包括开入节点、开出节点、模入节点、电源节点，并加入设备描述文本desc和标注节点端口的名称。
d.屏内接线和短连片模型。电回路连接中使用的屏内接线和短连片定义为SPCD文件中的柜内线芯IntCore元素，在跳线类型type属性中增加“DTX-电跳线”和“TLP-短连片”。
e.屏间电缆模型。电回路连接中使用的屏间电缆定义为SPCD文件中的电缆Cable和线缆线芯Core元素，在Cable元素的type物理线缆类型属性中增加“DL-电缆”，Core元素中的portA和portB属性所引用的端口均为各类元器件模型下描述的端子模型。
2 二次电回路建模
通过定义的节点类型完成整条二次电回路建模。节点由2个端子构成，包括开入、开出、模入和电源节点，在建模过程中将装置、各类元器件中的节点或端子通过电缆连接，形成一个完整的回路，并给每个回路接入唯一的1副电源节点，其实现流程如图1所示。
图1 二次电回路建模流程
a.建立屏柜和装置模型。根据SPCD建模规范对变电站内的屏柜和装置进行建模，建立屏柜和装置模型，包括名称、型号等属性。
b.建立元器件模型。根据屏柜内配置的元器件，建立元器件模型，包含屏柜端子排、空开、压板、电源、指示灯、传感器和转换开关等，模型中包括名称、型号等属性。
c.建立端子模型。根据装置和元器件的端子数量，建立端子模型，对于区分板卡的装置和元器件，首先建立对应的板卡信息，如电源、开入、开出、采样、端子段等板卡，对于不区分板卡的元器件，默认建立1块板卡，之后在板卡上建立端子模型，包括端子名称和序号等属性。
d.建立节点模型。根据端子内部连接关系建立节点，当2个端子间存在内部回路或继电器能够使其断开或闭合时，将这2个端子定义为1副节点，当多个端子需要与同一个公共端间定义为节点时，则在模型中创建多个节点信息。
e.建立电回路模型。选择一个起点端的电源节点(如：互感器接线盒中的电流或电压类型的电源节点)，从选择电源节点的正极端子开始，依次连接整个电回路需要经过的端子;根据2个端子间使用的电缆类型，分别创建屏内接线和短连片、屏间电缆及其纤芯，使用屏内接线、短连片或电缆纤芯连接两侧的端子；当连接到一侧端子为1副节点中的端子时，选择该副节点的另一个端子继续该电回路中剩余的连接建模;当连接到的端子为起点端电源节点中的负极端子时，则完成了整条电回路的建模;当1副电源节点间的电回路中存在多条路径时，则重复之前的操作，直至所有电回路的相应模型建立完成。
当各子模型建立完毕后，存为XML文件格式，从而完成整个二次电回路的建模工作。
3 二次电回路解析
一条完整的二次电回路的解析过程是以每一副电源节点为回路的起点和终点，即从电源正极开始依次识别和记录连接的各个端子信息，直至到电源负极端子结束。
a.解析电气连接信息。解析变电站电回路模型文件，遍历出其中所有的屏柜，依次选择每一个屏柜，按屏柜解析电气连接信息，根据每根屏内接线和短连片、或屏间电缆及其纤芯，记录屏内接线和短连片以及屏柜电缆纤芯两侧的端子信息。
b.解析屏柜端子及节点信息。依次选择每一个屏柜，遍历选中屏柜内的所有端子，记录其名称，遍历屏柜内所有的节点信息，记录每副节点的类型以及节点中的2个端子名称。
c.解析电回路信息。依次选择每一个屏柜，若屏柜内存在电源节点，则从该节点的正极端子开始搜索，在电气连接信息中搜索出与该正极端子连接的对侧端子信息，若对侧端子不属于任何节点，用对侧端子名称在电气连接信息中搜索与之连接的下一级对侧端子；若对侧端子属于节点，则根据节点信息，获取节点中跟另一个端子的名称，用另一端子名称在电气连接信息中搜索与之连接的下一级对侧端子；当在电气连接信息中搜索到的对侧端子是起点电源节点中的负极端子时，该条电回路搜索结束；记录该电回路所经过的所有端子、节点、屏内接线和短连片、屏柜电缆纤芯的名称信息，完成电回路搜索。
d.完成解析。当所有屏柜中的电源节点都完成了电回路搜索，并记录下每一条电回路经过的所有端子、节点、屏内接线和短连片、屏柜电缆纤芯的名称信息后，即完成了整个变电站电回路模型的解析。
4 实际应用案例
利用本文二次电回路建模与解析方法，开发了能融合二次物理回路SPCD的建模设计软件，并在扬州110 kV氾水变电站进行了试点应用。
首先，进行设备建模，建立相应的小室、屏柜、设备、板卡和端子信息，根据设计需求将元器件节点相互连接，建立电回路的XML模型文件，定义了扬州110 kV氾水变110 kV GIS室线路智能控制柜内，从端子排1QD1-4端子，连接至线路合智一体X11板卡的A-B端子，以及线路保测一体X3板卡的A-B端子的二次电回路模型。该模型节点层级包括：变电站Substation节点，描述工程信息，含有名称name和描述desc属性；小室Region节点，描述站内包含的小室与场地信息，含有名称name、描述desc和户外场地area属性；屏柜Cubicle节点，描述屏柜信息，含有名称name和描述desc属性；设备Unit节点，描述柜内设备信息，含有名称name、描述desc、厂家manufacture、类型class和型号type等属性；板卡Board节点，描述设备的板卡信息，含有板卡号slot、型号type和描述desc属性；端口Port节点，描述端口信息，含有端口序号no、描述desc、方向direction和接口类型plug属性；屏柜内线芯IntCore节点，描述柜内线芯连接信息，含有名称name、线芯型号type和两侧端口portA、portB属性。
建立的XML模型部分示例如下：在Substation节点描述“扬州110 kV氾水变”(
其次，对建立的模型文件中所有的电源节点间连接的回路进行解析检索，按屏柜展示端子排信息，以及端子排间的电缆线芯连接关系，开始依次识别和记录下连接电回路中各个端子信息，进而生成如图2所示的可视化二次电回路信息。
图2 解析后生成的可视化二次电回路信息
在以往变电站运检维护中，工作人员是通过电力设计院CAD绘制后打印出的纸质蓝图查找二次电回路相关信息。这导致工作人员需要查阅大量分散且烦琐的纸质图纸，并通过端子排图与实际接线进行反复对比，才能确认相关信息而进行相应的运维工作。这种高度依赖运维人员专业知识和行业经验的工作方式，不仅效率低下，而且当二次电回路拓扑关系复杂时，极易造成二次电回路的漏检和错检，而导致电网运行事故。在扬州110 kV氾水变实际应用中，利用模型可视化软件，避免翻阅纸质图纸的烦琐过程，且经过二次电回路软件自动解析而确保录入二次电回路信息的准确性；运维人员现场可通过可视化软件迅速查找到所需的回路信息，将查询时间从至少分钟级缩短至秒级，同时还保证查询结果的正确性，也降低了对运维人员专业知识和行业经验的要求。另外，在建模过程中还可根据实用需求，对元器件节点进行连接和修改，从而修订现场CAD蓝图由于节点过多而导致的人为绘图错误，进一步保证了变电站二次电回路信息的准确性。本文经解析后所建立的可视化二次电回路模型可与二次物理模型SPCD文件相互对应和融合，即在设计软件中可生成SPCD文件，也可生成描述电回路的XML文件模型，完成了二次电缆回路信息模型与物理模型的关联，为智能变电站的智能诊断与智能运维奠定了基础。
5 结束语
本文针对目前智能变电站二次电回路只能通过CAD图纸的方式表达，无法与物理回路模型相互匹配的问题，提出了一种基于XML格式的二次电回路建模与解析的方法。对电回路中的装置、元器件、端子、节点和电缆等定义了XML格式的描述模型；通过定义的节点类型完成了屏柜和装置模型、元器件、端子、节点，直至整条电回路模型的建立；从1副电源节点的正极开始依次识别和记录连接的各个端子信息，到电源负极端子结束而完成整条电回路的解析检索，最终生成可视化的二次电回路完整信息。从而解决了智能变电站二次电回路拓扑关系复杂，无法清晰建模表达和难于用软件解析的问题，完善了变电站二次回路的模型体系。在实际工程应用中，可有效解决现场二次电缆回路与CAD图纸不一致、无法有效查阅二次回路信息和无法有效可视化展示等问题，提高了智能变电站二次电回路运维信息的准确性和数字化表达，从而促进了智能变电站信息化技术的发展。
