智能站整站二次回路可视化研究

孙超，侯磊，李倩影，赵瑞，刘昕彤

（1.河北省数据中心相变热管理技术创新中心，河北沧州，061001；2.国网河北省电力公司沧州供电分公司,河北沧州，061001）

0 引言

智能变电站二次回路与常规变电站不同，由光纤代替了电缆，由虚端子对应表代替了实体二次端子排。在二次回路信息关联关系上变得没那么直观，取而代之的是系统配置文件SCD表述的设备模型及虚端子对应关系。对于已经习惯对照端子排图等图纸进行工作的电力运维人员来说，使其在开展验收，调试，运行等工作的时候感到无从下手。

面对这一变化，为更好的符合运行检修人员的工作习惯，需要将系统配置文件SCD表述的设备模型及虚端子对应关系通过可视化技术直观的展示出来。构建空间布局良好，与传统二次回路图相似的图形，为工程验收及回路校验、故障处理、技术培训提供重要的参考依据，提高运检人员的工作效率。

目前，关于智能变电站二次回路可视化的研究较多，部分研究从不同角度的信息流数据流向提出了SCD虚端子的图形化生成方法和解决方案[1]；部分研究针对SCD比对环节，通过对SCD可视化处理，增加信息的可读性，提高运维人员的工作效率[2]；部分研究给出了基于不同模型的可视化运维的技术方案，并进行了工程应用实例分析[3]。已有研究成果主要集中在单个设备及其关联设备的可视化以及在此基础上的测试、安措等技术的研究，对于智能站全站二次回路可视化的研究，国内外文献很少提及。

本文在已有技术的基础上，结合当前已有的各类智能站二次回路可视化工具，开展智能变电站全站二次回路可视化技术的研究。利用网络拓扑技术，按照以保护装置为中心节点的思想，动态生成整站二次回路典型配置图，创新性地以图形形式展示全站保护装置及智能组件虚回路连接，所有保护虚回路一目了然，方便智能变电站的设计人员、运行维护人员查看，具有重要的理论意义与工程价值。

1 二次回路可视化技术发展现状

智能变电站二次回路信息分别保存于虚端子表、设备网络图、SCD等文件中。这些文件不便直观查阅，必须将其可视化。目前，二次回路可视化的主要有如下形式，虚端子图、二次拓扑图、逻辑链路图、主变关联图、母线关联图等图纸。虚端子图以装置为单位展示装置过程层的所有开入开出虚端子信息，便于用户查看装置信息，服务于装置的改造或智能变电站的扩建；二次拓扑图展示装置与其他装置之间虚端子连接关系，即类似于传统变电站的回路图；逻辑链路图装置逻辑链路图展示装置与其他装置之间逻辑链路关系，该逻辑链路关系通过网络参数体现，展示具体信息有连接关系；主变关联图以智能变电站的主变保护为中心，展示与主变保护相连接的装置；母线关联图以智能变电站的母线保护为中心，展示与母线保护相连接的装置。

2 智能变电站整体二次回路可视化的思路

通过分析智能变电站的系统配置文件SCD，并结合混合式拓扑技术，给出了站级二次回路配置图动态生成的思路。

（1）选择核心设备。解析SCD文件，从设备列表中筛选出变电站中重要的保护设备及其之间的虚连接信息；

（2）建立关系矩阵。用矩阵表示核心设备之间的虚拟连接关系；

（3）定义绘图优先级。按照关系矩阵中的数值，得到各核心设备在图形生成过程中的优先顺序；

（4）生成局部图形。根据关联矩阵和设备的绘图优先级，以保护设备（绘图优先级=1）为中心节点，将与之相关联的关联智能设备作为次要节点，生成局部保护图形；

（5）组合整站回路图。将不同的保护装置对应的局部保护图形进行动态组合，生成智能变电站二次回路的配置图形。

下面将围绕可视化方法中的设备的分类，关系矩阵的建立，绘图优先级的判断，局部图形组合的规则等关键技术，进行详细解释。

3 站级二次回路可视化关键技术

■3.1 核心设备的筛选和粗分类原则

对设备进行分类的目的，是为了降低整站图形生成的复杂程度，针对重要的核心的设备，我们要重点关注，在图形布局中要优先考虑。

通过对智能变电站保护装置及其保护原理的分析，二次专业关心的IED设备主要包括主变保护，合并单元，智能终端，备自投等。文中将这些设备称为核心设备，他们之间的关联比较复杂，在进行检修、消缺工作时容易出现漏检、错检的情况，需要提起特别注意，制定有针对性的管控措施。

通过解析SCD文件，按照IED的设备编号或中文描述从设备列表中将核心设备筛选出来，并根据设备编号或中文描述对核心设备进行粗略分类。分类的目的是大致划分各设备在拓扑图形中的区域，分类的具体原则如下：

1类设备：核心设备中文解释包含有关键词“变保护”“保护”“PT”的；或者核心设备编号包含有关键词“PT”的；

2类设备：核心设备中文解释中包含有关键词“备自投”，“备投”，“合并单元”的；或者核心设备编号包含有关键词“PZ”“MM”的；

3类设备：除了1类、2类设备以为的其它核心设备。

■3.2 关系矩阵

通过对SCD文件的解析，可以看到遴选出的核心设备之间的虚连接也是非常复杂的，并不能直观的反映出他们的关系，下一步我们通过矩阵的形式整理核心设备之间的虚连接关系，根据反映出的连接规律对设备进一步细分。

根据核心设备粗分类的情况，所有的核心设备可以构成三个列向量C1，C2，C3，分别表示1类，2类，3类的核心设备列表。根据三个向量构建的矩阵C。

对于矩阵C中的数值有如下定义：

Cij= 1表示设备i向设备j发送GOOSE或SV信号；

Cij= 0 表示设备i和设备j无关联。

对矩阵C进行继续整理，矩阵C加上2倍的矩阵CT，得到新的矩阵D。将矩阵D左下部分的数值全部置0，这就构成了表示智能变电站核心设备之间虚连接关系的关系矩阵D。

对于D阵的右上半部分的数值，有如下定义：

dij= 1 表示设备i向设备j发送GOOSE或SV信号（i＜j）；

dij= 2 表示设备j向设备i发送GOOSE或SV信号（i＜j）；

dij= 3 表示设备i和设备j相互发送GOOSE或SV信号（i＜j）；

dij= 0 表示设备i和设备j无关联（i＜j）。

■3.3 设备绘图优先级的判断原则

设备的绘图优先级表示在可视化图形布局的时候，设备在图形中放置的先后顺序。绘图优先级越小，表示设备的信息流越复杂，在图形中放置的顺序越靠前。

核心设备的绘图优先级是根据设备的粗分类等级和关系矩阵D进行划分，设备的粗分类等级和绘图优先级如表1所示。

表1 设备的粗分类等级和绘图优先级

利用关系矩阵D对已经进行粗分类的设备进一步进行细分，目的是确定设备图块生成的先后顺序（优先级）以及在整个图形中的位置。具体原则如下：

（1）对1类设备进行判断。1类设备的绘图优先级是1。

（2）对2类设备进行判断。选择任意一个2类设备，在关系矩阵中找到该设备所对应的行i，找出该行中值不等于0的所有列j，进而通过列值确定所有与其有关联的设备。

（3）对3类设备进行判断。选择任意一个3类设备，在关系矩阵中找到该设备所代表的行i，找出该行中值不等于0的所有列j，进而通过列值确定所有与其有关联的设备。

■3.4 利用混合式拓扑思想动态生成图形

混合型拓扑结构是将两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑。常用的混合式拓扑图形主要有两种，一种是星型拓扑和环型拓扑混合而成的“星-环”拓扑，另一种是星型拓扑和总线型拓扑混合而成的“星-总”拓扑。本文采用“星-环”拓扑结构对智能变电站IED设备及其之间的逻辑关系进行可视化表达。星型的局部保护图与环形的保护设备关联图通过动态组合，进而生成站级二次回路配置图形。图形生成的具体实现步骤如下：

（1）以一个保护设备（绘图优先级是1的核心设备）为中心节点，筛选与之相关的核心设备，生成星型的局部保护图。

（2）选择绘图优先级是1和31的设备，根据他们的虚拟连接关系，将其动态组合成环形拓扑结构图。

（3）根据虚连接信息，确定不同的保护设备对应的局部保护图形在环形拓扑结构图中的位置，并将局部保护图形放置在对应的位置上。

（4）将环形拓扑结构图中名称相同的核心设备图块合并为一个图块，并且不改变其与其他设备的连接关系，智能变电站站级二次回路配置图形生成完成。

4 实例应用

结合实例对站级二次回路可视化方法进行进一步解释。选取的研究对象是110kV双卷变智能变电站京开站，该站共有IED设备39个。

根据不同绘图优先级之间的虚拟连接关系，形成环形拓扑结构。该智能变电站有绘图优先级是1的设备4个，绘图优先级是31的设备4个，按照设备之间的虚拟连接关系，构成环形拓扑结构。

图1 京开站站级二次回路配置图形

根据虚连接信息，确定4个局部二次图形在环形拓扑结构图中的位置，并将局部保护图形放置在对应的位置上。将结构图中名称相同的核心设备图块合并为一个图块，且不改变其与其他设备的连接关系。

按照关系矩阵中的表达，连线的箭头方向表示GOOSE，SV信号的传输方向。至此，京开站站级二次回路配置图构建完成，生成后的图形如图1所示。

5 结论

整个智能变电站二次设备之间虚拟回路的连接关系和数据传输通过图形化的方式直观的展示出来，使整站所有保护虚回路一目了然。改变现有工具仅能以装置为单位显示虚回路，无法显示整站所有保护虚回路的局限性，有利于二次检修人员掌握二次设备网络及设备连接关系、在工作时分析危险点并制定针对性强的安全措施，极大地提升智能站二次检修工作安全管控水平。