智能变电站虚拟二次回路SCD文件比对技术

2021-08-17张焕青王志高

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2021年3期

张焕青,江渊,吴迪,陈理,张曼,付裕,王志高,李挺

(1.国家电网湖北省电力有限公司检修公司,武汉 430050;2.国家电网湖北省电力有限公司电力调度控制中心,武汉 430050;3.国家电网湖北省电力有限公司设备管理部,武汉 430050)

0 引言

传统的SCD配置文件可视化工具[1-2],通过孤立装置信号图、孤立装置逻辑图谱、孤立装置虚端子图图形化显示SCD配置信息。虽然可以在一定程度上解析SCD配置文件有用信息,但依旧存在各种问题,如信息显示不够直观、光纤回路信息不完备、GUI界面不符合人机交互基本原理等[3],仍未达到运维检修人员对SCD配置文件的需求水平。因此,针对传统SCD可视化工具的缺点与用户需求[4],本文设计了一种SCD文件可视化比对系统。

1 SCD可视化对比技术

1.1 智能变电站回路的配置

智能变电站的完备二次回路模型由物理回路和逻辑回路组成[5]。在设备的制造阶段和系统集成阶段分别对物理回路与逻辑回路配置,然后通过解耦操作完成配置[6]。物理配置的具体流程如下:

1)IPCD文件配置。在设备制造阶段,将设备板卡信息、端口信息等,使用IPCD配置程序录入IPCD文件,且时刻保证配置文件信息与系统物理硬件一致。

2)IPCD文件再加工。使用SPCD配置程序,继承SPCD文件,以涵盖全站物理信息。

3)系统集成。将相物理端口标签、装置标识标签及其映射关系录入SCD配置文件[7]与SPCD配置文件。后续操作中,可以使用在SCD配置文档内检索逻辑回路;在SPCD配置文档内检索物理回路,从而获得2类回路的虚实映射关系。

智能变电站的关键信息绝大多数被封装在SCD和SPCD配置文档中[8]。换言之,SCD和SPCD配置文件实现了将常规变电站二次电缆回路向智能变电站二次虚回路转换的突破。在缺少有力的SCD可视化系统时,运维检修人员将难以获取SCD配置文件隐藏信息,导致工作难以进行。

1.2 可视化对比技术框架

为了实现对SCD系统中设备网络之间的虚端子联系的全方位展示,本次使用图形化互动设计。在使用宏观图直观显示IED与发送接收设备之间的联系基础上,设计了本地IED与某个特定发送接收设备间的虚连接、局部IED的全部输入或输出虚连接子图[9],如图1所示。从不同的观测角度显示出某设备虚连接的细节情况。与图形化宏观图互动,可以在不同设备的宏观图与子图间无缝切换。

图1 SCD虚端子图形化系统Fig.1 SCD virtual terminal graphic system

1.3 IED网络联系模型

将某个IED视为本地IED中心,使用宏观图展示本地IED与各个节点的虚连接关系网[10]。将本地IED的外围设备分为接收设备与发送设备,在宏观图两侧显示。

宏观图的内部,IED分为IED模块、LD模块、发送控制模块、接收LD模块等图元。参考图元嵌套和叠加显示方法,使用QGraphicsRectItem图形程序与QGraphicsTextItem图形程序,构建一个从下至上的IED单元,并建立各单元之间的宏连接。由发送控制模块指向本地IED的LD接收模块。宏连接带有虚连接个数标签。发送设备中,若收到本地IED的虚端子[11]信息,则自动增加接收模块,显示接收虚端子信息。

1.4 图形化子系统

本次设计的发送端LD控制模块,能够实现与本地IED某宏连接的虚连接交流信息,控制模块包括:发送端、LD模块、发送控制模块、LD接收模块、输入输出虚端子属性与其接收端、LD接收模块与引用设计描述。IEC 61850 2.0位增加了虚连接的Desc属性,用于储存虚连接的各项属性信息,并在终端显示。图形化子系统如图2所示,其搭建流程如下:首先搭建2个分别表示发送接收的IED模块,嵌入LD模块、控制模块,控制模块中添加控制块名、数据集特征与关联信息的标签;添加虚端子模块,添加输出虚端子属性与引用;在输入与输出之间建立虚连接,并添加虚连接设计属性[12]。

图2 图形化子系统Fig.2 Graphical subsystem

考虑到现场检修人员的工作特点,本次使用3种不同的方法标记虚端子:

1)只显示已关联输入虚端子;

2)分类显示发送端子关联与未关联的输出端;

3)分类显示接收端子关联与未关联的输入端。

1.5 图形化虚端子与信息显示控制设计

在2个IED间全部虚连接子图中,显示2个IED间宏连接对应的每组虚连接细节。由于考虑到发送端与本地IED会通过多个LD模块产生虚连接,故设计双向显示2个IED间的虚连接细节。将本地IED的全部输入虚端子图像化,可以使用户查阅输出虚端子与发送设备间的信息。在某IED全部输入虚端子图中,除了显示输入虚端子的描述与引用,还着重标记了发送源。同理,在某IED全部输出虚端子图中,除了显示输出虚端子描述与引用,还着重标记了接收源[13]。

从属于SCD的LD模块内嵌多个GSEControl控制模块,在宏观图中选中IED的控制块,其详细信息包括:IED简介、访问节点、逻辑终端、APPID(Application Identity,应用编号)、goID(控制块编号)、数据集属性、IP与MAC地址。

在多个IED间、宏观图与子图间使用图形化操作,实现高效切换。在宏观图中,选中宏连接指向箭头,自动切换至2个IED间虚连接子图,查看所有虚连接信息;选中某IED与本地IED间的任意水平区域,可切换至2个IED间的任意虚连接子图;选中IED模块的任意一点,可以清空当前IED宏观图,画出相应IED的宏观图,并定位其在IED树中的位置。在全局IED树中,通过高级检索功能添加查找标签,可以高效定位某IED,并显示宏观图和从属控制块信息。

2 关键技术

2.1 高效SCD读取技术

基于xml的SCD文件,语言结构较为复杂。本次使用DOM(docimentobjectmodel,文档对象模型)获取SCD信息。为了实现SCD的快速读取,仅读取SCD文件各IED点与下层及节点、虚端子属性,忽略了DataTemple等内容。

为了显示虚连接中虚端子的描述,即读取属性intAddr。在本地IED对应的LN中,在具有标签“GOIN”、标记为“GGIO”的InClass的本地LN中查找需要的虚端子及其属性。

通过上述搭建IED的List链表发送终端信息、接收终端信息,详细说明如下:

1)规定本地IED。本地IED的外围设备分为2种,一种是发送终端,用于向本地IED发送相关虚端子信息;另一种是接收终端,从本地IED获取相关虚端子信息。

2)解析选定IED的某LD只能以LN0子节点Inputs的形式,遍历虚连接[14]。每个虚连接包含输入与输出虚端子、设计细节信息,用于表征2个IED间的输入与输出关系。将上述信息融合进LD虚连接List链表。

3)搭建本地IED的List链表信息,包括发送终端List链表、接收终端List链表。

2.2 宏连接网络的搭建

为表示接收终端下,某LD获取的信息来自于某设备的一组同源逻辑虚回路[15],本文提出了“宏连接”的概念。宏连接由发送终端、接收LD与虚连接方向个数信息组成。发送源的组成情形较为复杂,主要包括3类:

1)发送终端CL2203从发送设备IL2203A(智能终端)发送LD的2个控制块:gocb1与gocb0接收1组虚端子,其中gocb0与gocb1用于保护GOOSE(面向通用对象变电站事件);

2)同一接收单元LD(GOLD)接收来自ML2203A(220 kV合并单元)和发送LD(PI)的2组虚端子;

3)某终端的多个接收LD可以获取到多个发送LD控制模块输出的虚端子信息。由于各组虚端子不同,故需指明IED的发送控制模块。同样,接收终端的发送控制模块可将输出虚端子信息回馈给发送模块,从而实现两终端间的对向沟通。

2.3 虚端子排序分组问题

为了解决虚连接读取查阅混乱问题,本次对虚连接的虚端子使用排序分组算法进行处理,如下所示:遍历IED所有虚连接,筛选所有发送IED;寻找发送IED与本地IED间的所有虚连接并归类;将对类的虚连接按输出虚端子升序排列;在GUI界面中,从上至下排列显示所有发送IED与其输出虚端子。

3 实验与分析

操作系统选用Ubuntu,屏幕分辨率为3 648×2 734,系统核心处理器的主频为3.4 GHz,硬件接口采用DSC,编码器接口为ADEV。使用CAN数据总线,并采用高效节能的电源转换器:工作电压(220±15)V,工作电流稳定在约750 mA。在操作系统中,使用Qt设计智能变电站SCD虚拟回路的可视化对比技术。

在实验平台中,EMF会根据IEC 61850-6中定义的XML模式自动生成模型的Java代码表示,其还为SCD文件生成XML解析器,该解析器是为此模型量身定制的。SCD解析器的输出是一个模型实例(Java对象的层次结构),可以在软件中查询和操纵该实例。该种方法的优势是:1)自动生成类层次结构;2)自动创建对象并使用SCD文件中的数据填充;3)EMF完全自动化验证文件的状态。这样就有效解决了手动创建IEC 61850-6中定义类层次结构并编写模型函数耗时较长的问题。此外,使用以模型为中心的工具可确保平台更轻松地适应SCD文件的改动。

3.1 性能实验

从表1可以看出,随着实验的进行,本设计方案的性能也发生了显著的变化。软件运行1 h,CPU占用率较低,系统数据刷新率处理较快。随着时间的进行,本软件将占用更多的计算机资源。总体而言,由于SCD文件系统的庞大,对于计算机多线程处理问题的能力要求较高,故对CPU的占用率偏高。随着时间增长,软件的运行平稳速度有所下降,未影响检修人员的日常操作。

表1 软件运行速率Table 1 Software operation rate

3.2 方案可靠性验证

在实际的物理系统中,基于SCD文件可视化系统对比技术,验证其有效性和可靠性,对3种智能变电站的SCD文件可视化对比系统做识别检测实验。针对断路合并单元ML2203A、断路器智能终端IL2203A、断路器合并单元ML2203B为核心的3种不同智能变电站SCD网络,随机选取未经培训的6组变电站检修人员,使用本软件寻找故障元件或线路。

实验结果表明,在没有减少负载的情况下,总负载功率超过了可用的发电容量,且系统频率迅速下降。根据电力系统的保护政策,系统会触发电网内部设备的低频保护,并切断所有负载的供电。

对比软件可靠性验证实验结果数据(图3),其中,ML2203A-1表示针对ML2203A所属SCD网络的第一次实验。可以看出,未经训练的检修人员使用本软件,可以排查出大多数问题,识别正确率接近100%。而对于正常元件的误识别率低于5%,这是由于人员对对比软件操作的不熟悉而导致的。在今后的应用中,除了加强对检修人员的培训外,仍需优化软件的交互逻辑与容错保障系统[16]设计。