高 磊 ，劉 玙 ，袁宇波 ，王曉坤

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2.南京智網(wǎng)信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211009）

0 引言

智能變電站與常規(guī)變電站相比具有信號(hào)數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)優(yōu)勢，采用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，光纖替代了80%以上的電纜。常規(guī)變電站一般通過電纜號(hào)牌來標(biāo)定回路號(hào)和端子號(hào)，通過紙質(zhì)圖紙表達(dá)回路原理和接線，用于施工調(diào)試和運(yùn)維作業(yè)。智能變電站二次回路原理的設(shè)計(jì)改為光纜聯(lián)系圖和變電站配置描述 SCD（Substation Configuration Description）文件表達(dá)，二次回路的原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化［1-5］。采樣值、保護(hù)控制信號(hào)均采用數(shù)字編碼、光纖傳輸，物理介質(zhì)與信號(hào)存在“一對多”的關(guān)系，1根纖芯中同時(shí)傳輸幾十個(gè)不同的信息，而光纖光纜沿用了電纜號(hào)牌或采用常規(guī)標(biāo)簽，僅描述了光纜的起點(diǎn)、終點(diǎn)位置和光纜編號(hào)，所能描述的信息較單一。調(diào)試和運(yùn)維人員在檢修校驗(yàn)或排查故障時(shí)，往往需要交替查閱SCD文件和光纜聯(lián)系圖；施工人員在打印標(biāo)簽時(shí)也要翻閱光纜聯(lián)系圖逐條輸入，工作繁瑣，沒有充分發(fā)揮二次回路原理設(shè)計(jì)數(shù)字化的優(yōu)勢。

本文針對上述問題提出了基于二維碼［6-10］的智能變電站光纜標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案，制定了光纜標(biāo)簽的格式，闡述了二維碼光纜標(biāo)簽的生成和解析模塊的實(shí)現(xiàn)方法。標(biāo)簽生成系統(tǒng)模塊（下文簡稱生成模塊）將設(shè)計(jì)的二次回路物理信息和邏輯信息存入數(shù)據(jù)庫，生成標(biāo)簽文件，打印二維碼標(biāo)簽；手持終端解析模塊（下文簡稱解析模塊）以二維碼為入口，通過手持終端以現(xiàn)場掃描方式，快速展示光纜連接信息和光纜中傳輸?shù)奶摶芈沸畔?，將信?hào)查找時(shí)間由原來的幾分鐘縮減為幾秒鐘，實(shí)現(xiàn)“即掃即看”。該方案充分利用了智能變電站二次回路設(shè)計(jì)數(shù)字化的優(yōu)勢，能夠有效解決智能變電站現(xiàn)場工作無法直觀獲取二次回路原理信息的問題，極大提高了施工、調(diào)試、運(yùn)維的效率及正確性，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)過程層物理回路與邏輯回路的“虛實(shí)對應(yīng)”。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)應(yīng)用流程

基于二維碼的智能變電站光纜標(biāo)簽系統(tǒng)分為生成模塊軟件和解析模塊軟件2個(gè)部分：設(shè)計(jì)單位使用生成模塊軟件設(shè)計(jì)變電站二次系統(tǒng)接線，生成全站設(shè)計(jì)圖紙（光纜聯(lián)系圖、虛端子圖、SCD文件等）、手持終端數(shù)據(jù)庫和標(biāo)簽文件，提供給施工調(diào)試單位；施工單位使用標(biāo)簽文件打印光纜標(biāo)簽；調(diào)試單位將數(shù)據(jù)庫下載到手持終端中，既可查閱整站的物理和虛回路連接信息，也可通過二維碼標(biāo)簽掃描獲取指定的物理和虛回路連接信息。

1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用流程的要求，光纜標(biāo)簽系統(tǒng)分為生成模塊和解析模塊開發(fā)，軟件的總體架構(gòu)如圖1所示。

生成模塊運(yùn)行在PC機(jī)側(cè)，包含二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能、標(biāo)簽數(shù)據(jù)生成功能和標(biāo)簽打印功能，分別用于配置生成完整的變電站二次系統(tǒng)連接信息，生成手持終端數(shù)據(jù)庫和光纜標(biāo)簽文件。

設(shè)計(jì)單位使用智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能完成變電站物理接線和虛回路設(shè)計(jì)工作，并生成全站設(shè)計(jì)圖紙資料（包括光纜聯(lián)系圖、虛端子表、全站SCD文件等），生成的設(shè)計(jì)資料均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。使用標(biāo)簽數(shù)據(jù)生成功能從數(shù)據(jù)庫中獲取變電站物理配置信息和虛回路配置信息，整理成后期打印標(biāo)簽和解析標(biāo)簽所需的數(shù)據(jù)格式，生成標(biāo)簽文件，包括光纜、尾纜標(biāo)簽，纖芯標(biāo)簽和光配口標(biāo)簽3個(gè)文件；另一方面把數(shù)據(jù)庫文件轉(zhuǎn)換成手持終端便于加載和識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫文件，在庫中存儲(chǔ)光纜物理連接信息和虛回路信息。

圖1 光纜標(biāo)簽系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture of optical cable label system

光纜標(biāo)簽文件格式為Excel表格方式，標(biāo)簽打印功能使用第三方的標(biāo)簽打印機(jī)自帶軟件實(shí)現(xiàn)，標(biāo)簽打印機(jī)軟件能夠鏈接Excel格式的光纜標(biāo)簽文件，編輯標(biāo)簽格式模板后，直接打印出光纜標(biāo)簽。

標(biāo)簽數(shù)據(jù)解析功能和標(biāo)簽掃描功能運(yùn)行于iPad上，主要用于圖形化展示變電站配置、二次系統(tǒng)連接信息以及二維碼標(biāo)簽掃描。展示內(nèi)容包括小室布置、屏柜配置、光纜聯(lián)系、纖芯連接、虛端子信息。使用標(biāo)簽掃描功能，掃描光纜標(biāo)簽上的二維碼，二維碼中的標(biāo)記字符類型若屬于光纜二維碼則展示光纜中的纖芯信息，若屬于纖芯二維碼則展示該纖芯中的虛端子信息，并支持各級信息導(dǎo)航瀏覽。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)二維碼光纜標(biāo)簽系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，將智能變電站站內(nèi)的二次系統(tǒng)信息分解為如表1所示的數(shù)據(jù)庫表，由設(shè)計(jì)單位在生成模塊中使用二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能完成數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，并存儲(chǔ)在PC機(jī)上，使用標(biāo)簽數(shù)據(jù)生成功能將數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換成iPad手持終端易于解析的sqlite數(shù)據(jù)庫文件，同時(shí)導(dǎo)出Excel格式的標(biāo)簽文件。

2 光纜標(biāo)簽格式設(shè)計(jì)

2.1 光纜標(biāo)簽

光纜標(biāo)簽用于標(biāo)示屏柜間的光纜信息。標(biāo)簽上的文字信息主要描述光纜的起點(diǎn)屏柜、終點(diǎn)屏柜、光纜編號(hào)、光纜規(guī)格等基本信息；標(biāo)簽上的二維碼是光纜的數(shù)據(jù)庫入口，可以通過二維碼標(biāo)簽掃描，快速展現(xiàn)該光纜內(nèi)的纖芯信息。光纜的標(biāo)簽樣式如圖2所示，圖中S表示起點(diǎn)，E表示終點(diǎn)，后同。

2.2 光纖標(biāo)簽

裝置端口光纖標(biāo)簽用于標(biāo)示裝置端口處所連接的纖芯信息。標(biāo)簽上的文字信息主要描述光纖的起點(diǎn)端口、終點(diǎn)端口、所屬光纜編號(hào)、光纖序號(hào)等基本信息；標(biāo)簽上的二維碼是光纖的數(shù)據(jù)庫入口，可以通過二維碼標(biāo)簽掃描，搜索光纖回路和虛回路的關(guān)系，快速展現(xiàn)該光纖中傳輸?shù)木唧w虛回路信息，并且可以進(jìn)一步了解纖芯連接端口所屬裝置的全部虛端子信息。光纖的標(biāo)簽樣式如圖3所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表Table 1 System databases

圖2 光纜標(biāo)簽樣式Fig.2 Format of optical cable label

圖3 光纖標(biāo)簽樣式Fig.3 Format of optical fiber label

2.3 光纖配線架標(biāo)簽

光纖配線架（ODF）標(biāo)簽用于標(biāo)示光配端口所熔接的纖芯信息。光纖配線架標(biāo)簽與光纖標(biāo)簽格式類似，由于受到粘貼面積限制，對標(biāo)簽上的文字信息進(jìn)行了簡化，省略了屏柜信息，縮短了標(biāo)簽長度，便于粘貼在光纖配線架專用的標(biāo)簽卡內(nèi)。光纖配線架的標(biāo)簽樣式如圖4所示。

圖4 光纖配線架標(biāo)簽樣式Fig.4 Format of ODF label

3 光纜標(biāo)簽生成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)單位使用的變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能：首先構(gòu)建變電站二次系統(tǒng)物理位置、裝置型號(hào)、裝置配置、組屏方案的信息模型；然后構(gòu)建變電站二次系統(tǒng)回路原理，包括裝置、交換機(jī)間的端口連接關(guān)系及所傳輸?shù)男畔㈩愋?，軟件根?jù)回路原理建模的信息，識(shí)別出屏柜連接關(guān)系及屏柜間所需的纖芯數(shù)，按照同一小室內(nèi)使用尾纜、不同小室和戶外場地內(nèi)使用光纜的原則選擇光纜或尾纜，按照軟件設(shè)定的工程光纜、尾纜規(guī)格分配光纜和尾纜的最終纖芯數(shù)；最后構(gòu)建變電站的邏輯回路虛端子連接信息。軟件將工程中所有的裝置與智能電子設(shè)備（IED）能力描述ICD（IED Capability Description）文件關(guān)聯(lián)，解析出通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录礼OOSE（Generic Object Oriented Substation Event）以及采樣值 SV（Sampled Values）虛端子，然后根據(jù)回路原理建模時(shí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，識(shí)別出有信息交互的裝置及其連接端口，由設(shè)計(jì)軟件依次選擇輸入和輸出虛端子，完成邏輯回路建模。

3.2 標(biāo)簽數(shù)據(jù)文件生成

與光纜標(biāo)簽格式設(shè)計(jì)對應(yīng)，標(biāo)簽數(shù)據(jù)文件分為光纜標(biāo)簽文件、光纖標(biāo)簽文件和光纖配線架標(biāo)簽文件3種類型。

光纜標(biāo)簽文件按屏柜輸出屏柜間光纜連接信息。軟件從數(shù)據(jù)庫中遍歷屏柜的光纜信息，包括起點(diǎn)屏柜名稱、終點(diǎn)屏柜名稱、光纜編號(hào)和規(guī)格，二維碼標(biāo)簽中的內(nèi)容是光纜標(biāo)記字符、起點(diǎn)屏柜索引和光纜名稱索引。

光纖標(biāo)簽文件按光纜所連接跳纖或尾纜纖芯，輸出裝置端口連接信息。軟件從數(shù)據(jù)庫中遍歷每個(gè)光纜的纖芯信息，包括起點(diǎn)和終點(diǎn)的屏柜、裝置，端口名稱和端口間所連接的纖芯所屬光纜編號(hào)、纖芯序號(hào)。二維碼標(biāo)簽中的內(nèi)容是纖芯標(biāo)記字符、起點(diǎn)端口索引。光纖標(biāo)簽文件如表2所示，纖芯二維碼一列即所生成的二維碼字符串信息。

光纖配線架標(biāo)簽文件與光纖標(biāo)簽文件的生成方法類似，只是在最終打印標(biāo)簽時(shí)使用光纖配線架標(biāo)簽?zāi)０宕蛴　?/p>

表2 光纖標(biāo)簽文件Table 2 File of optical fiber labels

3.3 二維碼標(biāo)簽生成

二維碼標(biāo)簽由標(biāo)簽打印機(jī)的編輯軟件生成：首先使用標(biāo)簽打印機(jī)提供的打印軟件按照光纜標(biāo)簽格式編輯標(biāo)簽?zāi)０澹蝗缓笫褂么蛴≤浖臄?shù)據(jù)庫連接功能將模板中的數(shù)據(jù)與標(biāo)簽文件的列數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；最后選擇需要打印的標(biāo)簽文件數(shù)據(jù)，完成標(biāo)簽打印。標(biāo)簽中二維碼由打印機(jī)編輯軟件將標(biāo)簽數(shù)據(jù)文件中的二維碼標(biāo)簽字段編碼生成，打印出的標(biāo)簽見圖5。

圖5 打印標(biāo)簽示例Fig.5 A printed label

4 光纜標(biāo)簽解析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 手持終端數(shù)據(jù)解析功能

系統(tǒng)提供調(diào)試單位使用的手持終端數(shù)據(jù)解析功能。手持終端為ipad，數(shù)據(jù)庫采用sqlite文件數(shù)據(jù)庫，采用IOS7以上系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境采用XCODE 6.1。

解析功能的實(shí)現(xiàn)如圖6所示，通過軟件設(shè)置功能加載工程數(shù)據(jù)庫，支持物理信息解析、光纜信息解析、纖芯信息解析和虛端子信息解析。

圖6 解析功能模塊Fig.6 Analysis module

界面采用IOS系統(tǒng)提供的UIKit框架實(shí)現(xiàn)：使用視圖控制器作為基礎(chǔ)容器，界面之間的切換使用導(dǎo)航控制器作為子容器實(shí)現(xiàn)，界面中的圖形采用可縮放矢量圖形（SVG）格式生成，圖形中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫接口，從sqlite數(shù)據(jù)庫中獲取，圖形的展示、超鏈接導(dǎo)航使用Web視圖控件加載瀏覽器實(shí)現(xiàn)。

4.2 虛實(shí)對應(yīng)數(shù)據(jù)搜索的實(shí)現(xiàn)

解析功能的核心是裝置端口與虛端子的虛實(shí)對應(yīng)功能，并將數(shù)據(jù)最終顯示在用戶界面中，其搜索方法如圖7所示。通過纖芯端口在數(shù)據(jù)庫信息邏輯表中獲取整個(gè)回路原理的路徑，通過虛端子連接表獲取回路原理中兩側(cè)設(shè)備的虛端子關(guān)聯(lián)記錄，根據(jù)回路原理類型、網(wǎng)絡(luò)類型最終確定纖芯中傳輸?shù)奶摱俗有畔ⅰ?/p>

4.3 二維碼標(biāo)簽掃描功能

二維碼掃描功能使用IOS系統(tǒng)的AV視頻框架實(shí)現(xiàn)，打開手持終端的攝像頭，獲取二維碼標(biāo)簽上的二維碼圖像，之后使用ZBar二維碼解析庫解析該二維碼圖像獲取編碼字符，根據(jù)字符中的光纜標(biāo)記字符和纖芯標(biāo)記字符，分別進(jìn)入光纜纖芯解析界面和纖芯虛端子解析界面，完成二維碼標(biāo)簽掃描功能。

圖7 虛實(shí)對應(yīng)搜索方法Fig.7 Flowchart of virtual-physical terminal matching

5 結(jié)語

本文針對目前智能變電站二次系統(tǒng)過程層光纜標(biāo)簽只能表達(dá)裝置物理連接關(guān)系，無法直觀地表達(dá)二次系統(tǒng)虛回路信息的問題，提出了基于二維碼的光纜標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，方案包括生成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法和解析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。

針對生成系統(tǒng)開發(fā)了二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能和二維碼標(biāo)簽生成功能軟件，與目前常用的標(biāo)簽打印機(jī)接口，完成現(xiàn)場標(biāo)簽的打印工作。針對解析系統(tǒng)開發(fā)了手持終端數(shù)據(jù)解析功能和二維碼標(biāo)簽掃描功能，直接將手持終端數(shù)據(jù)庫通過圖形化的界面展示給調(diào)試人員，界面中能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)的對應(yīng)，通過掃描現(xiàn)場的二維碼光纜標(biāo)簽，直接獲取調(diào)試人員關(guān)心的信息，提高了調(diào)試和運(yùn)維的效率。