熊華強 ，萬 勇 ，桂小智 ，杜 科 ，葉 飛

（1.江西省電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.北京博電新力電氣股份有限公司，北京 100098；3.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096）

0 引言

智能變電站是國家智能電網(wǎng)規(guī)劃下變電環(huán)節(jié)的重要建設目標。智能變電站配置描述（SCD）文件是反映智能變電站系統(tǒng)配置信息的重要工具，主要針對變電站內(nèi)一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各智能電子設備（IED）配置參數(shù)及IED之間的通信配置等信息。SCD文件的規(guī)范性與正確性是變電站安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，而SCD文件的解析、校驗和比對工作是SCD文件應用的基礎。當前這方面的主要問題包括：基于變電站配置語言（SCL）編寫的SCD文件可閱讀性差，不利于現(xiàn)場運維檢修人員理解［1］；系統(tǒng)調(diào)試需要頻繁升級SCD文件，且現(xiàn)有的SCD文件版本管控方法粗放，不能完整描述升級的細節(jié)；IEC61850標準規(guī)定IED配置描述（CID）文件是裝置的運行配置文件，但CID文件中發(fā)送裝置的過程層通信參數(shù)不完整，且在智能變電站擴建過程中，SCD文件的修改會造成全站IED通信結(jié)構(gòu)的變化［2-3］。

目前針對智能變電站SCD文件或運行設備的配置文件在實際應用中可讀性差的問題，研究人員設計改進的SCL系統(tǒng)配置工具，可以實現(xiàn)可縮放矢量圖形（SVG）的編輯。通過對SCD文件的解析，可以借助圖表等圖形化的形式來展示信息，如二次設備表、IED的實例配置、通信配置信息、GOOSE配置、虛端子連接關(guān)系等［4］，或同時依托AutoCAD的二次開發(fā)技術(shù)生成各類施工圖紙［5］。在檢驗SCD文件所描述的模型及其語法和配置參數(shù)的正確性和設計規(guī)范性方面，主要成果包括：基于schema的可擴展標記語言（XML）索引［6］以保證 SCD 文件的信息完整，基于IEC61850的一致性測試方案以確保離線狀態(tài)下信息的一致性、合法性以及互聯(lián)的正確性［7-8］，在線檢驗IED配置文件與SCD文件的一致性。在智能變電站SCL建模、配置和檢測工具日臻完善的同時，配置文件的比對工具也取得一定的發(fā)展。定義關(guān)鍵元素的比較判據(jù)，利用循環(huán)、排序、交叉對比的方法，可迅速查找出變更前后2個SCD文件的差異性［9］。

本文基于C++設計了SCD文件可視化管理系統(tǒng)，并引入基于位置的文本文件對比算法，設計了SCD文件的比對系統(tǒng)，通過前后不同版本的SCD文件的對比，可自動生成一套合理的檢修策略，形成了一套完整的可視化管理和比對檢查決策系統(tǒng)。

1 SCD文件可視化管理和分析決策系統(tǒng)

SCD文件可視化管理和分析決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特征在于通過對典型SCD文件或運行設備的配置文件的圖形化處理來提高文件的可讀性，以檢查系統(tǒng)和比對系統(tǒng)為基礎平臺，合理評估出檢修策略作為文件分析決策的結(jié)果；從文件的編輯、存儲、版本的管理到檢查檢修圖紙及報告的生成均為可視化操作。

圖1 可視化管理與分析決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of visual management and analytical decision system

2 SCD文件可視化管理

SCL是變電站內(nèi)數(shù)據(jù)交換的標準語言，而SCD文件是符合SCL規(guī)范的文件，是全站唯一的配置文件。本文系統(tǒng)的組態(tài)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組態(tài)流程圖Fig.2 Flowchart of system configuration

2.1 SCD文件結(jié)構(gòu)分析

SCD文件描述了變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、所有IED的實例配置信息、通信訪問點的位置及地址和所有IED間信號聯(lián)系信息等［10］。SCD文件主要由5個元素組成，具體包括：信息頭（Header）用于標識SCD文件的配置版本號和規(guī)定有關(guān)名字與信號之間的映射；變電站描述（Substation）主要描述變電站的功能結(jié)構(gòu)、一次設備及一次拓撲；IED描述（IED）主要描述各個IED的配置及其功能，包含訪問點（Access Point）、邏輯設備（LDevice）、邏輯節(jié)點（LNode）、數(shù)據(jù)對象等信息；通信系統(tǒng)描述（Communication）通過邏輯總線和IED訪問點來描述通信網(wǎng)絡的連接關(guān)系；數(shù)據(jù)類型模板（Data Type Templates）描述了SCD文件中邏輯節(jié)點類型、數(shù)據(jù)對象類型、數(shù)據(jù)屬性類型和枚舉類型。

SCL是智能變電站的全站配置文件的基礎，由XML發(fā)展而來，是XML在電力系統(tǒng)中的應用。XML的解析方法主要包括：文檔對象模型DOM（Document Object Model）；用于 XML 的簡單 API SAX（Simple API for XML）；基于“拉”模式的解析 XPP（XML Pull Parser）。DOM以其原理簡單、易用性強得到廣泛應用［11-12］。DOM為樹狀結(jié)構(gòu)視圖，從一次設備角度看，分為變電站、電壓等級、間隔、一次設備、邏輯節(jié)點等層次；從二次設備的角度看，分為IED、訪問點、邏輯設備、邏輯節(jié)點等。變電站的DOM如圖3所示［13］。

根據(jù)SCD文件中定義的元素、屬性、注釋和控制指令等不同的內(nèi)容進行分解，以節(jié)點樹的形式表示DOM。DOM中每個結(jié)點對應模型中的一個對象，并且根據(jù)對象提供的編程接口進行訪問操作。查找結(jié)點、遍歷文檔可以實現(xiàn)以DOM樹的形式讀取SCD文件，同時對結(jié)點進行添加、刪除及替換等操作可以重構(gòu)新的DOM樹，即完成了解析過程。

2.2 SCD文件可視化

典型的變電站全站系統(tǒng)配置SCD文件通常以文本的格式給出，少則上十萬行，多則百萬行，給運維人員的理解與檢查帶來極大的不便。以SCL模型樹的形式編輯SCD文件能夠使文件具有層次性，在實際應用中便于理解。然而，當出現(xiàn)變電站一次設備拓撲較為龐大、IED數(shù)目繁多、非層次結(jié)構(gòu)的通信子網(wǎng)和訪問點復雜的情形時，其在可閱讀性方面同樣存在劣勢。因此，SCD文件的圖形化及端子和回路的可視化對于提高SCD文件可讀性具有重要意義。

圖3 對象模型Fig.3 Object model

SVG是一種基于XML的開放的二維圖形描述語言，其出現(xiàn)為電力系統(tǒng)應用的網(wǎng)絡圖形化實現(xiàn)提供了新的思路和技術(shù)手段［14］。本系統(tǒng)基于程序語言C++動態(tài)生成SVG文件，而SVG文件基于純文本的特性，擁有類似文本文件的可檢索性。此外，SVG文件的DOM將文件分解為獨立的元素、屬性和注釋等，允許腳本語言訪問所有元素及其屬性，并支持大量事件句柄的響應，從而容易實現(xiàn)對自身或?qū)ζ渌氐目刂啤?/p>

本系統(tǒng)通過添加圖形編輯工具以及SVG模塊，可繪制與編輯SCD文件中的變電站描述、IED描述、通信系統(tǒng)描述等元素，并能夠以SVG技術(shù)對圖形化后的變電站模型等文件進行存儲，實現(xiàn)SCD文件的可視化管理。變電站描述可以顯示不同電壓等級的電力變壓器、相關(guān)輸電線路與母線，且電壓等級和間隔可以標注在元件附近。電子互感器等IED不僅有各自的圖形，且可以對其GOOSE和采樣值（SMV）控制塊進行圖形化配置。此外，虛端子連線等抽象的概念也可以得到可視化的展示。

3 分析決策系統(tǒng)

分析決策系統(tǒng)由檢查系統(tǒng)、比對系統(tǒng)以及檢修策略生成系統(tǒng)構(gòu)成。本系統(tǒng)開發(fā)的分析決策系統(tǒng)主要有以下特點：基于位置的文本文件比較算法設計的SCD文件比對系統(tǒng)；基于專家評估系統(tǒng)的檢修策略生成系統(tǒng)。

3.1 SCD文件比對系統(tǒng)

SCD不同版本文件的對比與普通文件的比較算法不同，其特殊之處是比對的意義在于發(fā)現(xiàn)不一致的參數(shù)及回路，供調(diào)試人員重點進行測試，避免調(diào)試過程中的項目遺漏和重復工作。SCD文件比對的重點在于前后版本的變化內(nèi)容，然而常見的基于圖論的文本文件比較算法雖然可以計算出最大的匹配率或最優(yōu)的路徑，但是考慮到圖論理論的復雜性以及SCD文件比對的特殊性，引入適用于監(jiān)控等系統(tǒng)的基于位置的文本文件比較算法［15］。

基于位置的文本文件比較算法遵循位置優(yōu)先原則：對每個元素在文件中的位置設置優(yōu)先權(quán)，在匹配過程中，位置排在前面的元素優(yōu)先進行匹配。且當2個元素都可以進行匹配，但是不能同時匹配時，也會優(yōu)先考慮前面的元素。

假設源文件有m個元素，而更新后的目標文件有 n個元素，數(shù)組 FP［m］和 LP［n］分別存放源文件和目標文件中每個元素的標志位。首先通過將源文件的所有元素與目標文件進行比較，得到賦值后的FP［m］和LP［n］；再選取出 FP［m］中遞增元素最多的標志位并修改 FP［m］；最后根據(jù) FP［m］和 LP［n］中的元素進行相應的“刪除”和“插入”操作。算法流程具體如下。

a.令源文件位置i=0。

b.令目標文件位置j=i。

c.如果 FP［i］=LP［j］，則 LP［j］=1、FP［i］=j；否則 LP［j］=-1、FP［i］=-1。

d.記錄FP［m］中每個元素之后元素遞增個數(shù)，遞增元素個數(shù)最多的起始元素下標記為k。

e.FP［k］前面的元素的值全改為 -1，其后面非遞增的元素的值也改為-1。

f.數(shù)組FP［m］中為-1的元素為“刪除”的元素，數(shù)組LP［n］中為-1的元素為“插入”的元素。

g.如果i

通過基于位置的文本文件比對算法，可以查找出IED數(shù)據(jù)類型等信息差異以及虛回路條目的不一致性等其他文件內(nèi)容的變化，在圖形化SCD文件中表示出來，并可以生成詳細的比對結(jié)果。

3.2 檢修策略生成系統(tǒng)

電力系統(tǒng)通常采用計劃檢修、事故檢修和狀態(tài)檢修幾種檢修策略。事故檢修是指檢修工作發(fā)生在事故發(fā)生之后，計劃檢修的特點是檢修周期以時間為基準，與設備狀態(tài)無關(guān)，這2種檢修策略都需要投入大量的人力物力，經(jīng)濟效益低下，不能滿足當下電力系統(tǒng)的要求。

本文設計的檢修策略生成系統(tǒng)，其核心是內(nèi)部的專家評估系統(tǒng)。專家評估系統(tǒng)能夠調(diào)用SCD文件的檢查系統(tǒng)以及比對系統(tǒng)給出的結(jié)果程序，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中歷史運行數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，根據(jù)編寫的評估算法，綜合評價當前變電站的設備運行狀態(tài)，進而提出合理的檢修策略。針對多目標復雜的決策問題，僅依靠主觀分析難以做出正確的判斷，本系統(tǒng)所運用的評估算法主要是層次分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）。

層次分析法充分考慮了定性因素的影響，結(jié)合專家的經(jīng)驗判斷，將其融入到遞階層次結(jié)構(gòu)中，從而對問題進行綜合分析評判，運用數(shù)學方法形成判斷矩陣，經(jīng)過計算得到量化的結(jié)果［16］。

以二次設備檢查及檢修為例，專家評估系統(tǒng)能夠根據(jù)檢修的結(jié)果報告，以設備的運行狀態(tài)和其對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響程度等為評價標準，對設備運行年份、家族缺陷及安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等各項指標進行評分，構(gòu)造判斷矩陣，計算得出方案層中各檢修方案的權(quán)重，比重最大的即為檢修策略生成系統(tǒng)的最終結(jié)果。

變電站二次設備運行狀態(tài)可分為正常運行狀態(tài)、可靠性下降狀態(tài)、危險狀態(tài)3種。而按工作性質(zhì)內(nèi)容及工作涉及范圍，檢修工作分為A類檢修、B類檢修、C類檢修。A類檢修為停電檢修，是指對二次設備的整體更換及試驗；B類檢修為停電檢修，是指設備裝置或二次回路的部件（如電源插件、繼電器）等更換及試驗；C類檢修是對二次設備在不停電狀態(tài)下進行的帶電測試、外觀檢查和維修。

對評價為正常狀態(tài)的二次設備，執(zhí)行C類檢修；對評價為可靠性下降狀態(tài)的二次設備，日常仍執(zhí)行C類檢修，結(jié)合實際情況安排一次設備停電下的B類檢修；當二次設備的評價等級為危險狀態(tài)時，應當根據(jù)評價結(jié)果和設備運行年限，執(zhí)行A類檢修或B類檢修。

4 實例應用與功能測試

所開發(fā)的系統(tǒng)已在多個變電站投入運行，本節(jié)以其在北海220 kV變電站的具體應用來說明可視化管理在SCD文件管控方面的優(yōu)越性以及在提升工作效率方面的有效性。

4.1 SCD文件可視化管理測試

SCD文件的可視化管理注重對典型的文本型SCD文件進行圖形化處理，直觀展示變電站一次設備及其拓撲結(jié)構(gòu)、IED間的物理連線、GOOSE/SMV控制塊虛端子連線以及變電站各母線電壓等級、控制塊參數(shù)或通信參數(shù)等。重點從以下幾個方面說明可視化管理軟件對北海220 kV變電站的圖形化展示。

a.變電站描述。

變電站描述部分主要描述變電站一次結(jié)構(gòu)信息，包含變電站電壓等級劃分（Voltage Level）節(jié)點、間隔的劃分（Bay）節(jié)點、每個間隔中的一次設備（Conducting Equipment）節(jié)點、各一次設備的連接點信息（Connectivity Node）節(jié)點等。

b.GOOSE/SMV控制塊信息。

從變電站圖形化的主接線圖，依次可以進入不同電壓等級下，不同間隔下的一次設備及其網(wǎng)絡拓撲。在二次回路中，點擊IED中GOOSE/SMV控制塊，可以看到包括控制塊連線與控制塊參數(shù)在內(nèi)的信息，GOOSE/SMV控制塊連線如圖4所示。

圖4 GOOSE/SMV控制塊連線Fig.4 Connections between GOOSE/SMV control blocks

c.虛端子連接信息。

在邏輯節(jié)點元素中，通過Inputs元素描述了本IED的虛端子與其他IED的虛端子的互聯(lián)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 虛端子連接圖Fig.5 Connections between virtual terminals

4.2 分析決策系統(tǒng)功能測試

通過對北海220 kV變電站的SCD文件進行校驗分析，比對更新后的文件與文件的區(qū)別，自動生成檢修策略以驗證分析決策系統(tǒng)是否達到預期設計的要求。

4.2.1 SCD文件規(guī)范性檢查測試

分析決策系統(tǒng)的SCD文件規(guī)范性檢查測試主要包括IED連線、GOOSE/SMV虛端子連線、控制塊通信參數(shù)與數(shù)據(jù)集以及數(shù)據(jù)類型等相關(guān)錯誤與告警。檢查出的不規(guī)范、不合理的地方以橙色數(shù)字的形式標注在圖形化SCD文件上，點擊標識出的控制塊等區(qū)域，可以查看具體的參數(shù)、數(shù)據(jù)類型錯誤，如圖6所示。檢查出的參數(shù)異常系統(tǒng)會以紅色字體進行標記，為便于閱讀，圖6中以加粗字體顯示。檢查與檢修欄目用于生成詳細的檢查結(jié)果，詳見圖7。

圖6 圖形化標注與檢查結(jié)果對話框Fig.6 Graphical annotation and inspection result box

4.2.2 SCD文件版本比對系統(tǒng)測試

分析決策系統(tǒng)的SCD文件版本比對系統(tǒng)測試側(cè)重于比對變電站IED的添加與替換、虛回路變化和控制塊參數(shù)、SCD文件數(shù)據(jù)類型的變更。比對系統(tǒng)將前后版本的差異在更新后的圖形化SCD文件上以紅色數(shù)字的形式標注出，點擊標識出的控制塊等區(qū)域，查看前后版本變更的環(huán)節(jié)，如圖8所示。檢查出的參數(shù)變更會以紅色字體進行標記，為便于閱讀，圖8中以加粗字體顯示。比對及檢修欄目生成的詳細比對結(jié)果見圖9。

4.2.3 檢修策略生成系統(tǒng)測試

圖7 詳細檢查結(jié)果Fig.7 Detailed inspection results

圖8 圖形化標注與比對結(jié)果對話框Fig.8 Graphical annotation and comparison result box

圖9 詳細比對結(jié)果Fig.9 Detailed comparison results

分析與決策系統(tǒng)的檢修策略生成系統(tǒng)主要是在檢查和比對系統(tǒng)的基礎上，根據(jù)規(guī)范性檢查和版本比對系統(tǒng)生成的結(jié)果報告，基于系統(tǒng)的專家評估系統(tǒng)，初步給出合理有效的檢修策略。以根據(jù)檢查系統(tǒng)生成檢修策略為例，結(jié)果參見圖7。

5 結(jié)論

本文深入分析了SCD文件結(jié)構(gòu)和解析過程，介紹了基于C++語言開發(fā)的SCD文件可視化及比對檢查決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對SCD文件的可視化處理，增強SCD文件的可閱讀性；基于位置的文本文件比較算法有效地比對了不同版本的文件，找出區(qū)別以提高運維檢修人員的工作效率。同時，檢修策略生成系統(tǒng)可以配合對比系統(tǒng)，根據(jù)不同版本文件的差異，自動給出合理的檢修策略。通過實例展示，驗證了軟件的正確性及其實踐意義。