錢 海，楊 飛，于同偉，盧盛陽，李麗群

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

智能變電站SCD文件解析結(jié)果存儲方案研究及應(yīng)用

錢 海1，楊 飛1，于同偉2，盧盛陽2，李麗群3

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

基于web管控系統(tǒng)中對智能變電站SCD文件的可視化展示需求，探究基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的SCD文件解析結(jié)果存儲方案，提出了以面向海量數(shù)據(jù)訪問的面向文檔的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將SCD解析結(jié)果以不同文件形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，滿足不同類型信息的可視化要求。文中給出了基于SVG、json等數(shù)據(jù)格式存儲在MongoDB非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的存儲方案，并在國網(wǎng)遼寧省電力有限公司的管控平臺中進行應(yīng)用，滿足用戶SCD文件可視化高速瀏覽需求。

智能變電站；非關(guān)系數(shù)據(jù)庫；SCD；可視化；存儲方案

隨著智能變電站的推廣應(yīng)用，以智能變電站工程配置文件SCD為核心的智能變電站二次系統(tǒng)的數(shù)字化資料管控系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用。管控系統(tǒng)的意義在于通過對智能變電站工程在設(shè)計、集成、調(diào)試、施工、驗收和運維等環(huán)節(jié)對SCD等資料的修改跟蹤及版本管理，實現(xiàn)SCD文件在智能變電站整個生命周期內(nèi)的配置一致性，從而確保智能變電站工程的建設(shè)及運維等工作可以有序高效地進行[1]。由于管控系統(tǒng)兼顧智能變電站建設(shè)及運維等階段，而具有面向多工程、多角色、多用戶的屬性，因此管控系統(tǒng)應(yīng)建設(shè)為一個綜合性的管控平臺，包括資料管理、工程進度管理、工程統(tǒng)計分析、配置文件解析及可視化結(jié)果展示、配置文件比對等功能，這些功能可用于輔助用戶進行分析和決策。

現(xiàn)階段，SCD文件解析及解析結(jié)果的可視化展示功能已經(jīng)作為各廠家標配的功能集中到廠家的配置工具中，SCD文件的解析規(guī)則主要遵照IEC61850規(guī)范，SCL語法解析上多采用libxml2開源庫，因此在SCD文件解析效率上，各廠家的配置工具并無明顯差異，主要差異集中在顯示效果上[2]。管控系統(tǒng)作為web管控系統(tǒng)，通常采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因此SCD文件可視化功能的效率上主要取決于服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫選擇和數(shù)據(jù)存儲方案。管控系統(tǒng)的配置文件可視化顯示功能具有版本準確性高、復(fù)用性高等優(yōu)點，可降低各建設(shè)單位之間的溝通成本，節(jié)約重復(fù)操作帶來的時間開銷，從而提高用戶的工作效率。

數(shù)據(jù)庫的選擇和存儲方案是管控系統(tǒng)開發(fā)的重要工作，是影響管控系統(tǒng)整個開發(fā)過程的基石。因此，本文主要探討如何基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)SCD文件的可視化功能，并在此前提下合理地選擇數(shù)據(jù)庫及設(shè)計合理的存儲方案，并結(jié)合實際案例驗證其實用性和有效性。

1 SCD文件可視化數(shù)據(jù)解析

通常1個SCD文件大小有幾十甚至上百M，幾十萬行的標簽，對于專業(yè)人員也是海量的工作量，更何況非專業(yè)人員，因此SCD文件的可視化功能受到電網(wǎng)人員的普遍歡迎，也成為SCD文件相關(guān)配置工具及管控系統(tǒng)必備功能。SCD文件的可視化是指將XML語言標簽翻譯成易讀、易懂的信息，并將其以圖表等形式展示出來。

1.1SCD文件的可視化內(nèi)容

SCD文件的可視化功能架構(gòu)如圖1所示。 圖1中包含SCD文件的可視化基本內(nèi)容，根據(jù)顯示內(nèi)容可分圖和表兩種顯示形式，由于管控系統(tǒng)是基于web的B/S架構(gòu)實現(xiàn)的，控制顯示效果是由前端代碼控制，經(jīng)分析決定以SVG(可縮放矢量圖形)格式來顯示IED邏輯連接關(guān)系圖、虛端子詳圖、通信子網(wǎng)信息，其他信息以列表形式展示。

SVG是基于可擴展標記語言，用于描述二維矢量圖形的一種圖形格式。SVG具有可伸縮、隨意放大和縮小(縮放后圖像質(zhì)量不下降)等優(yōu)點和特性，同時SVG在網(wǎng)絡(luò)圖形應(yīng)用上，可配合JavaScript語言來響應(yīng)用戶操作從而實現(xiàn)與用戶的互動[3]。

圖1 SCD功能架構(gòu)圖

1.2管控系統(tǒng)架構(gòu)

管控系統(tǒng)從系統(tǒng)需求、效率及先進性上考慮，對系統(tǒng)架構(gòu)進行設(shè)計，如圖2所示。

圖2 管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

a. 服務(wù)器：采用輕量級web服務(wù)器Nginx，其特點是占內(nèi)存少，并發(fā)能力強，是很多國內(nèi)頂尖網(wǎng)站的選擇；

b. 前端：采用HTML5+JS+CSS3+SVG，此組合支持多插件，符合國內(nèi)外技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展趨勢，功能強大。

c. 服務(wù)端：服務(wù)端在Nginx服務(wù)器中自定義ECMS_Module模塊，以純C語言來實現(xiàn)管控系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)，在保證功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上使性能達到最優(yōu)。

d.數(shù)據(jù)庫：采用MongoDB數(shù)據(jù)庫，適合存儲大量數(shù)據(jù)，支持更多種數(shù)據(jù)類型的存儲，且具備數(shù)據(jù)組織的高靈活性。MongoDB數(shù)據(jù)庫支持冗余、集群，集成GridFS文件系統(tǒng)，提供分布式存儲，在存儲文件上更接近文件系統(tǒng)形式，使管控系統(tǒng)在文件操作上效率更高[4]。

1.3解析步驟

SCD文件可視化數(shù)據(jù)的解析主要由ECMS_Module模塊調(diào)用libxml2開源庫來完成，其主要解析步驟如下[5]：

a.使用C語言的XML程序庫Libxml2來遍歷SCD文件，同時解析出特定節(jié)點；

b.按照業(yè)務(wù)邏輯將相關(guān)聯(lián)的節(jié)點建立關(guān)系，其中關(guān)系分為一、二級，同時可分為“包含、被包含、連接、被連接、使用、被使用”6類關(guān)系；

c.在一級關(guān)系的前提下，通過查詢函數(shù)可查出節(jié)點的間接引用關(guān)系，即二級關(guān)系；

d.建立兩級節(jié)點的引用關(guān)系后，直接在內(nèi)存中以圖數(shù)據(jù)形式存儲，通過建立圖數(shù)據(jù)可以進一步簡化查詢過程和提高查詢效率；

SCD文件經(jīng)過數(shù)據(jù)解析后，在服務(wù)器程序中以圖數(shù)據(jù)形式存儲在內(nèi)存中。圖數(shù)據(jù)中包括SCD可視化內(nèi)容中需要的子網(wǎng)通信信息、IED列表、IED邏輯連接關(guān)系、虛端子連接關(guān)系等。面向可視化的需求，這些信息離最終的可視化還需經(jīng)過進一步處理并存儲。

1.4圖數(shù)據(jù)

圖數(shù)據(jù)里信息的建模使用3種構(gòu)造單元：節(jié)點(即頂點)；關(guān)系(即邊，具有方向和類型，即標記和標向)；節(jié)點和關(guān)系上面的屬性(即特性)。構(gòu)造單元關(guān)系如圖3所示。

圖3 構(gòu)造單元關(guān)系圖

圖3中的“1”和“2”代表2個有關(guān)系的節(jié)點，節(jié)點1的屬性信息名稱為leg(桌腿)，節(jié)點2的屬性信息是名稱為desk(書桌)和white(白色)。兩者間的關(guān)系是PART_OF(屬于)，也就是桌腿屬于桌子，桌腿的數(shù)量為4個。

圖數(shù)據(jù)中的圖是1個被標記和標向的屬性多重圖。被標記的圖每條邊都有1個標簽，它被用來作為那條邊的類型。有向圖允許邊有一個固定的方向，從末或源節(jié)點到首或目標節(jié)點。屬性圖允許每個節(jié)點和邊有一組可變的屬性列表，其中的屬性是關(guān)聯(lián)某個名字的值。多重圖允許2個節(jié)點之間存在多條邊。這意味著2個節(jié)點可以由不同邊連接多次，即使2條邊有相同的尾、頭和標記[6]，如圖4

所示。

以圖4中的節(jié)點IED為例，直接與其連接的節(jié)點有3個，分別是AccessPoint、ExtRef以及ConnectAP，3條連線上的標號[2]、[3]、[4]分別代表IED與這3個節(jié)點的關(guān)系。當(dāng)要檢索與某個IED連接的ConnectAP時，遍歷所有ConnectAP，選擇ConnectAP:iedName等于IED:name的ConnectAP節(jié)點，此集合即為IED包含的ConnectAP，其他節(jié)點的查找類似。

2 SCD文件可視化數(shù)據(jù)存儲方案

SCD文件可視化解析結(jié)果以圖數(shù)據(jù)的形式暫存于服務(wù)器系統(tǒng)內(nèi)存中，當(dāng)后續(xù)用戶發(fā)送查看請求時可快速將解析結(jié)果返回給前端，并以圖表形式顯示出來，服務(wù)器端將圖數(shù)據(jù)形式的解析結(jié)果以合理的方式存儲在數(shù)據(jù)庫中，保證前端和服務(wù)器的高效通信[7]。

2.1數(shù)據(jù)存儲形式

在管控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計中服務(wù)器可將SVG文件直接發(fā)送給前端，列表形式的數(shù)據(jù)通常需要通過json數(shù)據(jù)進行傳輸，因此前端期待接收到的數(shù)據(jù)是SVG及json數(shù)據(jù)，前端的數(shù)據(jù)格式歸納見表1。

圖4 圖數(shù)據(jù)示例

可視化內(nèi)容存儲格式通信子網(wǎng)信息展示SVGIED邏輯連接關(guān)系圖SVG虛端子詳圖SVGSCD中的IED列表json智能裝置數(shù)據(jù)關(guān)系展示json主要對象的屬性展示json

從表1中可以看出，管控系統(tǒng)的前端期待接收到的數(shù)據(jù)格式有SVG和json2種形式，而SCD文件的解析結(jié)果以圖數(shù)據(jù)形式存儲于服務(wù)器內(nèi)存中，為了前端可以更高效地獲取數(shù)據(jù)，將直接以前端期待的數(shù)據(jù)以SVG和json數(shù)據(jù)文件的形式存儲到數(shù)據(jù)庫中，而從SCD文件解析結(jié)果的圖數(shù)據(jù)中抽取出可視化內(nèi)容并以SVG和json數(shù)據(jù)格式做成文件，以文件形式存儲也是管控系統(tǒng)在進行系統(tǒng)架構(gòu)時選擇MongoDB的一個原因，因為MongoDB數(shù)據(jù)庫介于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫之間。MongoDB最大的特點是它支持的查詢語言非常強大，其語法類似于面向?qū)ο蟮牟樵冋Z言，幾乎可以實現(xiàn)類似關(guān)系數(shù)據(jù)庫單表查詢的絕大部分功能，而且還支持對數(shù)據(jù)建立索引。另外MongoDB數(shù)據(jù)庫中集成了GridFS，其在文件讀取效率上接近文件服務(wù)器，因此管控系統(tǒng)選擇以非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB進行數(shù)據(jù)的存儲[8]。

2.2數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

管控平臺中的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計包括管控平臺中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、原文件、SCD文件可視化解析結(jié)果的存儲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 管控平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

管控平臺的數(shù)據(jù)庫設(shè)計為3個類集，分別用于存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、原文件數(shù)據(jù)、SCD文件的可視化解析結(jié)果?；A(chǔ)數(shù)據(jù)集中存儲管控平臺中非原文件以外的所有數(shù)據(jù)，此類集中的數(shù)據(jù)可以通過各個表中的ID建立表與表之間的關(guān)聯(lián)，以達到關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲效果[9]。而原文件數(shù)據(jù)和SCD文件的可視化解析結(jié)果這2個類集采用GirdFS形式存儲文件，GridFS的優(yōu)勢在于其可以更好地存儲大于16 M的文件，將大文件對象分割成多個小的chunk(文件片段),1個chunk為256 k,每個chunk作為MongoDB的1個文檔被存儲在chunks集合中。

2.3SCD文件可視化處理流程

用戶進行SCD文件上傳操作時主要處理步驟如下，如圖6所示。

a. 用戶執(zhí)行SCD文件上傳，客戶端將SCD文件發(fā)送到服務(wù)器端進行處理。

b. 服務(wù)器端接收到上傳文件命令及文件數(shù)據(jù)后，將源文件進行保存，并調(diào)用SCD文件解析模塊對文件進行解析，最終將解析結(jié)果以圖數(shù)據(jù)形式存儲與服務(wù)器內(nèi)存中。

c. 服務(wù)器端根據(jù)可視化的不同需求從圖數(shù)據(jù)中抽取出SVG和json數(shù)據(jù)。

d. 服務(wù)器端將抽取的SVG和json數(shù)據(jù)以文件形式存儲到MongoDB數(shù)據(jù)庫中。

圖6 上傳SCD文件處理流程

用戶進行SCD文件可視化操作時主要處理步驟如下[10],如圖7所示。

a. 用戶執(zhí)行SCD文件可視化，客戶端將SCD文件可視化請求發(fā)送到服務(wù)器端。

b. 服務(wù)器端接收到可視化請求后，對可視化請求進行分析。

c. 服務(wù)器端根據(jù)可視化請求分析結(jié)果對數(shù)據(jù)庫進行查詢，并從MongoDB數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)的SVG或json文件。

d. 服務(wù)器端將讀取的文件轉(zhuǎn)發(fā)到用戶的客戶端。

e. 客戶端對獲取的文件進行解析并渲染。

f. 客戶端將最終的可視化內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。

圖7 SCD文件可視化請求處理流程

3 工程應(yīng)用

上述的智能變電站SCD文件解析結(jié)果存儲方案以及整體的可視化功能在國網(wǎng)遼寧省電力有限公司的智能變電站二次系統(tǒng)全過程管控平臺中得到有效應(yīng)用。該平臺目前已經(jīng)全面上線使用，并已經(jīng)完成了28個已投運智能變電站的資料收集和歸檔工作，并在3個新建智能變電站實施對智能變電站的全過程管控。通過實現(xiàn)SCD文件的可視化功能，為多個單位的系統(tǒng)使用者帶來便利，提高了工作效率。

4 結(jié)束語

本文介紹了智能變電站二次系統(tǒng)全過程管控平臺中的SCD文件解析結(jié)果存儲方案，該方案及管控平臺的整體架構(gòu)與同類web系統(tǒng)在SCD文件的數(shù)據(jù)解析及可視化功能相比，具有一定的性能優(yōu)勢和技術(shù)先進性，而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在國網(wǎng)遼寧省電力有限公司的成功搭建及應(yīng)用，也為后續(xù)同類項目積累了應(yīng)用經(jīng)驗。

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Research and Application of SCD File Resolving Results Storage Scheme in Intelligent Substation

QIAN Hai1, YANG Fei1, YU Tongwei2, LU Shengyang2, LI Liqun3

(1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114007，China)

With the gradual popularization of intelligent substation applications, SCD file-based intelligent substation secondary system data management system has gradually been valued and applied. Based on the visual display demand of SCD file in the web-based control system, this paper explores the storage scheme of SCD file based on non-relational database. Based on the document-oriented non-relational database oriented to mass data access, SCD analysis results in different formats of documents stored in the database, and ultimately meet the different types of information visualization requirements. Finally, the storage scheme based on SVG, json and other data formats stored in the MongoDB non-relational database is given and applied in the control platform of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.to meet the needs of users’ SCD file visualization high speed browsing.

intelligent substation; non - relational database; SCD; visualization; storage plan

TM76；TM63

A

1004-7913(2017)08-0051-05

錢 海(1972)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護相關(guān)工作。

2017-04-03)