廖小君, 呂飛鵬, 黃忠勝, 韓花榮, 鄭永康, 王曉茹

(1．國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610072; 2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)，四川 成都 610051；4.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

智能變電站層次化矩陣式虛端子可視化研究

廖小君1,2, 呂飛鵬3, 黃忠勝1, 韓花榮1, 鄭永康4, 王曉茹2

(1．國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610072; 2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610065；3.四川大學(xué)，四川 成都 610051；4.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

針對(duì)目前智能變電站虛端子可視化系統(tǒng)虛端子信息連接可視化信息流顯示層次感不強(qiáng)、信息流顯示不清晰，排列可擴(kuò)展性差、控制塊信息展示不全等問(wèn)題，在對(duì)虛端子可視化的IED信息可視化、空間布局、連接可視化、導(dǎo)航切換等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了一種先進(jìn)實(shí)用的智能變電站層次化矩陣式虛端子連接可視化方法。介紹了GOOSE和SV信息進(jìn)行層次化處理、進(jìn)行端子排矩陣式處理、IED分類層次化布置、虛端子信息矩陣式連接等關(guān)鍵技術(shù)，使虛端子連接信息顯示更加直觀、具有層次化、實(shí)用化和可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中。

智能變電站；虛端子；跳閘矩陣；IED；層次信息可視化

Abstract: This paper analyse the problem of the smart substation virtual terminal visualization software system such as virtual terminal connection information visualization information flow display hierarchy sense is not strong, the information flow showed no clear arrangement, poor scalability, control block incomplete information display.with the analysis and Research on virtual terminal visualization of IED information visualization, spatial layout and connection visual navigation, switching and other key technologies, the paper puts forward an advanced practical intelligent substation hierarchical matrix virtual terminal connection visualization method, including the GOOSE and SV information of hierarchical processing, terminal row matrix processing, IED classification hierarchical layout, virtual terminal information matrix type connection, the virtual terminal connection information display is more intuitive and has a hierarchical, practical and scalable, and applied in practical application.

Keywords: smart substation;virtual terminal；IED；hierarchical information visualization

0 引 言

智能變電站的全站配置文件-SCD文件(substation configuration description)是全站非常重要的一個(gè)文件，其中包含有IED的模型信息和相互之間的連接關(guān)系信息，工程中稱為“虛端子”信息，以同傳統(tǒng)的二次回路相區(qū)別。由于虛端子直接涉及到二次回路連接，所以其重要性不言而喻，因此關(guān)于虛端子建模、自動(dòng)連接、可視化、檢測(cè)等相關(guān)的研究也稱為智能變電站的一個(gè)熱點(diǎn)，其中虛端子的可視化是一個(gè)需要繼續(xù)深入研究的課題。

虛端子處理方面，文獻(xiàn)[1]介紹了虛端子導(dǎo)入和導(dǎo)出方面，文獻(xiàn)[2]對(duì)于虛端子回路建模提出了一種構(gòu)想，包括采用鄰接矩陣進(jìn)行連接關(guān)系描述；虛端子回路設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[3]提出了一種GOOSE信息流設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了可視化設(shè)計(jì)方法介紹。文獻(xiàn)[5-7]結(jié)合SCL配置工具以及SCD的可視化對(duì)虛端子可視化進(jìn)行了初步研究。文獻(xiàn)[8-10]則較詳細(xì)的分析了虛端子的可視化方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，將壓板、光口配置等融入到虛端子可視化設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)虛端子從連接多角度方面提出宏連接，實(shí)現(xiàn)多方視角的虛端子可視化方法。文獻(xiàn)[13]介紹了虛端子可視化在二次設(shè)計(jì)施工圖方面的應(yīng)用問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系結(jié)構(gòu)、信息流圖、邏輯聯(lián)系和物理連接實(shí)現(xiàn)可視化以滿足設(shè)計(jì)施工需要。虛端子可視化的進(jìn)階應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[14-16]在實(shí)現(xiàn)虛端子可視化同時(shí)，進(jìn)行了虛端子檢測(cè)、自動(dòng)連線及管控等功能。

以上的文獻(xiàn)進(jìn)行的虛端子可視化方法主要針對(duì)各IED設(shè)備的輸入和輸出進(jìn)行，重點(diǎn)關(guān)心各IED設(shè)備虛端子連接情況，但一方面是IED及相關(guān)模型的層次信息不能很全面展示，另一方面虛端子的連接可視化在空間布局及可擴(kuò)展性方面較差。

1 虛端子可視化連接問(wèn)題分析及解決方法

目前絕大部分的虛端子可視化系統(tǒng)主要以某一個(gè)IED為中心，展示該IED相關(guān)聯(lián)的IED的連接關(guān)系及關(guān)聯(lián)的信息，一些系統(tǒng)為了工程應(yīng)用需要，增加了物理連接和網(wǎng)絡(luò)配置等在SCD中沒(méi)有的信息[8]9。以下就IED信息內(nèi)容、虛端子IED布局、可視化連接等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究分析。

1.1 IED信息的層次信息可視化

目前虛端子可視化對(duì)IED進(jìn)行展示時(shí)，只顯示其發(fā)送或接收控制塊，完整的IED模型信息都未進(jìn)行完整顯示，實(shí)際上SCD文件系統(tǒng)本身具有良好的層次結(jié)構(gòu)，其IED的模型信息也具有樹(shù)形的層次性。一個(gè)IED實(shí)例包含IED、訪問(wèn)點(diǎn)(服務(wù)器)、邏輯設(shè)備、數(shù)據(jù)集等幾個(gè)層次，而目前可視化程序一般只展示最后控制塊一級(jí)。

在SCL配置工具中，表格信息可體現(xiàn)IED的層次性，但在虛端子可視化時(shí)，如果利用樹(shù)形節(jié)點(diǎn)連接圖把IED的這種層次關(guān)系體現(xiàn)出來(lái)則很困難，因?yàn)椴捎脴?shù)結(jié)構(gòu)圖在下方會(huì)顯得很擁擠，信息展示困難，更況還要再展示虛端子連接關(guān)系。而在層次信息結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)中，除了樹(shù)節(jié)點(diǎn)連接圖外，還可以采用樹(shù)圖、圓形嵌套、徑向填充等方式[17-18]，這些方式稱之為空間填充法，能夠很好的利用整個(gè)空間[17]97。由于虛端子可視化軟件中一個(gè)IED通常用一個(gè)矩形塊表示，因此采用樹(shù)圖方式無(wú)疑是最適合的，圖1所示為采用樹(shù)圖方式的IED層次圖，M1為采樣訪問(wèn)點(diǎn)，包括兩個(gè)SVLD-PROT(保護(hù)采樣)和SVLD-BCU(測(cè)控采樣)兩個(gè)邏輯設(shè)備，分別有兩個(gè)輸入。G1為GOOSE訪問(wèn)點(diǎn)，包括PI-PROT和PI-BCU兩個(gè)邏輯設(shè)備，其中PI-PROT有一個(gè)數(shù)據(jù)集通過(guò)控制塊gocb0發(fā)送，PI-BCU有兩個(gè)數(shù)據(jù)集和一個(gè)接收數(shù)據(jù)集。圖1中，由于訪問(wèn)點(diǎn)S1不涉及虛端子連接，以相關(guān)的內(nèi)容未顯示。

圖1 IED信息的樹(shù)圖

1.2 虛端子可視化空間布局研究

對(duì)于虛端子可視化系統(tǒng)而言，空間布局是非常重要的，良好的空間布局會(huì)使IED連接關(guān)系更加清楚，簡(jiǎn)單明了，這對(duì)于設(shè)計(jì)和運(yùn)維調(diào)試人員來(lái)講都是很重要的。其次布局應(yīng)符合設(shè)計(jì)和運(yùn)維調(diào)試人員的習(xí)慣，能夠很方便的展示信息流的類型、流向等。同時(shí)，良好的空間布局還應(yīng)當(dāng)利用擴(kuò)展，布局不會(huì)顯得復(fù)雜，尤其是IED連接關(guān)系較多較復(fù)雜的情形，如母線保護(hù)、主變保護(hù)等。目前典型布局方式為單IED結(jié)構(gòu)方式，多間隔方式等。一種典型的單結(jié)構(gòu)方式如圖2所示。

圖2 單IED結(jié)構(gòu)布局方式

該方式以某個(gè)IED為主要展示對(duì)象內(nèi)部顯示發(fā)送塊和接收塊，相關(guān)聯(lián)的IED依次在周圍顯示，并標(biāo)出控制和接收塊，用帶箭頭的有向線表示信息流向，并用數(shù)字表明虛端子連接數(shù)目。當(dāng)選中某個(gè)虛端子時(shí)，會(huì)以表格或圖形形式顯示該虛端子兩端的詳細(xì)連接信息。這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是關(guān)聯(lián)IED數(shù)目較多時(shí)，顯得很擁擠，連接不直觀，可擴(kuò)展性差，層次性差。

多間隔布局方式[6]98在設(shè)計(jì)施工圖中使用較多，能方便的展示典型間隔的虛端子連接信息和相互間信息交換，缺點(diǎn)在于缺乏通用性，可擴(kuò)展性。

為便于更好地展示各IED間連接關(guān)系，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性及層次性，按照間隔層和過(guò)程層將保護(hù)IED置于間隔層，將合并單元和智能終端置于過(guò)程層，同時(shí)對(duì)IED分類顯示，這樣能很好的展示SV信息流、保護(hù)和智能終端間GOOSE流、保護(hù)間聯(lián)閉鎖信息。

1.3 虛端子可視化連接方式研究

虛端子連接方式應(yīng)當(dāng)具有簡(jiǎn)單、直觀，信息流向清楚的特點(diǎn)。目前連線一般均為直線方式，如圖3和圖4所示。為了使連線更加直觀，程序會(huì)采用連線優(yōu)化或者結(jié)合布局調(diào)整進(jìn)行，對(duì)于間隔的多IED方式則采用排線方式。同時(shí)，一些可視化程序會(huì)結(jié)合IED空間布局進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以避免連線看起來(lái)復(fù)雜或者出現(xiàn)跨線等方式。關(guān)于如何對(duì)IED空間布局和連接目前沒(méi)有文獻(xiàn)進(jìn)行專題研究，本文利用傳統(tǒng)保護(hù)跳閘矩陣的方式，提出一種矩陣式連接方法，采用該方法進(jìn)行IED布局和連接更加直觀方便，連接關(guān)系清晰，可擴(kuò)展性好。

可根據(jù)需要進(jìn)行不同控制，如設(shè)定為跳高壓側(cè)，跳中壓側(cè)，啟動(dòng)失靈等等。不同的保護(hù)功能，如差動(dòng)保護(hù)、后備保護(hù)等等根據(jù)需要選擇驅(qū)動(dòng)哪個(gè)斷路器。這種跳閘矩陣的方式連接關(guān)系直觀明了，可擴(kuò)展性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)人員很容易掌握。將繼電器看作IED中發(fā)送和接收控制塊，各保護(hù)功能則看作關(guān)聯(lián)的IED，采用類似的矩陣連接方式如圖3所示。采用矩陣式連接后，連接關(guān)系將具有簡(jiǎn)單明了的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)人員也易于掌握，程序?qū)崿F(xiàn)也較簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便。

圖3 矩陣式連接示意圖

2 層次化矩陣式虛端子連接可視化流程

基于上述對(duì)虛端子可視化的問(wèn)題分析和研究，本文提出了一種層次化矩陣式虛端子連接可視化方法，其總體流程包括6個(gè)步驟。

(1)虛端子信息導(dǎo)入和解析；從SCD文件導(dǎo)入有關(guān)的IED虛端子信息并對(duì)輸入和輸出及關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行解析。

(2)GOOSE和SV信息層次化處理：按照61850層次結(jié)構(gòu)對(duì)GOOSE和SV信息采用如前所述樹(shù)圖方式層次化處理，

(3)端子排矩陣式排列：對(duì)于虛端子涉及的各控制塊采用端子排方式引出，并進(jìn)行矩陣化排列處理。

(4)關(guān)聯(lián)IED設(shè)備層次化處理：對(duì)IED設(shè)備相關(guān)聯(lián)的IED分類，并按照過(guò)程層、間隔層，模擬信息和開(kāi)入信息進(jìn)行層次化處理。

(5)虛端子連接矩陣式處理：對(duì)于主IED和關(guān)聯(lián)IED虛端子的連接進(jìn)行矩陣式連接可視化處理。

(6)連線信息表格化處理：對(duì)于具體某個(gè)信息流連接，其信息進(jìn)行表格化處理。

3 層次化矩陣式虛端子可視化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 虛端子信息導(dǎo)入及解析

該部分為IED虛端子矩陣式連接可視化準(zhǔn)備工作，利用通用的SCD文件解析工具對(duì)IED設(shè)備涉及到的有關(guān)虛端子信息進(jìn)行導(dǎo)入。導(dǎo)入信息包括GOOSE控制塊信息、sv控制塊信息，inputs信息，并解析出IED設(shè)備相管理的虛端子連接IED設(shè)備及信息流。

3.2 GOOSE和SV信息層次化處理

對(duì)于某個(gè)IED設(shè)備解析出的虛端子控制塊信息，根據(jù)61850的層次結(jié)構(gòu)，按照GOOSE對(duì)應(yīng)G1訪問(wèn)點(diǎn)，sv對(duì)應(yīng)M1訪問(wèn)點(diǎn)，再按照LD設(shè)備→DataSet控制塊的層次關(guān)系進(jìn)行處理。并采用如前所述的樹(shù)圖方式進(jìn)行表達(dá)，采用層次化處理后建立了IED的信息層次可視化風(fēng)格，解決了信息按照61850的層次顯示，信息模型層次化的問(wèn)題。

3.3 端子排矩陣式處理化

由于虛端子連接最終是以控制塊連接進(jìn)行展示，為了方便進(jìn)行連接處理，將上述各控制塊首先進(jìn)行編號(hào)，類似保護(hù)端子編號(hào)，對(duì)于各訪問(wèn)點(diǎn)，inputs控制塊命名為In1、in2…，其余控制塊按照先后順序命名為1.2.3…，在各訪問(wèn)點(diǎn)下方按照矩陣排列方式布置虛端子的虛擬端子排，對(duì)端子排進(jìn)行編號(hào)并進(jìn)行矩陣式排列為后續(xù)矩陣式連接做準(zhǔn)備。為了更好表達(dá)控制塊信息，當(dāng)鼠標(biāo)懸浮于某個(gè)端子時(shí)，會(huì)顯示其控制塊顯示信息，如gocb0，MAC地址等等。進(jìn)行層次化和端子排矩陣式處理的圖形如圖4所示。

圖4 層次化IED及端子圖

3.4 關(guān)聯(lián)設(shè)備IED層次化處理

根據(jù)解析出的IED設(shè)備關(guān)聯(lián)的IED所屬類型分別布置在過(guò)程層、間隔層。具體來(lái)講，合并單元和智能終端布置在過(guò)程層，其他設(shè)備布置在間隔層。這樣可以更清楚看出各IED設(shè)備信息在各層間的信息交互情況，也便于后續(xù)矩陣式連接處理。在進(jìn)行同層各IED設(shè)備排列時(shí)仍然按照矩陣式排列，為便于查看，對(duì)于不同層的IED采用豎排列，對(duì)于同層的則按照橫排列，實(shí)現(xiàn)很好的可擴(kuò)展性。為更好地體現(xiàn)各IED層次關(guān)系，對(duì)IED進(jìn)行分類布局，并用不同顏色標(biāo)注使得不同類型間IED信息流更加直觀。

3.5 虛端子連接矩陣式處理

將各關(guān)聯(lián)IED輸入輸出和各控制塊采用如前所述的矩陣式連接。對(duì)于過(guò)程層和間隔層間矩陣連接采用縱向直接連接，如一個(gè)控制塊連接多個(gè)IED，則進(jìn)行分流處理。對(duì)于同在過(guò)程層或者同在間隔層的，則信息流先進(jìn)行橫向擴(kuò)展后再進(jìn)行矩陣式連接。

為更好地可視化展示，GOOSE、sv信息流采用不同顏色表示。輸入輸出采用箭頭標(biāo)明流向。虛端子連接的具體數(shù)量在連接線上標(biāo)注。

3.6 連接信息表格化處理：

由于上述連接線上每根線實(shí)際有多個(gè)信息傳送，具體的連接關(guān)系可以采用圖形也可以采用表格，考慮到此時(shí)的連接已經(jīng)只是一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系，采用圖形化意義不大，因此當(dāng)選擇某個(gè)虛端子連接時(shí)以表格方式顯示兩側(cè)連接關(guān)系。

4 運(yùn)行實(shí)例及應(yīng)用

采用前述提出的層次化矩陣式虛端子可視化系統(tǒng)成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)調(diào)試運(yùn)維人員進(jìn)行虛端子查看閱讀的有效輔助工具。同時(shí)該系統(tǒng)也成功集成應(yīng)用于新一代智能站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，并作為現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)的有力工具。采用該系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖5所示，該圖顯示一個(gè)220 kV線路保護(hù)IED的連接關(guān)系，可以看出，采用本文的虛端子連接方法層次感清晰，且可擴(kuò)展性強(qiáng)，即使對(duì)于連接IED數(shù)目最多的母線保護(hù)，其矩陣連接顯示仍不失層次性，可擴(kuò)展性，信息流清晰，如在過(guò)程層的縱向連接的合并單元SMV信息流和智能終端GOOSE信息流，橫向連接的為同在間隔層的各保護(hù)IED聯(lián)閉鎖信息(啟動(dòng)失靈、解除復(fù)壓閉鎖等)。

圖5 220 kV線路保護(hù)IED運(yùn)行實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)虛端子可視化的IED信息顯示、空間布局、連接可視化和導(dǎo)航切換等進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)IED層次信息不完整，連接可視化信息流不清晰，可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，提出了一種層次化矩陣式虛端子連接方法，很好的解決了上述問(wèn)題，并成功應(yīng)用于工程實(shí)際應(yīng)用中。其矩陣式連接方法對(duì)于設(shè)計(jì)院施工圖設(shè)計(jì)也很有借鑒意義。

目前，本系統(tǒng)主要針對(duì)一個(gè)IED的層次化和相應(yīng)的連接關(guān)系展示，未來(lái)將在此基礎(chǔ)上，利用大型數(shù)據(jù)層次信息化技術(shù)，在間隔級(jí)層次，各電壓等級(jí)層次乃至全站的層次實(shí)現(xiàn)全站IED信息流圖。

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Researchof Visualization with Hierarchical Matrix Virtual Terminal Links in Smart Substation

Liao Xiaojun1，2, Lyu Feipeng3, Huang Zhongsheng1, Han Huarong1, Zheng Yongkang4，Wang Xiaoru2

(1.Sichuan Electric vocational and Technical College，Chengdu Sichuan 610072，China;2.Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China；3.Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;4.State Grid Sichuan Electric Power Research Institution,Chengdu Sichuan 610072,China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.027

TM764.2

A

1000-3886(2017)03-0090-03

定稿日期: 2016-10-28

國(guó)網(wǎng)四川省電力公司2015年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“新一代智能變電站全數(shù)字可視化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究”(川電發(fā)展 2015年6號(hào)文)，申請(qǐng)發(fā)明專利號(hào)：201510325278.0

廖小君(1974-), 男，四川人，碩士，講師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面研究及信息系統(tǒng)的研究。 呂飛鵬(1968-),男，云南人，博士，教授，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和綜合信息處理智能系統(tǒng)的研究。 黃忠勝(1982-)，男，四川人，碩士，講師，從事繼電保護(hù)和智能變電站技術(shù)培訓(xùn)工作。 韓花榮(1981-)，女，山西人，碩士，講師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)及其自動(dòng)化。 王曉茹(1962-)，女，四川人，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)和穩(wěn)定控制。 鄭永康(1977-)，男，四川人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：變電站繼電保護(hù)、自動(dòng)化、通信。