顧禮斌，劉 悅，許良斐

(北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

IEC61850協(xié)議定義了常見設(shè)備的數(shù)據(jù)格式、標識符、行為和控制，如斷路器、調(diào)壓器和繼電保護等站內(nèi)或饋線設(shè)備。IEC61850作為開發(fā)電力系統(tǒng)無縫遠動通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，解決了變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。利用該標準的自我描述能力，可以顯著降低數(shù)據(jù)管理成本，簡化數(shù)據(jù)維護，增加自動化系統(tǒng)使用期間的靈活性；采用該標準能極大地方便系統(tǒng)的集成，降低變電站自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場驗收、運行、監(jiān)視、診斷和維護等工程費用，節(jié)約大量時間。

理論上，下游變電站所生成的模型與圖形，可以通過轉(zhuǎn)化成CIM/XML和SVG/XML格式后上傳至上游調(diào)度主站EMS系統(tǒng)，并在調(diào)度主站端自動導入，構(gòu)建出系統(tǒng)全模型和圖形，從而避免EMS主站系統(tǒng)重復建模和繪圖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源唯一。但在實際應用中，對變電站側(cè)視圖的要求，上游EMS與下游變電站自動化系統(tǒng)是不一致的，且來源于不同區(qū)域的變電站自動化系統(tǒng)對廠站圖形的描述風格也是不一致的，這就需要借助變電站自動成圖技術(shù)，直接利用SCD或CIM中的模型信息自動構(gòu)建出滿足不同應用需求的統(tǒng)一風格的變電站邏輯視圖。

國內(nèi)外變電站自動成圖技術(shù)主要集成在商用軟件包，通常為潮流圖的自動繪制上，總體比較簡化，沒有深入到站內(nèi)主接線和元件，通常基于IEC61970/CIM。國內(nèi)外自動成圖技術(shù)往往是在原始模型基礎(chǔ)上的單一視圖，缺乏模型抽象基礎(chǔ)上的多視圖模式，且實用化程度有待發(fā)展。文獻[1-3]提出廠站接線圖的自動生成方法，文獻[4-6]分別從自動成圖技術(shù)的廠站布局和線路自動走線兩個方面進行了專題研究，但這些研究往往是單一視圖，且范圍較小，缺乏多側(cè)面邏輯視圖的概念。

本文實現(xiàn)對復雜變電站SCD模型文件的解析，構(gòu)建變電站一二次模型對象關(guān)系，形成規(guī)格化的空間點線模型，并自動識別一次設(shè)備接線類型，同時支持基于IEC61970/CIM的變電站模型描述，利用自動布局與布線技術(shù)，生成變電站多側(cè)面邏輯視圖，并自動疊加關(guān)聯(lián)及顯示二次測點數(shù)據(jù)對象，融合不同應用需求的決策視野，較好地滿足了電力系統(tǒng)運行決策的需要。

1 變電站多側(cè)面邏輯視圖自動生成技術(shù)路線

變電站自動成圖系統(tǒng)，基于廠站的IEC61850/SCD模型或者電網(wǎng)IEC61970/CIM模型，通過拓撲分析建立廠站不同電壓等級之間的電氣連接關(guān)系及電壓等級內(nèi)部的間隔關(guān)系，自動生成變電站電氣接線圖，提供多種不同的排布模式，滿足視圖排布簡潔性和緊湊性要求；當變電站模型發(fā)生變化時，采用增量繼承方式實現(xiàn)圖形自動更新, 最后通過SVG文件導入到第三方系統(tǒng)中應用，如圖1所示。

圖1 變電站自動成圖流程

2 變電站邏輯結(jié)構(gòu)智能識別

變電站多側(cè)面邏輯視圖需要涵蓋宏觀與微觀決策視野，其基礎(chǔ)是基于SCD模型的拓撲解析及分析，以保證在有限的屏幕空間內(nèi)瀏覽到完整的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與邏輯關(guān)系。

2.1 間隔設(shè)備自動識別

IEC 61850/SCD中有間隔描述，但無自動成圖時所需要的間隔內(nèi)設(shè)備的排布信息，而IEC 61970/CIM中間隔信息不嚴謹(非必要信息)，需要程序自動識別，如圖2所示。

圖2 變電站典型間隔劃分示意圖

自動成圖時將整個間隔抽象成一個虛擬設(shè)備，該虛擬設(shè)備帶端子和拓撲結(jié)點，復用間隔之間的拓撲結(jié)點。由間隔外邊界結(jié)點向內(nèi)遍歷主要設(shè)備確定間隔內(nèi)部的主干支路，其余為分支支路。

由于IEC 61970/CIM中間隔信息不全，需要按照表1所示的典型間隔模板進行歸類、匹配和抽取。

表1 典型間隔抽取

變電站主接線布局時，在保持電氣連接約束關(guān)系條件下，間隔先按照虛擬設(shè)備布局、定位、連線，在確定間隔矩形范圍后，再排布間隔內(nèi)部主干支路，最后排布分支支路，逐級排布出所有設(shè)備。間隔排布子流程與變電站完整布局布線流程見圖3。

圖3 變電站布局布線與間隔排布流程

2.2 站內(nèi)母線自動排序

對于單母線多分段接線類型，需要識別出母線的排布順序，利用反射原理，任意兩點之間的最短路徑就是關(guān)鍵路徑，當最短路徑包含所有分段母線時，該最短路徑就是實際的母線排布路徑，其單一方向的反射路徑中的排布順序就是母線的排布順序，算法如下(見圖4):

圖4 單母線多分段接線類型排序流程

1)以廠站為單元范圍，構(gòu)造廠站內(nèi)設(shè)備電氣連接基礎(chǔ)拓撲；

2)在電壓等級范圍內(nèi)進行電氣島分析；

3)每個電氣島內(nèi)，以母線為頂點，搜索與其相鄰母線作為連接邊，構(gòu)建子網(wǎng)；

4)在子網(wǎng)內(nèi)搜索頂點度數(shù)為1的母線數(shù)；

5)如果母線數(shù)大于2，利用反射原理搜索母線之間最短路徑，則得到母線的排布順序；如果母線數(shù)為1, 則單母線獨立懸掛；否則，非單母線多分段接線類型，另轉(zhuǎn)作其他接線處理。

2.3 接線類型智能判別

變電站存在規(guī)范的接線形式，廠站接線類型可以通過自動識別和人工輔助識別的方式來判別。相對于標準的主接線方式，一些特殊類型需要人工進行干預，以降低機器識別的復雜性，提高識別精度。

界限類型自動判別采用模式匹配的原則：每個電壓等級對應的母線或母線對；母線之間的排布關(guān)系；母線與設(shè)備之間的約束描述。利用這些關(guān)系進行匹配，匹配成功，則裝載匹配結(jié)果至接線圖各對應電壓等級內(nèi)；匹配不成功，則標志控制其轉(zhuǎn)換為非內(nèi)部展現(xiàn)的模式。匹配的典型特征如圖5所示。

圖5 接線類型典型路徑特征

對于未能自動識別的廠站，可人工輔助識別，借助于模板，程序自動進行信息過濾，只選取屬于目標容器內(nèi)部的對象組織成選擇性菜單供人工選擇，包括待識別的目標對象、對象類型、目標容器等，如圖6所示。

圖6 人工識別接線類型

3 多側(cè)面邏輯視圖生成

廠站圖布局對象為廠站內(nèi)部電壓等級單元和變壓器單元，布線對象則是變壓器單元與各個電壓等級單元之間的連接線。

3.1 自動布局布線技術(shù)

布局中的點對象為電壓等級，線對象為變壓器支路連接線，利用行布局模式，將空間的點按照大致的地理分布排列成多行，點對象可以上下左右移動，同時支持水平或垂直排布，點對象為矩形，其內(nèi)部主接線展開以間隔為單元。

接線圖布局是在全局布局前首先完成計算，并將參數(shù)整合到全局布局流程中；接線布局采用內(nèi)部的空間布局模式與外部的少交叉算法及規(guī)范的排布模式，以單母線多分段為例，各獨立電壓等級可選擇縱向布局或者橫向布局，然后對各電壓等級之間關(guān)系進行交叉計算，確定各電壓等級的出線間隔位置；最后實現(xiàn)主接線展示狀態(tài)下容器名稱排布與容器內(nèi)部各設(shè)備細節(jié)對象的排布。

具體算法主要包括如下步驟：

1)布線采用少交叉與最短路徑雙目標優(yōu)化算法，自動計算出超長線路跨越行時的轉(zhuǎn)折點位置。利用Dijkstra算法計算最短路徑步驟如下：

a.先取一點v[0]作為起始點，初始化dis[i]，dis[i]的值為v[0]到其余點v[i]的距離w[0][i]，如果直接相鄰，初始化為權(quán)值，否則初始化為無限大；

b.標記v[0]，vis[0]= 1(vis初始化為0)；

c.找尋與v[0]相鄰的最近點v[k]，將v[k]點記錄下來，v[k]與v[0]的距離記為min；

d.標記v[k]，vis[k]= 1；

e.查詢并比較，將dis[j]與min+w[k][j]進行比較，判斷是直接v[0]連接v[j]短，還是經(jīng)過v[k]連接v[j]更短，即dis[j]=MIN(dis[j],min+w[k][j])；

f.繼續(xù)重復步驟c)與步驟e)，直到找出所有點為止。

2)電壓等級內(nèi)部接線類型自動識別并繪制，其要點是：內(nèi)部出線與外部進線位置保持一致。具體步驟見圖7。

圖7 布局布線算法

3.2 二次設(shè)備動態(tài)疊加

對于電壓互感器、電流互感器、保護等二次設(shè)備，其拓撲連接方式較為簡單，其在接線圖上多是以合并單元的形式表達。以雙母線出線為例，如圖8所示，在一次設(shè)備繪制完成后，依據(jù)一二次設(shè)備之間的拓撲關(guān)系及一次設(shè)備排布走向，在關(guān)鍵位置自動疊加二次設(shè)備。關(guān)鍵位置確定過程大致包括以下幾點：

圖8 二次設(shè)備動態(tài)疊加示意圖

1)確定一次設(shè)備的位置及走向；

2)確定與二次設(shè)備相連節(jié)點位置；

3)與一次設(shè)備免碰撞處理。

3.3 二次測點信息自動關(guān)聯(lián)

二次測點信息與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)規(guī)則可以概括為如下幾點：

1)二次設(shè)備中的功能和信息通過邏輯節(jié)點實現(xiàn)與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)。

2)依據(jù)邏輯節(jié)點，將二次設(shè)備和一次設(shè)備進行關(guān)聯(lián)，通過一次設(shè)備關(guān)聯(lián)的間隔，將邏輯節(jié)點下的二次設(shè)備測點信息關(guān)聯(lián)到相關(guān)間隔。

3)二次設(shè)備和一次設(shè)備沒有關(guān)聯(lián)的，其二次測點直接關(guān)聯(lián)至變電站。

SCD中的量測定義與物理模型包含在自動成圖的算法中，以符合不重疊交叉的約束要求，并保持量測顯示的矩形區(qū)域與設(shè)備對象的最短距離為原則，如圖9所示。

圖9 一二次設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系

3.4 多側(cè)面邏輯視圖生成

基于IEC61850的變電站模型，自動完成信息提取篩選，并依據(jù)與IEC61970之間映射關(guān)系，通過模型拼接技術(shù)將站端模型融入電網(wǎng)大模型中，利用全景視圖自動生成技術(shù)[7-8]實現(xiàn)滿足調(diào)度需求的宏觀潮流圖、片網(wǎng)圖成圖。通過該技術(shù)，可以從站端模型獲取，并實時生成不同顆粒度電網(wǎng)專業(yè)圖形。新增獨山變電站后，自動生成對應廠站圖及更新對應系統(tǒng)潮流圖如圖10、圖11所示。

圖10 獨山變電站廠站圖

圖11 獨山變電站對應系統(tǒng)潮流圖

通過邏輯結(jié)構(gòu)智能識別技術(shù)，可以判斷出該變電站存在3個電壓等級：500 kV為3/2倍接線形式，220 kV為雙母線四分段接線形式，35 kV為單母線接線形式。通過自動布局布線技術(shù)進行各電壓等級的繪制，在線路、主變等電氣設(shè)備側(cè)自動疊加二次測點信息。通過全景視圖自動生成技術(shù)將獨山變電站添加到地區(qū)潮流圖內(nèi)，展示宏觀信息。

4 結(jié) 語

電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的圖形化顯示在各級電網(wǎng)運行調(diào)度中至關(guān)重要，無論是站端，還是各級運行調(diào)度都需要有電網(wǎng)可視化圖形的支持。傳統(tǒng)的手工繪制耗時多、效率低，已經(jīng)難以適應大規(guī)模電網(wǎng)運行管理的要求。

融合一二次設(shè)備對象的變電站自動成圖技術(shù)，實現(xiàn)了基于IEC61850模型的廠站多側(cè)面邏輯視圖自動生成，動態(tài)圖模映射自動關(guān)聯(lián)，滿足了變電站多側(cè)面邏輯視圖實時生成的需求，減輕了變電站圖模維護管理難度，提高了變電站自動化水平，提升了電網(wǎng)上下游信息融合一體化，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)全景畫面集成和圖模的同步更新，為電網(wǎng)運行和調(diào)度業(yè)務管理提供了統(tǒng)一可靠的電網(wǎng)邏輯視圖支持，提高了電網(wǎng)的安全運行水平。