湯曉崢 施 琳 喻春雷 宋金山 張 祥

基于變電站物理配置描述的換流站控保系統(tǒng)物理回路可視化比對(duì)方法

湯曉崢 施 琳 喻春雷 宋金山 張 祥

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211102）

隨著直流輸電技術(shù)的大力發(fā)展，換流站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行將面臨著巨大的挑戰(zhàn)。雖然智能變電站光纖物理回路模型文件已經(jīng)規(guī)定了智能站二次回路中光纖回路描述信息，但許多換流站特有的物理對(duì)象都沒有涉及，從而無法完全兼容直流換流站使用；并且模型圖紙數(shù)量過多，內(nèi)部時(shí)分多路復(fù)用總線、DP總線修改等原因，導(dǎo)致運(yùn)維人員需要對(duì)物理回路模型文件不斷地進(jìn)行修改調(diào)整，于是便出現(xiàn)了變電站物理配置描述文件版本較多、運(yùn)維不便的問題。本文針對(duì)上述問題，在光纖物理回路模型文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定程度擴(kuò)展，以適配換流站特有的總線和繼電器等，并設(shè)計(jì)了一種基于變電站物理配置描述模型的可視化比對(duì)方法，實(shí)現(xiàn)了換流站內(nèi)物理對(duì)象模型屬性、屏間物理線纜、屏間線纜纜芯和柜內(nèi)纜芯回路4個(gè)層級(jí)的可視化和版本差異比對(duì)，從而方便運(yùn)維人員對(duì)變電站物理配置描述版本進(jìn)行管理，有效提高運(yùn)維效率。

物理回路；變電站物理配置描述；換流站；版本比對(duì)；可視化

0 引言

隨著直流輸電工程[1-2]的快速增長(zhǎng)和大功率跨區(qū)輸送對(duì)送受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題的突出影響，其核心組成環(huán)節(jié)——換流站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行面臨著巨大的挑戰(zhàn)。相較于智能變電站，直流換流站采用變電站物理配置描述（substation physical configuration description, SPCD）[3]文件取代智能變電站的系統(tǒng)配置描述[4]（substation configuration description, SCD）文件來傳輸站內(nèi)物理配置信息。該配置文件的正確性對(duì)直流換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，對(duì)直流換流站的安全運(yùn)維有著舉足輕重的作用。光纖物理回路模型SPCD文件包含兩個(gè)部分，一部分是物理對(duì)象及層級(jí)關(guān)系，如小室、屏柜、裝置、交換機(jī)、光纖配線架（ODF）等，另一部分是光纖回路連接關(guān)系。本文基于直流換流站的應(yīng)用，對(duì)SPCD模型進(jìn)行了部分?jǐn)U展，如總線、繼電器、端子排和電纜等格式定義。通過解析SPCD文件可以獲取各個(gè)端口的連接設(shè)備，獲得設(shè)備端口的拓?fù)潢P(guān)系[5]。

在換流站的建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維、檢修、改造和擴(kuò)建過程中[6]，運(yùn)維人員需要對(duì)SPCD文件內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)地修改并驗(yàn)證，因此會(huì)形成較多版本的SPCD文件，而在實(shí)際工程管理中需要詳細(xì)了解SPCD的變化信息，若是直接以文本形式查看或是以SPCD配置工具查看操作很不方便，于是運(yùn)維人員更希望擁有通過方便快捷的比較方式直觀獲得各個(gè)版本變化的差異。以往的SPCD比對(duì)方式為傳統(tǒng)的文本字符型比對(duì)，通過專用的字符比對(duì)工具（如Araxis Merge和Beyond Compare等），以XML文本形式對(duì)所有字符依次逐個(gè)比對(duì)，缺點(diǎn)在于其對(duì)人員專業(yè)能力有很高的要求，要求使用者清楚地了解SPCL語(yǔ)法和SPCD文件結(jié)構(gòu)[7]，而且不能直觀清晰地展示比對(duì)結(jié)果，不適合向運(yùn)維人員大范圍推廣。

本文針對(duì)以上這些不足之處提出了一種基于SPCD的換流站控保系統(tǒng)物理回路可視化比對(duì)方法，并開發(fā)了一款與之相對(duì)應(yīng)的SPCD可視化比對(duì)工具，可以由外而內(nèi)多層級(jí)可視化展示SPCD文件信息和比對(duì)結(jié)果，可以高效地展示不同SPCD文件的版本差異，用于提高運(yùn)維人員的維護(hù)效率，縮短運(yùn)維時(shí)間，降低運(yùn)維成本。

1 基于換流站控保系統(tǒng)的SPCD文件擴(kuò)展定義

換流站是指在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了完成將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電的轉(zhuǎn)換，并達(dá)到電力系統(tǒng)對(duì)于安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量要求而建立的站點(diǎn)。換流站的控制調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)停、送直流功率以及控制電力潮流的方向，調(diào)節(jié)潮流的數(shù)量和其他電氣參量，處理和限制換流閥非正常運(yùn)行以及交、直流系統(tǒng)干擾所造成的影響，保護(hù)換流站的設(shè)備以及監(jiān)測(cè)換流站的各種參量等功能的智能微機(jī)系統(tǒng)。換流站及直流輸電系統(tǒng)[8-9]的運(yùn)行性能和安全可靠程度與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能和可靠程度密切相關(guān)，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也有重要的影響。

光纖物理回路SPCD文件已經(jīng)很好地描繪了二次對(duì)象的物理層級(jí)關(guān)系及光纖回路連接關(guān)系，是二次系統(tǒng)物理配置信息的基礎(chǔ)，但標(biāo)準(zhǔn)的SPCD文件并不能很好地兼容換流站的配置運(yùn)用，所以在此基礎(chǔ)上對(duì)換流站特有的物理對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)充建模，比如快速現(xiàn)場(chǎng)總線、IDM總線、DP總線、開入開出集線器、端子排、電纜、硬壓板等，可在屏柜元素及線纜元素部分分別擴(kuò)充對(duì)應(yīng)元素。繼電器擴(kuò)展建模參照實(shí)例如圖1所示。

圖1 K系列繼電器原理圖

繼電器擴(kuò)展建模采用了通用建模方式進(jìn)行擴(kuò)展。繼電器存在于數(shù)字量IO回路中，通過多層轉(zhuǎn)接將信號(hào)輸入輸出，同時(shí)，內(nèi)部引腳對(duì)于軟件解析來說無必然關(guān)系。導(dǎo)致既要對(duì)每個(gè)引腳寫IntCore，又要對(duì)繼電器內(nèi)部端子寫IntCore，按常規(guī)方式配置連接關(guān)系，效率非常低下。同時(shí)，考慮繼電器部分采用特殊格式來提高配置效率并可優(yōu)化展示方式。繼電器擴(kuò)展建模格式如下所示：

K300繼電器

繼電器元素及屬性說明見表1。

表1 繼電器元素及屬性說明

2 可視化比對(duì)方法

SPCD模型文件在運(yùn)維調(diào)試過程中會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)小的修改，容易導(dǎo)致SPCD版本管理的混亂，因此對(duì)SPCD版本的比對(duì)需要進(jìn)行多層次的差異比較。關(guān)于SPCD版本比對(duì)的思路滿足兩點(diǎn)：①?gòu)腟PCD模型文件中提取物理回路信息；②以圖形化方式展示物理回路連接及差異情況。

實(shí)施流程如下：首先需要獲取兩個(gè)SPCD版本模型文件的屬性信息，然后對(duì)兩個(gè)模型文件進(jìn)行多層級(jí)的比對(duì)，即從站內(nèi)物理模型屬性、屏間物理線纜、屏間線纜纜芯和柜內(nèi)纜芯回路4個(gè)層次以可視化方式展示SPCD模型文件版本差異性的比對(duì)結(jié)果，確保SPCD模型文件版本比較的有效性和直觀性?？梢暬葘?duì)流程如圖2所示。

1）基于多層級(jí)物理模型屬性的第一層次比對(duì)：通過提取換流站內(nèi)所有物理對(duì)象的模型信息，如屏柜編號(hào)、設(shè)備板卡類別和端子用途等，并比較兩個(gè)版本SPCD的差異。

圖2 可視化比對(duì)流程

2）基于屏間物理線纜的第二層次比對(duì)：通過提取Cable（物理線纜）層級(jí)下的配置信息，比對(duì)屏間物理線纜的增減情況，線纜自身屬性信息，得出物理線纜的差異變化結(jié)果，并用于第三層次比對(duì)時(shí)選擇差異線纜。

3）基于屏間線纜纜芯的第三層次比對(duì)：通過第二層比對(duì)結(jié)果選擇差異線纜，并解析Core（線纜纜芯）層級(jí)下的配置信息，比對(duì)出線纜纜芯的增減情況和端口回路信息差異變化。

4）基于柜內(nèi)纜芯回路的第四層次比對(duì)：在屏柜節(jié)點(diǎn)下獲取該柜內(nèi)所有跳纜關(guān)系，解析出所選屏柜的IntCore（柜內(nèi)纜芯）信息，并比對(duì)纜芯的增減情況、回路路徑和跳纜類型等差異信息。

3 可視化比對(duì)的具體實(shí)現(xiàn)

在獲取兩個(gè)不同版本的SPCD文件基礎(chǔ)上，依次進(jìn)行物理模型屬性、屏間物理線纜、屏間線纜纜芯和柜內(nèi)纜芯回路4個(gè)層次的比較，完整獲取SPCD版本差異的比對(duì)結(jié)果。

3.1 物理模型屬性比對(duì)

第一層次的比對(duì)，通過提取兩個(gè)不同版本SPCD模型文件中的站內(nèi)物理配置信息，分別對(duì)站內(nèi)小室區(qū)域、小室內(nèi)屏柜、柜內(nèi)設(shè)備、設(shè)備板卡和板卡使用端子排等進(jìn)行多層級(jí)比對(duì)，比較出小室是否擴(kuò)建、室內(nèi)屏柜的類型及數(shù)量、柜內(nèi)設(shè)備的更替、設(shè)備上板卡的啟停狀態(tài)和對(duì)應(yīng)端口的通信方式等差異信息，并以可視化的圖形界面進(jìn)行展示。

如圖3所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示物理模型新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“-”表示物理模型減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示物理模型信息發(fā)生變化。

圖3 物理模型屬性比對(duì)

3.2 屏間物理線纜比對(duì)

第二層次的比對(duì)，通過提取Cable層級(jí)下的配置信息，解析出不同屏柜之間的物理線纜回路信息，比對(duì)每一條物理線纜的差異，總結(jié)出線纜數(shù)量的增減和線纜自身屬性的變化，其中線纜屬性變化包括線纜布置長(zhǎng)度、線纜內(nèi)纜芯的數(shù)量、線纜連接路徑和線纜類型，隸屬于電纜、光纜和尾纜等。

如圖4所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示屏間物理線纜新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“-”表示屏間物理線纜減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示屏間物理線纜屬性變化。

圖4 屏間物理線纜比對(duì)

3.3 屏間線纜纜芯比對(duì)

第三層次的比對(duì)，SPCD版本1和SPCD版本2逐個(gè)導(dǎo)入纜芯比對(duì)模塊，根據(jù)第二層次的比對(duì)結(jié)果，選擇差異線纜后，以圖形展示的方式快速比對(duì)出產(chǎn)生變化的線纜纜芯。

屏間線纜纜芯比對(duì)包括新增纜芯、減少纜芯和纜芯回路變化。以屏間設(shè)備為視角，以可視化方式展示所選屏柜設(shè)備和屏外設(shè)備之間物理回路的關(guān)系，并通過可視化的符號(hào)標(biāo)注兩個(gè)版本屏柜之間的纜芯端子變化信息。

如圖5所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示線纜纜芯新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“-”表示線纜纜芯減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示存在線纜纜芯回路端子發(fā)生變化。

3.4 柜內(nèi)纜芯回路比對(duì)

第四層次的比對(duì)，SPCD版本1和SPCD版本2逐個(gè)導(dǎo)入纜芯比對(duì)模塊，從差異屏柜內(nèi)選取出差異柜內(nèi)纜芯后，以圖形展示的方式快速比對(duì)出產(chǎn)生變化的線纜纜芯。

柜內(nèi)纜芯回路比對(duì)包括新增纜芯、減少纜芯、纜芯回路變化和跳纜類型。以屏內(nèi)設(shè)備為視角，以可視化方式展示所選設(shè)備和屏內(nèi)其余設(shè)備之間屏內(nèi)跳纜的關(guān)系，并通過可視化的符號(hào)標(biāo)注兩個(gè)版本屏柜之間的纜芯端子變化信息，點(diǎn)擊變化信息即可呈現(xiàn)跳纜類型和回路功能等信息。

圖5 屏間線纜纜芯比對(duì)

如圖6所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示柜內(nèi)纜芯回路新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“-”表示柜內(nèi)纜芯回路減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示柜內(nèi)纜芯回路端子變化或者跳纜類型由跳纜改為雙絞線等差異。

圖6 柜內(nèi)纜芯回路比對(duì)

3.5 可視化比對(duì)成果展示

可視化比對(duì)工具畫面由軟件自動(dòng)生成，畫面的生成依賴兩個(gè)條件：一個(gè)是SPCD數(shù)據(jù)模型，另一個(gè)是圖形可視化技術(shù)。軟件分別讀取兩個(gè)全站SPCD文件，并進(jìn)行比對(duì)展示，建立起物理回路連接關(guān)系示意圖。系統(tǒng)先定義好畫面布局及設(shè)備、物理回路連線和虛擬線纜等畫面元素的圖形樣式，然后將圖元樣式與數(shù)據(jù)模型結(jié)合起來，在適當(dāng)?shù)奈恢蒙侠L制出各個(gè)圖元，最終生成可視化比對(duì)展示畫面?？梢暬葘?duì)工具采用跨平臺(tái)軟件QT設(shè)計(jì)界面框架，軟件擁有直觀簡(jiǎn)潔的用戶界面，方便運(yùn)維人員學(xué)習(xí)和使用。透明運(yùn)維配置工具生成軟件采用經(jīng)典界面布局模式，擁有直觀簡(jiǎn)潔的用戶界面：工具欄、樹形導(dǎo)航欄、工作區(qū)域，如圖7所示。運(yùn)維人員使用時(shí)，只需通過上方工具欄分別按下“導(dǎo)入SPCD1”和“導(dǎo)入SPCD2”按鈕導(dǎo)入兩個(gè)不同版本的SPCD模型文件，工具就會(huì)自動(dòng)完成模型解析、比對(duì)，并按層級(jí)關(guān)系比對(duì)方法流程自動(dòng)生成可視化比對(duì)畫面展示。

圖7 可視化比對(duì)工具界面顯示

4 結(jié)論

本文提出了一種基于線纜物理回路SPCD文件的可視化比對(duì)方案，完成了SPCD文件可視化與文件信息的對(duì)比。該工具通過對(duì)不同版本的SPCD文件內(nèi)容的分析與提取，從4個(gè)層級(jí)自上而下逐步實(shí)現(xiàn)SPCD文件比較，通過可視化客戶端顯示所有鏈路信息，對(duì)差異處進(jìn)行標(biāo)記，直觀地展示了完整的SPCD版本比對(duì)信息。該工具實(shí)現(xiàn)了直流換流站線纜回路運(yùn)維智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化[10]，解決了依靠人力保證線纜物理回路配置信息效率低下且錯(cuò)誤率高的問題，有效提升了運(yùn)維效率，降低了運(yùn)維成本，為二次運(yùn)維和調(diào)試等高級(jí)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，在直流換流站的管理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王祺元, 趙靜, 劉海斌, 等. 晉南特高壓直流輸電工程斷路器重復(fù)分合閘問題的分析[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(9): 101-104, 113.

[2] 武文, 吳學(xué)智, 荊龍, 等. 適用于多端直流輸電系統(tǒng)的模塊化多端口直流潮流控制器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(3): 539-551.

[3] GB/T 37755—2019. 智能變電站光纖回路建模及編碼技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 王軒, 楊文麗, 汪鳳月, 等. 智能變電站中SCD管控系統(tǒng)的研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2017, 33(2): 68-74.

[5] 李鵬, 單強(qiáng), 楊世江, 等. 智能變電站過程層交換機(jī)靜態(tài)組播表自動(dòng)生成技術(shù)的研究和應(yīng)用[J]. 浙江電力, 2018, 37(7): 43-48.

[6] 鄧潔清, 車勇, 單強(qiáng), 等. 基于標(biāo)準(zhǔn)中間過程文件的SCD版本比對(duì)的優(yōu)化研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(14): 95-99.

[7] 鄒曉玉, 王浩, 吳曉博. IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中SCL語(yǔ)言的幾個(gè)實(shí)踐應(yīng)用問題探討[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2006, 30(15): 77-80, 107.

[8] 岳麗霖, 連美霞. ±800kV奉賢換流站的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)[J]. 電氣技術(shù), 2011, 12(12): 113-115.

[9] 王曉衛(wèi), 高杰, 吳磊, 等. 柔性直流配電網(wǎng)高阻接地故障檢測(cè)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(13): 2806-2819.

[10] 高磊, 楊毅, 蘇麟, 等. 智能變電站二次系統(tǒng)物理回路建模方法及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(24): 130-139.

SPCD-based visual comparison method of the physical circuit of the converter station control and protection system

TANG Xiaozheng SHI Lin YU Chunlei SONG Jinshan ZHANG Xiang

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd, Maintenance Branch, Nanjing 211102)

With the vigorous development of DC transmission technology, the reliable and stable operation of converter stations will face huge challenges. Although the optical fiber physical circuit model (SPCD) document of the smart substation has stipulated the description information of the optical fiber circuit in the secondary circuit of the smart station, many of the unique physical objects of the converter station are not involved, so it is not fully compatible with the use of the DC converter station; In addition, the excessive number of model drawings, internal TDM bus, DP bus modification and other reasons cause the operation and maintenance personnel to constantly modify and adjust the physical circuit model file, so the problem of more SPCD file versions and inconvenience in operation and maintenance occurs. In response to the above problems, this paper expands to a certain extent on the basis of the optical fiber physical circuit model (SPCD) file to adapt to the unique bus and relay of the converter station; and designs a visual comparison method based on the SPCD model to achieve Visualization and version difference comparison of four levels of physical object model attributes in the converter station, physical cables between screens, cable cores between screens, and cable core loops in cabinets are presented. This facilitates the operation and maintenance personnel to manage the SPCD version and effectively improves the operation and maintenance efficiency.

physical circuit; substation physical configuration description (SPCD); converter station; version comparison; visualization

2020-09-25

2020-11-10

湯曉崢（1976—），男，江蘇省常州市人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事交直流特高壓運(yùn)檢技術(shù)工作。