融合一二次設備的變電站多側面邏輯視圖自動生成技術

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)議定義了常見設備的數(shù)據(jù)格式、標識符、行為和控制，如斷路器、調壓器和繼電保護等站內或饋線設備。IEC61850作為開發(fā)電力系統(tǒng)無縫遠動通信系統(tǒng)的基礎，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，可以通過轉化成CIM/XML和SVG/XML格式后上傳至上游調度主站EMS系統(tǒng)，并在調度主站端自動導入，構建出系統(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，直接利用SCD或CIM中的模型信息自動構建出滿足不同應用需求的統(tǒng)一風格的變電站邏輯視圖。

國內外變電站自動成圖技術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，沒有深入到站內主接線和元件，通?；贗EC61970/CIM。國內外自動成圖技術往往是在原始模型基礎上的單一視圖，缺乏模型抽象基礎上的多視圖模式，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，構建變電站一二次模型對象關系，形成規(guī)格化的空間點線模型，并自動識別一次設備接線類型，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，生成變電站多側面邏輯視圖，并自動疊加關聯(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 變電站多側面邏輯視圖自動生成技術路線

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系及電壓等級內部的間隔關系，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 變電站邏輯結構智能識別

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

2.1 間隔設備自動識別

IEC 61850/SCD中有間隔描述，但無自動成圖時所需要的間隔內設備的排布信息，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備，該虛擬設備帶端子和拓撲結點，復用間隔之間的拓撲結點。由間隔外邊界結點向內遍歷主要設備確定間隔內部的主干支路，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系條件下，間隔先按照虛擬設備布局、定位、連線，在確定間隔矩形范圍后，再排布間隔內部主干支路，最后排布分支支路，逐級排布出所有設備。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，構造廠站內設備電氣連接基礎拓撲；

2)在電壓等級范圍內進行電氣島分析；

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

4)在子網(wǎng)內搜索頂點度數(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；母線之間的排布關系；母線與設備之間的約束描述。利用這些關系進行匹配，匹配成功，則裝載匹配結果至接線圖各對應電壓等級內；匹配不成功，則標志控制其轉換為非內部展現(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 多側面邏輯視圖生成

廠站圖布局對象為廠站內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

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部各設備細節(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)電壓等級內部接線類型自動識別并繪制，其要點是：內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 二次設備動態(tài)疊加

對于電壓互感器、電流互感器、保護等二次設備，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，在一次設備繪制完成后，依據(jù)一二次設備之間的拓撲關系及一次設備排布走向，在關鍵位置自動疊加二次設備。關鍵位置確定過程大致包括以下幾點：

圖8 二次設備動態(tài)疊加示意圖

1)確定一次設備的位置及走向；

2)確定與二次設備相連節(jié)點位置；

3)與一次設備免碰撞處理。

3.3 二次測點信息自動關聯(lián)

二次測點信息與一次設備的關聯(lián)規(guī)則可以概括為如下幾點：

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

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

3)二次設備和一次設備沒有關聯(lián)的，其二次測點直接關聯(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)域與設備對象的最短距離為原則，如圖9所示。

圖9 一二次設備關聯(lián)關系

3.4 多側面邏輯視圖生成

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之間映射關系，通過模型拼接技術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[7-8]實現(xiàn)滿足調度需求的宏觀潮流圖、片網(wǎng)圖成圖。通過該技術，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

通過邏輯結構智能識別技術，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進行各電壓等級的繪制，在線路、主變等電氣設備側自動疊加二次測點信息。通過全景視圖自動生成技術將獨山變電站添加到地區(qū)潮流圖內，展示宏觀信息。

4 結 語

電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的圖形化顯示在各級電網(wǎng)運行調度中至關重要，無論是站端，還是各級運行調度都需要有電網(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。

融合一二次設備對象的變電站自動成圖技術，實現(xiàn)了基于IEC61850模型的廠站多側面邏輯視圖自動生成，動態(tài)圖模映射自動關聯(lián)，滿足了變電站多側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。