基于全站系統(tǒng)配置文件解析的智能變電站二次設(shè)備調(diào)試策略生成方法

鄒經(jīng)鑫，劉 鑫，袁明哲，盧音樸，張 帥，李雪愷

(國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，變電站智能設(shè)備的推廣應(yīng)用已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，各大城市已經(jīng)出現(xiàn)了大量智能變電站。智能變電站全站系統(tǒng)配置文件(substation configuration description，SCD)是智能變電站應(yīng)用和管理的核心。目前各大廠家均已遵照IEC 61850規(guī)范，推出各具特色的具有SCD文件解析及解析結(jié)果的可視化展示功能的配置工具。

在220 kV智能變電站中，正常運(yùn)行設(shè)備涉及大量智能裝置，其二次系統(tǒng)調(diào)試是變電檢修工作的重要組成，需根據(jù)不同設(shè)備的詳細(xì)情形因地制宜地制定可靠的個(gè)性化調(diào)試方案[1]。一般情況下，二次檢修人員將在工作前一周內(nèi)開展現(xiàn)場(chǎng)查勘。在進(jìn)行查勘工作時(shí)，查勘人員將對(duì)照該智能站最新的SCD歸檔文件，核實(shí)現(xiàn)場(chǎng)工作涉及到的光纖回路、電纜回路、軟硬壓板、裝置定值單等各類信息，據(jù)此編制安全措施票及調(diào)試項(xiàng)目。由于檢修人員的技術(shù)水平和作業(yè)習(xí)慣存在差異，在智能站二次工作安全措施(以下稱“安措”)制定的過程中可能遺漏重要回路，造成安措執(zhí)行不到位，或是調(diào)試效率低下、調(diào)試項(xiàng)目不充分的問題[2]。目前，已有學(xué)者針對(duì)智能變電站二次安措的生成進(jìn)行了一些研究，但并未涉及設(shè)備調(diào)試內(nèi)容[3]。因此，亟需在充分了解智能變電站運(yùn)行結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合SCD解析結(jié)果，及時(shí)對(duì)智能變電站二次設(shè)備調(diào)試方法進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)調(diào)試項(xiàng)目的自動(dòng)生成。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)檢修調(diào)試，為智能變電站安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供條件。

與常規(guī)變電站相比，智能變電站的最大不同在于采用了SCD文件進(jìn)行二次回路設(shè)計(jì)描述。SCD文件包含了智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)通信、類型、參數(shù)、控制塊、裝置間聯(lián)系等所有信息[4]。其中二次系統(tǒng)調(diào)試的主要目標(biāo)是精準(zhǔn)確定調(diào)試方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)SCD文件中二次回路的全面驗(yàn)證。下面采用XPath(XML路徑查詢語言)技術(shù)聯(lián)合文檔對(duì)象模型(document object model，DOM)方法對(duì)SCD進(jìn)行語義解析，將原本不易理解的文本解析成結(jié)構(gòu)化控制語言(structured control language，SCL)元素，以完整可靠地調(diào)試裝置并清晰地反映二次回路的內(nèi)容，生成調(diào)試方案及安全措施[5]。

1 智能變電站過程層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

智能變電站過程層數(shù)據(jù)通信引入發(fā)布/訂閱機(jī)制實(shí)現(xiàn)，其通信參數(shù)、數(shù)據(jù)通道、虛端子連接等信息均在SCD文件中完成配置。通過過程層發(fā)布/訂閱機(jī)制的3類核心參數(shù)描述及示例如表1所示。其中：前兩類參數(shù)決定各智能裝置間的邏輯鏈路關(guān)系；最后一類參數(shù)用于實(shí)現(xiàn)多端口應(yīng)用需求，亦屬必要配置參數(shù)。

表1 過程層發(fā)布/訂閱機(jī)制的核心參數(shù)及示例

作為SCD配置文件的重要組成部分，IED過程層虛端子配置文件描述了通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?generic object oriented substation event，GOOSE)發(fā)布/訂閱、采樣值(sampled value，SV)發(fā)布/訂閱所需的通信、控制及端口信息。其中：GOOSE發(fā)布/訂閱分別屬于GOOSEPUB(GOOSE發(fā)布)元素/GOOSESUB(GOOSE訂閱)元素集合范疇；SV發(fā)布/訂閱分別屬于SVPUB(SV 發(fā)布)元素/SVSUB(SV訂閱)元素集合范疇。

IED過程層虛端子配置文件是其過程層通信配置的最小集合，直接影響IED之間二次回路過程層連接關(guān)系的具體表達(dá)[4,6]。圖1為二次回路GOOSE發(fā)布/訂閱的基本結(jié)構(gòu)，SV發(fā)布/訂閱具有與之相同的結(jié)構(gòu)。依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，基于智能變電站過程層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，針對(duì)性地提出SCD文件解析方法。

圖1 GOOSE發(fā)布/訂閱的基本結(jié)構(gòu)

2 SCD文件內(nèi)核解析

2.1 解析過程

當(dāng)前用于SCD文件解析的主要方法有DOM解析方法和XML簡(jiǎn)單應(yīng)用程序接口(simple API for XML，SAX)解析方法[7]。鑒于DOM模型優(yōu)點(diǎn)[8]及SCD文件的規(guī)模特征，引入Xpath技術(shù)[9]聯(lián)合DOM方法展開SCD文件解析。

SCD文件解析過程主要包括讀取文件和分析文件，解析過程如圖2所示。首先，讀取文件將SCD文件路徑在內(nèi)存中形成DOM樹，節(jié)點(diǎn)類型為XmlNode，可以訪問其前節(jié)點(diǎn)、后節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)和首個(gè)子節(jié)點(diǎn)，從而建起便于遍歷的整棵樹結(jié)構(gòu)。同時(shí)，構(gòu)建所有節(jié)點(diǎn)集合(XmlNodeList)，獲取子節(jié)點(diǎn)信息，再運(yùn)用XPath強(qiáng)大的查找功能，快速定位所查找IED的所有訪問節(jié)點(diǎn)。

圖2 SCD文件的解析過程

分析文件即是重構(gòu)SCD文件的過程，以生成符合要求的新結(jié)構(gòu)樹。在重構(gòu)過程中，使用具備一對(duì)一處理能力、能迅速通過關(guān)鍵字查找對(duì)象的Map關(guān)聯(lián)容器[7]構(gòu)造新結(jié)構(gòu)樹的節(jié)點(diǎn)。

2.2 實(shí)現(xiàn)流程

為實(shí)現(xiàn)SCD文件讀取，需調(diào)用Load函數(shù)，在內(nèi)存中形成DOM樹，采用語句Xpath=“/SCL/IED”獲取相應(yīng)IED名稱，并將節(jié)點(diǎn)類型轉(zhuǎn)換為XmlElement，采用GetAttribute函數(shù)獲取節(jié)點(diǎn)類型及名稱等參數(shù)。將IED信息輸出至列表框，完成系統(tǒng)初始化。

對(duì)于SCD文件分析，需要確立與SCD文件相對(duì)應(yīng)的新結(jié)構(gòu)樹，以展開SCD解析。首先需預(yù)先定義樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型包括Substation根節(jié)點(diǎn)、IEDNode等5類節(jié)點(diǎn)類型和功能約束數(shù)據(jù)屬性(functionally constrained data attribute，F(xiàn)CDA)等[7,10]。生成新的結(jié)構(gòu)樹是一個(gè)遞歸的過程，這里引入XPath快速查找功能從DOM樹獲取所需配置參數(shù)，然后寫入新樹對(duì)應(yīng)屬性，最終完成新結(jié)構(gòu)樹的構(gòu)建。SCD文件解析配置主要流程如圖3所示。

圖3 SCD文件解析配置主要流程

1)由根節(jié)點(diǎn)進(jìn)入通信系統(tǒng)(communication)元素，查找GSE/SMV接入點(diǎn)，采用XPath查找功能獲取第一個(gè)IED下所有邏輯設(shè)備(logical device，LD)信息。

2)訪問LD第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)LN0，記錄lnType值，并訪問其下DOI節(jié)點(diǎn)，記錄lnType各DOI值；

3)根據(jù)lnType和DOI值，在可實(shí)例化的邏輯節(jié)點(diǎn)類定義模型DataTypeTemplates/LNodeType中查找對(duì)應(yīng)的lnType，并找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象(data object，DO)，即可獲取DO的type值。該過程可利用XPath技術(shù)快速完成。

4)通過解析DO的Type值，可得隸屬于DO的數(shù)據(jù)屬性(data attribute，DA)，同時(shí)DO中各數(shù)據(jù)定義狀態(tài)可進(jìn)一步由DA的“功能約束FC”這一屬性獲取[11]。再次運(yùn)用Xpath技術(shù)，查找id名與上步DO的Type值相同的DOType節(jié)點(diǎn)，并獲取該節(jié)點(diǎn)下的所有DA節(jié)點(diǎn)。

5)根據(jù)步驟2訪問DOI節(jié)點(diǎn)下的DA節(jié)點(diǎn)，并依據(jù)DA節(jié)點(diǎn)名稱得到步驟4中DA對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，從而獲取該DA節(jié)點(diǎn)具體類型。

考慮到全站數(shù)據(jù)規(guī)模較大，同時(shí)為了數(shù)據(jù)復(fù)用和程序執(zhí)行效率，引入MySQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)處理方案。此外，在數(shù)據(jù)處理過程中，該方法集中對(duì)各數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了分類定義歸檔，以便實(shí)際工程應(yīng)用中根據(jù)不同的實(shí)例化需求(如遙信、遙測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)調(diào)試)快速讀取數(shù)據(jù)。

依據(jù)上述SCD文件解析流程，可快速獲取各IED名稱、邏輯裝置名稱、控制塊具體配置以及DataSet元素的中文描述。這些解析得到的配置信息可以用于指導(dǎo)智能變電站二次系統(tǒng)檢修工作中安全措施及調(diào)試項(xiàng)目的生成，具體生成方法在下一章展開論述。

3 安全措施與調(diào)試項(xiàng)目生成

3.1 確定調(diào)試項(xiàng)目

智能變電站二次系統(tǒng)調(diào)試包括單體調(diào)試、整組調(diào)試。單體調(diào)試只針對(duì)單項(xiàng)測(cè)試展開，整組調(diào)試則是驗(yàn)證各智能設(shè)備間的聯(lián)絡(luò)與配合關(guān)系，二次回路的正確性通過整組調(diào)試進(jìn)行驗(yàn)證[4]。GOOSE開入/開出測(cè)試、SV輸入/輸出測(cè)試等項(xiàng)目屬于單體調(diào)試的范疇。表2展示了二次回路發(fā)布/訂閱配置參數(shù)與調(diào)試項(xiàng)目的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 二次回路與調(diào)試項(xiàng)目

根據(jù)表2所示對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于解析SCD方法生成對(duì)應(yīng)調(diào)試項(xiàng)目的主要步驟如下：

1)引入XPath技術(shù)快速搜索GOOSE/SV發(fā)布的配置信息，然后根據(jù)搜索結(jié)果對(duì)比控制塊、通信、通道等配置信息的差異，最后生成對(duì)應(yīng)調(diào)試項(xiàng)目。根據(jù)形成的調(diào)試項(xiàng)目對(duì)IED開展GOOSE/SV輸出的單體調(diào)試。對(duì)于通信參數(shù)對(duì)應(yīng)的GOOSE/SV輸出的通信參數(shù)檢查，需要保持IED發(fā)出的通信參數(shù)應(yīng)與SCD文件相一致；對(duì)于數(shù)據(jù)通道的輸出一致性校驗(yàn)，應(yīng)采取IED功能測(cè)試，檢驗(yàn)IED所發(fā)參數(shù)與SCD文件是否一致。

2)再次引入XPath快速搜索GOOSE/SV訂閱的配置信息，然后根據(jù)搜索結(jié)果對(duì)比控制塊、鏈路、通信、通道等信息差異點(diǎn)，最后生成對(duì)應(yīng)調(diào)試項(xiàng)目。對(duì)于GOOSE/SV輸入的通信參數(shù)檢查，需要保持IED接收數(shù)據(jù)通信參數(shù)與SCD文件相一致，并檢查IED設(shè)備GOOSE/SV輸入過程是否存在異常警報(bào)；對(duì)于GOOSE/SV輸入的整組調(diào)試，需要從發(fā)送側(cè)IED輸出配置信息，檢查確保IED的GOOSE/SV輸入與SCD文件保持一致；檢查IED設(shè)備GOOSE/SV輸入過程是否存在無異常警報(bào)，并核實(shí)接收過程中斷報(bào)警信息的一致性，最后在模擬接收過程中斷情形下，確保IED上傳監(jiān)控系統(tǒng)的過程警報(bào)描述與實(shí)際過程保持一致。

3.2 生成安全措施

在進(jìn)行二次設(shè)備調(diào)試前準(zhǔn)確制定和實(shí)施安全措施，實(shí)現(xiàn)調(diào)試與運(yùn)行系統(tǒng)及時(shí)隔離，是調(diào)試工作的重要安全保障。變電站通常是根據(jù)圖紙分析二次回路來界定工作分界面并制定安全措施[12]。通過解析智能變電站SCD文件得到待調(diào)試設(shè)備所關(guān)聯(lián)的其他二次設(shè)備，將訂閱該調(diào)試設(shè)備數(shù)據(jù)的非試驗(yàn)設(shè)備視為運(yùn)行設(shè)備，用以指導(dǎo)當(dāng)前調(diào)試工作安全措施的制定。

1)基于XPath技術(shù)快速獲取GOOSE/SV訂閱部分對(duì)應(yīng)的IED二次回路文件，將控制塊名稱、接收IED名稱進(jìn)行記錄，從而生成具有“一對(duì)多”特征的控制塊與IED的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中包含了各發(fā)送控制塊的被訂閱的情況，進(jìn)而分析出可能受到此次整組調(diào)試影響的運(yùn)行設(shè)備范圍。

2)標(biāo)記與整組調(diào)試相關(guān)的發(fā)送IED和接收IED為試驗(yàn)設(shè)備；再由試驗(yàn)設(shè)備GOOSE/SV發(fā)布控制塊名稱，并在配置文件中搜索訂閱此控制塊的IED信息(已標(biāo)定為試驗(yàn)設(shè)備的除外)；再次利用XPath技術(shù)快速搜索運(yùn)行設(shè)備的GOOSE/SV接收控制塊信息，如果其發(fā)布IED是試驗(yàn)設(shè)備，就將該控制塊標(biāo)記成試驗(yàn)系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)的邊界回路。隔離試驗(yàn)設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備在邊界回路中的安全措施可設(shè)定為退出發(fā)送/接收軟壓板或斷開光纖回路。

4 實(shí)例驗(yàn)證

采用所提方法，擬對(duì)某220 kV智能變電站某線路間隔進(jìn)行常規(guī)調(diào)試及傳動(dòng)工作。利用生成工具高效實(shí)現(xiàn)本次線路保護(hù)年檢工作安全措施及調(diào)試項(xiàng)目的自動(dòng)生成，主要由以下兩個(gè)步驟組成：1)根據(jù)工作內(nèi)容匹配模板庫，導(dǎo)出SCD解析結(jié)果；2)智能識(shí)別調(diào)試回路，生成本次工作的調(diào)試作業(yè)書。

4.1 匹配模板庫

工作人員在進(jìn)行110 kV待用152線路間隔保護(hù)年檢、自動(dòng)化聯(lián)調(diào)工作前，將SCD文件導(dǎo)入生成工具后，SCD文件通過自動(dòng)解析生成圖形化虛端子連接，如圖4所示。

圖4 SCD文件解析結(jié)果

工作人員需提供本次年檢工作的間隔名稱，向生成工具輸入表3所示各項(xiàng)參數(shù)。

表3 系統(tǒng)生成年檢調(diào)試項(xiàng)目輸入?yún)?shù)示意

其中，“核心裝置編號(hào)”為可選項(xiàng)，其目的是結(jié)合本系統(tǒng)的語義分析，更精確地定位檢修范圍與工作間隔，減少計(jì)算時(shí)間和錯(cuò)誤率。

生成工具利用SCD解析得到的運(yùn)行設(shè)備間鏈路關(guān)系，計(jì)算并生成圖形化的二次設(shè)備安全措施展示如圖5所示。其中，DL1107代表待檢修線路保護(hù)裝置；IML1107代表同線路間隔的合智一體裝置。

圖5 二次設(shè)備安全措拖可視化展示

4.2 生成調(diào)試作業(yè)書

SCD解析結(jié)果還可以給出在進(jìn)行某項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，停電待檢修設(shè)備與其他裝置的關(guān)聯(lián)鏈路信息。圖6顯示了110 kV待用152線路保護(hù)裝置整組調(diào)試所涉及到的相關(guān)裝置間的鏈路關(guān)系，每個(gè)回路同時(shí)標(biāo)注了信號(hào)描述，這是系統(tǒng)對(duì)SCD文件進(jìn)行信號(hào)分類的結(jié)果。

圖6 待用152間隔整組調(diào)試涉及鏈路信號(hào)

通過對(duì)SCD文件的解析，并剔除因涉及到安措不能夠進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證的項(xiàng)目，輸出152線路保護(hù)裝置調(diào)試項(xiàng)目如表4所示。

表4 保護(hù)裝置調(diào)試項(xiàng)目

同理，通過計(jì)算每個(gè)被試設(shè)備的虛端子鏈路關(guān)系，分別得到各自的調(diào)試項(xiàng)目表。進(jìn)一步合并消除其中的重復(fù)項(xiàng)，再經(jīng)過語義匹配，將調(diào)試表中各項(xiàng)利用解析SCD文件虛端子回路形成的調(diào)試項(xiàng)目表，可以保證檢修設(shè)備編號(hào)、運(yùn)行設(shè)備編號(hào)、變電站設(shè)備編號(hào)與實(shí)際工作內(nèi)容的一致性，大大減少了查勘人員因現(xiàn)場(chǎng)查勘不充分或手工編制而造成的錯(cuò)誤。在實(shí)際工作中，部分涉及到檢修裝置的調(diào)試項(xiàng)目因本次工作安全措施要求所限，無法進(jìn)行調(diào)試，該類項(xiàng)目表在生成標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)書的同時(shí)一并輸出存儲(chǔ)，便于為該站今后開展其他檢修工作時(shí)提供參考。

參數(shù)(包括調(diào)試內(nèi)容、物理鏈路、發(fā)送控制塊、被調(diào)試裝置、被調(diào)試光口等條目)嵌入到預(yù)制的調(diào)試作業(yè)書模板，最終生成標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)書(見圖7)，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作需求。

圖7 安全措施及調(diào)試項(xiàng)目的自動(dòng)生成界面

5 結(jié) 論

圍繞智能變電站二次系統(tǒng)檢修作業(yè)效率與質(zhì)量的提升，針對(duì)智能站檢修中安全措施及調(diào)試項(xiàng)目可能出現(xiàn)遺漏的重要回路，造成安全措施執(zhí)行不到位以及調(diào)試效率低下、調(diào)試項(xiàng)目不充分等問題，提出一種基于SCD文件解析的智能變電站二次設(shè)備調(diào)試策略生成方法，主要結(jié)論如下：

1)構(gòu)建了基于XPath技術(shù)聯(lián)合DOM方法的SCD文件解析方法，為自動(dòng)生成智能變電站安措及調(diào)試項(xiàng)目提供了基礎(chǔ)平臺(tái)；

2)基于SCD解析方法，抽取了待檢設(shè)備與關(guān)聯(lián)設(shè)備間的過程層鏈路關(guān)系，并提出了二次設(shè)備安全措施自動(dòng)生成方法；

3)基于SCD解析方法，形成了包含調(diào)試項(xiàng)目在內(nèi)的變電二次專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)書自動(dòng)生成方法。

從工程實(shí)例應(yīng)用結(jié)果可以看出，所研究成果能夠自動(dòng)生成準(zhǔn)確可靠的二次安措和對(duì)應(yīng)調(diào)試項(xiàng)目。今后，還可就SCD文件的解析速度與調(diào)試作業(yè)書計(jì)算生成速度作進(jìn)一步的優(yōu)化與提升。