智能變電站圖模一體化設計軟件實現方案

葉 翔，劉 輝，周永忠

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.重慶市電力公司，重慶400015)

智能變電站最核心的技術革新在于使用網絡技術代替傳統二次接線傳遞數字和模擬信號，原有直接可觀、相互解耦、具象的二次接線由不直接可見、相互高度耦合、抽象的網絡數據流代替，并通過IEC 61850-6中定義的變電站配置描述（SCL）語言[1]將全站所有配置信息靜態描述在系統配置描述 （SCD）文件中，但SCL語言基于可擴展標識語言（XML），裝置間邏輯關系等配置信息表示得較為晦澀，一般用戶很難快速查看和配置智能電子設備 （IED）間的邏輯關系。由此，許多基于IEC 61850的SCD配置軟件也應運而生[2，3]，它們部分實現了可視化，對使用者屏蔽了XML，大大提高了編輯SCD文件的效率。目前國內智能變電站系統配置工具多由各生產廠商提供，由擔任集成角色設備制造廠商使用，雖已部分實現可視化，但由于功能不完善，且沒有充分考慮設計人員的使用習慣，難于向各設計單位推廣。隨著越來越多的智能變電站投運，并陸續進入運行、維護周期，各網省公司均加大了對智能變電站設計描述方法和運行維護策略的相關研究工作。其中，為設計單位提供符合其使用習慣的配套工具，突出設計單位的設計、集成、配置一體功能顯得越來越重要。鑒于此，文中提出一種面向設計的智能變電站圖模一體化設計軟件實現方案。

1 智能變電站設計需求

1.1 設計現狀

在現有的智能變電站建設過程中，其二次設計成果主要包括：系統接線圖、屏柜布置圖、二次原理圖、光纜聯系圖或表、網絡配置圖、光纜清冊、虛端子聯系圖或表。其中，系統接線圖、屏柜布置圖、二次原理圖、光纜聯系圖或表、網絡配置圖、光纜清冊等圖紙設計方式和原有的常規變電站基本一致[4，5]。但由于缺乏配套的設計工具，加之設計人員對IEC 61850相關知識不甚了解，導致目前對于表征系統二次回路交互的虛端子連接關系仍然停留在自動計算機輔助設計軟件（AutoCAD）制圖、電子表格（EXCEL）制表階段，不能直接生成SCD配置文件，由于依賴集成廠商在后續系統集成工作中將虛端子聯系圖或表在SCD中進行配置，直接導致了重復的配置工作，且無法有效地保證IEC 61850模型的一致性。此外，由于虛端子聯系圖或表一般由設計單位根據設備廠商提供的裝置能力描述（ICD）文件單獨配置形成，與反映設備物理連接關系的外部光纜聯系圖相對獨立，因此無法有效地建立邏輯回路（虛端子連接）與物理回路（光纜連接）之間的對應關系，直接導致后續調試、運行、維護工作的困難。

1.2 設計要求

理想情況下，設計人員除完成常規的一、二次接線圖外，還需要根據各設備廠商提供的ICD模型文件及變電站一、二次設備的配置原理完成完整的全站數據模型配置和變電站的數據流連接，并最終生成反映全站模型及邏輯信息交互的SCD文件。

完整的設計成果還應反映邏輯回路與物理回路之間的對應關系，具體來說就是某個物理光纖回路中傳輸的虛端子信號。設計人員要綜合考慮物理光纖回路與虛端子連接配置之間的對應關系，改變現有物理回路與邏輯回路單獨設計的工作方式，真正做到在設計層面上完善和提升智能變電站的設計深度。

1.3 軟件的功能需求

智能變電站圖模一體化設計軟件需要滿足目前智能變電站的設計深度要求，并在充分符合設計人員使用習慣、盡量屏蔽IEC 61850模型細節的基礎上，著重實現一二次設備對象管理、配置以及AutoCAD出圖功能。具體包括：

（1）實現包括小室、屏柜、設備、交換機等在內的二次設備對象建模及各設備對象的創建、修改、刪除等維護功能；

（2）實現包括設備原理信息交互、線纜分配等在內的二次物理通信回路配置功能；

（3）實現包括虛擬二次回路、邏輯子網、SCD導入/導出在內的IEC 61850模型配置功能；

（4）依托AutoCAD環境，實現包括二次原理圖、虛端子圖、屏柜布置圖、光纜聯系圖、網絡配置圖、光纜清冊等在內的圖表生成功能。

2 軟件的開發方案

2.1 系統架構

智能變電站圖模一體化設計軟件旨在為設計人員提供一套實用配置工具軟件系統，通過提供專用的配置界面，在完成智能變電站內各一、二次設備對象配置的同時自動生成配套設計圖紙，并同時實現SCD文件的生成功能。

智能變電站圖模一體化設計軟件的基本實現原則由“配置”到“出圖”，所謂配置是指對智能變電站內的各一、二次設備對象進行數據建模，并在此基礎上提供專用的配置界面實現各類一、二次設備對象的配置功能。出圖則是指根據智能變電站內各設備對象的配置結果，按照特定的布局原則自動生成AutoCAD圖紙。

智能變電站圖模一體化設計軟件首先在系統架構上將配置功能與設計圖紙功能進行拆分，即配置功能獨立于AutoCAD，可直接采用各類高級語言開發實現，而與設計圖紙相關的功能可通過采用AutoCAD平臺上面向對象的開發包（ObjectARX）等二次開發技術，以插件形式嵌套在AutoCAD系統中。在此基礎上形成的系統架構如圖1所示，系統由二次配置環境和AutoCAD設計環境兩部分組成，二次配置環境中主要完成設備對象管理、物理通信配置以及IEC 61850模型配置功能，其輸出結果為各類報表及SCD文件；AutoCAD設計環節則專注于實現各類設計圖紙的生成功能，生成的圖紙包括主接線圖以及各類二次施工圖。二次配置環境和AutoCAD設計環境通過專用數據庫進行數據交換，在數據庫中存儲二次配置環境的配置結果，并在AutoCAD設計環境中將配置的結果生成導出為各類所需的施工圖紙。

圖1 軟件系統架構

2.2 關鍵技術及難點

2.2.1 AutoCAD二次開發

AutoCAD是一種結構高度開放的圖形繪制平臺軟件，提供給用戶一個功能強大的二次開發環境。從AutoCAD R13版本起，引入了Object ARX編程環境，用戶可以使用C++來開發AutoCAD的應用程序。Object ARX應用程序與AutoCAD在同一地址空間內運行并能直接利用AutoCAD的核心數據庫和代碼，利用AutoCAD的開放結構，可以直接訪問其數據庫結構、圖形系統以及CAD幾何造型核心。由于Object ARX具有模塊性好、獨立性強、連接簡單、使用方便、內部功能高效實用、代碼可重用性強、支持微軟基礎類庫（MFC）等優點，已愈來愈多地作為AutoCAD二次開發的首選。

2.2.2 XML數據庫

在智能變電站的設計應用中，若直接對XML文本進行編輯，不利于圖形界面的開發，需借助數據庫的方式對XML數據進行存取和操作，將半結構化數據轉化為結構化數據，通過查詢數據庫來提取，綜合和分析XML文檔的數據。

基于數據庫的XML存儲技術，圖形編輯模塊和模型編輯模塊都能夠從數據庫中獲得需要的信息，如圖形編輯模塊所需要的擴展屬性和模型編輯模塊對模型的導入、導出、編輯等各類型操作，但在數據庫表的設計上需要充分考慮IEC 61850標準的復雜性以及與AutoCAD屬性結合時的信息耦合，避免從數據庫中導出信息時發生信息錯誤或不完整的情況。

2.2.3 圖模一致性

圖模一致性的目的在于保證設計人員在完成模型配置、導出符合IEC 61850系列標準SCD文件的同時，能夠自動生成與模型一致的設計圖紙用以指導現場的施工調試。

在智能變電站中，裝置的ICD模型文件反映了裝置自身的能力描述，通過對ICD文件的建模方式加以規范，則完全可以根據規范化的建模原則建立裝置圖元。例如，在現有的智能變電站工程實施過程中，要求滿足Q／GDW 396—2009[6]，該標準在一定程度上規范了裝置虛端子的描述方式，該規范的修訂版本已經上報國網公司，修訂版本進一步對裝置的物理端口模型進行了規范。

2.3 軟件實現

2.3.1 功能模塊分解

如圖2所示，根據系統提供的功能種類的不同，智能變電站圖模一體化設計軟件分解為項目管理子系統、通信配置子系統、模型配置子系統以及AutoCAD子系統，各系統及其進一步的模塊劃分如下所述。

圖2 軟件系統功能模塊

（1）項目管理子系統。該系統實現工程項目的維護管理功能，并提供對各類設備對象的瀏覽、創建、刪除、修改等維護功能，此外還包括系統設置、用戶權限管理、版本管理功能。

① 項目瀏覽器模塊：實現單個工程項目內所有設備對象的瀏覽功能，并提供針對設備對象的創建、刪除、修改的維護功能。

② 用戶權限管理模塊：實現包括用戶創建、刪除、修改在內的用戶管理功能，并提供用戶權限的自定義功能。

③ 裝置庫管理模塊：裝置庫按照設備裝置所屬的生產廠商、設備類型、產品型號等，將可被多個工程復用的裝置進行分類組織管理。裝置庫管理模塊提供相應配置界面，實現裝置庫中各類裝置的維護管理功能。

（2）通信配置子系統。該系統實現站內各設備對象的物理通信回路配置瀏覽功能，并根據配置后的物理通信回路，實現回路間通信線纜的配置管理功能。

① 物理端口連接配置模塊：以單個智能裝置或交換機為配置對象，根據該設備對象的板卡插件以及物理端口定義，實現該設備對象與站內其他設備對象間的物理端口連接配置。

② 線纜管理模塊：根據站內設備對象間的物理端口連接關系，自動生成相應連接線纜，并提供針對線纜類型、長度等屬性的修改功能。此外，還應提供包括光纖組纜、光纜拆分、光配端口分配等站內光纖回路的常用維護管理功能。

③ 虛擬局域網（VLAN）配置模塊：根據站內設備對象間的物理端口連接關系，并綜合考慮設備所屬間隔等情況，自動劃分站內VLAN，并提供相應配置界面允許手動調整VLAN劃分。

（3）模型配置子系統。模型配置子系統根據站內智能裝置對象的ICD模型描述，提供包括虛端子連接配置、端子描述改名、邏輯子網配置在內的與IEC61850相關的配置功能，并最終實現SCD文件的自動生成。

① 虛端子配置模塊：以單個智能裝置為配置對象，以接收信號為配置內容，根據智能裝置間的物理端口連接關系，自動分析該裝置接收端口關聯的發送智能裝置，建立發送智能裝置虛端子信號與該裝置接收虛端子信號的關聯關系。

② 邏輯子網配置模塊：實現MMS/GOOSE/SMV邏輯子網的劃分，并配置子網內IP地址、組播地址等通信參數。

③ SCD導入/導出模塊：SCD導出將根據站內智能裝置對象的ICD模型描述，以及相關的虛端子配置、邏輯子網配置，自動生成符合IEC61850規范SCD文件。

（4）AutoCAD系統。AutoCAD系統根據設備對象間的各類配置關系，依托ObjectARX二次開發，通過插件形式在AutoCAD系統進程中實現各類圖紙卷冊的繪制、導出及管理功能。

① 圖元圖框定義模塊：實現包括一次設備、二次設備物理背板、端口等在內的自定義圖元功能，此外，根據設計出圖的需要，實現自定義圖框的功能。該模塊以單個AutoCAD插件實現。

② 圖紙卷冊管理模塊：對站內生成的各類圖紙按卷冊進行組織管理，提供包括新建、刪除、修改等在圖紙卷冊管理功能。此外，該模塊應能讀取設備對象間的各類配置關系，根據各類自定義的二次設備圖元，按照設計單位要求自動生成各類二次施工圖紙。考慮各級設計單位出圖的差異性，該模塊應能通過模板或其他自定義手段實現不同需求圖紙的導出生成功能。該模塊以單個AutoCAD插件實現。

③ 一次系統設計模塊：根據自定義的一次設備圖元，繪制系統主接線圖，并分析一次設備間的連接關系，自動生成相應的一次設備對象模型。該模塊以單個AutoCAD插件實現。

2.3.2 數據庫實現

智能變電站圖模一體化設計軟件的數據存儲采用開放源碼的小型關聯式數據庫管理系統（MySQL），根據數據應用范圍的不同，將數據分為基礎數據及工程數據，并采用分數據庫的方式將這些數據存儲在不同的數據庫中。

其中基礎數據庫用于存儲各類與具體工程無關的且相對固定的基礎數據信息，如裝置類型、電壓等級、用戶權限、系統設置、工程模板等，此外基礎數據庫中還應存儲特定工程與下述工程數據庫的對應關系。

工程數據庫則用于存儲與特定工程相關的設計配置數據信息，工程數據庫本身亦采用分數據庫的方式，將不同工程的設計配置數據存儲在不同的數據庫中。

智能變電站圖模一體化設計軟件在啟動后首先應讀取基礎數據庫中的數據，初始化系統所需的基礎數據信息，檢查用戶登陸權限，并根據用戶選擇的具體工程打開與之對應的工程數據庫。

3 結束語

進入智能變電站時代，變電站的設計、配置及管理等各個環節與傳統變電站都有很大的不同。相對傳統變電站，智能變電站更加注重統一建模、統一配置、統一管理。但用戶仍然保持著傳統的使用習慣，這對變電站設計軟件提出更高的要求。軟件既要充分體現智能變電站的技術特征，又要屏蔽底層復雜的技術細節，能夠讓用戶既能體會到智能化給變電站運行帶來的技術優勢，又能不改變傳統的工作方式和習慣，不增加額外的工作量。針對面向設計的智能變電站圖模一體化軟件的實現方案，從需求、實現等幾個方面進行了闡述，希望借此能給智能變電站的設計以及配置軟件開發者帶來一些新的思路，開發出能夠滿足普通用戶需求、更加方便實用的工具軟件，推動智能變電站的發展。

[1]IEC 61850-6：Communication networks and systems in substations-Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S].

[2]祁 忠，篤 峻，張志學，等.IEC 61850 SCL配置工具的研究與實現[J].電力系統保護與控制，2009，37(7)：76-81.

[3]陳橋平，李一泉，張 弛.面向不同用戶的可視化變電站配置語言工具實現方案[J].廣東電力，2012，25(3)：88-92.

[4]婁 悅，秦 華.220 kV西涇智能變電站二次系統設計技術研究[J].電力勘測設計.2011(2)：61-64.

[5]王克祥，王秀蓮，李 響，等.智能變電站網絡通信引起的二次系統設計變化[J].電力勘測設計，2013(5)：60-65.

[6]國家電網公司.Q／GDW 396—2009 IEC 61850工程繼電保護應用模型[S].北京：中國電力出版社，2010.