基于典型間隔模型的主接線圖分析系統研究與設計

黃金魁

摘要：變電站有眾多的應用系統，從降低成本、提高數據可靠性出發，一般要求各個系統間能夠實現信息和功能等的復用，隨著IEC61970標準的實施以及全網共用一套模型的提出，目前變電站許多應用系統主接線圖均基于拓撲接線技術或CIM模型規范。本文將研究和設計一種基于典型間隔模型的主接線圖分析系統，以實現目前大多數應用系統軟件的主接線圖的自動分析識別，可用于校驗接線圖繪制的正確性，也可作為變電站其它高級應用的基礎。

關鍵詞：變電站主接線 典型間隔模型 圖形分析識別 軟件復用

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0162-02

Abstract：Substation has many applications， from reducing the cost and improving the reliability of the data， generally require the information between the various systems and functions can be reused， with the implementation of IEC61970 standard and the whole network share same set of models ， The main wiring diagram of many application systems of the substation is based on topology wiring technology or CIM model specification. In this paper， we will study and design a main wiring diagram analysis system based on the typical bay model to realize the automatic analysis and identification of the main wiring diagram. It can be used to check the correctness of the wiring diagram drawing. It can also be used as the foundation of other advanced applications in substation.

Key Words：substation main wiring，typical bay model；graphic analysis and recognition；software reuse

變電站是電力系統中的重要生產場所，集中了電力生產過程中的許多工作業務，為了提高這些工作業務的效率與質量并保證工作過程的安全，變電站采用了大量應用系統軟件，這些應用系統軟件為變電站各項工作的開展提供了很多幫助，發揮了重要作用。同時，為了加強不同應用系統軟件之間的兼容關系，國際電工委員會（IEC）制定了IEC61970標準，用于實現各個廠家的應用系統軟件接口相互兼容，為不同廠家的應用系統軟件功能與服務相互復用提供了基礎，為EMS等大型系統的搭建創造了即插即用的軟件環境[1]。

對現有變電站生產工作業務進行分析，很多業務的開展都是以一次間隔作為主要對象的，然而目前在變電站的各應用系統軟件中，很少有將一次間隔作為一個整體去設計數據結構，大多數軟件都只設計單設備對象，然后在業務使用中通過人為方式約束間隔中設備的關聯，并以此完成整個業務的操作。這種人為約束間隔設備關聯的方式局限性比較大，只能應用于具體的業務工作，不具有通用性，無法在不同業務及系統之間復用，同時無法進行有效的操作校驗，操作可靠性不足，整個應用系統軟件的設計還存在較大的優化空間。

本文將以變電站微機五防系統為示例，分析現有微機五防系統數據特點以及延伸應用，然后重點研究并設計基于拓撲接線技術或CIM模型規范的主接線圖分析系統。該主接線圖分析系統將變電站一次間隔作為整體的數據結構，可分析當前變電站各種基于拓撲接線技術或CIM模型規范應用系統軟件的主接線圖，實現一次接線圖間隔及設備屬性自動化識別，并將該分析識別結果返回到其它系統，以作為其它變電站高級應用的基礎。

1 一次接線圖分析識別技術現狀

目前變電站中一般安裝有微機五防系統，微機五防系統作為倒閘操作安全的保障，發揮了很大的作用。微機五防系統一般包括一次主接線圖和五防閉鎖邏輯公式，另外由于微機五防系統與倒閘操作相關性很大，很多微機五防系統本身還帶有倒閘操作票編寫功能。目前的五防閉鎖邏輯公式以及倒閘操作票編寫等功能都是人工編寫的，整個編寫過程效率低，花費時間成本高，并且遺漏易錯，存在較大的安全風險，因此業內一直研究如何實現五防閉鎖邏輯公式以及操作票的自動生成。

不管是人工編寫還是自動編寫五防閉鎖邏輯公式及倒閘操作票，首要的步驟都要實現一次主接線圖接線方式及各設備屬性信息的識別。隨著IEC61970標準的實施，變電站各應用系統軟件的數據結構都有了很大的優化，微機五防及操作票系統也參考該標準陸續使用了拓撲接線技術，同時隨著調控一體化的發展以及全網共用一套模型的要求，部分微機五防及操作票系統支持接入EMS系統中的變電站CIM模型文件作為基礎數據[2]。這為實現一次主接線圖接線方式及各設備屬性信息的自動識別提供了很好的基礎，目前業內的研究都是在拓撲接線技術或CIM模型規范的基礎之上進行的。

現有技術方案從不同的方面來實現此類主接線圖設備屬性信息的識別。比如通過變電站CIM模型文件獲取設備間連接關系并形成拓撲連接網絡，從而得出設備所具有的連接關系，并進一步建立“電氣島”，用于識別設備有電無電情況等；還有通過建立標準的含有充分所需要設備屬性信息的接線間隔模型，然后再使用該標準間隔模型進行主接線圖編制，這樣由于制圖時模型本身已經包含所需要的設備屬性信息，也就能達到所需要的識圖要求；再有的就是利用上述兩種方法的結合，用于獲得更多的設備屬性信息而實現圖形識別。

現有技術方案在當前變電站應用系統軟件主接線圖自動分析識別上面帶來了進步，但仍然存在不足，首先使用拓撲連接網絡分析方法大多只能識別設備的連接關系，其它屬性很難識別，不足以支持類似五防閉鎖邏輯公式或者倒閘操作票的自動生成；另外使用標準間隔模型方法則存在模型適用范圍窄，模型種類過多，導致模型編制和維護工作困難，同時圖形繪制過程模型選用及修改困難的問題，導致很難真正實用化。

2 變電站主接線圖分析系統方案

針對上述問題，本文設計了一種基于典型間隔模型的變電站主接線圖分析系統，該系統可對基于拓撲接線技術或CIM模型規范的主接線圖進行分析，識別變電站一次間隔信息及設備運行信息，可為自動生成五防閉鎖邏輯公式、倒閘操作票以及其它類似高級功能提供數據基礎，同時系統使用及維護都比較簡單，有利于提高系統的實用化。

基于典型模型的變電站主接線圖分析系統由典型間隔模型庫、圖形分析模塊、圖形編輯模塊、輸入輸出模塊組成。系統結構圖如圖1所示。

3 系統模塊說明

3.1 典型間隔模型庫

典型間隔模型庫包含變電站各種類型間隔的典型接線模型，各個模型由開關、刀閘、地刀、地線、網門、母線、線路負載、主變、電容器組、電抗器組、所變、PT等單元設備組成。其中模型中的各設備具有設備類型、設備ID等必要屬性，并且其中的線路負載、主變、電容器組、電抗器組、所變、PT等作為間隔類型的標識設備，同時系統約束一個模型中只能含有一種間隔類型標識設備。典型間隔模型庫是系統的數據基礎，系統要正常工作之前，需要完成典型間隔模型庫的建立。下面以幾個實例對典型間隔模型庫的建立進行說明：

（1）典型線路間隔模型。

定義如圖2所示的模型，該模型具有開關、刀閘、地刀、地線、網門、母線、線路負載設備，同時對于開關、刀閘、線路負載這幾個關鍵設備，附帶有額外的屬性信息。比如該模型中開關（1）具有線路開關屬性，刀閘（2）具有線路間隔刀閘屬性及母線側刀閘屬性，刀閘（3）具有線路間隔刀閘及線路側刀閘屬性。另外遵循一個模型只有一種間隔類型標識設備的規則，本模型只含有線路負載（4）的間隔類型標識。

（2）典型主變帶旁路間隔模型。

定義如圖3所示的模型，該模型具有開關、刀閘、地刀、地線、網門、母線、主變設備，同時對于開關、刀閘、主變這幾個關鍵設備，附帶有額外的屬性信息。比如該模型中開關（1）具有主變開關屬性，刀閘（2）具有主變間隔刀閘屬性及母線側刀閘屬性，刀閘（3）具有主變間隔刀閘屬性及主變側刀閘屬性，刀閘（4）具有主變間隔刀閘屬性及旁刀屬性。同時，只含有一種間隔類型標識設備，即主變（5）。

（3）另外，典型間隔模型庫還包括了主接線方式模型，主接線方式模型在典型間隔模型的基礎上構成，由多個典型間隔模型通過具體的連接形式而建立。如圖4，為典型的單母主接線方式，同時規定兩側的典型線路間隔模型（1）可以分別由其它典型單母類間隔模型等效替換。

（4）同樣的，其它典型間隔模型及典型主接線方式模型也可以通過類似的方式進行定義，從而形成完整的變電站典型間隔模型庫，并且該模型庫可以根據需要隨時進行調整和完善，以滿足不同的需要。

3.2 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊可以讀取基于拓撲接線技術或CIM模型規范的應用系統軟件一次主接線圖，同時可以將接線圖分析結果返回給相應的應用系統軟件。

3.3 圖形分析模塊

圖形分析模塊是系統的核心，具有拆解所獲取一次主接線圖信息并處理和分析識別的能力，其具體工作機制為：系統通過輸入輸出模塊獲取微機五防系統一次主接線圖信息之后，由圖形分析模塊將獲取的一次主接線圖以母線、主變、線路負載、主變、電容器組、電抗器組、所變、PT等設備為邊界拆解成多個間隔，然后將拆解后的間隔與系統中的典型接線模型庫進行比較匹配；匹配的時候，只對拆解間隔和典型間隔模型中的開關、刀閘、間隔類型標識設備進行匹配運算，若匹配成功，則可得出與拆解間隔配對成功的典型間隔模型信息，而拆解間隔與模型中相同位置的各設備也就具有相應的必要屬性，從而實現了應用系統軟件一次主接線圖的分析識別。

3.4 圖形編輯模塊

系統還具有圖形編輯模塊，圖形編輯模塊具有變電站微機五防系統各種設備對象圖元，可以自主進行一次主接線圖的編輯，更重要的是該圖形編輯模塊界面中具有選取系統典型間隔模型的窗口，在繪制一次主接線圖時，可以快速將典型間隔模型拖入畫布中，可迅速完成變電站整體接線布局，然后再進行個別設備的調整，從而加快主接線的整體繪制速度。

4 結語

本文結合IEC61970標準的實施以及全網共用一套模型的發展趨勢，分析當前變電站各應用系統軟件主接線圖的特點，提出一種基于典型間隔模型的主接線圖分析系統，并以微機五防功能及擴展應用需求作為示例，說明了該系統的一種應用模式，但應該明白的是，本文所針對的技術問題及提出的解決方案是具有普遍性的，尤其在全網共用一套模型的趨勢下，以典型間隔模型作為一種結構化的模塊數據將具有顯著的優點，可作為基礎的數據模塊提供給不同的應用系統軟件使用，有利于減小各系統軟件的冗余度，并進一步提高各生產業務的自動化水平。

參考文獻

[1]DL/T 890.1-2007能量管理系統應用程序接口（EMS-API） [S].第1部分：導則和一般要求.北京：中國電力出版社，2007.

[2]修洪江.基于D5000平臺的調控一體化智能防誤系統的研究與應用[J].電工技術，2014，（5）：58-60.