智能變電站SCD文件解析結果存儲方案研究及應用

錢 海，楊 飛，于同偉，盧盛陽，李麗群

(1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

智能變電站SCD文件解析結果存儲方案研究及應用

錢 海1，楊 飛1，于同偉2，盧盛陽2，李麗群3

(1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

基于web管控系統中對智能變電站SCD文件的可視化展示需求，探究基于非關系型數據庫的SCD文件解析結果存儲方案，提出了以面向海量數據訪問的面向文檔的非關系型數據庫為基礎，將SCD解析結果以不同文件形式存儲在數據庫中，滿足不同類型信息的可視化要求。文中給出了基于SVG、json等數據格式存儲在MongoDB非關系型數據庫的存儲方案，并在國網遼寧省電力有限公司的管控平臺中進行應用，滿足用戶SCD文件可視化高速瀏覽需求。

智能變電站；非關系數據庫；SCD；可視化；存儲方案

隨著智能變電站的推廣應用，以智能變電站工程配置文件SCD為核心的智能變電站二次系統的數字化資料管控系統得到越來越多的應用。管控系統的意義在于通過對智能變電站工程在設計、集成、調試、施工、驗收和運維等環節對SCD等資料的修改跟蹤及版本管理，實現SCD文件在智能變電站整個生命周期內的配置一致性，從而確保智能變電站工程的建設及運維等工作可以有序高效地進行[1]。由于管控系統兼顧智能變電站建設及運維等階段，而具有面向多工程、多角色、多用戶的屬性，因此管控系統應建設為一個綜合性的管控平臺，包括資料管理、工程進度管理、工程統計分析、配置文件解析及可視化結果展示、配置文件比對等功能，這些功能可用于輔助用戶進行分析和決策。

現階段，SCD文件解析及解析結果的可視化展示功能已經作為各廠家標配的功能集中到廠家的配置工具中，SCD文件的解析規則主要遵照IEC61850規范，SCL語法解析上多采用libxml2開源庫，因此在SCD文件解析效率上，各廠家的配置工具并無明顯差異，主要差異集中在顯示效果上[2]。管控系統作為web管控系統，通常采用B/S網絡架構，因此SCD文件可視化功能的效率上主要取決于服務器端的數據庫選擇和數據存儲方案。管控系統的配置文件可視化顯示功能具有版本準確性高、復用性高等優點，可降低各建設單位之間的溝通成本，節約重復操作帶來的時間開銷，從而提高用戶的工作效率。

數據庫的選擇和存儲方案是管控系統開發的重要工作，是影響管控系統整個開發過程的基石。因此，本文主要探討如何基于B/S網絡架構實現SCD文件的可視化功能，并在此前提下合理地選擇數據庫及設計合理的存儲方案，并結合實際案例驗證其實用性和有效性。

1 SCD文件可視化數據解析

通常1個SCD文件大小有幾十甚至上百M，幾十萬行的標簽，對于專業人員也是海量的工作量，更何況非專業人員，因此SCD文件的可視化功能受到電網人員的普遍歡迎，也成為SCD文件相關配置工具及管控系統必備功能。SCD文件的可視化是指將XML語言標簽翻譯成易讀、易懂的信息，并將其以圖表等形式展示出來。

1.1SCD文件的可視化內容

SCD文件的可視化功能架構如圖1所示。 圖1中包含SCD文件的可視化基本內容，根據顯示內容可分圖和表兩種顯示形式，由于管控系統是基于web的B/S架構實現的，控制顯示效果是由前端代碼控制，經分析決定以SVG(可縮放矢量圖形)格式來顯示IED邏輯連接關系圖、虛端子詳圖、通信子網信息，其他信息以列表形式展示。

SVG是基于可擴展標記語言，用于描述二維矢量圖形的一種圖形格式。SVG具有可伸縮、隨意放大和縮小(縮放后圖像質量不下降)等優點和特性，同時SVG在網絡圖形應用上，可配合JavaScript語言來響應用戶操作從而實現與用戶的互動[3]。

圖1 SCD功能架構圖

1.2管控系統架構

管控系統從系統需求、效率及先進性上考慮，對系統架構進行設計，如圖2所示。

圖2 管控系統架構圖

a. 服務器：采用輕量級web服務器Nginx，其特點是占內存少，并發能力強，是很多國內頂尖網站的選擇；

b. 前端：采用HTML5+JS+CSS3+SVG，此組合支持多插件，符合國內外技術及應用的發展趨勢，功能強大。

c. 服務端：服務端在Nginx服務器中自定義ECMS_Module模塊，以純C語言來實現管控系統的主要業務，在保證功能實現的基礎上使性能達到最優。

d.數據庫：采用MongoDB數據庫，適合存儲大量數據，支持更多種數據類型的存儲，且具備數據組織的高靈活性。MongoDB數據庫支持冗余、集群，集成GridFS文件系統，提供分布式存儲，在存儲文件上更接近文件系統形式，使管控系統在文件操作上效率更高[4]。

1.3解析步驟

SCD文件可視化數據的解析主要由ECMS_Module模塊調用libxml2開源庫來完成，其主要解析步驟如下[5]：

a.使用C語言的XML程序庫Libxml2來遍歷SCD文件，同時解析出特定節點；

b.按照業務邏輯將相關聯的節點建立關系，其中關系分為一、二級，同時可分為“包含、被包含、連接、被連接、使用、被使用”6類關系；

c.在一級關系的前提下，通過查詢函數可查出節點的間接引用關系，即二級關系；

d.建立兩級節點的引用關系后，直接在內存中以圖數據形式存儲，通過建立圖數據可以進一步簡化查詢過程和提高查詢效率；

SCD文件經過數據解析后，在服務器程序中以圖數據形式存儲在內存中。圖數據中包括SCD可視化內容中需要的子網通信信息、IED列表、IED邏輯連接關系、虛端子連接關系等。面向可視化的需求，這些信息離最終的可視化還需經過進一步處理并存儲。

1.4圖數據

圖數據里信息的建模使用3種構造單元：節點(即頂點)；關系(即邊，具有方向和類型，即標記和標向)；節點和關系上面的屬性(即特性)。構造單元關系如圖3所示。

圖3 構造單元關系圖

圖3中的“1”和“2”代表2個有關系的節點，節點1的屬性信息名稱為leg(桌腿)，節點2的屬性信息是名稱為desk(書桌)和white(白色)。兩者間的關系是PART_OF(屬于)，也就是桌腿屬于桌子，桌腿的數量為4個。

圖數據中的圖是1個被標記和標向的屬性多重圖。被標記的圖每條邊都有1個標簽，它被用來作為那條邊的類型。有向圖允許邊有一個固定的方向，從末或源節點到首或目標節點。屬性圖允許每個節點和邊有一組可變的屬性列表，其中的屬性是關聯某個名字的值。多重圖允許2個節點之間存在多條邊。這意味著2個節點可以由不同邊連接多次，即使2條邊有相同的尾、頭和標記[6]，如圖4

所示。

以圖4中的節點IED為例，直接與其連接的節點有3個，分別是AccessPoint、ExtRef以及ConnectAP，3條連線上的標號[2]、[3]、[4]分別代表IED與這3個節點的關系。當要檢索與某個IED連接的ConnectAP時，遍歷所有ConnectAP，選擇ConnectAP:iedName等于IED:name的ConnectAP節點，此集合即為IED包含的ConnectAP，其他節點的查找類似。

2 SCD文件可視化數據存儲方案

SCD文件可視化解析結果以圖數據的形式暫存于服務器系統內存中，當后續用戶發送查看請求時可快速將解析結果返回給前端，并以圖表形式顯示出來，服務器端將圖數據形式的解析結果以合理的方式存儲在數據庫中，保證前端和服務器的高效通信[7]。

2.1數據存儲形式

在管控系統的架構設計中服務器可將SVG文件直接發送給前端，列表形式的數據通常需要通過json數據進行傳輸，因此前端期待接收到的數據是SVG及json數據，前端的數據格式歸納見表1。

圖4 圖數據示例

可視化內容存儲格式通信子網信息展示SVGIED邏輯連接關系圖SVG虛端子詳圖SVGSCD中的IED列表json智能裝置數據關系展示json主要對象的屬性展示json

從表1中可以看出，管控系統的前端期待接收到的數據格式有SVG和json2種形式，而SCD文件的解析結果以圖數據形式存儲于服務器內存中，為了前端可以更高效地獲取數據，將直接以前端期待的數據以SVG和json數據文件的形式存儲到數據庫中，而從SCD文件解析結果的圖數據中抽取出可視化內容并以SVG和json數據格式做成文件，以文件形式存儲也是管控系統在進行系統架構時選擇MongoDB的一個原因，因為MongoDB數據庫介于關系型數據庫與非關系型數據庫之間。MongoDB最大的特點是它支持的查詢語言非常強大，其語法類似于面向對象的查詢語言，幾乎可以實現類似關系數據庫單表查詢的絕大部分功能，而且還支持對數據建立索引。另外MongoDB數據庫中集成了GridFS，其在文件讀取效率上接近文件服務器，因此管控系統選擇以非關系型數據庫MongoDB進行數據的存儲[8]。

2.2數據庫結構設計

管控平臺中的數據庫結構設計包括管控平臺中的基礎數據、原文件、SCD文件可視化解析結果的存儲結構，如圖5所示。

圖5 管控平臺數據結構示意圖

管控平臺的數據庫設計為3個類集，分別用于存儲基礎數據、原文件數據、SCD文件的可視化解析結果。基礎數據集中存儲管控平臺中非原文件以外的所有數據，此類集中的數據可以通過各個表中的ID建立表與表之間的關聯，以達到關系型數據的存儲效果[9]。而原文件數據和SCD文件的可視化解析結果這2個類集采用GirdFS形式存儲文件，GridFS的優勢在于其可以更好地存儲大于16 M的文件，將大文件對象分割成多個小的chunk(文件片段),1個chunk為256 k,每個chunk作為MongoDB的1個文檔被存儲在chunks集合中。

2.3SCD文件可視化處理流程

用戶進行SCD文件上傳操作時主要處理步驟如下，如圖6所示。

a. 用戶執行SCD文件上傳，客戶端將SCD文件發送到服務器端進行處理。

b. 服務器端接收到上傳文件命令及文件數據后，將源文件進行保存，并調用SCD文件解析模塊對文件進行解析，最終將解析結果以圖數據形式存儲與服務器內存中。

c. 服務器端根據可視化的不同需求從圖數據中抽取出SVG和json數據。

d. 服務器端將抽取的SVG和json數據以文件形式存儲到MongoDB數據庫中。

圖6 上傳SCD文件處理流程

用戶進行SCD文件可視化操作時主要處理步驟如下[10],如圖7所示。

a. 用戶執行SCD文件可視化，客戶端將SCD文件可視化請求發送到服務器端。

b. 服務器端接收到可視化請求后，對可視化請求進行分析。

c. 服務器端根據可視化請求分析結果對數據庫進行查詢，并從MongoDB數據庫中讀取相應的SVG或json文件。

d. 服務器端將讀取的文件轉發到用戶的客戶端。

e. 客戶端對獲取的文件進行解析并渲染。

f. 客戶端將最終的可視化內容呈現給用戶。

圖7 SCD文件可視化請求處理流程

3 工程應用

上述的智能變電站SCD文件解析結果存儲方案以及整體的可視化功能在國網遼寧省電力有限公司的智能變電站二次系統全過程管控平臺中得到有效應用。該平臺目前已經全面上線使用，并已經完成了28個已投運智能變電站的資料收集和歸檔工作，并在3個新建智能變電站實施對智能變電站的全過程管控。通過實現SCD文件的可視化功能，為多個單位的系統使用者帶來便利，提高了工作效率。

4 結束語

本文介紹了智能變電站二次系統全過程管控平臺中的SCD文件解析結果存儲方案，該方案及管控平臺的整體架構與同類web系統在SCD文件的數據解析及可視化功能相比，具有一定的性能優勢和技術先進性，而非關系型數據庫在國網遼寧省電力有限公司的成功搭建及應用，也為后續同類項目積累了應用經驗。

[1] 王 冰，徐明宇. 智能變電站二次裝置整合測試方法研究[J]. 東北電力技術，2015，36(17)：78-82.

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[3] 高 翔，楊漪俊，姜健寧，等. 基于SCD的二次回路監測主要技術方案介紹與分析[J]. 東北電力技術，2014，35(15)：149-154.

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[10] 王天鍔，潘麗麗.智能變電站二次系統調試技術[M].北京：中國電力出版社，2013：10-13.

Research and Application of SCD File Resolving Results Storage Scheme in Intelligent Substation

QIAN Hai1, YANG Fei1, YU Tongwei2, LU Shengyang2, LI Liqun3

(1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114007，China)

With the gradual popularization of intelligent substation applications, SCD file-based intelligent substation secondary system data management system has gradually been valued and applied. Based on the visual display demand of SCD file in the web-based control system, this paper explores the storage scheme of SCD file based on non-relational database. Based on the document-oriented non-relational database oriented to mass data access, SCD analysis results in different formats of documents stored in the database, and ultimately meet the different types of information visualization requirements. Finally, the storage scheme based on SVG, json and other data formats stored in the MongoDB non-relational database is given and applied in the control platform of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.to meet the needs of users’ SCD file visualization high speed browsing.

intelligent substation; non - relational database; SCD; visualization; storage plan

TM76；TM63

A

1004-7913(2017)08-0051-05

錢 海(1972)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統繼電保護相關工作。

2017-04-03)