智能變電站二次回路可視化設計與實踐

張汀荃，何鑫剛，陳 剛，施武作，張炳旺

（1.南京師范大學，江蘇 南京 210046；2.陜西送變電工程公司，陜西 西安 710000；3.貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001；4.武漢凱默電氣有限公司，湖北 武漢 430223）

0引言

智能變電站以網絡通信方式替代大量的二次回路電纜，常規變電站的二次硬回路轉變為智能變電站的二次虛回路，配置保存于智能變電站配置描述文件(SCD)件內，這樣有利于維護人員的精準、快捷、有效維護[1-2]。

智能變電站在硬件配置上也有非常顯著的區別，引進了合并單元、智能終端、過程層網絡、以及交換機等設備。同時使用了三層兩網的結構，通過數字信號網絡通信的形式取代過去模擬量和開關量信號電纜連接的方式，這種方式合理整合了資源，更有利于實時有效通信[3]。

當前智能變電站中的二次回路設計都是將二次回路中的實回路（光纖連接）和虛回路（虛端子）完全分開來設計的，然而虛回路中的信息傳遞是通過實回路中的物理鏈路實現的。理論來說，虛回路和實回路的設計應該是相互依托的[2]。當前實回路設計依賴 CAD、Visio、Excel等軟件手動編制[4]，設計工作存在工作量大，周期長，問題排查難，設計人員很難通過圖紙和表格信息來了解變電站的光纖連接的具體情況等問題。而虛回路通過配置工具進行單獨配置[5]，設計者也很難看到信息在實際光纖中的流向，不利于設計者排查問題[6]。

本文提出一種虛實回路結合的可視化二次回路設計方法，結合IEC61850信息模型以及過去的電氣二次圖紙，通過IED裝置建模的方式將IED的物理模型與ICD文件關聯建立IED裝置的模型文件，工程中IED關聯相應的IED裝置的模型文件，將IED設備的物理模型可視化顯示，在可視化圖中進行實回路光纖連接配置，由于IED模型文件中關聯了設備的ICD文件，因此在光纖光纜連接配置完成之后即可進行虛端子配置。配置完成后，可實現虛回路、實回路結合的二次回路可視化顯示方便設計人員對變電站二次回路的理解，提高設計效率和結果文件的可用率。

1IED設備建模

二次回路中實回路與虛回路結合的關鍵是IED設備的建模，由于IED的ICD文件與IED的物理模型是完全獨立的[7]，現有的設計模式將實回路和虛回路設計獨立開進行，該設計模式不利于設計人員對二次回路的整體清晰認知，也不利于設計人員排查問題。因此IED建模需要將IED的物理模型與IED的ICD文件進行關聯，將二次回路的實回路與虛回路結合起來，并且通過軟件實現信息模型圖形化配置，方便設計人員的設計工作。

IED物理建模是用形象直觀的矢量表征不同對象，實現IED設備端口信息的圖形化配置，將IED設備的插板，端口信息展示出來。在IED物理建模前，建立插板，端口模型等基本圖元，如圖1所示，圖元為實物的簡化和抽象，能反應出實物的基本特征和各種狀態。通過拖放圖元操作實現裝置插板端口配置，如圖2所示，圖中裝置物理模型中包含了2個光口插板，一個光口插板中包含了2個FC光口，一個光口插板包含8個LC光口。

圖1 IED設備模型圖元Fig.1 IED device model primitives

圖2 IED設備物理模型Fig.2 IED device physical model

完成裝置物理建模后，導入該IED的ICD文件，與該物理模型進行關聯，通過解析ICD文件，將IED的GOOSE、SV發送信息在物理模型界面展示。通過選中發送數據集，拖放操作將發送GOOSE、SV數據集與模型中的光口關聯，建立虛端子連線與光纖連接之間的映射，為高級應用中光纖斷鏈的判斷提供支持。

2 二次回路設計

裝置的模型文件中包含了裝置的物理信息模型和通訊信息模型，在二次回路實回路設計中包含了一部分虛回路信息，當虛回路配置完成之后，配置工具會自動根據虛回路信息查找實回路路徑，最終實現虛回路自動識別對應實回路信息，自動完成虛實回路的匹配過程，不需要人工配置虛實回路信息，而且還能自動識別配置過程中的錯誤，可以大大減少設計周期，簡化配置流程。

2.1 實回路設計

實回路設計即建立IED設備之間物理端口的光纖連接關系。物理端口間的連接主要采用直連和級聯兩種方式，IED之間的直采直跳鏈路采用直連方式，IED之間必須經過交換機的網采鏈路采用級聯方式[8]。IED設備建模實現了設備物理端口信息可視化，實回路設計可基于可視化的IED設備模型進行，如圖3所示，圖中左側為本側IED，右邊為對側IED，單擊左右兩邊IED的端口實現兩個裝置之間的光纖連接配置。通過右側的下拉框可切換不同IED設備，實現本側IED設備與不同IED設備之間的光纖連接配置。圖中展示了端口光纖對側設備信息以及端口光纖發送的信息類型（SV或GOOSE），方便設計人員排查錯誤。同時也為輸出一些設計文檔提供了基礎。

圖3 光纖連接配置Fig.3 Fiber optic connection configuration

在工程實際中一般需要定位光纖在光纜以及光纜在熔接盤（ODF）的具體位置，因此在實回路設計中還會涉及到光纜光纖配置[9]。尾纜中的光纖直接連接設備端口，在配置尾纜中光纖時，將尾纜與IED的端口關聯并選出所要關聯的光纜芯即可。光纜中的光纖需要ODF對光纖熔接分組，并關聯到ODF插口，因此在光纜光纖配置時，需要將光纜先關聯到ODF中，再將光纖與ODF插口關聯，實現光纜光纖配置。

2.2 虛回路設計

IED的ICD文件中包含了裝置所需的所有輸入輸出信號，其中dsGOOSE數據集包含了IED裝置的GOOSE發送信息dsSV數據集包含了IED裝置的SV發送信息；包含“GOIN”關鍵字為前綴的數據對象為裝置的GOOSE輸入，包含“SVIN”關鍵字為前綴的數據對象為裝置的SV輸入[10]。

通過ICD文件解析工具，將ICD的相關信息根據IEC61850標準依次按照IED、訪問點、邏輯設備、邏輯節點、數據集、數據對象等層次關系[10]，以樹形圖的方式展示，如圖4所示。

圖4 外部IED的數據集信息Fig.4 External IED data set information

進行配置虛回路信息時，首先選擇中心IED，然后依據設計院的虛端子表選中外部IED，并在其數據集中選擇中心IED的外部信號拖放到如圖5所示的虛回路配置表中。完成中心IED所有外部信號拖放后，從中心IED數據對象中包含“GOIN”或“SVIN”前綴的數據集中查找中心IED的內部信號，如圖6所示，并拖放到圖5中相應的位置。如在圖5中，將圖4中外部IED的保護GOOSE數據集中的第一個條目斷路器總位置作為中心IED的外部信息，然后選擇中心IED中的邏輯節點GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作為中心IED內部信號，形成中心IED與外部IED之間的一條虛回路。虛回路設計結果支持圖像化方式顯示，如圖7所示，以選中的IED設備為中心設備，與之關聯的IED設備分列左右兩側，連線標示兩個設備之間關聯的虛端子連接，箭頭方向表示虛回路中信息流向。

圖5 虛回路配置Fig.5 Virtual loop configuration

圖6 中心IED的內部信息模型Fig.6 Internal information model of center IED

總位置作為中心IED的外部信息，然后選擇中心IED中的邏輯節點GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作為中心IED內部信號，形成中心IED與外部IED之間的一條虛回路。虛回路設計結果支持圖像化方式顯示，如圖7所示，以選中的IED設備為中心設備，與之關聯的IED設備分列左右兩側，連線標示兩個設備之間關聯的虛端子連接，箭頭方向表示虛回路中信息流向。

2.3 虛回路在實回路中的映射

利用本文所提的虛實回路結合的可視化二次回路設計方法進行實回路與虛回路設計，即可實現虛回路在實回路中的映射。通過虛端子信息，可以找到虛回路中的發送端和接收端，通過發送端的物理鏈路可以查詢是否有直接連接的接收端IED，若有直接連接的接收端IED，則可以判定此虛端子為直連虛端子，即虛回路與直連的物理鏈路對應。若通過發送端的物理鏈路沒有查詢到接收端IED，則判定此虛端子為級聯虛端子，這樣的虛回路需要通過交換機進行信息交流。

圖7 虛回路可視化Fig.7 Virtual loop visualization

將發送端IED直接連接的交換機集合稱為第一級交換機組，與第一級交換機組中交換機直接連接的交換機集合稱為第二級交換機組，以此類推。因此要查找此虛回路對應的實回路映射，應當查詢發送端物理鏈路中的交換機，再通過交換機的物理鏈路去查詢接收端IED，如果在第一級的交換機組中沒有查詢到接收端IED，則需要在第二級交換機組中去查詢接收端IED，以此類推，直到找到接收端IED為止，通過查找接收端IED的路徑確定虛回路在實回路中的映射。如圖8為某一虛回路對應的實回路，這條虛回路級聯了3套交換機。虛實回路結合方便查看智能變電站中二次回路中的信息流向，有助于問題排查。

圖8 某條虛回路在實回路中的映射Fig.8 The mapping of a virtual loop in a real loop

3 二次回路設計實現

基于本文提出的方法，在Qt4.6框架下開發出一套相應的配置工具。配置工具將虛實回路設計可視化可以分為3個模塊，設備建模模塊，工程匹配模型模塊，設計虛實回路模塊。配置工具框架如圖9所示。

圖9 配置工具整體框架Fig.9 The overall framework of the configuration tools

3.1 裝置建模

在設備建模模塊中，為各個廠家的IED建立了模型，及各種屬性，模型列表以圖10所示方式排列展示。模型配置文件可以為以后的工程所復用，減少后期的配置工作量。

3.2 工程模型匹配

工程設備模型建模完成，為工程用的IED設備匹配相應的模型文件，匹配的過程中，既可以以IED設備為中心匹配模型文件，也可以以模型文件為中心，匹配IED設備，匹配完成之后，IED設備中包含了模型文件中的信息，為工程中IED的實回路和虛回路設計提供基礎。圖11為以模型為中心匹配IED設備界面。通過拖放操作將工程中的IED放到相匹配的模板下完成匹配。通過展開模型節點可以查看匹配該模型的IED數目。

圖10 裝置設備列表Fig.10 Device list

3.3 虛實回路設計

IED設備匹配了對應的物理模型文件，通過配置工具解析物理模型文件信息，在可視化的物理模型中配置IED間的光纖連接。設備的模型文件中包含了ICD文件，利用配置工具解析、展示ICD文件信息，通過拖放操作關聯裝置的內部信號和外部信號，完成虛回路配置。配置完成后可在同一副圖中展示IED的虛回路、實回路信息，如圖12所示，黃色粗線表示光纖，細線表示兩設備間的虛端子連接，點擊某一虛端子連接可查看其對應的實回路，如圖13所示。

圖11 以模型文件為中心匹配IED設備Fig.11 Match the IED device with the model file as the center

圖12 虛實回路圖Fig.12 Virtual loop diagram

圖13 某一虛回路對應的實回路圖Fig.13 The real circuit diagram corresponding to a virtual loop

4 結語

本文提出了智能變電站二次回路可視化設計方案，通過建模手段，將裝置的物理模型和信息模型進行關聯，可通過裝置間的虛回路自動匹配實回路信息，能自動識別配置錯誤等問題。由于光纖中包含了虛回路信息，可視化配置的過程中，虛實回路自動匹配，可以大大簡化配置工作，縮短配置流程。通過配置的光纖連接信息可以自動生成相應的工程配置文檔，減少設計過程中的附加工作量，縮短設計周期。同時通過虛回路在實回路中的映射，可以較直觀反映信息在物理鏈路中的流向，方便設計人員的錯誤排查。該方案還實現了實回路與虛回路的綜合設計，可以大大提高智能變電站設計人員的工作效率和結果文件的可用率，對實際工程應用及智能變電站高級應用有積極的意義。

（References）

[1]篤峻,葉翔,王長瑞,等.智能變電站設計配置一體化功能規范研究及工具開發[J].電力系統自動化,2014,38(20):85-89.DU Jun,YE Xiang,WANG Zhangrei,et al.Research and tool development of integrated functional specification for intelligent substation design[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38(20):85-89.

[2]張曼，陳典麗.智能變電站改擴建二次實施方法的探討[J].湖北電力,2016,40(2):43-47.ZHANG Man,CHEN Dianli.Research on methods of secondary circuit connections in intelligent substation expansion[J].Hubei Electric Power,2016,40(2):43-47.

[3]高磊,石慧,楊毅,等.智能變電站配置描述文件管控系統的研究與實現[J].電網技術,2014,38(12):3328-3332.GAO Lie,SHI Hui,YANG Yi,et al.The research and implementation of the control system of the substation configuration[J].Power System Technology,2014,38(12):3328-3332.

[4]莊先濤.智能變電站虛端子設計關鍵技術的研究與開發[D].成都：西南交通大學,2015.ZHUANG Xiantao.Research and development of key technology for virtual terminal design of intelligent substation [D].Chengdu:SouthwestJiaotong University,2015.

[5]劉蔚,杜麗艷,楊慶偉.智能變電站虛回路可視化方案研究與應用[J].電網與清潔能源,2014，30(10):32-37.LIU Wei,DU Liyan,YANG Qingwei.Research and application of smart substation virtual circuit visualization[J].Power System and Clean Energy,2014,30(10):32-37.

[6]劉濤,王壽星,黃興,等.智能變電站虛擬二次回路可視化分析[J].科技與企業,2015(15):191-193.LIU Tao,WANG Shouxing,Hang Xing,et al.Visual analysisofvirtualsecondaryloop ofintelligent substation[J].Technology and Enterprises,2015(15):191-193.

[7]王冬霞,紀陵,檀庭方,等.智能變電站二次虛回路運行維護管理系統的設計與實現[J].華電技術,2016,38(8):19-24.WANG Dongxia,JI Ling,TAN Tingfang,et al.The design and implementation of the secondary virtual circuit running maintenance management system of intelligent substation[J].Huadian Technology,2016,38(8):19-24.

[8]苗新軍,王鋒,魏勇,等.智能變電站技術應用研究[J].數字技術與應用,2015(4):89-90.MIAO Xingjun,WANG Feng,WEI Yong,et al.Research on the application of intelligent substation technology[J].Digital Technology and Application,2015(4):89-90.

[9]高磊,楊毅,蘇麟,等.智能變電站二次系統物理回路建模方法及設計實現[J].電力系統保護與控制,2016,44(24):130-139.GAO Lie,YANG Yi,SU Ling,et al.The modeling method and design of the secondary system physical circuit of intelligent substation[J].Power System Protection and Control,2016,44(24):130-139.

[10]馬凱,黃曙,侯艾君,等.智能變電站二次系統典型設計智能輔助方案研究[J].廣東電力,2014,27(3):40-43.MA Kai,HUANG Shu,HOU Aijun,et al.Intelligent substation secondary system design intelligent auxiliaryschemestudy[J].GuangdongElectric Power,2014,27(3):40-43.

[11]修黎明,高湛軍,黃德斌,等.智能變電站二次系統設計方法研究[J].電力系統保護與控制,2012,40(22):124-128.XIU Liming,GAO Zhanjun,HUANG Debing,et al.Design method of secondary system of intelligent substation[J].Power System Protection and Control,2012,40(22):124-128.