基于全站系統配置文件解析的智能變電站二次設備調試策略生成方法

鄒經鑫，劉 鑫，袁明哲，盧音樸，張 帥，李雪愷

(國網四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，變電站智能設備的推廣應用已經得到了長足的發展，各大城市已經出現了大量智能變電站。智能變電站全站系統配置文件(substation configuration description，SCD)是智能變電站應用和管理的核心。目前各大廠家均已遵照IEC 61850規范，推出各具特色的具有SCD文件解析及解析結果的可視化展示功能的配置工具。

在220 kV智能變電站中，正常運行設備涉及大量智能裝置，其二次系統調試是變電檢修工作的重要組成，需根據不同設備的詳細情形因地制宜地制定可靠的個性化調試方案[1]。一般情況下，二次檢修人員將在工作前一周內開展現場查勘。在進行查勘工作時，查勘人員將對照該智能站最新的SCD歸檔文件，核實現場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，據此編制安全措施票及調試項目。由于檢修人員的技術水平和作業習慣存在差異，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，造成安措執行不到位，或是調試效率低下、調試項目不充分的問題[2]。目前，已有學者針對智能變電站二次安措的生成進行了一些研究，但并未涉及設備調試內容[3]。因此，亟需在充分了解智能變電站運行結構原理的基礎上，結合SCD解析結果，及時對智能變電站二次設備調試方法進行創新升級，實現智能變電站二次系統調試項目的自動生成。實現設備的科學檢修調試，為智能變電站安全、可靠、穩定運行提供條件。

與常規變電站相比，智能變電站的最大不同在于采用了SCD文件進行二次回路設計描述。SCD文件包含了智能電子設備(intelligent electronic device，IED)通信、類型、參數、控制塊、裝置間聯系等所有信息[4]。其中二次系統調試的主要目標是精準確定調試方案，實現對SCD文件中二次回路的全面驗證。下面采用XPath(XML路徑查詢語言)技術聯合文檔對象模型(document object model，DOM)方法對SCD進行語義解析，將原本不易理解的文本解析成結構化控制語言(structured control language，SCL)元素，以完整可靠地調試裝置并清晰地反映二次回路的內容，生成調試方案及安全措施[5]。

1 智能變電站過程層數據結構

智能變電站過程層數據通信引入發布/訂閱機制實現，其通信參數、數據通道、虛端子連接等信息均在SCD文件中完成配置。通過過程層發布/訂閱機制的3類核心參數描述及示例如表1所示。其中：前兩類參數決定各智能裝置間的邏輯鏈路關系；最后一類參數用于實現多端口應用需求，亦屬必要配置參數。

表1 過程層發布/訂閱機制的核心參數及示例

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對象變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)發布/訂閱、采樣值(sampled value，SV)發布/訂閱所需的通信、控制及端口信息。其中：GOOSE發布/訂閱分別屬于GOOSEPUB(GOOSE發布)元素/GOOSESUB(GOOSE訂閱)元素集合范疇；SV發布/訂閱分別屬于SVPUB(SV 發布)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系的具體表達[4,6]。圖1為二次回路GOOSE發布/訂閱的基本結構，SV發布/訂閱具有與之相同的結構。依據IEC 61850標準，基于智能變電站過程層數據結構，針對性地提出SCD文件解析方法。

圖1 GOOSE發布/訂閱的基本結構

2 SCD文件內核解析

2.1 解析過程

當前用于SCD文件解析的主要方法有DOM解析方法和XML簡單應用程序接口(simple API for XML，SAX)解析方法[7]。鑒于DOM模型優點[8]及SCD文件的規模特征，引入Xpath技術[9]聯合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文件路徑在內存中形成DOM樹，節點類型為XmlNode，可以訪問其前節點、后節點、父節點和首個子節點，從而建起便于遍歷的整棵樹結構。同時，構建所有節點集合(XmlNodeList)，獲取子節點信息，再運用XPath強大的查找功能，快速定位所查找IED的所有訪問節點。

圖2 SCD文件的解析過程

分析文件即是重構SCD文件的過程，以生成符合要求的新結構樹。在重構過程中，使用具備一對一處理能力、能迅速通過關鍵字查找對象的Map關聯容器[7]構造新結構樹的節點。

2.2 實現流程

為實現SCD文件讀取，需調用Load函數，在內存中形成DOM樹，采用語句Xpath=“/SCL/IED”獲取相應IED名稱，并將節點類型轉換為XmlElement，采用GetAttribute函數獲取節點類型及名稱等參數。將IED信息輸出至列表框，完成系統初始化。

對于SCD文件分析，需要確立與SCD文件相對應的新結構樹，以展開SCD解析。首先需預先定義樹的數據結構。數據結構類型包括Substation根節點、IEDNode等5類節點類型和功能約束數據屬性(functionally constrained data attribute，FCDA)等[7,10]。生成新的結構樹是一個遞歸的過程，這里引入XPath快速查找功能從DOM樹獲取所需配置參數，然后寫入新樹對應屬性，最終完成新結構樹的構建。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)由根節點進入通信系統(communication)元素，查找GSE/SMV接入點，采用XPath查找功能獲取第一個IED下所有邏輯設備(logical device，LD)信息。

2)訪問LD第一個子節點LN0，記錄lnType值，并訪問其下DOI節點，記錄lnType各DOI值；

3)根據lnType和DOI值，在可實例化的邏輯節點類定義模型DataTypeTemplates/LNodeType中查找對應的lnType，并找到對應的數據對象(data object，DO)，即可獲取DO的type值。該過程可利用XPath技術快速完成。

4)通過解析DO的Type值，可得隸屬于DO的數據屬性(data attribute，DA)，同時DO中各數據定義狀態可進一步由DA的“功能約束FC”這一屬性獲取[11]。再次運用Xpath技術，查找id名與上步DO的Type值相同的DOType節點，并獲取該節點下的所有DA節點。

5)根據步驟2訪問DOI節點下的DA節點，并依據DA節點名稱得到步驟4中DA對應節點，從而獲取該DA節點具體類型。

考慮到全站數據規模較大，同時為了數據復用和程序執行效率，引入MySQL數據庫作為數據中轉處理方案。此外，在數據處理過程中，該方法集中對各數據類型進行了分類定義歸檔，以便實際工程應用中根據不同的實例化需求(如遙信、遙測數據單獨調試)快速讀取數據。

依據上述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智能變電站二次系統檢修工作中安全措施及調試項目的生成，具體生成方法在下一章展開論述。

3 安全措施與調試項目生成

3.1 確定調試項目

智能變電站二次系統調試包括單體調試、整組調試。單體調試只針對單項測試展開，整組調試則是驗證各智能設備間的聯絡與配合關系，二次回路的正確性通過整組調試進行驗證[4]。GOOSE開入/開出測試、SV輸入/輸出測試等項目屬于單體調試的范疇。表2展示了二次回路發布/訂閱配置參數與調試項目的對應關系。

表2 二次回路與調試項目

根據表2所示對應關系，基于解析SCD方法生成對應調試項目的主要步驟如下：

1)引入XPath技術快速搜索GOOSE/SV發布的配置信息，然后根據搜索結果對比控制塊、通信、通道等配置信息的差異，最后生成對應調試項目。根據形成的調試項目對IED開展GOOSE/SV輸出的單體調試。對于通信參數對應的GOOSE/SV輸出的通信參數檢查，需要保持IED發出的通信參數應與SCD文件相一致；對于數據通道的輸出一致性校驗，應采取IED功能測試，檢驗IED所發參數與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，然后根據搜索結果對比控制塊、鏈路、通信、通道等信息差異點，最后生成對應調試項目。對于GOOSE/SV輸入的通信參數檢查，需要保持IED接收數據通信參數與SCD文件相一致，并檢查IED設備GOOSE/SV輸入過程是否存在異常警報；對于GOOSE/SV輸入的整組調試，需要從發送側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設備GOOSE/SV輸入過程是否存在無異常警報，并核實接收過程中斷報警信息的一致性，最后在模擬接收過程中斷情形下，確保IED上傳監控系統的過程警報描述與實際過程保持一致。

3.2 生成安全措施

在進行二次設備調試前準確制定和實施安全措施，實現調試與運行系統及時隔離，是調試工作的重要安全保障。變電站通常是根據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文件得到待調試設備所關聯的其他二次設備，將訂閱該調試設備數據的非試驗設備視為運行設備，用以指導當前調試工作安全措施的制定。

1)基于XPath技術快速獲取GOOSE/SV訂閱部分對應的IED二次回路文件，將控制塊名稱、接收IED名稱進行記錄，從而生成具有“一對多”特征的控制塊與IED的對應關系。其中包含了各發送控制塊的被訂閱的情況，進而分析出可能受到此次整組調試影響的運行設備范圍。

2)標記與整組調試相關的發送IED和接收IED為試驗設備；再由試驗設備GOOSE/SV發布控制塊名稱，并在配置文件中搜索訂閱此控制塊的IED信息(已標定為試驗設備的除外)；再次利用XPath技術快速搜索運行設備的GOOSE/SV接收控制塊信息，如果其發布IED是試驗設備，就將該控制塊標記成試驗系統與運行系統的邊界回路。隔離試驗設備與運行設備在邊界回路中的安全措施可設定為退出發送/接收軟壓板或斷開光纖回路。

4 實例驗證

采用所提方法，擬對某220 kV智能變電站某線路間隔進行常規調試及傳動工作。利用生成工具高效實現本次線路保護年檢工作安全措施及調試項目的自動生成，主要由以下兩個步驟組成：1)根據工作內容匹配模板庫，導出SCD解析結果；2)智能識別調試回路，生成本次工作的調試作業書。

4.1 匹配模板庫

工作人員在進行110 kV待用152線路間隔保護年檢、自動化聯調工作前，將SCD文件導入生成工具后，SCD文件通過自動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所示各項參數。

表3 系統生成年檢調試項目輸入參數示意

其中，“核心裝置編號”為可選項，其目的是結合本系統的語義分析，更精確地定位檢修范圍與工作間隔，減少計算時間和錯誤率。

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

圖5 二次設備安全措拖可視化展示

4.2 生成調試作業書

SCD解析結果還可以給出在進行某項試驗時，停電待檢修設備與其他裝置的關聯鏈路信息。圖6顯示了110 kV待用152線路保護裝置整組調試所涉及到的相關裝置間的鏈路關系，每個回路同時標注了信號描述，這是系統對SCD文件進行信號分類的結果。

圖6 待用152間隔整組調試涉及鏈路信號

通過對SCD文件的解析，并剔除因涉及到安措不能夠進行調試驗證的項目，輸出152線路保護裝置調試項目如表4所示。

表4 保護裝置調試項目

同理，通過計算每個被試設備的虛端子鏈路關系，分別得到各自的調試項目表。進一步合并消除其中的重復項，再經過語義匹配，將調試表中各項利用解析SCD文件虛端子回路形成的調試項目表，可以保證檢修設備編號、運行設備編號、變電站設備編號與實際工作內容的一致性，大大減少了查勘人員因現場查勘不充分或手工編制而造成的錯誤。在實際工作中，部分涉及到檢修裝置的調試項目因本次工作安全措施要求所限，無法進行調試，該類項目表在生成標準化作業書的同時一并輸出存儲，便于為該站今后開展其他檢修工作時提供參考。

參數(包括調試內容、物理鏈路、發送控制塊、被調試裝置、被調試光口等條目)嵌入到預制的調試作業書模板，最終生成標準化作業書(見圖7)，滿足現場實際工作需求。

圖7 安全措施及調試項目的自動生成界面

5 結 論

圍繞智能變電站二次系統檢修作業效率與質量的提升，針對智能站檢修中安全措施及調試項目可能出現遺漏的重要回路，造成安全措施執行不到位以及調試效率低下、調試項目不充分等問題，提出一種基于SCD文件解析的智能變電站二次設備調試策略生成方法，主要結論如下：

1)構建了基于XPath技術聯合DOM方法的SCD文件解析方法，為自動生成智能變電站安措及調試項目提供了基礎平臺；

2)基于SCD解析方法，抽取了待檢設備與關聯設備間的過程層鏈路關系，并提出了二次設備安全措施自動生成方法；

3)基于SCD解析方法，形成了包含調試項目在內的變電二次專業標準化作業書自動生成方法。

從工程實例應用結果可以看出，所研究成果能夠自動生成準確可靠的二次安措和對應調試項目。今后，還可就SCD文件的解析速度與調試作業書計算生成速度作進一步的優化與提升。