基于SCD 模型的智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)

陳 艷，吉宏斌，高婷婷

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電分公司，揚(yáng)州 225009）

國家智能電網(wǎng)戰(zhàn)略推動(dòng)了智能變電站建設(shè)，提升數(shù)據(jù)采集、傳輸速率。智能變電站中的設(shè)備通過高速傳輸網(wǎng)絡(luò)與虛端子連接實(shí)現(xiàn)互操作[1]。SCD 模型是存儲(chǔ)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和IED 配置信息的文件，對加快建設(shè)和測試時(shí)間非常重要。然而，SCD 文件抽象且難以發(fā)現(xiàn)IED 之間的連接關(guān)系，缺乏變電站主接線狀況的生動(dòng)呈現(xiàn)[2]，給作業(yè)人員帶來理解難度。因此，實(shí)現(xiàn)智能變電站接線圖的自動(dòng)生成對提高工作效率至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[3]通過對圖形描述規(guī)范CIM/G 進(jìn)行分析，完成電力系統(tǒng)圖形特征的獲取與辨識后，實(shí)現(xiàn)廠站接線圖的繪制，但該系統(tǒng)難以適用拓?fù)潢P(guān)系配置信息缺乏情況；文獻(xiàn)[4]提出在利用智能電子設(shè)備模型對變電站配置文件信息進(jìn)行補(bǔ)充的基礎(chǔ)上，通過對完整SCD 文件信息進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)變電站二次回路可視化呈現(xiàn)，但該系統(tǒng)執(zhí)行效率低。

鑒于以上系統(tǒng)存在的不足，本文提出基于SCD模型的智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)，以完成接線圖的高效獲取。

1 智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)

1.1 智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)框架

采用層次化方式構(gòu)建智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)，以使系統(tǒng)模塊間保持較低的耦合性，減小系統(tǒng)運(yùn)維難度，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)框架Fig.1 Automatic generation of system frame for smart substation wiring diagram

該系統(tǒng)由5 部分構(gòu)成：

基礎(chǔ)層該層的作用是通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)智能變電站接線圖生成所需數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層該層通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)智能變電站配置描述文件（SCD）和描述語言（SCL）數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)完成SCD/SCL 文件的轉(zhuǎn)換處理，以對模型以及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存。

數(shù)據(jù)傳輸層該層在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層與服務(wù)層之間架起溝通橋梁，具有連接樞紐的作用，通過基于PCIE 總線的數(shù)據(jù)傳輸模塊加快系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信效率。

業(yè)務(wù)層該層可實(shí)現(xiàn)用戶管理、智能變電站SCD文件數(shù)據(jù)分析、接線圖生成等功能。該層的接線圖處理與分析模塊通過對SCD 文件進(jìn)行解析，確定變電站IED 節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系，并計(jì)算連接邊權(quán)值，運(yùn)用圖聚類算法對變電站IED 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置分組后，采用多任務(wù)并行運(yùn)算的接線圖生成方法完成變電站接線圖的繪制[5]。用戶管理模塊的作用是管理智能變電站接線圖設(shè)計(jì)用戶、監(jiān)控用戶，并完成用戶使用權(quán)限的設(shè)定，用戶只能完成權(quán)限范圍之內(nèi)事務(wù)的處理。接線圖編輯模塊的作用是對圖元模型進(jìn)行處理，并完成接線圖的拓?fù)浠治觯⒁許CD/XML文檔形式保存。

應(yīng)用層該層可實(shí)現(xiàn)智能變電站接線圖繪制結(jié)果的可視化呈現(xiàn)等。

1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊具有智能變電站SCD 文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，完成不同版本數(shù)據(jù)的自由切換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)通過可擴(kuò)展樣式表轉(zhuǎn)換語言（XSLT）處理器對其進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.2 Flow chart of data conversion

首先構(gòu)建樹狀結(jié)構(gòu)，采集原始SCD 文件中的所有節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系構(gòu)造樹。然后通過模型映射得到XSLT 腳本，并使用Java 轉(zhuǎn)換工廠進(jìn)行搜索，匹配目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和XSLT 樣式表中的模式。當(dāng)匹配成功時(shí)，對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理并將處理后的節(jié)點(diǎn)插入到樹狀結(jié)構(gòu)中，如果匹配失敗，則刪除該節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，最終得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的確定，生成SCD 模型的SCL 文檔。

1.3 基于PCIE 總線的數(shù)據(jù)傳輸模塊

圖3 為PCIE 總線體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)報(bào)文生成于設(shè)備核心層，按由左至右順序依次通過事務(wù)層、鏈路層以及物理層處理后，即可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩藬?shù)據(jù)按照由右至左順序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵膶又小CIE 總線的傳遞對象是數(shù)據(jù)報(bào)文，系統(tǒng)在對PCIE 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文查詢時(shí)，先由事務(wù)層對其作封裝處理，獲得至少1 個(gè)TLP 后，利用其他層完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 PCIE 總線體系結(jié)構(gòu)Fig.3 PCIE bus architecture

1.4 基于圖聚類的IED 配置分組

1.4.1 連接權(quán)重確定

變電站智能電子設(shè)備（IED）之間的連接關(guān)系均保存于智能變電站配置描述文件SCD 的Inputs 節(jié)點(diǎn)之內(nèi)，對Inputs 節(jié)點(diǎn)屬性進(jìn)行分析，能夠確定與之相連的IED 設(shè)備的同時(shí)，可對此連接收、發(fā)的GOOSE、SV 信息及個(gè)數(shù)進(jìn)行獲取。對各IED 子節(jié)點(diǎn)ExtRef集合進(jìn)行按順序搜索，能夠確定其外部IED 設(shè)備信息數(shù)量。對任意IED 設(shè)備而言，其會(huì)和若干個(gè)其他IED 相連，統(tǒng)計(jì)各外部設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)量，即可確定IED 收發(fā)數(shù)據(jù)總量[6]，通過以上數(shù)據(jù)即可求得邊權(quán)重。根據(jù)2 個(gè)IED 的連接關(guān)系，可完成無向圖網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，表示為G=｛V，E｝，全部IED 節(jié)點(diǎn)集合表示為V=｛v1，v2，…，vn｝，IED 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為n；邊集合表示為E=｛e1，e2，…，em｝，集合中無重復(fù)邊，邊的個(gè)數(shù)表示為m。

考慮IED 節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，可完成連接權(quán)重的計(jì)算，公式描述為

式中：一組IED 節(jié)點(diǎn)的虛連接個(gè)數(shù)表示為num，對于任意IED 節(jié)點(diǎn)，其下連接總量表示為total。不同類的IED 節(jié)點(diǎn)，其相連邊的連接權(quán)值為（0，1）區(qū)間上的數(shù)，調(diào)節(jié)系數(shù)k≥1；同類IED 節(jié)點(diǎn)，其相連邊的連接權(quán)值在（1，2）區(qū)間上取值。

1.4.2 IED 配置分組

本文采用圖聚類算法對IED 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間隔劃分，完成IED 配置的分組，實(shí)現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 IED 配置分組流程Fig.4 IED configuration grouping flow chart

IED 配置分組過程由數(shù)據(jù)預(yù)處理、聚類分組兩部分構(gòu)成，其中前一部分對智能變電站SCD 文件進(jìn)行分析，完成全部IED 設(shè)備信息、IED 設(shè)備連接邊信息的提取后，實(shí)現(xiàn)圖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，通過鄰接矩陣對其進(jìn)行描述，并確定各連接邊的權(quán)值。后一部分通過兩步實(shí)現(xiàn)，具體為

（1）將各IED 節(jié)點(diǎn)視作一個(gè)團(tuán)體并編號，完成初始模塊度Q1的求解，模塊度計(jì)算公式為

式中：k×k 階對稱矩陣e 的跡表示為Tr（e），ai為變量。

假設(shè)將各IED 節(jié)點(diǎn)從其所屬團(tuán)體轉(zhuǎn)移到與其毗鄰相連節(jié)點(diǎn)團(tuán)體中，通過公式（3）計(jì)算其模塊度增益，確定最大ΔQ，當(dāng)ΔQ＞0，則將該IED 節(jié)點(diǎn)及其相連節(jié)點(diǎn)團(tuán)體作合并處理，反之，維持原節(jié)點(diǎn)團(tuán)體不變，直至全部節(jié)點(diǎn)均完成此操作結(jié)束。

式中：將IED 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其相連節(jié)點(diǎn)集合后，求得的模塊度值表示為Q′。

（2）遍歷全部IED 接地后，對模塊度Q2進(jìn)行求解，當(dāng)ΔQ 低于增量閾值，則結(jié)束聚類過程，確定IED配置分組結(jié)果；反之，以各IED 節(jié)點(diǎn)所屬團(tuán)體為新節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其邊連接權(quán)值后，將其視為相連團(tuán)體邊權(quán)值的累加結(jié)果，隸屬于相同團(tuán)體的各IED 節(jié)點(diǎn)，其連接將形成一個(gè)閉環(huán)，邊權(quán)值計(jì)算時(shí)此類節(jié)點(diǎn)不考慮在內(nèi)，修正圖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對模塊度初值進(jìn)行調(diào)整，使Q2=Q1，再次執(zhí)行第（1）步，完成團(tuán)體合并。

反復(fù)執(zhí)行聚類過程，將使IED 節(jié)點(diǎn)團(tuán)體數(shù)量不斷下降，當(dāng)團(tuán)體數(shù)量不再發(fā)生任何改變時(shí)，聚類結(jié)束，確定聚類結(jié)果，即獲得按間隔劃分的IED 配置分組結(jié)果。

1.5 基于多任務(wù)并行處理的智能變電站接線圖自動(dòng)生成

變電站配置SCD 文件中包含大量IED，數(shù)據(jù)信息規(guī)模龐大，各IED 節(jié)點(diǎn)對應(yīng)若干條虛連接，為提高智能變電站接線圖生成效率，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)多核的高效利用，采用多任務(wù)并行運(yùn)算方式處理變電站接線圖生成問題。

1.5.1 變電站接線圖生成問題處理

完成SCD 文件IED 配置的分組后，依照圖5 流程處理智能變電站接線圖生成問題，步驟如下：

圖5 智能變電站接線圖自動(dòng)生成流程Fig.5 Automatic generation flow chart of smart substation wiring diagram

（1）按照文檔流方式獲取變電站配置SCD 文件，以防止全部SCD 文件數(shù)據(jù)的同時(shí)處理，降低內(nèi)存占用壓力。對文件中的全部IED 設(shè)備及其配置信息進(jìn)行提取與分析，并完成圖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

（2）對圖網(wǎng)絡(luò)中的IED 設(shè)備進(jìn)行配置分組，同時(shí)完成與其連接的一次設(shè)備類別的判斷，一次設(shè)備主要包括主變壓器、輸電線路、母線以及斷路器4 種類型。

（3）當(dāng)IED 節(jié)點(diǎn)與母線連接時(shí)，要完成與母線連接關(guān)系的分析。

（4）采用圖聚類算法確定IED 節(jié)點(diǎn)與一次設(shè)備的連接關(guān)系。

（5）調(diào)用SVG 圖元模板，完成變電站主接線的繪制。SCD 文件中不包含一次設(shè)備型號等信息，故采用通用符號對其進(jìn)行描述，可在SVG 圖元模板中進(jìn)行設(shè)定與選取。

（6）將電壓等級作為變電站主接線圖形的設(shè)計(jì)依據(jù)，掃描所有電壓等級，并完成設(shè)備接線方式的確定。

（7）依據(jù)設(shè)備拓?fù)湫畔?shí)現(xiàn)斷路器、輸電線路圖的描畫，當(dāng)IED 與母線存在連接時(shí)，則將母線連接關(guān)系數(shù)據(jù)作為依據(jù)進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)。

（8）判斷是否還有其他電壓等級，當(dāng)存在下一電壓等級，則再次執(zhí)行第（6）、（7）步，直至全部電壓等級均完成繪制。

（9）完成變電站接線圖的自動(dòng)繪制。

1.5.2 多任務(wù)并行處理

并行運(yùn)算的基本思想是通過多個(gè)物理CPU 核心或線程同時(shí)處理高耗時(shí)且獨(dú)立的任務(wù)，以降低任務(wù)處理時(shí)間。本文通過劃分IED 分組任務(wù)、母線連接任務(wù)以及設(shè)備連接任務(wù)，以及各任務(wù)的進(jìn)一步細(xì)分處理，提高變電站接線圖生成效率。變電站接線圖生成的多任務(wù)分解圖如圖6 所示。

圖6 變電站接線圖生成的多任務(wù)分解圖Fig.6 Multi-task decomposition diagram generated by the substation wiring diagram

IED 分組任務(wù)通過4 個(gè)線程遍歷全部IED 節(jié)點(diǎn)，完成輸電線路、母線、主變壓器以及斷路器的判斷，獲得包含設(shè)備名稱、型號以及電壓等級等設(shè)備列表信息，各子任務(wù)執(zhí)行時(shí)，當(dāng)掃描到設(shè)備列表中不存在的設(shè)備，則將其傳輸?shù)侥妇€、設(shè)備連接任務(wù)中，開啟新的線程通過確定其連接關(guān)系矩陣，并完成其位置的調(diào)整，其中電壓等級表示為v，輸電線路或主變i 的連接關(guān)系通過矩陣元素Tiv進(jìn)行描述，輸電線路或主變數(shù)量表示為n。全部子任務(wù)都執(zhí)行完畢即可返回到主進(jìn)程，開始執(zhí)行后續(xù)接線圖繪制任務(wù)。

1.5.3 智能變電站接線圖自動(dòng)生成流程

本文利用SVG 圖元模板以及智能變電站配置SCD 文件完成智能變電站接線圖繪制，具體流程如圖7 所示。

圖7 智能變電站接線圖繪制流程Fig.7 Smart substation wiring diagram drawing flow chart

2 實(shí)例應(yīng)用分析

以某智能變電站配置SCD 文件為研究對象，該文件共包含140 個(gè)IED 設(shè)備節(jié)點(diǎn)，660 條連接邊，設(shè)定比例系數(shù)為10。在Win 10 操作環(huán)境、3.2 GHz 四核處理器、8 GB 內(nèi)存實(shí)驗(yàn)環(huán)境下運(yùn)行本文系統(tǒng)。

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于智能變電站接線圖自動(dòng)生成中，通過對接線圖生成結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。分析可知，應(yīng)用本文系統(tǒng)可完成智能變電站接線圖的自動(dòng)繪制，該變電站的2 個(gè)主變壓器布局在接線圖的中心位置處，220 kV 母聯(lián)以及各輸電線路繪制在接線圖的左側(cè)，其右側(cè)為110 kV 母聯(lián)與各輸電線路。生成的接線圖清晰、布局合理，且與變電站實(shí)際配置情況相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用效果，可將其運(yùn)用到實(shí)際工作中。

圖8 智能變電站接線圖生成結(jié)果分析Fig.8 Analysis of the generation results of the wiring diagram of the smart substation

3 結(jié)語

提出智能變電站接線圖自動(dòng)生成系統(tǒng)，利用其對某智能變電站SCD 文件進(jìn)行解析，通過分析IED配置分組結(jié)果以及接線圖生成結(jié)果，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的應(yīng)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)IED 的間隔聚類，同類IED 節(jié)點(diǎn)分布更密集性，不同類IED節(jié)點(diǎn)區(qū)分度高；可完成變電站接線圖的自動(dòng)生成，且空間布局合理。