張汀荃,何鑫剛,陳 剛,施武作,張炳旺
(1.南京師范大學(xué),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(wǎng)有限責(zé)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)
智能變電站以網(wǎng)絡(luò)通信方式替代大量的二次回路電纜,常規(guī)變電站的二次硬回路轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茏冸娬镜亩翁摶芈罚渲帽4嬗谥悄茏冸娬九渲妹枋鑫募?SCD)件內(nèi),這樣有利于維護(hù)人員的精準(zhǔn)、快捷、有效維護(hù)[1-2]。
智能變電站在硬件配置上也有非常顯著的區(qū)別,引進(jìn)了合并單元、智能終端、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、以及交換機(jī)等設(shè)備。同時(shí)使用了三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu),通過(guò)數(shù)字信號(hào)網(wǎng)絡(luò)通信的形式取代過(guò)去模擬量和開關(guān)量信號(hào)電纜連接的方式,這種方式合理整合了資源,更有利于實(shí)時(shí)有效通信[3]。
當(dāng)前智能變電站中的二次回路設(shè)計(jì)都是將二次回路中的實(shí)回路(光纖連接)和虛回路(虛端子)完全分開來(lái)設(shè)計(jì)的,然而虛回路中的信息傳遞是通過(guò)實(shí)回路中的物理鏈路實(shí)現(xiàn)的。理論來(lái)說(shuō),虛回路和實(shí)回路的設(shè)計(jì)應(yīng)該是相互依托的[2]。當(dāng)前實(shí)回路設(shè)計(jì)依賴 CAD、Visio、Excel等軟件手動(dòng)編制[4],設(shè)計(jì)工作存在工作量大,周期長(zhǎng),問(wèn)題排查難,設(shè)計(jì)人員很難通過(guò)圖紙和表格信息來(lái)了解變電站的光纖連接的具體情況等問(wèn)題。而虛回路通過(guò)配置工具進(jìn)行單獨(dú)配置[5],設(shè)計(jì)者也很難看到信息在實(shí)際光纖中的流向,不利于設(shè)計(jì)者排查問(wèn)題[6]。
本文提出一種虛實(shí)回路結(jié)合的可視化二次回路設(shè)計(jì)方法,結(jié)合IEC61850信息模型以及過(guò)去的電氣二次圖紙,通過(guò)IED裝置建模的方式將IED的物理模型與ICD文件關(guān)聯(lián)建立IED裝置的模型文件,工程中IED關(guān)聯(lián)相應(yīng)的IED裝置的模型文件,將IED設(shè)備的物理模型可視化顯示,在可視化圖中進(jìn)行實(shí)回路光纖連接配置,由于IED模型文件中關(guān)聯(lián)了設(shè)備的ICD文件,因此在光纖光纜連接配置完成之后即可進(jìn)行虛端子配置。配置完成后,可實(shí)現(xiàn)虛回路、實(shí)回路結(jié)合的二次回路可視化顯示方便設(shè)計(jì)人員對(duì)變電站二次回路的理解,提高設(shè)計(jì)效率和結(jié)果文件的可用率。
二次回路中實(shí)回路與虛回路結(jié)合的關(guān)鍵是IED設(shè)備的建模,由于IED的ICD文件與IED的物理模型是完全獨(dú)立的[7],現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模式將實(shí)回路和虛回路設(shè)計(jì)獨(dú)立開進(jìn)行,該設(shè)計(jì)模式不利于設(shè)計(jì)人員對(duì)二次回路的整體清晰認(rèn)知,也不利于設(shè)計(jì)人員排查問(wèn)題。因此IED建模需要將IED的物理模型與IED的ICD文件進(jìn)行關(guān)聯(lián),將二次回路的實(shí)回路與虛回路結(jié)合起來(lái),并且通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)信息模型圖形化配置,方便設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作。
IED物理建模是用形象直觀的矢量表征不同對(duì)象,實(shí)現(xiàn)IED設(shè)備端口信息的圖形化配置,將IED設(shè)備的插板,端口信息展示出來(lái)。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(shí)物的簡(jiǎn)化和抽象,能反應(yīng)出實(shí)物的基本特征和各種狀態(tài)。通過(guò)拖放圖元操作實(shí)現(xiàn)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(gè)光口插板,一個(gè)光口插板中包含了2個(gè)FC光口,一個(gè)光口插板包含8個(gè)LC光口。
圖1 IED設(shè)備模型圖元Fig.1 IED device model primitives
圖2 IED設(shè)備物理模型Fig.2 IED device physical model
完成裝置物理建模后,導(dǎo)入該IED的ICD文件,與該物理模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),通過(guò)解析ICD文件,將IED的GOOSE、SV發(fā)送信息在物理模型界面展示。通過(guò)選中發(fā)送數(shù)據(jù)集,拖放操作將發(fā)送GOOSE、SV數(shù)據(jù)集與模型中的光口關(guān)聯(lián),建立虛端子連線與光纖連接之間的映射,為高級(jí)應(yīng)用中光纖斷鏈的判斷提供支持。
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(shí)回路設(shè)計(jì)中包含了一部分虛回路信息,當(dāng)虛回路配置完成之后,配置工具會(huì)自動(dòng)根據(jù)虛回路信息查找實(shí)回路路徑,最終實(shí)現(xiàn)虛回路自動(dòng)識(shí)別對(duì)應(yīng)實(shí)回路信息,自動(dòng)完成虛實(shí)回路的匹配過(guò)程,不需要人工配置虛實(shí)回路信息,而且還能自動(dòng)識(shí)別配置過(guò)程中的錯(cuò)誤,可以大大減少設(shè)計(jì)周期,簡(jiǎn)化配置流程。
實(shí)回路設(shè)計(jì)即建立IED設(shè)備之間物理端口的光纖連接關(guān)系。物理端口間的連接主要采用直連和級(jí)聯(lián)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(jīng)過(guò)交換機(jī)的網(wǎng)采鏈路采用級(jí)聯(lián)方式[8]。IED設(shè)備建模實(shí)現(xiàn)了設(shè)備物理端口信息可視化,實(shí)回路設(shè)計(jì)可基于可視化的IED設(shè)備模型進(jìn)行,如圖3所示,圖中左側(cè)為本側(cè)IED,右邊為對(duì)側(cè)IED,單擊左右兩邊IED的端口實(shí)現(xiàn)兩個(gè)裝置之間的光纖連接配置。通過(guò)右側(cè)的下拉框可切換不同IED設(shè)備,實(shí)現(xiàn)本側(cè)IED設(shè)備與不同IED設(shè)備之間的光纖連接配置。圖中展示了端口光纖對(duì)側(cè)設(shè)備信息以及端口光纖發(fā)送的信息類型(SV或GOOSE),方便設(shè)計(jì)人員排查錯(cuò)誤。同時(shí)也為輸出一些設(shè)計(jì)文檔提供了基礎(chǔ)。
圖3 光纖連接配置Fig.3 Fiber optic connection configuration
在工程實(shí)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(shí)回路設(shè)計(jì)中還會(huì)涉及到光纜光纖配置[9]。尾纜中的光纖直接連接設(shè)備端口,在配置尾纜中光纖時(shí),將尾纜與IED的端口關(guān)聯(lián)并選出所要關(guān)聯(lián)的光纜芯即可。光纜中的光纖需要ODF對(duì)光纖熔接分組,并關(guān)聯(lián)到ODF插口,因此在光纜光纖配置時(shí),需要將光纜先關(guān)聯(lián)到ODF中,再將光纖與ODF插口關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)光纜光纖配置。
IED的ICD文件中包含了裝置所需的所有輸入輸出信號(hào),其中dsGOOSE數(shù)據(jù)集包含了IED裝置的GOOSE發(fā)送信息dsSV數(shù)據(jù)集包含了IED裝置的SV發(fā)送信息;包含“GOIN”關(guān)鍵字為前綴的數(shù)據(jù)對(duì)象為裝置的GOOSE輸入,包含“SVIN”關(guān)鍵字為前綴的數(shù)據(jù)對(duì)象為裝置的SV輸入[10]。
通過(guò)ICD文件解析工具,將ICD的相關(guān)信息根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)依次按照IED、訪問(wèn)點(diǎn)、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)對(duì)象等層次關(guān)系[10],以樹形圖的方式展示,如圖4所示。
圖4 外部IED的數(shù)據(jù)集信息Fig.4 External IED data set information
進(jìn)行配置虛回路信息時(shí),首先選擇中心IED,然后依據(jù)設(shè)計(jì)院的虛端子表選中外部IED,并在其數(shù)據(jù)集中選擇中心IED的外部信號(hào)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(hào)拖放后,從中心IED數(shù)據(jù)對(duì)象中包含“GOIN”或“SVIN”前綴的數(shù)據(jù)集中查找中心IED的內(nèi)部信號(hào),如圖6所示,并拖放到圖5中相應(yīng)的位置。如在圖5中,將圖4中外部IED的保護(hù)GOOSE數(shù)據(jù)集中的第一個(gè)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(jié)點(diǎn)GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作為中心IED內(nèi)部信號(hào),形成中心IED與外部IED之間的一條虛回路。虛回路設(shè)計(jì)結(jié)果支持圖像化方式顯示,如圖7所示,以選中的IED設(shè)備為中心設(shè)備,與之關(guān)聯(lián)的IED設(shè)備分列左右兩側(cè),連線標(biāo)示兩個(gè)設(shè)備之間關(guān)聯(lián)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(nèi)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(jié)點(diǎn)GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作為中心IED內(nèi)部信號(hào),形成中心IED與外部IED之間的一條虛回路。虛回路設(shè)計(jì)結(jié)果支持圖像化方式顯示,如圖7所示,以選中的IED設(shè)備為中心設(shè)備,與之關(guān)聯(lián)的IED設(shè)備分列左右兩側(cè),連線標(biāo)示兩個(gè)設(shè)備之間關(guān)聯(lián)的虛端子連接,箭頭方向表示虛回路中信息流向。
利用本文所提的虛實(shí)回路結(jié)合的可視化二次回路設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)回路與虛回路設(shè)計(jì),即可實(shí)現(xiàn)虛回路在實(shí)回路中的映射。通過(guò)虛端子信息,可以找到虛回路中的發(fā)送端和接收端,通過(guò)發(fā)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(duì)應(yīng)。若通過(guò)發(fā)送端的物理鏈路沒(méi)有查詢到接收端IED,則判定此虛端子為級(jí)聯(lián)虛端子,這樣的虛回路需要通過(guò)交換機(jī)進(jìn)行信息交流。
圖7 虛回路可視化Fig.7 Virtual loop visualization
將發(fā)送端IED直接連接的交換機(jī)集合稱為第一級(jí)交換機(jī)組,與第一級(jí)交換機(jī)組中交換機(jī)直接連接的交換機(jī)集合稱為第二級(jí)交換機(jī)組,以此類推。因此要查找此虛回路對(duì)應(yīng)的實(shí)回路映射,應(yīng)當(dāng)查詢發(fā)送端物理鏈路中的交換機(jī),再通過(guò)交換機(jī)的物理鏈路去查詢接收端IED,如果在第一級(jí)的交換機(jī)組中沒(méi)有查詢到接收端IED,則需要在第二級(jí)交換機(jī)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(guò)查找接收端IED的路徑確定虛回路在實(shí)回路中的映射。如圖8為某一虛回路對(duì)應(yīng)的實(shí)回路,這條虛回路級(jí)聯(lián)了3套交換機(jī)。虛實(shí)回路結(jié)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(wèn)題排查。
圖8 某條虛回路在實(shí)回路中的映射Fig.8 The mapping of a virtual loop in a real loop
基于本文提出的方法,在Qt4.6框架下開發(fā)出一套相應(yīng)的配置工具。配置工具將虛實(shí)回路設(shè)計(jì)可視化可以分為3個(gè)模塊,設(shè)備建模模塊,工程匹配模型模塊,設(shè)計(jì)虛實(shí)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
在設(shè)備建模模塊中,為各個(gè)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(fù)用,減少后期的配置工作量。
工程設(shè)備模型建模完成,為工程用的IED設(shè)備匹配相應(yīng)的模型文件,匹配的過(guò)程中,既可以以IED設(shè)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(shè)備,匹配完成之后,IED設(shè)備中包含了模型文件中的信息,為工程中IED的實(shí)回路和虛回路設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。圖11為以模型為中心匹配IED設(shè)備界面。通過(guò)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(guò)展開模型節(jié)點(diǎn)可以查看匹配該模型的IED數(shù)目。
圖10 裝置設(shè)備列表Fig.10 Device list
IED設(shè)備匹配了對(duì)應(yīng)的物理模型文件,通過(guò)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(shè)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(guò)拖放操作關(guān)聯(lián)裝置的內(nèi)部信號(hào)和外部信號(hào),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(shí)回路信息,如圖12所示,黃色粗線表示光纖,細(xì)線表示兩設(shè)備間的虛端子連接,點(diǎn)擊某一虛端子連接可查看其對(duì)應(yīng)的實(shí)回路,如圖13所示。
圖11 以模型文件為中心匹配IED設(shè)備Fig.11 Match the IED device with the model file as the center
圖12 虛實(shí)回路圖Fig.12 Virtual loop diagram
圖13 某一虛回路對(duì)應(yīng)的實(shí)回路圖Fig.13 The real circuit diagram corresponding to a virtual loop
本文提出了智能變電站二次回路可視化設(shè)計(jì)方案,通過(guò)建模手段,將裝置的物理模型和信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),可通過(guò)裝置間的虛回路自動(dòng)匹配實(shí)回路信息,能自動(dòng)識(shí)別配置錯(cuò)誤等問(wèn)題。由于光纖中包含了虛回路信息,可視化配置的過(guò)程中,虛實(shí)回路自動(dòng)匹配,可以大大簡(jiǎn)化配置工作,縮短配置流程。通過(guò)配置的光纖連接信息可以自動(dòng)生成相應(yīng)的工程配置文檔,減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的附加工作量,縮短設(shè)計(jì)周期。同時(shí)通過(guò)虛回路在實(shí)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(shè)計(jì)人員的錯(cuò)誤排查。該方案還實(shí)現(xiàn)了實(shí)回路與虛回路的綜合設(shè)計(jì),可以大大提高智能變電站設(shè)計(jì)人員的工作效率和結(jié)果文件的可用率,對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用及智能變電站高級(jí)應(yīng)用有積極的意義。
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