智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)方案

葉 翔，劉 輝，周永忠

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.重慶市電力公司，重慶400015)

智能變電站最核心的技術(shù)革新在于使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)二次接線傳遞數(shù)字和模擬信號(hào)，原有直接可觀、相互解耦、具象的二次接線由不直接可見、相互高度耦合、抽象的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流代替，并通過IEC 61850-6中定義的變電站配置描述（SCL）語言[1]將全站所有配置信息靜態(tài)描述在系統(tǒng)配置描述 （SCD）文件中，但SCL語言基于可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語言（XML），裝置間邏輯關(guān)系等配置信息表示得較為晦澀，一般用戶很難快速查看和配置智能電子設(shè)備 （IED）間的邏輯關(guān)系。由此，許多基于IEC 61850的SCD配置軟件也應(yīng)運(yùn)而生[2，3]，它們部分實(shí)現(xiàn)了可視化，對(duì)使用者屏蔽了XML，大大提高了編輯SCD文件的效率。目前國(guó)內(nèi)智能變電站系統(tǒng)配置工具多由各生產(chǎn)廠商提供，由擔(dān)任集成角色設(shè)備制造廠商使用，雖已部分實(shí)現(xiàn)可視化，但由于功能不完善，且沒有充分考慮設(shè)計(jì)人員的使用習(xí)慣，難于向各設(shè)計(jì)單位推廣。隨著越來越多的智能變電站投運(yùn)，并陸續(xù)進(jìn)入運(yùn)行、維護(hù)周期，各網(wǎng)省公司均加大了對(duì)智能變電站設(shè)計(jì)描述方法和運(yùn)行維護(hù)策略的相關(guān)研究工作。其中，為設(shè)計(jì)單位提供符合其使用習(xí)慣的配套工具，突出設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)、集成、配置一體功能顯得越來越重要。鑒于此，文中提出一種面向設(shè)計(jì)的智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)方案。

1 智能變電站設(shè)計(jì)需求

1.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的智能變電站建設(shè)過程中，其二次設(shè)計(jì)成果主要包括：系統(tǒng)接線圖、屏柜布置圖、二次原理圖、光纜聯(lián)系圖或表、網(wǎng)絡(luò)配置圖、光纜清冊(cè)、虛端子聯(lián)系圖或表。其中，系統(tǒng)接線圖、屏柜布置圖、二次原理圖、光纜聯(lián)系圖或表、網(wǎng)絡(luò)配置圖、光纜清冊(cè)等圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方式和原有的常規(guī)變電站基本一致[4，5]。但由于缺乏配套的設(shè)計(jì)工具，加之設(shè)計(jì)人員對(duì)IEC 61850相關(guān)知識(shí)不甚了解，導(dǎo)致目前對(duì)于表征系統(tǒng)二次回路交互的虛端子連接關(guān)系仍然停留在自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（AutoCAD）制圖、電子表格（EXCEL）制表階段，不能直接生成SCD配置文件，由于依賴集成廠商在后續(xù)系統(tǒng)集成工作中將虛端子聯(lián)系圖或表在SCD中進(jìn)行配置，直接導(dǎo)致了重復(fù)的配置工作，且無法有效地保證IEC 61850模型的一致性。此外，由于虛端子聯(lián)系圖或表一般由設(shè)計(jì)單位根據(jù)設(shè)備廠商提供的裝置能力描述（ICD）文件單獨(dú)配置形成，與反映設(shè)備物理連接關(guān)系的外部光纜聯(lián)系圖相對(duì)獨(dú)立，因此無法有效地建立邏輯回路（虛端子連接）與物理回路（光纜連接）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接導(dǎo)致后續(xù)調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)工作的困難。

1.2 設(shè)計(jì)要求

理想情況下，設(shè)計(jì)人員除完成常規(guī)的一、二次接線圖外，還需要根據(jù)各設(shè)備廠商提供的ICD模型文件及變電站一、二次設(shè)備的配置原理完成完整的全站數(shù)據(jù)模型配置和變電站的數(shù)據(jù)流連接，并最終生成反映全站模型及邏輯信息交互的SCD文件。

完整的設(shè)計(jì)成果還應(yīng)反映邏輯回路與物理回路之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體來說就是某個(gè)物理光纖回路中傳輸?shù)奶摱俗有盘?hào)。設(shè)計(jì)人員要綜合考慮物理光纖回路與虛端子連接配置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，改變現(xiàn)有物理回路與邏輯回路單獨(dú)設(shè)計(jì)的工作方式，真正做到在設(shè)計(jì)層面上完善和提升智能變電站的設(shè)計(jì)深度。

1.3 軟件的功能需求

智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件需要滿足目前智能變電站的設(shè)計(jì)深度要求，并在充分符合設(shè)計(jì)人員使用習(xí)慣、盡量屏蔽IEC 61850模型細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，著重實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備對(duì)象管理、配置以及AutoCAD出圖功能。具體包括：

（1）實(shí)現(xiàn)包括小室、屏柜、設(shè)備、交換機(jī)等在內(nèi)的二次設(shè)備對(duì)象建模及各設(shè)備對(duì)象的創(chuàng)建、修改、刪除等維護(hù)功能；

（2）實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備原理信息交互、線纜分配等在內(nèi)的二次物理通信回路配置功能；

（3）實(shí)現(xiàn)包括虛擬二次回路、邏輯子網(wǎng)、SCD導(dǎo)入/導(dǎo)出在內(nèi)的IEC 61850模型配置功能；

（4）依托AutoCAD環(huán)境，實(shí)現(xiàn)包括二次原理圖、虛端子圖、屏柜布置圖、光纜聯(lián)系圖、網(wǎng)絡(luò)配置圖、光纜清冊(cè)等在內(nèi)的圖表生成功能。

2 軟件的開發(fā)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件旨在為設(shè)計(jì)人員提供一套實(shí)用配置工具軟件系統(tǒng)，通過提供專用的配置界面，在完成智能變電站內(nèi)各一、二次設(shè)備對(duì)象配置的同時(shí)自動(dòng)生成配套設(shè)計(jì)圖紙，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)SCD文件的生成功能。

智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件的基本實(shí)現(xiàn)原則由“配置”到“出圖”，所謂配置是指對(duì)智能變電站內(nèi)的各一、二次設(shè)備對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并在此基礎(chǔ)上提供專用的配置界面實(shí)現(xiàn)各類一、二次設(shè)備對(duì)象的配置功能。出圖則是指根據(jù)智能變電站內(nèi)各設(shè)備對(duì)象的配置結(jié)果，按照特定的布局原則自動(dòng)生成AutoCAD圖紙。

智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件首先在系統(tǒng)架構(gòu)上將配置功能與設(shè)計(jì)圖紙功能進(jìn)行拆分，即配置功能獨(dú)立于AutoCAD，可直接采用各類高級(jí)語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)，而與設(shè)計(jì)圖紙相關(guān)的功能可通過采用AutoCAD平臺(tái)上面向?qū)ο蟮拈_發(fā)包（ObjectARX）等二次開發(fā)技術(shù)，以插件形式嵌套在AutoCAD系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上形成的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由二次配置環(huán)境和AutoCAD設(shè)計(jì)環(huán)境兩部分組成，二次配置環(huán)境中主要完成設(shè)備對(duì)象管理、物理通信配置以及IEC 61850模型配置功能，其輸出結(jié)果為各類報(bào)表及SCD文件；AutoCAD設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)則專注于實(shí)現(xiàn)各類設(shè)計(jì)圖紙的生成功能，生成的圖紙包括主接線圖以及各類二次施工圖。二次配置環(huán)境和AutoCAD設(shè)計(jì)環(huán)境通過專用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)二次配置環(huán)境的配置結(jié)果，并在AutoCAD設(shè)計(jì)環(huán)境中將配置的結(jié)果生成導(dǎo)出為各類所需的施工圖紙。

圖1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

2.2.1 AutoCAD二次開發(fā)

AutoCAD是一種結(jié)構(gòu)高度開放的圖形繪制平臺(tái)軟件，提供給用戶一個(gè)功能強(qiáng)大的二次開發(fā)環(huán)境。從AutoCAD R13版本起，引入了Object ARX編程環(huán)境，用戶可以使用C++來開發(fā)AutoCAD的應(yīng)用程序。Object ARX應(yīng)用程序與AutoCAD在同一地址空間內(nèi)運(yùn)行并能直接利用AutoCAD的核心數(shù)據(jù)庫和代碼，利用AutoCAD的開放結(jié)構(gòu)，可以直接訪問其數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)以及CAD幾何造型核心。由于Object ARX具有模塊性好、獨(dú)立性強(qiáng)、連接簡(jiǎn)單、使用方便、內(nèi)部功能高效實(shí)用、代碼可重用性強(qiáng)、支持微軟基礎(chǔ)類庫（MFC）等優(yōu)點(diǎn)，已愈來愈多地作為AutoCAD二次開發(fā)的首選。

2.2.2 XML數(shù)據(jù)庫

在智能變電站的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，若直接對(duì)XML文本進(jìn)行編輯，不利于圖形界面的開發(fā)，需借助數(shù)據(jù)庫的方式對(duì)XML數(shù)據(jù)進(jìn)行存取和操作，將半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過查詢數(shù)據(jù)庫來提取，綜合和分析XML文檔的數(shù)據(jù)。

基于數(shù)據(jù)庫的XML存儲(chǔ)技術(shù)，圖形編輯模塊和模型編輯模塊都能夠從數(shù)據(jù)庫中獲得需要的信息，如圖形編輯模塊所需要的擴(kuò)展屬性和模型編輯模塊對(duì)模型的導(dǎo)入、導(dǎo)出、編輯等各類型操作，但在數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)上需要充分考慮IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性以及與AutoCAD屬性結(jié)合時(shí)的信息耦合，避免從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出信息時(shí)發(fā)生信息錯(cuò)誤或不完整的情況。

2.2.3 圖模一致性

圖模一致性的目的在于保證設(shè)計(jì)人員在完成模型配置、導(dǎo)出符合IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)SCD文件的同時(shí)，能夠自動(dòng)生成與模型一致的設(shè)計(jì)圖紙用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工調(diào)試。

在智能變電站中，裝置的ICD模型文件反映了裝置自身的能力描述，通過對(duì)ICD文件的建模方式加以規(guī)范，則完全可以根據(jù)規(guī)范化的建模原則建立裝置圖元。例如，在現(xiàn)有的智能變電站工程實(shí)施過程中，要求滿足Q／GDW 396—2009[6]，該標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上規(guī)范了裝置虛端子的描述方式，該規(guī)范的修訂版本已經(jīng)上報(bào)國(guó)網(wǎng)公司，修訂版本進(jìn)一步對(duì)裝置的物理端口模型進(jìn)行了規(guī)范。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

2.3.1 功能模塊分解

如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)提供的功能種類的不同，智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件分解為項(xiàng)目管理子系統(tǒng)、通信配置子系統(tǒng)、模型配置子系統(tǒng)以及AutoCAD子系統(tǒng)，各系統(tǒng)及其進(jìn)一步的模塊劃分如下所述。

圖2 軟件系統(tǒng)功能模塊

（1）項(xiàng)目管理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的維護(hù)管理功能，并提供對(duì)各類設(shè)備對(duì)象的瀏覽、創(chuàng)建、刪除、修改等維護(hù)功能，此外還包括系統(tǒng)設(shè)置、用戶權(quán)限管理、版本管理功能。

① 項(xiàng)目瀏覽器模塊：實(shí)現(xiàn)單個(gè)工程項(xiàng)目?jī)?nèi)所有設(shè)備對(duì)象的瀏覽功能，并提供針對(duì)設(shè)備對(duì)象的創(chuàng)建、刪除、修改的維護(hù)功能。

② 用戶權(quán)限管理模塊：實(shí)現(xiàn)包括用戶創(chuàng)建、刪除、修改在內(nèi)的用戶管理功能，并提供用戶權(quán)限的自定義功能。

③ 裝置庫管理模塊：裝置庫按照設(shè)備裝置所屬的生產(chǎn)廠商、設(shè)備類型、產(chǎn)品型號(hào)等，將可被多個(gè)工程復(fù)用的裝置進(jìn)行分類組織管理。裝置庫管理模塊提供相應(yīng)配置界面，實(shí)現(xiàn)裝置庫中各類裝置的維護(hù)管理功能。

（2）通信配置子系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各設(shè)備對(duì)象的物理通信回路配置瀏覽功能，并根據(jù)配置后的物理通信回路，實(shí)現(xiàn)回路間通信線纜的配置管理功能。

① 物理端口連接配置模塊：以單個(gè)智能裝置或交換機(jī)為配置對(duì)象，根據(jù)該設(shè)備對(duì)象的板卡插件以及物理端口定義，實(shí)現(xiàn)該設(shè)備對(duì)象與站內(nèi)其他設(shè)備對(duì)象間的物理端口連接配置。

② 線纜管理模塊：根據(jù)站內(nèi)設(shè)備對(duì)象間的物理端口連接關(guān)系，自動(dòng)生成相應(yīng)連接線纜，并提供針對(duì)線纜類型、長(zhǎng)度等屬性的修改功能。此外，還應(yīng)提供包括光纖組纜、光纜拆分、光配端口分配等站內(nèi)光纖回路的常用維護(hù)管理功能。

③ 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）配置模塊：根據(jù)站內(nèi)設(shè)備對(duì)象間的物理端口連接關(guān)系，并綜合考慮設(shè)備所屬間隔等情況，自動(dòng)劃分站內(nèi)VLAN，并提供相應(yīng)配置界面允許手動(dòng)調(diào)整VLAN劃分。

（3）模型配置子系統(tǒng)。模型配置子系統(tǒng)根據(jù)站內(nèi)智能裝置對(duì)象的ICD模型描述，提供包括虛端子連接配置、端子描述改名、邏輯子網(wǎng)配置在內(nèi)的與IEC61850相關(guān)的配置功能，并最終實(shí)現(xiàn)SCD文件的自動(dòng)生成。

① 虛端子配置模塊：以單個(gè)智能裝置為配置對(duì)象，以接收信號(hào)為配置內(nèi)容，根據(jù)智能裝置間的物理端口連接關(guān)系，自動(dòng)分析該裝置接收端口關(guān)聯(lián)的發(fā)送智能裝置，建立發(fā)送智能裝置虛端子信號(hào)與該裝置接收虛端子信號(hào)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

② 邏輯子網(wǎng)配置模塊：實(shí)現(xiàn)MMS/GOOSE/SMV邏輯子網(wǎng)的劃分，并配置子網(wǎng)內(nèi)IP地址、組播地址等通信參數(shù)。

③ SCD導(dǎo)入/導(dǎo)出模塊：SCD導(dǎo)出將根據(jù)站內(nèi)智能裝置對(duì)象的ICD模型描述，以及相關(guān)的虛端子配置、邏輯子網(wǎng)配置，自動(dòng)生成符合IEC61850規(guī)范SCD文件。

（4）AutoCAD系統(tǒng)。AutoCAD系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備對(duì)象間的各類配置關(guān)系，依托ObjectARX二次開發(fā)，通過插件形式在AutoCAD系統(tǒng)進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)各類圖紙卷冊(cè)的繪制、導(dǎo)出及管理功能。

① 圖元圖框定義模塊：實(shí)現(xiàn)包括一次設(shè)備、二次設(shè)備物理背板、端口等在內(nèi)的自定義圖元功能，此外，根據(jù)設(shè)計(jì)出圖的需要，實(shí)現(xiàn)自定義圖框的功能。該模塊以單個(gè)AutoCAD插件實(shí)現(xiàn)。

② 圖紙卷冊(cè)管理模塊：對(duì)站內(nèi)生成的各類圖紙按卷冊(cè)進(jìn)行組織管理，提供包括新建、刪除、修改等在圖紙卷冊(cè)管理功能。此外，該模塊應(yīng)能讀取設(shè)備對(duì)象間的各類配置關(guān)系，根據(jù)各類自定義的二次設(shè)備圖元，按照設(shè)計(jì)單位要求自動(dòng)生成各類二次施工圖紙。考慮各級(jí)設(shè)計(jì)單位出圖的差異性，該模塊應(yīng)能通過模板或其他自定義手段實(shí)現(xiàn)不同需求圖紙的導(dǎo)出生成功能。該模塊以單個(gè)AutoCAD插件實(shí)現(xiàn)。

③ 一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊：根據(jù)自定義的一次設(shè)備圖元，繪制系統(tǒng)主接線圖，并分析一次設(shè)備間的連接關(guān)系，自動(dòng)生成相應(yīng)的一次設(shè)備對(duì)象模型。該模塊以單個(gè)AutoCAD插件實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用開放源碼的小型關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（MySQL），根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍的不同，將數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)，并采用分?jǐn)?shù)據(jù)庫的方式將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)庫中。

其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)各類與具體工程無關(guān)的且相對(duì)固定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，如裝置類型、電壓等級(jí)、用戶權(quán)限、系統(tǒng)設(shè)置、工程模板等，此外基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中還應(yīng)存儲(chǔ)特定工程與下述工程數(shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

工程數(shù)據(jù)庫則用于存儲(chǔ)與特定工程相關(guān)的設(shè)計(jì)配置數(shù)據(jù)信息，工程數(shù)據(jù)庫本身亦采用分?jǐn)?shù)據(jù)庫的方式，將不同工程的設(shè)計(jì)配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)庫中。

智能變電站圖模一體化設(shè)計(jì)軟件在啟動(dòng)后首先應(yīng)讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，初始化系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，檢查用戶登陸權(quán)限，并根據(jù)用戶選擇的具體工程打開與之對(duì)應(yīng)的工程數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)束語

進(jìn)入智能變電站時(shí)代，變電站的設(shè)計(jì)、配置及管理等各個(gè)環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)變電站都有很大的不同。相對(duì)傳統(tǒng)變電站，智能變電站更加注重統(tǒng)一建模、統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理。但用戶仍然保持著傳統(tǒng)的使用習(xí)慣，這對(duì)變電站設(shè)計(jì)軟件提出更高的要求。軟件既要充分體現(xiàn)智能變電站的技術(shù)特征，又要屏蔽底層復(fù)雜的技術(shù)細(xì)節(jié)，能夠讓用戶既能體會(huì)到智能化給變電站運(yùn)行帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又能不改變傳統(tǒng)的工作方式和習(xí)慣，不增加額外的工作量。針對(duì)面向設(shè)計(jì)的智能變電站圖模一體化軟件的實(shí)現(xiàn)方案，從需求、實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述，希望借此能給智能變電站的設(shè)計(jì)以及配置軟件開發(fā)者帶來一些新的思路，開發(fā)出能夠滿足普通用戶需求、更加方便實(shí)用的工具軟件，推動(dòng)智能變電站的發(fā)展。

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