基于SCD 模型的智能變電站接線圖自動生成系統

陳 艷，吉宏斌，高婷婷

（國網江蘇省電力有限公司揚州供電分公司，揚州 225009）

國家智能電網戰略推動了智能變電站建設，提升數據采集、傳輸速率。智能變電站中的設備通過高速傳輸網絡與虛端子連接實現互操作[1]。SCD 模型是存儲信息傳輸網絡參數和IED 配置信息的文件，對加快建設和測試時間非常重要。然而，SCD 文件抽象且難以發現IED 之間的連接關系，缺乏變電站主接線狀況的生動呈現[2]，給作業人員帶來理解難度。因此，實現智能變電站接線圖的自動生成對提高工作效率至關重要。

文獻[3]通過對圖形描述規范CIM/G 進行分析，完成電力系統圖形特征的獲取與辨識后，實現廠站接線圖的繪制，但該系統難以適用拓撲關系配置信息缺乏情況；文獻[4]提出在利用智能電子設備模型對變電站配置文件信息進行補充的基礎上，通過對完整SCD 文件信息進行分析與處理，實現變電站二次回路可視化呈現，但該系統執行效率低。

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

1 智能變電站接線圖自動生成系統

1.1 智能變電站接線圖自動生成系統框架

采用層次化方式構建智能變電站接線圖自動生成系統，以使系統模塊間保持較低的耦合性，減小系統運維難度，其基本結構如圖1 所示。

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

該系統由5 部分構成：

基礎層該層的作用是通過基礎數據庫存儲智能變電站接線圖生成所需數據信息。

數據轉換層該層通過數據轉換模塊實現智能變電站配置描述文件（SCD）和描述語言（SCL）數據的分析，同時完成SCD/SCL 文件的轉換處理，以對模型以及數據信息進行保存。

數據傳輸層該層在數據轉換層與服務層之間架起溝通橋梁，具有連接樞紐的作用，通過基于PCIE 總線的數據傳輸模塊加快系統數據通信效率。

業務層該層可實現用戶管理、智能變電站SCD文件數據分析、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 文件進行解析，確定變電站IED 節點間的拓撲關系，并計算連接邊權值，運用圖聚類算法對變電站IED 節點進行配置分組后，采用多任務并行運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計用戶、監控用戶，并完成用戶使用權限的設定，用戶只能完成權限范圍之內事務的處理。接線圖編輯模塊的作用是對圖元模型進行處理，并完成接線圖的拓撲化分析，并以SCD/XML文檔形式保存。

應用層該層可實現智能變電站接線圖繪制結果的可視化呈現等。

1.2 數據轉換

數據轉換模塊具有智能變電站SCD 文件數據轉換功能，完成不同版本數據的自由切換，數據轉換時通過可擴展樣式表轉換語言（XSLT）處理器對其進行處理。數據轉換流程如圖2 所示。

圖2 數據轉換流程Fig.2 Flow chart of data conversion

首先構建樹狀結構，采集原始SCD 文件中的所有節點，并根據節點之間的關系構造樹。然后通過模型映射得到XSLT 腳本，并使用Java 轉換工廠進行搜索，匹配目標節點和XSLT 樣式表中的模式。當匹配成功時，對目標節點進行處理并將處理后的節點插入到樹狀結構中，如果匹配失敗，則刪除該節點。經過數據轉換處理，最終得到目標節點的確定，生成SCD 模型的SCL 文檔。

1.3 基于PCIE 總線的數據傳輸模塊

圖3 為PCIE 總線體系結構，數據報文生成于設備核心層，按由左至右順序依次通過事務層、鏈路層以及物理層處理后，即可將數據傳輸到接收端，接收端數據按照由右至左順序將數據傳輸到核心層中。PCIE 總線的傳遞對象是數據報文，系統在對PCIE 設備進行數據報文查詢時，先由事務層對其作封裝處理，獲得至少1 個TLP 后，利用其他層完成數據傳輸。

圖3 PCIE 總線體系結構Fig.3 PCIE bus architecture

1.4 基于圖聚類的IED 配置分組

1.4.1 連接權重確定

變電站智能電子設備（IED）之間的連接關系均保存于智能變電站配置描述文件SCD 的Inputs 節點之內，對Inputs 節點屬性進行分析，能夠確定與之相連的IED 設備的同時，可對此連接收、發的GOOSE、SV 信息及個數進行獲取。對各IED 子節點ExtRef集合進行按順序搜索，能夠確定其外部IED 設備信息數量。對任意IED 設備而言，其會和若干個其他IED 相連，統計各外部設備的數據收發數量，即可確定IED 收發數據總量[6]，通過以上數據即可求得邊權重。根據2 個IED 的連接關系，可完成無向圖網絡模型的構建，表示為G=｛V，E｝，全部IED 節點集合表示為V=｛v1，v2，…，vn｝，IED 節點總數為n；邊集合表示為E=｛e1，e2，…，em｝，集合中無重復邊，邊的個數表示為m。

考慮IED 節點之間的連接關系，可完成連接權重的計算，公式描述為

式中：一組IED 節點的虛連接個數表示為num，對于任意IED 節點，其下連接總量表示為total。不同類的IED 節點，其相連邊的連接權值為（0，1）區間上的數，調節系數k≥1；同類IED 節點，其相連邊的連接權值在（1，2）區間上取值。

1.4.2 IED 配置分組

本文采用圖聚類算法對IED 節點進行間隔劃分，完成IED 配置的分組，實現過程如圖4 所示。

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

IED 配置分組過程由數據預處理、聚類分組兩部分構成，其中前一部分對智能變電站SCD 文件進行分析，完成全部IED 設備信息、IED 設備連接邊信息的提取后，實現圖網絡的構建，通過鄰接矩陣對其進行描述，并確定各連接邊的權值。后一部分通過兩步實現，具體為

（1）將各IED 節點視作一個團體并編號，完成初始模塊度Q1的求解，模塊度計算公式為

式中：k×k 階對稱矩陣e 的跡表示為Tr（e），ai為變量。

假設將各IED 節點從其所屬團體轉移到與其毗鄰相連節點團體中，通過公式（3）計算其模塊度增益，確定最大ΔQ，當ΔQ＞0，則將該IED 節點及其相連節點團體作合并處理，反之，維持原節點團體不變，直至全部節點均完成此操作結束。

式中：將IED 節點轉移到其相連節點集合后，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進行求解，當ΔQ 低于增量閾值，則結束聚類過程，確定IED配置分組結果；反之，以各IED 節點所屬團體為新節點，計算其邊連接權值后，將其視為相連團體邊權值的累加結果，隸屬于相同團體的各IED 節點，其連接將形成一個閉環，邊權值計算時此類節點不考慮在內，修正圖網絡結構，并對模塊度初值進行調整，使Q2=Q1，再次執行第（1）步，完成團體合并。

反復執行聚類過程，將使IED 節點團體數量不斷下降，當團體數量不再發生任何改變時，聚類結束，確定聚類結果，即獲得按間隔劃分的IED 配置分組結果。

1.5 基于多任務并行處理的智能變電站接線圖自動生成

變電站配置SCD 文件中包含大量IED，數據信息規模龐大，各IED 節點對應若干條虛連接，為提高智能變電站接線圖生成效率，實現計算機多核的高效利用，采用多任務并行運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 文件數據的同時處理，降低內存占用壓力。對文件中的全部IED 設備及其配置信息進行提取與分析，并完成圖網絡的構建。

（2）對圖網絡中的IED 設備進行配置分組，同時完成與其連接的一次設備類別的判斷，一次設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IED 節點與母線連接時，要完成與母線連接關系的分析。

（4）采用圖聚類算法確定IED 節點與一次設備的連接關系。

（5）調用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備型號等信息，故采用通用符號對其進行描述，可在SVG 圖元模板中進行設定與選取。

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

（7）依據設備拓撲信息實現斷路器、輸電線路圖的描畫，當IED 與母線存在連接時，則將母線連接關系數據作為依據進行圖形設計。

（8）判斷是否還有其他電壓等級，當存在下一電壓等級，則再次執行第（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繪制。

1.5.2 多任務并行處理

并行運算的基本思想是通過多個物理CPU 核心或線程同時處理高耗時且獨立的任務，以降低任務處理時間。本文通過劃分IED 分組任務、母線連接任務以及設備連接任務，以及各任務的進一步細分處理，提高變電站接線圖生成效率。變電站接線圖生成的多任務分解圖如圖6 所示。

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

IED 分組任務通過4 個線程遍歷全部IED 節點，完成輸電線路、母線、主變壓器以及斷路器的判斷，獲得包含設備名稱、型號以及電壓等級等設備列表信息，各子任務執行時，當掃描到設備列表中不存在的設備，則將其傳輸到母線、設備連接任務中，開啟新的線程通過確定其連接關系矩陣，并完成其位置的調整，其中電壓等級表示為v，輸電線路或主變i 的連接關系通過矩陣元素Tiv進行描述，輸電線路或主變數量表示為n。全部子任務都執行完畢即可返回到主進程，開始執行后續接線圖繪制任務。

1.5.3 智能變電站接線圖自動生成流程

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 實例應用分析

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IED 設備節點，660 條連接邊，設定比例系數為10。在Win 10 操作環境、3.2 GHz 四核處理器、8 GB 內存實驗環境下運行本文系統。

將本文系統應用于智能變電站接線圖自動生成中，通過對接線圖生成結果進行分析，驗證本文系統的應用性能，實驗結果如圖8 所示。分析可知，應用本文系統可完成智能變電站接線圖的自動繪制，該變電站的2 個主變壓器布局在接線圖的中心位置處，220 kV 母聯以及各輸電線路繪制在接線圖的左側，其右側為110 kV 母聯與各輸電線路。生成的接線圖清晰、布局合理，且與變電站實際配置情況相符。實驗結果表明，本文系統具有實際應用效果，可將其運用到實際工作中。

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

3 結語

提出智能變電站接線圖自動生成系統，利用其對某智能變電站SCD 文件進行解析，通過分析IED配置分組結果以及接線圖生成結果，驗證本文系統的應用性。實驗結果表明：該系統可實現IED 的間隔聚類，同類IED 節點分布更密集性，不同類IED節點區分度高；可完成變電站接線圖的自動生成，且空間布局合理。