智能变电站层次化矩阵式虚端子可视化研究

廖小君, 吕飞鹏, 黄忠胜, 韩花荣, 郑永康, 王晓茹

(1．国网四川省电力公司技能培训中心，四川 成都 610072; 2.西南交通大学，四川 成都 610065；3.四川大学，四川 成都 610051；4.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

智能变电站层次化矩阵式虚端子可视化研究

廖小君1,2, 吕飞鹏3, 黄忠胜1, 韩花荣1, 郑永康4, 王晓茹2

(1．国网四川省电力公司技能培训中心，四川 成都 610072; 2.西南交通大学，四川 成都 610065；3.四川大学，四川 成都 610051；4.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

针对目前智能变电站虚端子可视化系统虚端子信息连接可视化信息流显示层次感不强、信息流显示不清晰，排列可扩展性差、控制块信息展示不全等问题，在对虚端子可视化的IED信息可视化、空间布局、连接可视化、导航切换等关键技术进行分析研究的基础上，提出了一种先进实用的智能变电站层次化矩阵式虚端子连接可视化方法。介绍了GOOSE和SV信息进行层次化处理、进行端子排矩阵式处理、IED分类层次化布置、虚端子信息矩阵式连接等关键技术，使虚端子连接信息显示更加直观、具有层次化、实用化和可扩展性强的优点，并应用于现场实际应用中。

智能变电站；虚端子；跳闸矩阵；IED；层次信息可视化

Abstract: This paper analyse the problem of the smart substation virtual terminal visualization software system such as virtual terminal connection information visualization information flow display hierarchy sense is not strong, the information flow showed no clear arrangement, poor scalability, control block incomplete information display.with the analysis and Research on virtual terminal visualization of IED information visualization, spatial layout and connection visual navigation, switching and other key technologies, the paper puts forward an advanced practical intelligent substation hierarchical matrix virtual terminal connection visualization method, including the GOOSE and SV information of hierarchical processing, terminal row matrix processing, IED classification hierarchical layout, virtual terminal information matrix type connection, the virtual terminal connection information display is more intuitive and has a hierarchical, practical and scalable, and applied in practical application.

Keywords: smart substation;virtual terminal；IED；hierarchical information visualization

0 引 言

智能变电站的全站配置文件-SCD文件(substation configuration description)是全站非常重要的一个文件，其中包含有IED的模型信息和相互之间的连接关系信息，工程中称为“虚端子”信息，以同传统的二次回路相区别。由于虚端子直接涉及到二次回路连接，所以其重要性不言而喻，因此关于虚端子建模、自动连接、可视化、检测等相关的研究也称为智能变电站的一个热点，其中虚端子的可视化是一个需要继续深入研究的课题。

虚端子处理方面，文献[1]介绍了虚端子导入和导出方面，文献[2]对于虚端子回路建模提出了一种构想，包括采用邻接矩阵进行连接关系描述；虚端子回路设计方面，文献[3]提出了一种GOOSE信息流设计方法，文献[4]进行了可视化设计方法介绍。文献[5-7]结合SCL配置工具以及SCD的可视化对虚端子可视化进行了初步研究。文献[8-10]则较详细的分析了虚端子的可视化方法，并结合现场应用要求，将压板、光口配置等融入到虚端子可视化设计中。文献[11-12]对虚端子从连接多角度方面提出宏连接，实现多方视角的虚端子可视化方法。文献[13]介绍了虚端子可视化在二次设计施工图方面的应用问题，对网络联系结构、信息流图、逻辑联系和物理连接实现可视化以满足设计施工需要。虚端子可视化的进阶应用方面，文献[14-16]在实现虚端子可视化同时，进行了虚端子检测、自动连线及管控等功能。

以上的文献进行的虚端子可视化方法主要针对各IED设备的输入和输出进行，重点关心各IED设备虚端子连接情况，但一方面是IED及相关模型的层次信息不能很全面展示，另一方面虚端子的连接可视化在空间布局及可扩展性方面较差。

1 虚端子可视化连接问题分析及解决方法

目前绝大部分的虚端子可视化系统主要以某一个IED为中心，展示该IED相关联的IED的连接关系及关联的信息，一些系统为了工程应用需要，增加了物理连接和网络配置等在SCD中没有的信息[8]9。以下就IED信息内容、虚端子IED布局、可视化连接等关键问题进行研究分析。

1.1 IED信息的层次信息可视化

目前虚端子可视化对IED进行展示时，只显示其发送或接收控制块，完整的IED模型信息都未进行完整显示，实际上SCD文件系统本身具有良好的层次结构，其IED的模型信息也具有树形的层次性。一个IED实例包含IED、访问点(服务器)、逻辑设备、数据集等几个层次，而目前可视化程序一般只展示最后控制块一级。

在SCL配置工具中，表格信息可体现IED的层次性，但在虚端子可视化时，如果利用树形节点连接图把IED的这种层次关系体现出来则很困难，因为采用树结构图在下方会显得很拥挤，信息展示困难，更况还要再展示虚端子连接关系。而在层次信息结构可视化技术中，除了树节点连接图外，还可以采用树图、圆形嵌套、径向填充等方式[17-18]，这些方式称之为空间填充法，能够很好的利用整个空间[17]97。由于虚端子可视化软件中一个IED通常用一个矩形块表示，因此采用树图方式无疑是最适合的，图1所示为采用树图方式的IED层次图，M1为采样访问点，包括两个SVLD-PROT(保护采样)和SVLD-BCU(测控采样)两个逻辑设备，分别有两个输入。G1为GOOSE访问点，包括PI-PROT和PI-BCU两个逻辑设备，其中PI-PROT有一个数据集通过控制块gocb0发送，PI-BCU有两个数据集和一个接收数据集。图1中，由于访问点S1不涉及虚端子连接，以相关的内容未显示。

图1 IED信息的树图

1.2 虚端子可视化空间布局研究

对于虚端子可视化系统而言，空间布局是非常重要的，良好的空间布局会使IED连接关系更加清楚，简单明了，这对于设计和运维调试人员来讲都是很重要的。其次布局应符合设计和运维调试人员的习惯，能够很方便的展示信息流的类型、流向等。同时，良好的空间布局还应当利用扩展，布局不会显得复杂，尤其是IED连接关系较多较复杂的情形，如母线保护、主变保护等。目前典型布局方式为单IED结构方式，多间隔方式等。一种典型的单结构方式如图2所示。

图2 单IED结构布局方式

该方式以某个IED为主要展示对象内部显示发送块和接收块，相关联的IED依次在周围显示，并标出控制和接收块，用带箭头的有向线表示信息流向，并用数字表明虚端子连接数目。当选中某个虚端子时，会以表格或图形形式显示该虚端子两端的详细连接信息。这种方式实现简单，但缺点是关联IED数目较多时，显得很拥挤，连接不直观，可扩展性差，层次性差。

多间隔布局方式[6]98在设计施工图中使用较多，能方便的展示典型间隔的虚端子连接信息和相互间信息交换，缺点在于缺乏通用性，可扩展性。

为便于更好地展示各IED间连接关系，具有良好的通用性和可扩展性及层次性，按照间隔层和过程层将保护IED置于间隔层，将合并单元和智能终端置于过程层，同时对IED分类显示，这样能很好的展示SV信息流、保护和智能终端间GOOSE流、保护间联闭锁信息。

1.3 虚端子可视化连接方式研究

虚端子连接方式应当具有简单、直观，信息流向清楚的特点。目前连线一般均为直线方式，如图3和图4所示。为了使连线更加直观，程序会采用连线优化或者结合布局调整进行，对于间隔的多IED方式则采用排线方式。同时，一些可视化程序会结合IED空间布局进行自动调整，以避免连线看起来复杂或者出现跨线等方式。关于如何对IED空间布局和连接目前没有文献进行专题研究，本文利用传统保护跳闸矩阵的方式，提出一种矩阵式连接方法，采用该方法进行IED布局和连接更加直观方便，连接关系清晰，可扩展性好。

可根据需要进行不同控制，如设定为跳高压侧，跳中压侧，启动失灵等等。不同的保护功能，如差动保护、后备保护等等根据需要选择驱动哪个断路器。这种跳闸矩阵的方式连接关系直观明了，可扩展性强，现场人员很容易掌握。将继电器看作IED中发送和接收控制块，各保护功能则看作关联的IED，采用类似的矩阵连接方式如图3所示。采用矩阵式连接后，连接关系将具有简单明了的特点，设计人员和现场人员也易于掌握，程序实现也较简单、扩展方便。

图3 矩阵式连接示意图

2 层次化矩阵式虚端子连接可视化流程

基于上述对虚端子可视化的问题分析和研究，本文提出了一种层次化矩阵式虚端子连接可视化方法，其总体流程包括6个步骤。

(1)虚端子信息导入和解析；从SCD文件导入有关的IED虚端子信息并对输入和输出及关联设备进行解析。

(2)GOOSE和SV信息层次化处理：按照61850层次结构对GOOSE和SV信息采用如前所述树图方式层次化处理，

(3)端子排矩阵式排列：对于虚端子涉及的各控制块采用端子排方式引出，并进行矩阵化排列处理。

(4)关联IED设备层次化处理：对IED设备相关联的IED分类，并按照过程层、间隔层，模拟信息和开入信息进行层次化处理。

(5)虚端子连接矩阵式处理：对于主IED和关联IED虚端子的连接进行矩阵式连接可视化处理。

(6)连线信息表格化处理：对于具体某个信息流连接，其信息进行表格化处理。

3 层次化矩阵式虚端子可视化关键技术

3.1 虚端子信息导入及解析

该部分为IED虚端子矩阵式连接可视化准备工作，利用通用的SCD文件解析工具对IED设备涉及到的有关虚端子信息进行导入。导入信息包括GOOSE控制块信息、sv控制块信息，inputs信息，并解析出IED设备相管理的虚端子连接IED设备及信息流。

3.2 GOOSE和SV信息层次化处理

对于某个IED设备解析出的虚端子控制块信息，根据61850的层次结构，按照GOOSE对应G1访问点，sv对应M1访问点，再按照LD设备→DataSet控制块的层次关系进行处理。并采用如前所述的树图方式进行表达，采用层次化处理后建立了IED的信息层次可视化风格，解决了信息按照61850的层次显示，信息模型层次化的问题。

3.3 端子排矩阵式处理化

由于虚端子连接最终是以控制块连接进行展示，为了方便进行连接处理，将上述各控制块首先进行编号，类似保护端子编号，对于各访问点，inputs控制块命名为In1、in2…，其余控制块按照先后顺序命名为1.2.3…，在各访问点下方按照矩阵排列方式布置虚端子的虚拟端子排，对端子排进行编号并进行矩阵式排列为后续矩阵式连接做准备。为了更好表达控制块信息，当鼠标悬浮于某个端子时，会显示其控制块显示信息，如gocb0，MAC地址等等。进行层次化和端子排矩阵式处理的图形如图4所示。

图4 层次化IED及端子图

3.4 关联设备IED层次化处理

根据解析出的IED设备关联的IED所属类型分别布置在过程层、间隔层。具体来讲，合并单元和智能终端布置在过程层，其他设备布置在间隔层。这样可以更清楚看出各IED设备信息在各层间的信息交互情况，也便于后续矩阵式连接处理。在进行同层各IED设备排列时仍然按照矩阵式排列，为便于查看，对于不同层的IED采用竖排列，对于同层的则按照横排列，实现很好的可扩展性。为更好地体现各IED层次关系，对IED进行分类布局，并用不同颜色标注使得不同类型间IED信息流更加直观。

3.5 虚端子连接矩阵式处理

将各关联IED输入输出和各控制块采用如前所述的矩阵式连接。对于过程层和间隔层间矩阵连接采用纵向直接连接，如一个控制块连接多个IED，则进行分流处理。对于同在过程层或者同在间隔层的，则信息流先进行横向扩展后再进行矩阵式连接。

为更好地可视化展示，GOOSE、sv信息流采用不同颜色表示。输入输出采用箭头标明流向。虚端子连接的具体数量在连接线上标注。

3.6 连接信息表格化处理：

由于上述连接线上每根线实际有多个信息传送，具体的连接关系可以采用图形也可以采用表格，考虑到此时的连接已经只是一对一的点对点关系，采用图形化意义不大，因此当选择某个虚端子连接时以表格方式显示两侧连接关系。

4 运行实例及应用

采用前述提出的层次化矩阵式虚端子可视化系统成功应用于现场保护调试运维人员进行虚端子查看阅读的有效辅助工具。同时该系统也成功集成应用于新一代智能站仿真培训系统中，并作为现场培训的有力工具。采用该系统的运行界面如图5所示，该图显示一个220 kV线路保护IED的连接关系，可以看出，采用本文的虚端子连接方法层次感清晰，且可扩展性强，即使对于连接IED数目最多的母线保护，其矩阵连接显示仍不失层次性，可扩展性，信息流清晰，如在过程层的纵向连接的合并单元SMV信息流和智能终端GOOSE信息流，横向连接的为同在间隔层的各保护IED联闭锁信息(启动失灵、解除复压闭锁等)。

图5 220 kV线路保护IED运行实例

5 结束语

本文在对虚端子可视化的IED信息显示、空间布局、连接可视化和导航切换等进行详细分析的基础上，针对IED层次信息不完整，连接可视化信息流不清晰，可扩展性差等问题，提出了一种层次化矩阵式虚端子连接方法，很好的解决了上述问题，并成功应用于工程实际应用中。其矩阵式连接方法对于设计院施工图设计也很有借鉴意义。

目前，本系统主要针对一个IED的层次化和相应的连接关系展示，未来将在此基础上，利用大型数据层次信息化技术，在间隔级层次，各电压等级层次乃至全站的层次实现全站IED信息流图。

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Researchof Visualization with Hierarchical Matrix Virtual Terminal Links in Smart Substation

Liao Xiaojun1，2, Lyu Feipeng3, Huang Zhongsheng1, Han Huarong1, Zheng Yongkang4，Wang Xiaoru2

(1.Sichuan Electric vocational and Technical College，Chengdu Sichuan 610072，China;2.Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China；3.Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;4.State Grid Sichuan Electric Power Research Institution,Chengdu Sichuan 610072,China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.027

TM764.2

A

1000-3886(2017)03-0090-03

定稿日期: 2016-10-28

国网四川省电力公司2015年科学技术项目“新一代智能变电站全数字可视化仿真培训系统研究”(川电发展 2015年6号文)，申请发明专利号：201510325278.0

廖小君(1974-), 男，四川人，硕士，讲师，从事电力系统继电保护方面研究及信息系统的研究。 吕飞鹏(1968-),男，云南人，博士，教授，从事电力系统继电保护和综合信息处理智能系统的研究。 黄忠胜(1982-)，男，四川人，硕士，讲师，从事继电保护和智能变电站技术培训工作。 韩花荣(1981-)，女，山西人，硕士，讲师，研究方向为继电保护及其自动化。 王晓茹(1962-)，女，四川人，博士生导师，研究方向为电力系统保护和稳定控制。 郑永康(1977-)，男，四川人，博士，高级工程师，主要研究方向：变电站继电保护、自动化、通信。