智能变电站二次回路可视化设计与实践

张汀荃，何鑫刚，陈 刚，施武作，张炳旺

（1.南京师范大学，江苏 南京 210046；2.陕西送变电工程公司，陕西 西安 710000；3.贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水 553001；4.武汉凯默电气有限公司，湖北 武汉 430223）

0引言

智能变电站以网络通信方式替代大量的二次回路电缆，常规变电站的二次硬回路转变为智能变电站的二次虚回路，配置保存于智能变电站配置描述文件(SCD)件内，这样有利于维护人员的精准、快捷、有效维护[1-2]。

智能变电站在硬件配置上也有非常显著的区别，引进了合并单元、智能终端、过程层网络、以及交换机等设备。同时使用了三层两网的结构，通过数字信号网络通信的形式取代过去模拟量和开关量信号电缆连接的方式，这种方式合理整合了资源，更有利于实时有效通信[3]。

当前智能变电站中的二次回路设计都是将二次回路中的实回路（光纤连接）和虚回路（虚端子）完全分开来设计的，然而虚回路中的信息传递是通过实回路中的物理链路实现的。理论来说，虚回路和实回路的设计应该是相互依托的[2]。当前实回路设计依赖 CAD、Visio、Excel等软件手动编制[4]，设计工作存在工作量大，周期长，问题排查难，设计人员很难通过图纸和表格信息来了解变电站的光纤连接的具体情况等问题。而虚回路通过配置工具进行单独配置[5]，设计者也很难看到信息在实际光纤中的流向，不利于设计者排查问题[6]。

本文提出一种虚实回路结合的可视化二次回路设计方法，结合IEC61850信息模型以及过去的电气二次图纸，通过IED装置建模的方式将IED的物理模型与ICD文件关联建立IED装置的模型文件，工程中IED关联相应的IED装置的模型文件，将IED设备的物理模型可视化显示，在可视化图中进行实回路光纤连接配置，由于IED模型文件中关联了设备的ICD文件，因此在光纤光缆连接配置完成之后即可进行虚端子配置。配置完成后，可实现虚回路、实回路结合的二次回路可视化显示方便设计人员对变电站二次回路的理解，提高设计效率和结果文件的可用率。

1IED设备建模

二次回路中实回路与虚回路结合的关键是IED设备的建模，由于IED的ICD文件与IED的物理模型是完全独立的[7]，现有的设计模式将实回路和虚回路设计独立开进行，该设计模式不利于设计人员对二次回路的整体清晰认知，也不利于设计人员排查问题。因此IED建模需要将IED的物理模型与IED的ICD文件进行关联，将二次回路的实回路与虚回路结合起来，并且通过软件实现信息模型图形化配置，方便设计人员的设计工作。

IED物理建模是用形象直观的矢量表征不同对象，实现IED设备端口信息的图形化配置，将IED设备的插板，端口信息展示出来。在IED物理建模前，建立插板，端口模型等基本图元，如图1所示，图元为实物的简化和抽象，能反应出实物的基本特征和各种状态。通过拖放图元操作实现装置插板端口配置，如图2所示，图中装置物理模型中包含了2个光口插板，一个光口插板中包含了2个FC光口，一个光口插板包含8个LC光口。

图1 IED设备模型图元Fig.1 IED device model primitives

图2 IED设备物理模型Fig.2 IED device physical model

完成装置物理建模后，导入该IED的ICD文件，与该物理模型进行关联，通过解析ICD文件，将IED的GOOSE、SV发送信息在物理模型界面展示。通过选中发送数据集，拖放操作将发送GOOSE、SV数据集与模型中的光口关联，建立虚端子连线与光纤连接之间的映射，为高级应用中光纤断链的判断提供支持。

2 二次回路设计

装置的模型文件中包含了装置的物理信息模型和通讯信息模型，在二次回路实回路设计中包含了一部分虚回路信息，当虚回路配置完成之后，配置工具会自动根据虚回路信息查找实回路路径，最终实现虚回路自动识别对应实回路信息，自动完成虚实回路的匹配过程，不需要人工配置虚实回路信息，而且还能自动识别配置过程中的错误，可以大大减少设计周期，简化配置流程。

2.1 实回路设计

实回路设计即建立IED设备之间物理端口的光纤连接关系。物理端口间的连接主要采用直连和级联两种方式，IED之间的直采直跳链路采用直连方式，IED之间必须经过交换机的网采链路采用级联方式[8]。IED设备建模实现了设备物理端口信息可视化，实回路设计可基于可视化的IED设备模型进行，如图3所示，图中左侧为本侧IED，右边为对侧IED，单击左右两边IED的端口实现两个装置之间的光纤连接配置。通过右侧的下拉框可切换不同IED设备，实现本侧IED设备与不同IED设备之间的光纤连接配置。图中展示了端口光纤对侧设备信息以及端口光纤发送的信息类型（SV或GOOSE），方便设计人员排查错误。同时也为输出一些设计文档提供了基础。

图3 光纤连接配置Fig.3 Fiber optic connection configuration

在工程实际中一般需要定位光纤在光缆以及光缆在熔接盘（ODF）的具体位置，因此在实回路设计中还会涉及到光缆光纤配置[9]。尾缆中的光纤直接连接设备端口，在配置尾缆中光纤时，将尾缆与IED的端口关联并选出所要关联的光缆芯即可。光缆中的光纤需要ODF对光纤熔接分组，并关联到ODF插口，因此在光缆光纤配置时，需要将光缆先关联到ODF中，再将光纤与ODF插口关联，实现光缆光纤配置。

2.2 虚回路设计

IED的ICD文件中包含了装置所需的所有输入输出信号，其中dsGOOSE数据集包含了IED装置的GOOSE发送信息dsSV数据集包含了IED装置的SV发送信息；包含“GOIN”关键字为前缀的数据对象为装置的GOOSE输入，包含“SVIN”关键字为前缀的数据对象为装置的SV输入[10]。

通过ICD文件解析工具，将ICD的相关信息根据IEC61850标准依次按照IED、访问点、逻辑设备、逻辑节点、数据集、数据对象等层次关系[10]，以树形图的方式展示，如图4所示。

图4 外部IED的数据集信息Fig.4 External IED data set information

进行配置虚回路信息时，首先选择中心IED，然后依据设计院的虚端子表选中外部IED，并在其数据集中选择中心IED的外部信号拖放到如图5所示的虚回路配置表中。完成中心IED所有外部信号拖放后，从中心IED数据对象中包含“GOIN”或“SVIN”前缀的数据集中查找中心IED的内部信号，如图6所示，并拖放到图5中相应的位置。如在图5中，将图4中外部IED的保护GOOSE数据集中的第一个条目断路器总位置作为中心IED的外部信息，然后选择中心IED中的逻辑节点GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作为中心IED内部信号，形成中心IED与外部IED之间的一条虚回路。虚回路设计结果支持图像化方式显示，如图7所示，以选中的IED设备为中心设备，与之关联的IED设备分列左右两侧，连线标示两个设备之间关联的虚端子连接，箭头方向表示虚回路中信息流向。

图5 虚回路配置Fig.5 Virtual loop configuration

图6 中心IED的内部信息模型Fig.6 Internal information model of center IED

总位置作为中心IED的外部信息，然后选择中心IED中的逻辑节点GOIN-GGIO-1中的DPCSO1中的stVal作为中心IED内部信号，形成中心IED与外部IED之间的一条虚回路。虚回路设计结果支持图像化方式显示，如图7所示，以选中的IED设备为中心设备，与之关联的IED设备分列左右两侧，连线标示两个设备之间关联的虚端子连接，箭头方向表示虚回路中信息流向。

2.3 虚回路在实回路中的映射

利用本文所提的虚实回路结合的可视化二次回路设计方法进行实回路与虚回路设计，即可实现虚回路在实回路中的映射。通过虚端子信息，可以找到虚回路中的发送端和接收端，通过发送端的物理链路可以查询是否有直接连接的接收端IED，若有直接连接的接收端IED，则可以判定此虚端子为直连虚端子，即虚回路与直连的物理链路对应。若通过发送端的物理链路没有查询到接收端IED，则判定此虚端子为级联虚端子，这样的虚回路需要通过交换机进行信息交流。

图7 虚回路可视化Fig.7 Virtual loop visualization

将发送端IED直接连接的交换机集合称为第一级交换机组，与第一级交换机组中交换机直接连接的交换机集合称为第二级交换机组，以此类推。因此要查找此虚回路对应的实回路映射，应当查询发送端物理链路中的交换机，再通过交换机的物理链路去查询接收端IED，如果在第一级的交换机组中没有查询到接收端IED，则需要在第二级交换机组中去查询接收端IED，以此类推，直到找到接收端IED为止，通过查找接收端IED的路径确定虚回路在实回路中的映射。如图8为某一虚回路对应的实回路，这条虚回路级联了3套交换机。虚实回路结合方便查看智能变电站中二次回路中的信息流向，有助于问题排查。

图8 某条虚回路在实回路中的映射Fig.8 The mapping of a virtual loop in a real loop

3 二次回路设计实现

基于本文提出的方法，在Qt4.6框架下开发出一套相应的配置工具。配置工具将虚实回路设计可视化可以分为3个模块，设备建模模块，工程匹配模型模块，设计虚实回路模块。配置工具框架如图9所示。

图9 配置工具整体框架Fig.9 The overall framework of the configuration tools

3.1 装置建模

在设备建模模块中，为各个厂家的IED建立了模型，及各种属性，模型列表以图10所示方式排列展示。模型配置文件可以为以后的工程所复用，减少后期的配置工作量。

3.2 工程模型匹配

工程设备模型建模完成，为工程用的IED设备匹配相应的模型文件，匹配的过程中，既可以以IED设备为中心匹配模型文件，也可以以模型文件为中心，匹配IED设备，匹配完成之后，IED设备中包含了模型文件中的信息，为工程中IED的实回路和虚回路设计提供基础。图11为以模型为中心匹配IED设备界面。通过拖放操作将工程中的IED放到相匹配的模板下完成匹配。通过展开模型节点可以查看匹配该模型的IED数目。

图10 装置设备列表Fig.10 Device list

3.3 虚实回路设计

IED设备匹配了对应的物理模型文件，通过配置工具解析物理模型文件信息，在可视化的物理模型中配置IED间的光纤连接。设备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，通过拖放操作关联装置的内部信号和外部信号，完成虚回路配置。配置完成后可在同一副图中展示IED的虚回路、实回路信息，如图12所示，黄色粗线表示光纤，细线表示两设备间的虚端子连接，点击某一虚端子连接可查看其对应的实回路，如图13所示。

图11 以模型文件为中心匹配IED设备Fig.11 Match the IED device with the model file as the center

图12 虚实回路图Fig.12 Virtual loop diagram

图13 某一虚回路对应的实回路图Fig.13 The real circuit diagram corresponding to a virtual loop

4 结语

本文提出了智能变电站二次回路可视化设计方案，通过建模手段，将装置的物理模型和信息模型进行关联，可通过装置间的虚回路自动匹配实回路信息，能自动识别配置错误等问题。由于光纤中包含了虚回路信息，可视化配置的过程中，虚实回路自动匹配，可以大大简化配置工作，缩短配置流程。通过配置的光纤连接信息可以自动生成相应的工程配置文档，减少设计过程中的附加工作量，缩短设计周期。同时通过虚回路在实回路中的映射，可以较直观反映信息在物理链路中的流向，方便设计人员的错误排查。该方案还实现了实回路与虚回路的综合设计，可以大大提高智能变电站设计人员的工作效率和结果文件的可用率，对实际工程应用及智能变电站高级应用有积极的意义。

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