智能变电站二次系统传动过程的高可视化

本文提出一种基于图形化表达的智能变电站二次系统传动过程的高可视化分析方法。通过对智能站SCD配置文件进行解析，提取出图形化动态展示所需要的模型信息（比如IED描述信息、SMV、GOOSE、MMS的DA信息等），并所提取的信息按报文对象（GOOSE、SMV、MMS）进行分类、存储与建立索引；结合变电站的动态数据，如SMV录波数据、GOOSE动作及MMS报告事件等有用信息，借助Java2D技术，将模型与数据相结合的信息用图形化的方式生成按时间顺序的渐进时序图，从而可以完整展示与还原复杂二次事件的传动过程，有利于直观分析站内二次系统联动和故障辨识与定位。

【关键词】智能变电站 IEC61850 二次系统 传动分析 图形化表达

1 引言

1.1 行业背景

采用IEC61850作为核心技术的智能变电站的引入带来很多技术上的变革，简化了变电站的部署与调试，提高了二次系统的可靠性，为各种智能化电子设备的引用提供了信息共享的基础，使不同厂家二次设备间的互通及互操作变的更加容易。同时信息的数字化、网络化给系统维护和分析提出了一些新的课题。

随着智能变电站信息的网络化及信令化，传统的连接端子变的看不见、摸不着。因为二次回路的虚拟化，由二次装置及网络设备故障引起的异常情况，变电站运行维护人员难以进行定位排查；现有的报文记录类产品和方案缺乏将站内事件发生过程中各IED设备间信息交互过程用可视化方式展现的手段，从而给具有传统变电站运维背景的技术人员带来理解、操作、故障分析定位等方面的难度，不利于对故障的快速诊断定位，也就无法保证变电站的安全稳定运行。

针对上面提到的变电站运行IED设备事件交互表达方式不够直观的问题，寻求一种对变电站报文进行捕获、筛选、存储及关联分析，并最终通过动态渐进的图形方式表达出来的技术研究，就显得极为迫切。

1.2 技术背景

IEC61850是国际电工委员会TC57工作组针对解决变电站自动化系统面临的互操作性问题最新制定的《变电站通信网络和系统》系列标准。该标准得到国内外大部分主流厂家的支持，成为全球在电力系统变电站自动化领域统一的信息交互标准。

采用IEC61850通信标准的智能变电站，智能设备之间的交互报文通常有三种：

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）报文，也即通用的面向对象的变电站事件报文。主要是用来发送设备状态及状态变化信息，状态变化称之为事件。

SMV（Sampled Measured Value）报文，也即采样测量值报文。主要用来传递传感采集到的电流电压等电气量采样信息。

GOOSE报文和SMV报文是基于数据链路层传输，一般采用多播的方式传播。报文发送快速稳定。除了这两种之外，还有MMS报文。

MMS （Manufacturing Message Specification） 是由国际标准化组织ISO制定的一套用于开发和维护工业自动化系统的国际标准报文规范。MMS规范了工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备、智能控制设备的通信行为，使出自不同厂商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。IEC61850标准采用MMS规范，通过对真实设备及其功能进行建模的方法，实现网络环境下计算机应用程序或智能电子设备IED （Intelligent Electronic Device） 之间数据和监控信息的实时交换。MMS广泛用于遥控设备，设备自身状态及采集到的非电气量信息。

随着智能变电站的逐渐推广和应用，IEC61850通訊被广泛应用于变电站自动化系统中。系统中装置交互方式发生改变，装置之间的关联通过网络化的报文交换来建立，而非通过过去的繁杂的物理连线来建立。这一方面简化了系统接线， 增加了系统的灵活性与互操作性；但另一方面给二次系统调测带来了新的挑战。

1.3 二次系统传动分析图形化表达的定义

所谓站内二次系统的传动分析，是指能够按照时序展示和追踪相互关联的IED之间的报文、事件和告警，包含SMV信息、保护跳闸、断路器失灵等动作事件等，通过在测试中对整个事件交互过程进行逐步跟踪与分析，不管是在哪个环节产生异常，用户都能够方便的进行定位与判据。事件跟踪的结果可以以模板的形式保存，后期进行同样的实验时，可以对两次实验结果进行直观的比较。

例如从合并单元加模拟量，条件满足的情况下开关没有正常动作，目前我们能够想到的最通用的方法，是逐步检查合并单元的输出量是否正常、保护输出的信号是否正常、智能终端接收的信号是否正常，而传动分析功能是将事件全部关联提取出来并进行基于时序的逻辑展示，如果保护装置的入、出口信息正常，那么我们可以判定保护没有问题，直接从智能终端设备端再进行判别。

2 理论与实践依据

2.1 研究的技术依据

（1）将要图形化展示的信息模型在变电站配置描述文件（SCD）中已有准确描述。通过对SCD配置文件进行解析，可以提取出成图所需要的DA信息。

（2）智能站的二次回路是以标准的（光或电）以太网的组网方式来实现的，站内测量、保护及遥控等业务是依据符合IEC61850标准的信息模型，以规范的报文形式，通过以太网在不同IED 间的信息交换来完成的。

（3）对于变电站内信息的采集，有效信息的提取及存储，可以以现有的软硬件技术手段来实现。

（4）如何快速将采集到的有效信息进行解析，提取出诸如IED设备名称、事件详细信息、相关联的IED设备、发生的先后顺序以及采用何种技术通过图形化的方式进行呈现，是问题研究的关键所在。

（5）Java 2D提供了实现复杂图形化的机制，这些机制同Java平台的GUI体系结构很好地集成在一起。它将艺术线条、文本和图像囊括在一个综合模型中，同时也提供了一套进行精确颜色空间定义和转换的类，以及丰富的图像符号。使用Java 2D功能调用，可以方便的构造基于图和网格的数据结构，应用经典算法（如聚类、最短路径，最大流量等），实现用户自己的算法以及图形化地表达数据信息。本研究通过Java 2D技术，对变电站内的所要描述的信息进行高可视化的展示。

2.2 基于Java 2D 技术的成图功能

本文采用Java2D技术作为具体实现手段，概要功能如下：

（1）根据信息模型进行图形化的展示。对相关信息队列中每个结果所涉及的IED，将其作为图元引入图中，可按IED类型进行不同形式的渲染，渲染的内容主要包括IED图元形状、颜色及IED装置在站内的实例化名称，如所涉及的IED或者DA未在SCD中定义，则展示为未知IED及未知DA。一条虚连接关系，在图中对应一条有向连线，用连线来代表设备间的逻辑连接，方向代表报文发送方向，图中序号表示事件的发生时序关系，并在边上渲染出事件的编号及事件类型。在IED的渐进引入中，使用自动布局算法，使得图形得到最优化的展示效果。

（2）可定制的动态图的回放。站内二次事件的发生是毫秒级别的实时序列，实际事件在瞬间完成。需要通过一定的技术手段，实现对于实时数据的实用化回放，如支持多种展示方式（按事件类型、涉及的IED等）、调整回放间隔、手动渐进回放等。通过手动设置成图方式，可以从事件类型或者涉及的IED等多个方面对成图顺序进行辨识；调整成图间隔时间，则可以调整动态成图中两条信息之间的间隔，方便不同阅读速度人员的不同要求；手动渐进成图则采用回播的方式，对前期采集存储的数据进行依次播放，这种方法可以方便站内人员掌握成图速率，在查询故障也验证回路的过程中有着很高的应用价值。

（3）对每一条结果，均可通过点击有向连线来查看其交互详情。通过点击线段，可以把与该条信息相关的IED装置单独放大展示，详尽的表述该条报文所包含的信息，IED装置可以展示到DA级别。

3 系统实现

本文所述方法的实现流程如图1所示。

3.1 解析SCD文件

根据IEC61850所定义的SCL语法規范，使用Java JAXB 函数库进行SCD解析，解析的内容包括IED、数据集、Inputs、DO、DA，各种描述信息等。为图形化展示时提取需要的模型基础。

3.2 对解析的SCD信息进行分类、存储并建立索引

将解析出的IED、SMV、GOOSE和MMS等信息进行分类并保存到系统内部数据库MySQL各个表中，并对各表建立数据库索引。

3.3 接入变电站动态数据

根据需要，实时监测并记录某一时间段的变电站网络报文。针对当前接收的报文信息，基于IEC61850标准，根据选择的条件，对该段报文进行解析、过滤与分析，从海量数据中把关联的SMV事件数据、 GOOSE动作及MMS报告事件等信息提取出来，包括事件类型、事件发生的时间、事件的DA信息、事件的详细描述信息、事件内所有的参与装置的IEDname等基本描述信息。

同时，将捕获内容进行预处理，依据事件发生的时间先后顺序，存入“结果队列”中，以备后期的动态成图使用。

3.4 图形化表达

根据“结果队列”中的数据，按时间顺序，以动态图的方式，依次回放，同时将所涉及的IED渐进引入。采用Java2D实现图示化的功能。主要图形化表达方式有报文列表模式、对话模式以及可视化图形模式，列表模式强调信息的完整性，对话模式强调信息的交互性，图形模式强调信息的图形化。这三种模式从不同的角度直观的展示事件发生的整个过程，对故障分析及业务回路验证等运行维护工作提供强有力的技术支持。

3.4.1 列表模式

如图2所示，列表模式则是以列表的形式将事件发生的过程按照时间先后顺序进行了详细记录。每一条信息都对应展示发送端设备、时间内容、接收端设备以及事件发生的时间。列表形式将事件发生的过程原原本本的展示出来，易于浏览和查看报文详情。

3.4.2 对话模式

如图3所示，对话方式对事件发生的整个过程采用类似“微信”对话的方式进行展示，通过交互问答的方式，直观的展示事件发生的时间、事件详情、接收和发送设备。展示方式更易于理解事件的交互过程。

3.4.3可视化图形模式

如图4所示，可视化图形模式可以直观的展示与此次事件相关的所有参与交互的IED装置，并且能够方便的查看事件的发生顺序和信息流动方向。

4 本文解决的主要问题

本文提出了一种将智能变电站二次系统传动过程进行可视化表征的技术方法，通过对发生事件的记录和图形化展示，为二次系统复杂交互过程的分析提供了有效的手段。

该方法将智能变电站一段时间内发生的事件，通过IED信息交互的方式渐进的以图形化的形式展现，并且提供可选的不同展现方式，便利了用户对传动过程进行不同角度的研究。

基于该方法所构建的设备和方案已在山西省网公司下属的多处智能变电站应用，有效的帮助解决了一批二次系统故障排查和定位的问题。相关工作统计数据表明这种方法对站内二次系统运维效率有30% ～ 40%的提高。

5 结语

本文提供了一种基于图形化表达的智能变电站二次系统传动过程的分析方法，通过对SCD配置文件的解析，提取出在图形化展示时需要的相关模型信息，并将其针对数据对象进行分类、存储并建立索引。同时对接入的变电站海量实时报文数据进行有效甄选，并结合已获取的数据对象模型，将变电站事件信息用IED间动态交互的形式图形化的表达出来，表达方式按时序进行排序。这种方法直观的显示了各IED之间的交互情况及交互的顺序，包括这个事件发生的先后顺序，事件内容的描述，事件的类型，事件交互的方向等，对于一段时间内发生的相关事件有一个高可视化的直观动态展示。

参考文献

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[2]V.Gungor，D.Sahin，T.Kocak，S. Ergut，C.Buccella，C.Cecati，and G.Hancke，“Smart grid technologies： Communication technologies and standards”，IEEE Transactions on Industrial Informatics，vol.7，no.4，pp.529-539，2011.

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[6]江翼，张海龙，吴俊杰，电力系统图库模一体化的研究.电网与清洁能源，2016，32（04），85-88.

[7]F.Klawonn.Introduction to Computer Graphics：Using Java 2D and 3D （2nd edition）.ISBN：1447127323，2012.

作者简介

李剑（1976-），男，山西省太原市人。1998年毕业于太原电力高等专科学校供用电技术专业，工程师。

闫李滨（1994-），男，山东省滨州市人。2014毕业于山东理工大学电气工程及自动化专业，本科在读学生。

张灿勇（1981-），男，山东省泰安市人。2005年毕业于山东大学计算机科学与技术专业，工程师。

陈云志（1978-），男，湖北省黄冈市人。2003年毕业于大连理工大学信息与计算科学专业，工程师。

作者单位

1.国家电网山西省电力公司太原分公司继电保护所 山西省太原市 030012

2.山东理工大学 山东省淄博市 255049

3.山东网聪信息科技有限公司 山东省济南市 250101