基于变电站物理配置描述的换流站控保系统物理回路可视化比对方法

汤晓峥 施 琳 喻春雷 宋金山 张 祥

基于变电站物理配置描述的换流站控保系统物理回路可视化比对方法

汤晓峥 施 琳 喻春雷 宋金山 张 祥

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，南京 211102）

随着直流输电技术的大力发展，换流站的可靠稳定运行将面临着巨大的挑战。虽然智能变电站光纤物理回路模型文件已经规定了智能站二次回路中光纤回路描述信息，但许多换流站特有的物理对象都没有涉及，从而无法完全兼容直流换流站使用；并且模型图纸数量过多，内部时分多路复用总线、DP总线修改等原因，导致运维人员需要对物理回路模型文件不断地进行修改调整，于是便出现了变电站物理配置描述文件版本较多、运维不便的问题。本文针对上述问题，在光纤物理回路模型文件的基础上进行一定程度扩展，以适配换流站特有的总线和继电器等，并设计了一种基于变电站物理配置描述模型的可视化比对方法，实现了换流站内物理对象模型属性、屏间物理线缆、屏间线缆缆芯和柜内缆芯回路4个层级的可视化和版本差异比对，从而方便运维人员对变电站物理配置描述版本进行管理，有效提高运维效率。

物理回路；变电站物理配置描述；换流站；版本比对；可视化

0 引言

随着直流输电工程[1-2]的快速增长和大功率跨区输送对送受端电网安全稳定问题的突出影响，其核心组成环节——换流站的可靠稳定运行面临着巨大的挑战。相较于智能变电站，直流换流站采用变电站物理配置描述（substation physical configuration description, SPCD）[3]文件取代智能变电站的系统配置描述[4]（substation configuration description, SCD）文件来传输站内物理配置信息。该配置文件的正确性对直流换流站的安全稳定运行至关重要，对直流换流站的安全运维有着举足轻重的作用。光纤物理回路模型SPCD文件包含两个部分，一部分是物理对象及层级关系，如小室、屏柜、装置、交换机、光纤配线架（ODF）等，另一部分是光纤回路连接关系。本文基于直流换流站的应用，对SPCD模型进行了部分扩展，如总线、继电器、端子排和电缆等格式定义。通过解析SPCD文件可以获取各个端口的连接设备，获得设备端口的拓扑关系[5]。

在换流站的建设、调试、运维、检修、改造和扩建过程中[6]，运维人员需要对SPCD文件内容进行反复地修改并验证，因此会形成较多版本的SPCD文件，而在实际工程管理中需要详细了解SPCD的变化信息，若是直接以文本形式查看或是以SPCD配置工具查看操作很不方便，于是运维人员更希望拥有通过方便快捷的比较方式直观获得各个版本变化的差异。以往的SPCD比对方式为传统的文本字符型比对，通过专用的字符比对工具（如Araxis Merge和Beyond Compare等），以XML文本形式对所有字符依次逐个比对，缺点在于其对人员专业能力有很高的要求，要求使用者清楚地了解SPCL语法和SPCD文件结构[7]，而且不能直观清晰地展示比对结果，不适合向运维人员大范围推广。

本文针对以上这些不足之处提出了一种基于SPCD的换流站控保系统物理回路可视化比对方法，并开发了一款与之相对应的SPCD可视化比对工具，可以由外而内多层级可视化展示SPCD文件信息和比对结果，可以高效地展示不同SPCD文件的版本差异，用于提高运维人员的维护效率，缩短运维时间，降低运维成本。

1 基于换流站控保系统的SPCD文件扩展定义

换流站是指在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对于安全稳定及电能质量要求而建立的站点。换流站的控制调节和保护系统是实现停、送直流功率以及控制电力潮流的方向，调节潮流的数量和其他电气参量，处理和限制换流阀非正常运行以及交、直流系统干扰所造成的影响，保护换流站的设备以及监测换流站的各种参量等功能的智能微机系统。换流站及直流输电系统[8-9]的运行性能和安全可靠程度与控制调节系统的性能和可靠程度密切相关，对整个电力系统的运行也有重要的影响。

光纤物理回路SPCD文件已经很好地描绘了二次对象的物理层级关系及光纤回路连接关系，是二次系统物理配置信息的基础，但标准的SPCD文件并不能很好地兼容换流站的配置运用，所以在此基础上对换流站特有的物理对象进行补充建模，比如快速现场总线、IDM总线、DP总线、开入开出集线器、端子排、电缆、硬压板等，可在屏柜元素及线缆元素部分分别扩充对应元素。继电器扩展建模参照实例如图1所示。

图1 K系列继电器原理图

继电器扩展建模采用了通用建模方式进行扩展。继电器存在于数字量IO回路中，通过多层转接将信号输入输出，同时，内部引脚对于软件解析来说无必然关系。导致既要对每个引脚写IntCore，又要对继电器内部端子写IntCore，按常规方式配置连接关系，效率非常低下。同时，考虑继电器部分采用特殊格式来提高配置效率并可优化展示方式。继电器扩展建模格式如下所示：

K300继电器

继电器元素及属性说明见表1。

表1 继电器元素及属性说明

2 可视化比对方法

SPCD模型文件在运维调试过程中会出现一些细小的修改，容易导致SPCD版本管理的混乱，因此对SPCD版本的比对需要进行多层次的差异比较。关于SPCD版本比对的思路满足两点：①从SPCD模型文件中提取物理回路信息；②以图形化方式展示物理回路连接及差异情况。

实施流程如下：首先需要获取两个SPCD版本模型文件的属性信息，然后对两个模型文件进行多层级的比对，即从站内物理模型属性、屏间物理线缆、屏间线缆缆芯和柜内缆芯回路4个层次以可视化方式展示SPCD模型文件版本差异性的比对结果，确保SPCD模型文件版本比较的有效性和直观性。可视化比对流程如图2所示。

1）基于多层级物理模型属性的第一层次比对：通过提取换流站内所有物理对象的模型信息，如屏柜编号、设备板卡类别和端子用途等，并比较两个版本SPCD的差异。

图2 可视化比对流程

2）基于屏间物理线缆的第二层次比对：通过提取Cable（物理线缆）层级下的配置信息，比对屏间物理线缆的增减情况，线缆自身属性信息，得出物理线缆的差异变化结果，并用于第三层次比对时选择差异线缆。

3）基于屏间线缆缆芯的第三层次比对：通过第二层比对结果选择差异线缆，并解析Core（线缆缆芯）层级下的配置信息，比对出线缆缆芯的增减情况和端口回路信息差异变化。

4）基于柜内缆芯回路的第四层次比对：在屏柜节点下获取该柜内所有跳缆关系，解析出所选屏柜的IntCore（柜内缆芯）信息，并比对缆芯的增减情况、回路路径和跳缆类型等差异信息。

3 可视化比对的具体实现

在获取两个不同版本的SPCD文件基础上，依次进行物理模型属性、屏间物理线缆、屏间线缆缆芯和柜内缆芯回路4个层次的比较，完整获取SPCD版本差异的比对结果。

3.1 物理模型属性比对

第一层次的比对，通过提取两个不同版本SPCD模型文件中的站内物理配置信息，分别对站内小室区域、小室内屏柜、柜内设备、设备板卡和板卡使用端子排等进行多层级比对，比较出小室是否扩建、室内屏柜的类型及数量、柜内设备的更替、设备上板卡的启停状态和对应端口的通信方式等差异信息，并以可视化的图形界面进行展示。

如图3所示，①在对应图形通道上以“+”表示物理模型新增；②在对应图形通道上以“-”表示物理模型减少；③在对应图形通道上以“！”表示物理模型信息发生变化。

图3 物理模型属性比对

3.2 屏间物理线缆比对

第二层次的比对，通过提取Cable层级下的配置信息，解析出不同屏柜之间的物理线缆回路信息，比对每一条物理线缆的差异，总结出线缆数量的增减和线缆自身属性的变化，其中线缆属性变化包括线缆布置长度、线缆内缆芯的数量、线缆连接路径和线缆类型，隶属于电缆、光缆和尾缆等。

如图4所示，①在对应图形通道上以“+”表示屏间物理线缆新增；②在对应图形通道上以“-”表示屏间物理线缆减少；③在对应图形通道上以“！”表示屏间物理线缆属性变化。

图4 屏间物理线缆比对

3.3 屏间线缆缆芯比对

第三层次的比对，SPCD版本1和SPCD版本2逐个导入缆芯比对模块，根据第二层次的比对结果，选择差异线缆后，以图形展示的方式快速比对出产生变化的线缆缆芯。

屏间线缆缆芯比对包括新增缆芯、减少缆芯和缆芯回路变化。以屏间设备为视角，以可视化方式展示所选屏柜设备和屏外设备之间物理回路的关系，并通过可视化的符号标注两个版本屏柜之间的缆芯端子变化信息。

如图5所示，①在对应图形通道上以“+”表示线缆缆芯新增；②在对应图形通道上以“-”表示线缆缆芯减少；③在对应图形通道上以“！”表示存在线缆缆芯回路端子发生变化。

3.4 柜内缆芯回路比对

第四层次的比对，SPCD版本1和SPCD版本2逐个导入缆芯比对模块，从差异屏柜内选取出差异柜内缆芯后，以图形展示的方式快速比对出产生变化的线缆缆芯。

柜内缆芯回路比对包括新增缆芯、减少缆芯、缆芯回路变化和跳缆类型。以屏内设备为视角，以可视化方式展示所选设备和屏内其余设备之间屏内跳缆的关系，并通过可视化的符号标注两个版本屏柜之间的缆芯端子变化信息，点击变化信息即可呈现跳缆类型和回路功能等信息。

图5 屏间线缆缆芯比对

如图6所示，①在对应图形通道上以“+”表示柜内缆芯回路新增；②在对应图形通道上以“-”表示柜内缆芯回路减少；③在对应图形通道上以“！”表示柜内缆芯回路端子变化或者跳缆类型由跳缆改为双绞线等差异。

图6 柜内缆芯回路比对

3.5 可视化比对成果展示

可视化比对工具画面由软件自动生成，画面的生成依赖两个条件：一个是SPCD数据模型，另一个是图形可视化技术。软件分别读取两个全站SPCD文件，并进行比对展示，建立起物理回路连接关系示意图。系统先定义好画面布局及设备、物理回路连线和虚拟线缆等画面元素的图形样式，然后将图元样式与数据模型结合起来，在适当的位置上绘制出各个图元，最终生成可视化比对展示画面。可视化比对工具采用跨平台软件QT设计界面框架，软件拥有直观简洁的用户界面，方便运维人员学习和使用。透明运维配置工具生成软件采用经典界面布局模式，拥有直观简洁的用户界面：工具栏、树形导航栏、工作区域，如图7所示。运维人员使用时，只需通过上方工具栏分别按下“导入SPCD1”和“导入SPCD2”按钮导入两个不同版本的SPCD模型文件，工具就会自动完成模型解析、比对，并按层级关系比对方法流程自动生成可视化比对画面展示。

图7 可视化比对工具界面显示

4 结论

本文提出了一种基于线缆物理回路SPCD文件的可视化比对方案，完成了SPCD文件可视化与文件信息的对比。该工具通过对不同版本的SPCD文件内容的分析与提取，从4个层级自上而下逐步实现SPCD文件比较，通过可视化客户端显示所有链路信息，对差异处进行标记，直观地展示了完整的SPCD版本比对信息。该工具实现了直流换流站线缆回路运维智能化、标准化、可视化[10]，解决了依靠人力保证线缆物理回路配置信息效率低下且错误率高的问题，有效提升了运维效率，降低了运维成本，为二次运维和调试等高级应用提供了技术支撑，在直流换流站的管理中具有广阔的应用前景。

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SPCD-based visual comparison method of the physical circuit of the converter station control and protection system

TANG Xiaozheng SHI Lin YU Chunlei SONG Jinshan ZHANG Xiang

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd, Maintenance Branch, Nanjing 211102)

With the vigorous development of DC transmission technology, the reliable and stable operation of converter stations will face huge challenges. Although the optical fiber physical circuit model (SPCD) document of the smart substation has stipulated the description information of the optical fiber circuit in the secondary circuit of the smart station, many of the unique physical objects of the converter station are not involved, so it is not fully compatible with the use of the DC converter station; In addition, the excessive number of model drawings, internal TDM bus, DP bus modification and other reasons cause the operation and maintenance personnel to constantly modify and adjust the physical circuit model file, so the problem of more SPCD file versions and inconvenience in operation and maintenance occurs. In response to the above problems, this paper expands to a certain extent on the basis of the optical fiber physical circuit model (SPCD) file to adapt to the unique bus and relay of the converter station; and designs a visual comparison method based on the SPCD model to achieve Visualization and version difference comparison of four levels of physical object model attributes in the converter station, physical cables between screens, cable cores between screens, and cable core loops in cabinets are presented. This facilitates the operation and maintenance personnel to manage the SPCD version and effectively improves the operation and maintenance efficiency.

physical circuit; substation physical configuration description (SPCD); converter station; version comparison; visualization

2020-09-25

2020-11-10

汤晓峥（1976—），男，江苏省常州市人，硕士，高级工程师，主要从事交直流特高压运检技术工作。