基于SCD 模型的智能变电站接线图自动生成系统

陈 艳，吉宏斌，高婷婷

（国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司，扬州 225009）

国家智能电网战略推动了智能变电站建设，提升数据采集、传输速率。智能变电站中的设备通过高速传输网络与虚端子连接实现互操作[1]。SCD 模型是存储信息传输网络参数和IED 配置信息的文件，对加快建设和测试时间非常重要。然而，SCD 文件抽象且难以发现IED 之间的连接关系，缺乏变电站主接线状况的生动呈现[2]，给作业人员带来理解难度。因此，实现智能变电站接线图的自动生成对提高工作效率至关重要。

文献[3]通过对图形描述规范CIM/G 进行分析，完成电力系统图形特征的获取与辨识后，实现厂站接线图的绘制，但该系统难以适用拓扑关系配置信息缺乏情况；文献[4]提出在利用智能电子设备模型对变电站配置文件信息进行补充的基础上，通过对完整SCD 文件信息进行分析与处理，实现变电站二次回路可视化呈现，但该系统执行效率低。

鉴于以上系统存在的不足，本文提出基于SCD模型的智能变电站接线图自动生成系统，以完成接线图的高效获取。

1 智能变电站接线图自动生成系统

1.1 智能变电站接线图自动生成系统框架

采用层次化方式构建智能变电站接线图自动生成系统，以使系统模块间保持较低的耦合性，减小系统运维难度，其基本结构如图1 所示。

图1 智能变电站接线图自动生成系统框架Fig.1 Automatic generation of system frame for smart substation wiring diagram

该系统由5 部分构成：

基础层该层的作用是通过基础数据库存储智能变电站接线图生成所需数据信息。

数据转换层该层通过数据转换模块实现智能变电站配置描述文件（SCD）和描述语言（SCL）数据的分析，同时完成SCD/SCL 文件的转换处理，以对模型以及数据信息进行保存。

数据传输层该层在数据转换层与服务层之间架起沟通桥梁，具有连接枢纽的作用，通过基于PCIE 总线的数据传输模块加快系统数据通信效率。

业务层该层可实现用户管理、智能变电站SCD文件数据分析、接线图生成等功能。该层的接线图处理与分析模块通过对SCD 文件进行解析，确定变电站IED 节点间的拓扑关系，并计算连接边权值，运用图聚类算法对变电站IED 节点进行配置分组后，采用多任务并行运算的接线图生成方法完成变电站接线图的绘制[5]。用户管理模块的作用是管理智能变电站接线图设计用户、监控用户，并完成用户使用权限的设定，用户只能完成权限范围之内事务的处理。接线图编辑模块的作用是对图元模型进行处理，并完成接线图的拓扑化分析，并以SCD/XML文档形式保存。

应用层该层可实现智能变电站接线图绘制结果的可视化呈现等。

1.2 数据转换

数据转换模块具有智能变电站SCD 文件数据转换功能，完成不同版本数据的自由切换，数据转换时通过可扩展样式表转换语言（XSLT）处理器对其进行处理。数据转换流程如图2 所示。

图2 数据转换流程Fig.2 Flow chart of data conversion

首先构建树状结构，采集原始SCD 文件中的所有节点，并根据节点之间的关系构造树。然后通过模型映射得到XSLT 脚本，并使用Java 转换工厂进行搜索，匹配目标节点和XSLT 样式表中的模式。当匹配成功时，对目标节点进行处理并将处理后的节点插入到树状结构中，如果匹配失败，则删除该节点。经过数据转换处理，最终得到目标节点的确定，生成SCD 模型的SCL 文档。

1.3 基于PCIE 总线的数据传输模块

图3 为PCIE 总线体系结构，数据报文生成于设备核心层，按由左至右顺序依次通过事务层、链路层以及物理层处理后，即可将数据传输到接收端，接收端数据按照由右至左顺序将数据传输到核心层中。PCIE 总线的传递对象是数据报文，系统在对PCIE 设备进行数据报文查询时，先由事务层对其作封装处理，获得至少1 个TLP 后，利用其他层完成数据传输。

图3 PCIE 总线体系结构Fig.3 PCIE bus architecture

1.4 基于图聚类的IED 配置分组

1.4.1 连接权重确定

变电站智能电子设备（IED）之间的连接关系均保存于智能变电站配置描述文件SCD 的Inputs 节点之内，对Inputs 节点属性进行分析，能够确定与之相连的IED 设备的同时，可对此连接收、发的GOOSE、SV 信息及个数进行获取。对各IED 子节点ExtRef集合进行按顺序搜索，能够确定其外部IED 设备信息数量。对任意IED 设备而言，其会和若干个其他IED 相连，统计各外部设备的数据收发数量，即可确定IED 收发数据总量[6]，通过以上数据即可求得边权重。根据2 个IED 的连接关系，可完成无向图网络模型的构建，表示为G=｛V，E｝，全部IED 节点集合表示为V=｛v1，v2，…，vn｝，IED 节点总数为n；边集合表示为E=｛e1，e2，…，em｝，集合中无重复边，边的个数表示为m。

考虑IED 节点之间的连接关系，可完成连接权重的计算，公式描述为

式中：一组IED 节点的虚连接个数表示为num，对于任意IED 节点，其下连接总量表示为total。不同类的IED 节点，其相连边的连接权值为（0，1）区间上的数，调节系数k≥1；同类IED 节点，其相连边的连接权值在（1，2）区间上取值。

1.4.2 IED 配置分组

本文采用图聚类算法对IED 节点进行间隔划分，完成IED 配置的分组，实现过程如图4 所示。

图4 IED 配置分组流程Fig.4 IED configuration grouping flow chart

IED 配置分组过程由数据预处理、聚类分组两部分构成，其中前一部分对智能变电站SCD 文件进行分析，完成全部IED 设备信息、IED 设备连接边信息的提取后，实现图网络的构建，通过邻接矩阵对其进行描述，并确定各连接边的权值。后一部分通过两步实现，具体为

（1）将各IED 节点视作一个团体并编号，完成初始模块度Q1的求解，模块度计算公式为

式中：k×k 阶对称矩阵e 的迹表示为Tr（e），ai为变量。

假设将各IED 节点从其所属团体转移到与其毗邻相连节点团体中，通过公式（3）计算其模块度增益，确定最大ΔQ，当ΔQ＞0，则将该IED 节点及其相连节点团体作合并处理，反之，维持原节点团体不变，直至全部节点均完成此操作结束。

式中：将IED 节点转移到其相连节点集合后，求得的模块度值表示为Q′。

（2）遍历全部IED 接地后，对模块度Q2进行求解，当ΔQ 低于增量阈值，则结束聚类过程，确定IED配置分组结果；反之，以各IED 节点所属团体为新节点，计算其边连接权值后，将其视为相连团体边权值的累加结果，隶属于相同团体的各IED 节点，其连接将形成一个闭环，边权值计算时此类节点不考虑在内，修正图网络结构，并对模块度初值进行调整，使Q2=Q1，再次执行第（1）步，完成团体合并。

反复执行聚类过程，将使IED 节点团体数量不断下降，当团体数量不再发生任何改变时，聚类结束，确定聚类结果，即获得按间隔划分的IED 配置分组结果。

1.5 基于多任务并行处理的智能变电站接线图自动生成

变电站配置SCD 文件中包含大量IED，数据信息规模庞大，各IED 节点对应若干条虚连接，为提高智能变电站接线图生成效率，实现计算机多核的高效利用，采用多任务并行运算方式处理变电站接线图生成问题。

1.5.1 变电站接线图生成问题处理

完成SCD 文件IED 配置的分组后，依照图5 流程处理智能变电站接线图生成问题，步骤如下：

图5 智能变电站接线图自动生成流程Fig.5 Automatic generation flow chart of smart substation wiring diagram

（1）按照文档流方式获取变电站配置SCD 文件，以防止全部SCD 文件数据的同时处理，降低内存占用压力。对文件中的全部IED 设备及其配置信息进行提取与分析，并完成图网络的构建。

（2）对图网络中的IED 设备进行配置分组，同时完成与其连接的一次设备类别的判断，一次设备主要包括主变压器、输电线路、母线以及断路器4 种类型。

（3）当IED 节点与母线连接时，要完成与母线连接关系的分析。

（4）采用图聚类算法确定IED 节点与一次设备的连接关系。

（5）调用SVG 图元模板，完成变电站主接线的绘制。SCD 文件中不包含一次设备型号等信息，故采用通用符号对其进行描述，可在SVG 图元模板中进行设定与选取。

（6）将电压等级作为变电站主接线图形的设计依据，扫描所有电压等级，并完成设备接线方式的确定。

（7）依据设备拓扑信息实现断路器、输电线路图的描画，当IED 与母线存在连接时，则将母线连接关系数据作为依据进行图形设计。

（8）判断是否还有其他电压等级，当存在下一电压等级，则再次执行第（6）、（7）步，直至全部电压等级均完成绘制。

（9）完成变电站接线图的自动绘制。

1.5.2 多任务并行处理

并行运算的基本思想是通过多个物理CPU 核心或线程同时处理高耗时且独立的任务，以降低任务处理时间。本文通过划分IED 分组任务、母线连接任务以及设备连接任务，以及各任务的进一步细分处理，提高变电站接线图生成效率。变电站接线图生成的多任务分解图如图6 所示。

图6 变电站接线图生成的多任务分解图Fig.6 Multi-task decomposition diagram generated by the substation wiring diagram

IED 分组任务通过4 个线程遍历全部IED 节点，完成输电线路、母线、主变压器以及断路器的判断，获得包含设备名称、型号以及电压等级等设备列表信息，各子任务执行时，当扫描到设备列表中不存在的设备，则将其传输到母线、设备连接任务中，开启新的线程通过确定其连接关系矩阵，并完成其位置的调整，其中电压等级表示为v，输电线路或主变i 的连接关系通过矩阵元素Tiv进行描述，输电线路或主变数量表示为n。全部子任务都执行完毕即可返回到主进程，开始执行后续接线图绘制任务。

1.5.3 智能变电站接线图自动生成流程

本文利用SVG 图元模板以及智能变电站配置SCD 文件完成智能变电站接线图绘制，具体流程如图7 所示。

图7 智能变电站接线图绘制流程Fig.7 Smart substation wiring diagram drawing flow chart

2 实例应用分析

以某智能变电站配置SCD 文件为研究对象，该文件共包含140 个IED 设备节点，660 条连接边，设定比例系数为10。在Win 10 操作环境、3.2 GHz 四核处理器、8 GB 内存实验环境下运行本文系统。

将本文系统应用于智能变电站接线图自动生成中，通过对接线图生成结果进行分析，验证本文系统的应用性能，实验结果如图8 所示。分析可知，应用本文系统可完成智能变电站接线图的自动绘制，该变电站的2 个主变压器布局在接线图的中心位置处，220 kV 母联以及各输电线路绘制在接线图的左侧，其右侧为110 kV 母联与各输电线路。生成的接线图清晰、布局合理，且与变电站实际配置情况相符。实验结果表明，本文系统具有实际应用效果，可将其运用到实际工作中。

图8 智能变电站接线图生成结果分析Fig.8 Analysis of the generation results of the wiring diagram of the smart substation

3 结语

提出智能变电站接线图自动生成系统，利用其对某智能变电站SCD 文件进行解析，通过分析IED配置分组结果以及接线图生成结果，验证本文系统的应用性。实验结果表明：该系统可实现IED 的间隔聚类，同类IED 节点分布更密集性，不同类IED节点区分度高；可完成变电站接线图的自动生成，且空间布局合理。