本文提出一種基于圖形化表達(dá)的智能變電站二次系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程的高可視化分析方法。通過(guò)對(duì)智能站SCD配置文件進(jìn)行解析，提取出圖形化動(dòng)態(tài)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），并所提取的信息按報(bào)文對(duì)象（GOOSE、SMV、MMS）進(jìn)行分類(lèi)、存儲(chǔ)與建立索引；結(jié)合變電站的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如SMV錄波數(shù)據(jù)、GOOSE動(dòng)作及MMS報(bào)告事件等有用信息，借助Java2D技術(shù)，將模型與數(shù)據(jù)相結(jié)合的信息用圖形化的方式生成按時(shí)間順序的漸進(jìn)時(shí)序圖，從而可以完整展示與還原復(fù)雜二次事件的傳動(dòng)過(guò)程，有利于直觀分析站內(nèi)二次系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和故障辨識(shí)與定位。

【關(guān)鍵詞】智能變電站 IEC61850 二次系統(tǒng) 傳動(dòng)分析 圖形化表達(dá)

1 引言

1.1 行業(yè)背景

采用IEC61850作為核心技術(shù)的智能變電站的引入帶來(lái)很多技術(shù)上的變革，簡(jiǎn)化了變電站的部署與調(diào)試，提高了二次系統(tǒng)的可靠性，為各種智能化電子設(shè)備的引用提供了信息共享的基礎(chǔ)，使不同廠家二次設(shè)備間的互通及互操作變的更加容易。同時(shí)信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化給系統(tǒng)維護(hù)和分析提出了一些新的課題。

隨著智能變電站信息的網(wǎng)絡(luò)化及信令化，傳統(tǒng)的連接端子變的看不見(jiàn)、摸不著。因?yàn)槎位芈返奶摂M化，由二次裝置及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障引起的異常情況，變電站運(yùn)行維護(hù)人員難以進(jìn)行定位排查；現(xiàn)有的報(bào)文記錄類(lèi)產(chǎn)品和方案缺乏將站內(nèi)事件發(fā)生過(guò)程中各IED設(shè)備間信息交互過(guò)程用可視化方式展現(xiàn)的手段，從而給具有傳統(tǒng)變電站運(yùn)維背景的技術(shù)人員帶來(lái)理解、操作、故障分析定位等方面的難度，不利于對(duì)故障的快速診斷定位，也就無(wú)法保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)上面提到的變電站運(yùn)行IED設(shè)備事件交互表達(dá)方式不夠直觀的問(wèn)題，尋求一種對(duì)變電站報(bào)文進(jìn)行捕獲、篩選、存儲(chǔ)及關(guān)聯(lián)分析，并最終通過(guò)動(dòng)態(tài)漸進(jìn)的圖形方式表達(dá)出來(lái)的技術(shù)研究，就顯得極為迫切。

1.2 技術(shù)背景

IEC61850是國(guó)際電工委員會(huì)TC57工作組針對(duì)解決變電站自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的互操作性問(wèn)題最新制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)得到國(guó)內(nèi)外大部分主流廠家的支持，成為全球在電力系統(tǒng)變電站自動(dòng)化領(lǐng)域統(tǒng)一的信息交互標(biāo)準(zhǔn)。

采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站，智能設(shè)備之間的交互報(bào)文通常有三種：

GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）報(bào)文，也即通用的面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?bào)文。主要是用來(lái)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)及狀態(tài)變化信息，狀態(tài)變化稱(chēng)之為事件。

SMV（Sampled Measured Value）報(bào)文，也即采樣測(cè)量值報(bào)文。主要用來(lái)傳遞傳感采集到的電流電壓等電氣量采樣信息。

GOOSE報(bào)文和SMV報(bào)文是基于數(shù)據(jù)鏈路層傳輸，一般采用多播的方式傳播。報(bào)文發(fā)送快速穩(wěn)定。除了這兩種之外，還有MMS報(bào)文。

MMS （Manufacturing Message Specification） 是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定的一套用于開(kāi)發(fā)和維護(hù)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文規(guī)范。MMS規(guī)范了工業(yè)領(lǐng)域具有通信能力的智能傳感器、智能電子設(shè)備、智能控制設(shè)備的通信行為，使出自不同廠商的設(shè)備之間具有互操作性，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)單、方便。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用MMS規(guī)范，通過(guò)對(duì)真實(shí)設(shè)備及其功能進(jìn)行建模的方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序或智能電子設(shè)備IED （Intelligent Electronic Device） 之間數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)交換。MMS廣泛用于遙控設(shè)備，設(shè)備自身狀態(tài)及采集到的非電氣量信息。

隨著智能變電站的逐漸推廣和應(yīng)用，IEC61850通訊被廣泛應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中。系統(tǒng)中裝置交互方式發(fā)生改變，裝置之間的關(guān)聯(lián)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的報(bào)文交換來(lái)建立，而非通過(guò)過(guò)去的繁雜的物理連線來(lái)建立。這一方面簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接線， 增加了系統(tǒng)的靈活性與互操作性；但另一方面給二次系統(tǒng)調(diào)測(cè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

1.3 二次系統(tǒng)傳動(dòng)分析圖形化表達(dá)的定義

所謂站內(nèi)二次系統(tǒng)的傳動(dòng)分析，是指能夠按照時(shí)序展示和追蹤相互關(guān)聯(lián)的IED之間的報(bào)文、事件和告警，包含SMV信息、保護(hù)跳閘、斷路器失靈等動(dòng)作事件等，通過(guò)在測(cè)試中對(duì)整個(gè)事件交互過(guò)程進(jìn)行逐步跟蹤與分析，不管是在哪個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生異常，用戶(hù)都能夠方便的進(jìn)行定位與判據(jù)。事件跟蹤的結(jié)果可以以模板的形式保存，后期進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以對(duì)兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀的比較。

例如從合并單元加模擬量，條件滿(mǎn)足的情況下開(kāi)關(guān)沒(méi)有正常動(dòng)作，目前我們能夠想到的最通用的方法，是逐步檢查合并單元的輸出量是否正常、保護(hù)輸出的信號(hào)是否正常、智能終端接收的信號(hào)是否正常，而傳動(dòng)分析功能是將事件全部關(guān)聯(lián)提取出來(lái)并進(jìn)行基于時(shí)序的邏輯展示，如果保護(hù)裝置的入、出口信息正常，那么我們可以判定保護(hù)沒(méi)有問(wèn)題，直接從智能終端設(shè)備端再進(jìn)行判別。

2 理論與實(shí)踐依據(jù)

2.1 研究的技術(shù)依據(jù)

（1）將要圖形化展示的信息模型在變電站配置描述文件（SCD）中已有準(zhǔn)確描述。通過(guò)對(duì)SCD配置文件進(jìn)行解析，可以提取出成圖所需要的DA信息。

（2）智能站的二次回路是以標(biāo)準(zhǔn)的（光或電）以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，站內(nèi)測(cè)量、保護(hù)及遙控等業(yè)務(wù)是依據(jù)符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的信息模型，以規(guī)范的報(bào)文形式，通過(guò)以太網(wǎng)在不同IED 間的信息交換來(lái)完成的。

（3）對(duì)于變電站內(nèi)信息的采集，有效信息的提取及存儲(chǔ)，可以以現(xiàn)有的軟硬件技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）如何快速將采集到的有效信息進(jìn)行解析，提取出諸如IED設(shè)備名稱(chēng)、事件詳細(xì)信息、相關(guān)聯(lián)的IED設(shè)備、發(fā)生的先后順序以及采用何種技術(shù)通過(guò)圖形化的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，是問(wèn)題研究的關(guān)鍵所在。

（5）Java 2D提供了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形化的機(jī)制，這些機(jī)制同Java平臺(tái)的GUI體系結(jié)構(gòu)很好地集成在一起。它將藝術(shù)線條、文本和圖像囊括在一個(gè)綜合模型中，同時(shí)也提供了一套進(jìn)行精確顏色空間定義和轉(zhuǎn)換的類(lèi)，以及豐富的圖像符號(hào)。使用Java 2D功能調(diào)用，可以方便的構(gòu)造基于圖和網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用經(jīng)典算法（如聚類(lèi)、最短路徑，最大流量等），實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自己的算法以及圖形化地表達(dá)數(shù)據(jù)信息。本研究通過(guò)Java 2D技術(shù)，對(duì)變電站內(nèi)的所要描述的信息進(jìn)行高可視化的展示。

2.2 基于Java 2D 技術(shù)的成圖功能

本文采用Java2D技術(shù)作為具體實(shí)現(xiàn)手段，概要功能如下：

（1）根據(jù)信息模型進(jìn)行圖形化的展示。對(duì)相關(guān)信息隊(duì)列中每個(gè)結(jié)果所涉及的IED，將其作為圖元引入圖中，可按IED類(lèi)型進(jìn)行不同形式的渲染，渲染的內(nèi)容主要包括IED圖元形狀、顏色及IED裝置在站內(nèi)的實(shí)例化名稱(chēng)，如所涉及的IED或者DA未在SCD中定義，則展示為未知IED及未知DA。一條虛連接關(guān)系，在圖中對(duì)應(yīng)一條有向連線，用連線來(lái)代表設(shè)備間的邏輯連接，方向代表報(bào)文發(fā)送方向，圖中序號(hào)表示事件的發(fā)生時(shí)序關(guān)系，并在邊上渲染出事件的編號(hào)及事件類(lèi)型。在IED的漸進(jìn)引入中，使用自動(dòng)布局算法，使得圖形得到最優(yōu)化的展示效果。

（2）可定制的動(dòng)態(tài)圖的回放。站內(nèi)二次事件的發(fā)生是毫秒級(jí)別的實(shí)時(shí)序列，實(shí)際事件在瞬間完成。需要通過(guò)一定的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)用化回放，如支持多種展示方式（按事件類(lèi)型、涉及的IED等）、調(diào)整回放間隔、手動(dòng)漸進(jìn)回放等。通過(guò)手動(dòng)設(shè)置成圖方式，可以從事件類(lèi)型或者涉及的IED等多個(gè)方面對(duì)成圖順序進(jìn)行辨識(shí)；調(diào)整成圖間隔時(shí)間，則可以調(diào)整動(dòng)態(tài)成圖中兩條信息之間的間隔，方便不同閱讀速度人員的不同要求；手動(dòng)漸進(jìn)成圖則采用回播的方式，對(duì)前期采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行依次播放，這種方法可以方便站內(nèi)人員掌握成圖速率，在查詢(xún)故障也驗(yàn)證回路的過(guò)程中有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

（3）對(duì)每一條結(jié)果，均可通過(guò)點(diǎn)擊有向連線來(lái)查看其交互詳情。通過(guò)點(diǎn)擊線段，可以把與該條信息相關(guān)的IED裝置單獨(dú)放大展示，詳盡的表述該條報(bào)文所包含的信息，IED裝置可以展示到DA級(jí)別。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文所述方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

3.1 解析SCD文件

根據(jù)IEC61850所定義的SCL語(yǔ)法規(guī)范，使用Java JAXB 函數(shù)庫(kù)進(jìn)行SCD解析，解析的內(nèi)容包括IED、數(shù)據(jù)集、Inputs、DO、DA，各種描述信息等。為圖形化展示時(shí)提取需要的模型基礎(chǔ)。

3.2 對(duì)解析的SCD信息進(jìn)行分類(lèi)、存儲(chǔ)并建立索引

將解析出的IED、SMV、GOOSE和MMS等信息進(jìn)行分類(lèi)并保存到系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL各個(gè)表中，并對(duì)各表建立數(shù)據(jù)庫(kù)索引。

3.3 接入變電站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

根據(jù)需要，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄某一時(shí)間段的變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。針對(duì)當(dāng)前接收的報(bào)文信息，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)選擇的條件，對(duì)該段報(bào)文進(jìn)行解析、過(guò)濾與分析，從海量數(shù)據(jù)中把關(guān)聯(lián)的SMV事件數(shù)據(jù)、 GOOSE動(dòng)作及MMS報(bào)告事件等信息提取出來(lái)，包括事件類(lèi)型、事件發(fā)生的時(shí)間、事件的DA信息、事件的詳細(xì)描述信息、事件內(nèi)所有的參與裝置的IEDname等基本描述信息。

同時(shí)，將捕獲內(nèi)容進(jìn)行預(yù)處理，依據(jù)事件發(fā)生的時(shí)間先后順序，存入“結(jié)果隊(duì)列”中，以備后期的動(dòng)態(tài)成圖使用。

3.4 圖形化表達(dá)

根據(jù)“結(jié)果隊(duì)列”中的數(shù)據(jù)，按時(shí)間順序，以動(dòng)態(tài)圖的方式，依次回放，同時(shí)將所涉及的IED漸進(jìn)引入。采用Java2D實(shí)現(xiàn)圖示化的功能。主要圖形化表達(dá)方式有報(bào)文列表模式、對(duì)話模式以及可視化圖形模式，列表模式強(qiáng)調(diào)信息的完整性，對(duì)話模式強(qiáng)調(diào)信息的交互性，圖形模式強(qiáng)調(diào)信息的圖形化。這三種模式從不同的角度直觀的展示事件發(fā)生的整個(gè)過(guò)程，對(duì)故障分析及業(yè)務(wù)回路驗(yàn)證等運(yùn)行維護(hù)工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3.4.1 列表模式

如圖2所示，列表模式則是以列表的形式將事件發(fā)生的過(guò)程按照時(shí)間先后順序進(jìn)行了詳細(xì)記錄。每一條信息都對(duì)應(yīng)展示發(fā)送端設(shè)備、時(shí)間內(nèi)容、接收端設(shè)備以及事件發(fā)生的時(shí)間。列表形式將事件發(fā)生的過(guò)程原原本本的展示出來(lái)，易于瀏覽和查看報(bào)文詳情。

3.4.2 對(duì)話模式

如圖3所示，對(duì)話方式對(duì)事件發(fā)生的整個(gè)過(guò)程采用類(lèi)似“微信”對(duì)話的方式進(jìn)行展示，通過(guò)交互問(wèn)答的方式，直觀的展示事件發(fā)生的時(shí)間、事件詳情、接收和發(fā)送設(shè)備。展示方式更易于理解事件的交互過(guò)程。

3.4.3可視化圖形模式

如圖4所示，可視化圖形模式可以直觀的展示與此次事件相關(guān)的所有參與交互的IED裝置，并且能夠方便的查看事件的發(fā)生順序和信息流動(dòng)方向。

4 本文解決的主要問(wèn)題

本文提出了一種將智能變電站二次系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行可視化表征的技術(shù)方法，通過(guò)對(duì)發(fā)生事件的記錄和圖形化展示，為二次系統(tǒng)復(fù)雜交互過(guò)程的分析提供了有效的手段。

該方法將智能變電站一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件，通過(guò)IED信息交互的方式漸進(jìn)的以圖形化的形式展現(xiàn)，并且提供可選的不同展現(xiàn)方式，便利了用戶(hù)對(duì)傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行不同角度的研究。

基于該方法所構(gòu)建的設(shè)備和方案已在山西省網(wǎng)公司下屬的多處智能變電站應(yīng)用，有效的幫助解決了一批二次系統(tǒng)故障排查和定位的問(wèn)題。相關(guān)工作統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明這種方法對(duì)站內(nèi)二次系統(tǒng)運(yùn)維效率有30% ～ 40%的提高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提供了一種基于圖形化表達(dá)的智能變電站二次系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程的分析方法，通過(guò)對(duì)SCD配置文件的解析，提取出在圖形化展示時(shí)需要的相關(guān)模型信息，并將其針對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)、存儲(chǔ)并建立索引。同時(shí)對(duì)接入的變電站海量實(shí)時(shí)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行有效甄選，并結(jié)合已獲取的數(shù)據(jù)對(duì)象模型，將變電站事件信息用IED間動(dòng)態(tài)交互的形式圖形化的表達(dá)出來(lái)，表達(dá)方式按時(shí)序進(jìn)行排序。這種方法直觀的顯示了各IED之間的交互情況及交互的順序，包括這個(gè)事件發(fā)生的先后順序，事件內(nèi)容的描述，事件的類(lèi)型，事件交互的方向等，對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的相關(guān)事件有一個(gè)高可視化的直觀動(dòng)態(tài)展示。

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作者簡(jiǎn)介

李劍（1976-），男，山西省太原市人。1998年畢業(yè)于太原電力高等專(zhuān)科學(xué)校供用電技術(shù)專(zhuān)業(yè)，工程師。

閆李濱（1994-），男，山東省濱州市人。2014畢業(yè)于山東理工大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，本科在讀學(xué)生。

張燦勇（1981-），男，山東省泰安市人。2005年畢業(yè)于山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，工程師。

陳云志（1978-），男，湖北省黃岡市人。2003年畢業(yè)于大連理工大學(xué)信息與計(jì)算科學(xué)專(zhuān)業(yè)，工程師。

作者單位

1.國(guó)家電網(wǎng)山西省電力公司太原分公司繼電保護(hù)所 山西省太原市 030012

2.山東理工大學(xué) 山東省淄博市 255049

3.山東網(wǎng)聰信息科技有限公司 山東省濟(jì)南市 250101