當(dāng)前智能變電站的裝置配置建模開發(fā)和工程集成普遍采用獨(dú)立軟件實(shí)現(xiàn)，存在功能邏輯程序和二次回路信息孤立、故障定位困難、升級(jí)工作量大等問(wèn)題。
為解決上述問(wèn)題，本文開發(fā)了智能變電站配置集成一體化軟件PCS-VisStation。該軟件基于變電站層次結(jié)構(gòu)管理維護(hù)裝置配置，通過(guò)可視化邏輯符號(hào)搭建裝置功能和IEC 61850模型，支持以裝置能力描述文件為輸入源進(jìn)行可視化虛端子連線配置。該軟件通過(guò)分析二次回路配置頁(yè)面數(shù)據(jù)，可自動(dòng)形成裝置邏輯回路視圖，并支持形成交叉索引信息，實(shí)現(xiàn)功能程序頁(yè)面和回路配置頁(yè)面之間的跳轉(zhuǎn)瀏覽及可視化調(diào)試。通過(guò)應(yīng)用該軟件，可提升智能變電站工程中配置、集成的效率。
智能變電站以光纜和軟件邏輯代替二次回路，以系統(tǒng)配置文件描述二次設(shè)備的連接關(guān)系。而二次“虛回路”無(wú)法直觀可視，設(shè)備改造涉及全站配置文件的修改和驗(yàn)證，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，因此需要提升二次回路的可觀性和可控性，提升變電站運(yùn)維的智能化水平和效率。
當(dāng)前智能變電站裝置的配置建模、集成普遍采用兩個(gè)獨(dú)立軟件實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)裝置配套軟件進(jìn)行單裝置功能程序的可視化配置和建模，通過(guò)變電站配置文件（substation configuration discription, SCD）工具進(jìn)行變電站集成和裝置之間的過(guò)程層配置。
已有文獻(xiàn)基于SCD工具實(shí)現(xiàn)了二次回路的可視化配置瀏覽功能，如有學(xué)者將二次回路中智能電子設(shè)備（intelligent electronic device, IED）物理模型可視化，進(jìn)行實(shí)際回路光纖光纜連接，之后進(jìn)行虛端子配置；有學(xué)者將二次回路信息由文本模式轉(zhuǎn)化為圖形模式，支持分層圖形化展示版本的差異；有學(xué)者利用短地址實(shí)現(xiàn)了站控層的遙信數(shù)據(jù)點(diǎn)與過(guò)程層及間隔層的虛擬二次回路異常信號(hào)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬二次回路狀態(tài)的監(jiān)視。
由于裝置的功能邏輯程序和過(guò)程層配置被分散到不同軟件實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致程序修改后，需要導(dǎo)出裝置能力描述（IED capability description, ICD）文件，然后導(dǎo)入SCD工具，集成到SCD文件中，再進(jìn)行虛端子連接的修改，影響了工程實(shí)施效率，在定位回路故障時(shí)欠缺直觀手段。
本文作為第三代智能變電站高級(jí)功能支撐技術(shù)研究子課題，開發(fā)了智能變電站配置集成一體化軟件PCS-VisStation。下面具體介紹該軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1 軟件功能設(shè)計(jì)
將裝置和監(jiān)控后臺(tái)運(yùn)行所需的文件劃分為驅(qū)動(dòng)程序、功能程序和模型文件。驅(qū)動(dòng)程序包括硬件相關(guān)驅(qū)動(dòng)、模塊化功能接口程序等二進(jìn)制包，提供裝置運(yùn)行支撐功能，如通用平臺(tái)程序、人機(jī)接口程序和通信程序等。功能程序包括裝置可視化邏輯程序和二次回路可視化配置信息，提供裝置應(yīng)用功能。模型文件描述裝置通信模型，監(jiān)控系統(tǒng)可導(dǎo)入該文件進(jìn)行變電站裝置的集成配置。
功能程序和模型文件由PCS-VisStation軟件生成。該軟件支持圖形化方式展示、配置功能邏輯程序和數(shù)字化二次回路，采用變電站的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程管理，具備變量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤和信號(hào)溯源等功能。該軟件界面如圖1所示。
圖1 PCS-VisStation軟件界面
功能程序配置包括裝置基本信息配置、硬件型號(hào)配置、功能邏輯頁(yè)面配置、動(dòng)作自檢變位報(bào)文配置、錄波配置、定值整定、液晶顯示器（liguid crystal display, LCD）菜單配置和LCD主畫面繪制等，實(shí)現(xiàn)單裝置所需的各種功能配置。
裝置模型采用圖形化方式配置，與功能程序符號(hào)無(wú)縫融合?？梢暬?yè)面分為功能邏輯可視化頁(yè)面和二次回路可視化頁(yè)面。功能邏輯可視化頁(yè)面由功能塊和數(shù)據(jù)連線搭建而成，在功能邏輯可視化頁(yè)面對(duì)裝置輸入、輸出變量進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)建模，形成裝置的虛端子。在回路可視化頁(yè)面內(nèi)使用邏輯節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的虛端子進(jìn)行裝置間聯(lián)系，完成二次回路的配置。
1.2 操作流程設(shè)計(jì)
全站的裝置配置按照分層次、分目錄組織，層次樹按照變電站、電壓等級(jí)、間隔、裝置節(jié)點(diǎn)展示。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中變電站節(jié)點(diǎn)可創(chuàng)建多個(gè)電壓等級(jí)，電壓等級(jí)節(jié)點(diǎn)可創(chuàng)建多個(gè)間隔，在間隔節(jié)點(diǎn)可創(chuàng)建多臺(tái)裝置，也支持在變電站節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建跨間隔的裝置。
圖2 軟件層次結(jié)構(gòu)
在裝置節(jié)點(diǎn)下細(xì)分裝置配置、功能邏輯、通信配置、二次回路子節(jié)點(diǎn)。在裝置配置節(jié)點(diǎn)內(nèi)，可進(jìn)行裝置信息配置、硬件選型、人機(jī)接口（human machine interface, HMI）菜單、定值分組等信息編輯。功能邏輯節(jié)點(diǎn)下可在多個(gè)插件節(jié)點(diǎn)下新建頁(yè)面和功能塊（功能塊是實(shí)現(xiàn)邏輯和數(shù)學(xué)運(yùn)算的圖形化符號(hào)，包括輸入、輸出、參數(shù)等接口，是可視化頁(yè)面編輯的基本單位），進(jìn)行邏輯程序配置。
通信配置節(jié)點(diǎn)采用圖形化符號(hào)方式，可設(shè)置MMS、GOOSE、SMV通信子網(wǎng)、過(guò)程層報(bào)告控制塊的MAC地址、VLAN等信息。二次回路節(jié)點(diǎn)也采用圖形化方式配置輸出-輸入虛端子連線。整站配置集成流程設(shè)計(jì)如下：
1）用戶創(chuàng)建工程。基于離線驅(qū)動(dòng)包或在線連接裝置方式創(chuàng)建裝置。
2）裝置全局功能設(shè)置。包括MOT選型（軟硬件版本和可選插件投退）、系統(tǒng)功能配置（例如母線間隔設(shè)置）、保護(hù)測(cè)控功能對(duì)象投退等。
3）功能邏輯編程。對(duì)用戶新建頁(yè)面進(jìn)行邏輯編程、進(jìn)行輸入-輸出等數(shù)據(jù)連線配置，采用圖形化符號(hào)進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)配置。
4）人機(jī)HMI配置。在錄波界面中配置開關(guān)量、模擬量錄波；對(duì)HMI菜單進(jìn)行結(jié)構(gòu)配置，包括動(dòng)作、自檢、變位報(bào)文配置等。
5）在LCD主界面編輯繪制、基于開關(guān)、刀閘等符號(hào)進(jìn)行主接線配置。
6）離線定值整定。在定值節(jié)點(diǎn)設(shè)置定值，并可導(dǎo)入、導(dǎo)出定值模板。
7）IEC 61850層次結(jié)構(gòu)定義。包括創(chuàng)建連接接入點(diǎn)S1、G1、M1、邏輯設(shè)備LD0、PROT、MEAS、PIGO、PISV等。
8）保存文件。形成裝置驅(qū)動(dòng)包和ICD文件，若出錯(cuò)，則根據(jù)提示信息進(jìn)行處理。
9）在通信配置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信子網(wǎng)、報(bào)告塊地址配置。
10）導(dǎo)入本間隔內(nèi)其他裝置的ICD文件，在二次回路節(jié)點(diǎn)下新建頁(yè)面，采用圖形化符號(hào)進(jìn)行跨裝置輸入-輸出虛端子配置。
11）形成新的ICD文件和過(guò)程層回路配置（CCD）文件、驅(qū)動(dòng)包。
12）下載驅(qū)動(dòng)包到裝置中，使得配置生效。
13）裝置調(diào)試。采用可視化邏輯頁(yè)面調(diào)試和虛擬液晶工具調(diào)試等方式，對(duì)裝置功能進(jìn)行狀態(tài)瀏覽和在線操作。
1.3 邏輯功能圖設(shè)計(jì)
基于面向?qū)ο蟮乃枷虢M織管理功能程序，根據(jù)IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)編程符號(hào)建模，采用模型-視圖-控制器（model view controller, MVC）模式的圖形編輯器設(shè)計(jì)，以層次化、圖形化結(jié)構(gòu)展現(xiàn)功能邏輯。功能邏輯可視化頁(yè)面按照插件/處理器分散部署，每個(gè)插件/處理器包含多個(gè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)特定的裝置功能。
軟件提供通用功能塊符號(hào)，包括邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、時(shí)間延時(shí)等模塊，該類符號(hào)按照如下方案設(shè)計(jì)：
1）符號(hào)的圖形形式應(yīng)是矩形或正方形；符號(hào)的名稱、類型位于圖形符號(hào)的內(nèi)部，符號(hào)的實(shí)例位于圖形符號(hào)的左上外部；符號(hào)的輸入-輸出變量名稱應(yīng)顯示在圖形符號(hào)的左面和右面。
2）對(duì)于與、或、非、加、減、乘、除等簡(jiǎn)單符號(hào)，從易于理解的角度，可省略輸入-輸出名和符號(hào)名稱的顯示，在矩形框內(nèi)通過(guò)繪制字符、輔助圖形直觀表示。
3）對(duì)于功能相同而輸入變量類型不同的符號(hào)，可通過(guò)增加后綴名進(jìn)行區(qū)分，符號(hào)外觀宜保持一致。
4）應(yīng)將符號(hào)的輸入-輸出均勻排列在邊框上，輸入點(diǎn)之間、輸出點(diǎn)之間的間距應(yīng)為1個(gè)網(wǎng)格距離。
對(duì)于保護(hù)、測(cè)控等應(yīng)用級(jí)功能模塊，采用統(tǒng)一風(fēng)格的模塊化元件設(shè)計(jì)，采用松耦合、高內(nèi)聚的原則，對(duì)各種保護(hù)測(cè)控功能進(jìn)行合理粒度的劃分，形成模塊名和功能定義。通過(guò)對(duì)劃分的功能模塊進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)、輸入-輸出接口定義、編碼測(cè)試、IEC 61850建模等步驟，形成易維護(hù)、可復(fù)用的圖形化元件庫(kù)。
用戶可以從元件庫(kù)中選擇功能元件進(jìn)行實(shí)例化，通過(guò)連接線完成數(shù)據(jù)連線，實(shí)現(xiàn)裝置主體功能的快速集成。圖3所示為功能邏輯圖示例，顯示了從模塊化元件庫(kù)中挑選各功能模塊集成裝置的過(guò)程。
1.4 裝置建模設(shè)計(jì)
IEC 61850模型文件內(nèi)容包括層次化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、邏輯節(jié)點(diǎn)列表、數(shù)據(jù)集、報(bào)告塊、數(shù)據(jù)模板等。數(shù)據(jù)模板可預(yù)先定義，層次化結(jié)構(gòu)中的AccessPoint和LDevice在裝置配置子節(jié)點(diǎn)界面內(nèi)創(chuàng)建。從建模角度分析，模塊化元件可以是邏輯節(jié)點(diǎn)的組合關(guān)系。
圖3 功能邏輯圖示例
在編輯元件數(shù)據(jù)屬性時(shí)，可創(chuàng)建若干邏輯節(jié)點(diǎn)，并關(guān)聯(lián)邏輯設(shè)備，將元件內(nèi)變量和邏輯節(jié)點(diǎn)的DA數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射。當(dāng)元件實(shí)例化時(shí)，也自動(dòng)實(shí)例化元件內(nèi)的邏輯節(jié)點(diǎn)，形成邏輯節(jié)點(diǎn)的實(shí)例號(hào)。此外，提供LLN0、LPHD、GGIO、MMXU、PTRC等通用邏輯節(jié)點(diǎn)的圖形化符號(hào)，滿足不同元件實(shí)例的變量配置到1個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的需求。
元件內(nèi)邏輯節(jié)點(diǎn)建模示例如圖4所示。例如，過(guò)流元件51P可用lnClass為PTOC等LN建模。雙擊圖形化元件，在彈出的視圖以LN為中心組織配置數(shù)據(jù)，將元件的變量名填入DAI的sAddr屬性中，并選擇該Ref對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)元件內(nèi)邏輯節(jié)點(diǎn)建模。
圖4 元件內(nèi)邏輯節(jié)點(diǎn)建模示例
采用上述圖形化建模方案的應(yīng)用人員，應(yīng)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模板，避免出現(xiàn)模型不一致的問(wèn)題。在制作元件符號(hào)階段可同步進(jìn)行元件變量的邏輯模型配置，一次配置，多處實(shí)例化使用，減少了集成工作量，提高了配置效率，保證了變量和模型同源維護(hù)的一致性。
在形成裝置驅(qū)動(dòng)包時(shí)，通過(guò)讀取和處理可視化頁(yè)面內(nèi)元件和通用邏輯節(jié)點(diǎn)符號(hào)數(shù)據(jù)，可形成各個(gè)邏輯設(shè)備下的邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例化列表，并形成數(shù)據(jù)集、報(bào)告控制塊等內(nèi)容，輸出ICD模型文件。
1.5 信號(hào)傳輸配置設(shè)計(jì)
裝置的虛回路配置以ICD文件為輸入源，通常是以1個(gè)間隔內(nèi)其他裝置作為源發(fā)送裝置和接收目的裝置。雙擊虛回路節(jié)點(diǎn)，分虛端子信號(hào)傳輸配置頁(yè)面、邏輯回路瀏覽頁(yè)面子節(jié)點(diǎn)。其中，信號(hào)傳輸圖用于配置和展示裝置與裝置間虛端子信號(hào)的傳輸，其配置示意圖如圖5所示。
圖5 虛端子信號(hào)傳輸配置示意圖
雙擊圖5的符號(hào)，在彈出的對(duì)話框界面中，列出本間隔內(nèi)裝置ICD發(fā)送數(shù)據(jù)集列表，本裝置內(nèi)GOIN、SVIN為前綴的接收虛端子列表，采用拖拽方式完成輸出-輸入配置，并記錄虛端子的ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName、sAddr、關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集和報(bào)告控制塊等屬性。
基于上述信息，可形成過(guò)程層回路配置的回路實(shí)例配置文件（CCD），用于跨裝置的過(guò)程層信號(hào)傳輸?？筛鶕?jù)sAddr記錄的短地址名進(jìn)行交叉索引，實(shí)現(xiàn)功能邏輯程序和回路配置內(nèi)容跳轉(zhuǎn)瀏覽。
1.6 邏輯回路圖形設(shè)計(jì)
在完成各裝置的信號(hào)傳輸圖配置后，可自動(dòng)形成裝置邏輯回路關(guān)系圖，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：
1）讀取可視化回路配置頁(yè)面的虛端子配置符號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析源裝置發(fā)送數(shù)據(jù)集的功能約束數(shù)據(jù)屬性（FCDA）和本裝置接收端子的IEC 61850層次索引名，匯總源裝置的發(fā)送數(shù)據(jù)集、發(fā)送控制塊，形成各個(gè)裝置間變電站事件（GSE）、采樣值（SMV）發(fā)送-接收交互關(guān)系。
2）根據(jù)需要繪制的裝置符號(hào)數(shù)量計(jì)算需要顯示的回路圖屏數(shù)，按照源裝置發(fā)送→本裝置→目的裝置接收的順序，從左至右排列裝置符號(hào)，自動(dòng)分配裝置符號(hào)坐標(biāo)。
3）根據(jù)裝置之間發(fā)送數(shù)據(jù)集、發(fā)送控制塊和接收虛端子的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用自動(dòng)連線方法，形成GSE、SMV有向連接線。
4）創(chuàng)建裝置符號(hào)列表、連接線列表，形成邏輯回路關(guān)系圖數(shù)據(jù)，并展示圖形化符號(hào)和連線。
其中，回路圖屏數(shù)計(jì)算方法如下：?jiǎn)纹翞锳4紙張大小的橫向視圖，采用橫向擴(kuò)展屏數(shù)。設(shè)源裝置數(shù)量為SNum、目的裝置數(shù)量為DNum，頁(yè)面單屏寬度為Pw、高度為Ph，裝置符號(hào)的外圍框度為Sw、高度為Sh，符號(hào)之間橫向間距為Dw、縱向間距為Dh，則本裝置居中占據(jù)1列，其他單列能放置的符號(hào)數(shù)量為RNum=floor((Ph/(Sh+Dh)))。
其中floor為向下取整函數(shù)，總列數(shù)為Row=ceil(Snum/RNum)+ ceil(DNum/RNum))+1，其中ceil為向上取整函數(shù)，屏幕數(shù)Screens=ceil(Row*(Sw+Dw)/Pw)，按照從左至右、從上至下等間距排放源裝置符號(hào)、本裝置符號(hào)（單獨(dú)1列居中排放）、目的裝置符號(hào)，可自動(dòng)計(jì)算裝置符號(hào)的坐標(biāo)。
在圖6中，雙擊連接線，會(huì)彈出界面顯示的具體發(fā)送塊、發(fā)送端子、接收端子信息。
圖6 邏輯回路圖示例
1.7 可視化調(diào)試方案設(shè)計(jì)
可視化調(diào)試方案設(shè)計(jì)如圖7所示。裝置研發(fā)人員將應(yīng)用程序和系統(tǒng)平臺(tái)庫(kù)編譯為HEX目標(biāo)文件，下載到裝置中，通過(guò)PCS-VisStation軟件將驅(qū)動(dòng)包下載到裝置中。裝置基于動(dòng)態(tài)注冊(cè)機(jī)制，形成實(shí)例化元件的動(dòng)態(tài)內(nèi)存。PCS-VisStation軟件讀取元件頭文件，進(jìn)行詞法分析和語(yǔ)義分析，獲取變量類型和在結(jié)構(gòu)體內(nèi)相對(duì)偏移地址等信息，下發(fā)調(diào)試報(bào)文，裝置上送變量值。
圖7 可視化調(diào)試方案設(shè)計(jì)
針對(duì)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的元件結(jié)構(gòu)體變量，系統(tǒng)平臺(tái)庫(kù)提供元件注冊(cè)接口，可記錄結(jié)構(gòu)體實(shí)例的首地址。PCS-VisStation軟件和裝置進(jìn)行連接后，獲取待調(diào)試變量的結(jié)構(gòu)體名字，并讀取本地PC系統(tǒng)目錄，解析元件H文件的C語(yǔ)言語(yǔ)法，提取元件結(jié)構(gòu)體定義信息。根據(jù)裝置側(cè)處理器的字長(zhǎng)信息，采用自然邊界對(duì)齊規(guī)則，計(jì)算變量在結(jié)構(gòu)體中的相對(duì)地址，然后下發(fā)變量信息給裝置，其計(jì)算流程如圖8所示。
裝置根據(jù)結(jié)構(gòu)體實(shí)例名在元件動(dòng)態(tài)注冊(cè)表中查詢的結(jié)構(gòu)體首地址，加上變量相對(duì)地址，即可得到變量的真正地址，讀取該地址的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，上送給PCS- VisStation，軟件接收到報(bào)文后在可視化頁(yè)面視圖連接線上刷新顯示。
圖8 結(jié)構(gòu)體變量偏移量計(jì)算流程
總結(jié)
本文將智能變電站裝置的功能程序配置、ICD建模、二次回路配置和可視化調(diào)試融合到1個(gè)軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，軟件基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（dynamic link library, DLL）組件分層設(shè)計(jì)，采用組件化的集成架構(gòu)，可靈活擴(kuò)展新的功能。
軟件以變電站-電壓等級(jí)-間隔-裝置的層次結(jié)構(gòu)管理數(shù)據(jù)，支持單裝置內(nèi)以圖形化方式搭建功能邏輯和建模，并支持形成裝置ICD文件后所進(jìn)行跨裝置的虛回路配置，通過(guò)形成交叉索引符號(hào)，實(shí)現(xiàn)功能邏輯頁(yè)面和二次回路頁(yè)面銜接跳轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)試功能邏輯的發(fā)送變量和接收變量，快速定位鏈路故障。
手機(jī)掃描二維碼
