當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立軟件實現(xiàn)，存在功能邏輯程序和二次回路信息孤立、故障定位困難、升級工作量大等問題。
為解決上述問題，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)管理維護裝置配置，通過可視化邏輯符號搭建裝置功能和IEC 61850模型，支持以裝置能力描述文件為輸入源進行可視化虛端子連線配置。該軟件通過分析二次回路配置頁面數(shù)據(jù)，可自動形成裝置邏輯回路視圖，并支持形成交叉索引信息，實現(xiàn)功能程序頁面和回路配置頁面之間的跳轉(zhuǎn)瀏覽及可視化調(diào)試。通過應(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”無法直觀可視，設(shè)備改造涉及全站配置文件的修改和驗證，調(diào)試時間長，因此需要提升二次回路的可觀性和可控性，提升變電站運維的智能化水平和效率。
當前智能變電站裝置的配置建模、集成普遍采用兩個獨立軟件實現(xiàn)，即通過裝置配套軟件進行單裝置功能程序的可視化配置和建模，通過變電站配置文件（substation configuration discription, SCD）工具進行變電站集成和裝置之間的過程層配置。
已有文獻基于SCD工具實現(xiàn)了二次回路的可視化配置瀏覽功能，如有學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，進行實際回路光纖光纜連接，之后進行虛端子配置；有學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；有學者利用短地址實現(xiàn)了站控層的遙信數(shù)據(jù)點與過程層及間隔層的虛擬二次回路異常信號之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)對虛擬二次回路狀態(tài)的監(jiān)視。
由于裝置的功能邏輯程序和過程層配置被分散到不同軟件實現(xiàn)，導致程序修改后，需要導出裝置能力描述（IED capability description, ICD）文件，然后導入SCD工具，集成到SCD文件中，再進行虛端子連接的修改，影響了工程實施效率，在定位回路故障時欠缺直觀手段。
本文作為第三代智能變電站高級功能支撐技術(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)計與實現(xiàn)。
1 軟件設(shè)計與實現(xiàn)
1.1 軟件功能設(shè)計
將裝置和監(jiān)控后臺運行所需的文件劃分為驅(qū)動程序、功能程序和模型文件。驅(qū)動程序包括硬件相關(guān)驅(qū)動、模塊化功能接口程序等二進制包，提供裝置運行支撐功能，如通用平臺程序、人機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)可導入該文件進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)進行工程管理，具備變量數(shù)據(jù)實時跟蹤和信號溯源等功能。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、硬件型號配置、功能邏輯頁面配置、動作自檢變位報文配置、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，與功能程序符號無縫融合?？梢暬撁娣譃楣δ苓壿嬁梢暬撁婧投位芈房梢暬撁?。功能邏輯可視化頁面由功能塊和數(shù)據(jù)連線搭建而成，在功能邏輯可視化頁面對裝置輸入、輸出變量進行邏輯節(jié)點建模，形成裝置的虛端子。在回路可視化頁面內(nèi)使用邏輯節(jié)點與對應(yīng)的虛端子進行裝置間聯(lián)系，完成二次回路的配置。
1.2 操作流程設(shè)計
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、間隔、裝置節(jié)點展示。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中變電站節(jié)點可創(chuàng)建多個電壓等級，電壓等級節(jié)點可創(chuàng)建多個間隔，在間隔節(jié)點可創(chuàng)建多臺裝置，也支持在變電站節(jié)點創(chuàng)建跨間隔的裝置。
圖2 軟件層次結(jié)構(gòu)
在裝置節(jié)點下細分裝置配置、功能邏輯、通信配置、二次回路子節(jié)點。在裝置配置節(jié)點內(nèi)，可進行裝置信息配置、硬件選型、人機接口（human machine interface, HMI）菜單、定值分組等信息編輯。功能邏輯節(jié)點下可在多個插件節(jié)點下新建頁面和功能塊（功能塊是實現(xiàn)邏輯和數(shù)學運算的圖形化符號，包括輸入、輸出、參數(shù)等接口，是可視化頁面編輯的基本單位），進行邏輯程序配置。
通信配置節(jié)點采用圖形化符號方式，可設(shè)置MMS、GOOSE、SMV通信子網(wǎng)、過程層報告控制塊的MAC地址、VLAN等信息。二次回路節(jié)點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)計如下：
1）用戶創(chuàng)建工程。基于離線驅(qū)動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）、保護測控功能對象投退等。
3）功能邏輯編程。對用戶新建頁面進行邏輯編程、進行輸入-輸出等數(shù)據(jù)連線配置，采用圖形化符號進行邏輯節(jié)點配置。
4）人機HMI配置。在錄波界面中配置開關(guān)量、模擬量錄波；對HMI菜單進行結(jié)構(gòu)配置，包括動作、自檢、變位報文配置等。
5）在LCD主界面編輯繪制、基于開關(guān)、刀閘等符號進行主接線配置。
6）離線定值整定。在定值節(jié)點設(shè)置定值，并可導入、導出定值模板。
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)動包和ICD文件，若出錯，則根據(jù)提示信息進行處理。
9）在通信配置節(jié)點進行通信子網(wǎng)、報告塊地址配置。
10）導入本間隔內(nèi)其他裝置的ICD文件，在二次回路節(jié)點下新建頁面，采用圖形化符號進行跨裝置輸入-輸出虛端子配置。
11）形成新的ICD文件和過程層回路配置（CCD）文件、驅(qū)動包。
12）下載驅(qū)動包到裝置中，使得配置生效。
13）裝置調(diào)試。采用可視化邏輯頁面調(diào)試和虛擬液晶工具調(diào)試等方式，對裝置功能進行狀態(tài)瀏覽和在線操作。
1.3 邏輯功能圖設(shè)計
基于面向?qū)ο蟮乃枷虢M織管理功能程序，根據(jù)IEC 61131標準編程符號建模，采用模型-視圖-控制器（model view controller, MVC）模式的圖形編輯器設(shè)計，以層次化、圖形化結(jié)構(gòu)展現(xiàn)功能邏輯。功能邏輯可視化頁面按照插件/處理器分散部署，每個插件/處理器包含多個應(yīng)用，實現(xiàn)特定的裝置功能。
軟件提供通用功能塊符號，包括邏輯運算、算術(shù)運算、時間延時等模塊，該類符號按照如下方案設(shè)計：
1）符號的圖形形式應(yīng)是矩形或正方形；符號的名稱、類型位于圖形符號的內(nèi)部，符號的實例位于圖形符號的左上外部；符號的輸入-輸出變量名稱應(yīng)顯示在圖形符號的左面和右面。
2）對于與、或、非、加、減、乘、除等簡單符號，從易于理解的角度，可省略輸入-輸出名和符號名稱的顯示，在矩形框內(nèi)通過繪制字符、輔助圖形直觀表示。
3）對于功能相同而輸入變量類型不同的符號，可通過增加后綴名進行區(qū)分，符號外觀宜保持一致。
4）應(yīng)將符號的輸入-輸出均勻排列在邊框上，輸入點之間、輸出點之間的間距應(yīng)為1個網(wǎng)格距離。
對于保護、測控等應(yīng)用級功能模塊，采用統(tǒng)一風格的模塊化元件設(shè)計，采用松耦合、高內(nèi)聚的原則，對各種保護測控功能進行合理粒度的劃分，形成模塊名和功能定義。通過對劃分的功能模塊進行詳細的方案設(shè)計、輸入-輸出接口定義、編碼測試、IEC 61850建模等步驟，形成易維護、可復用的圖形化元件庫。
用戶可以從元件庫中選擇功能元件進行實例化，通過連接線完成數(shù)據(jù)連線，實現(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中挑選各功能模塊集成裝置的過程。
1.4 裝置建模設(shè)計
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)點列表、數(shù)據(jù)集、報告塊、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，可創(chuàng)建若干邏輯節(jié)點，并關(guān)聯(lián)邏輯設(shè)備，將元件內(nèi)變量和邏輯節(jié)點的DA數(shù)據(jù)屬性進行關(guān)聯(lián)映射。當元件實例化時，也自動實例化元件內(nèi)的邏輯節(jié)點，形成邏輯節(jié)點的實例號。此外，提供LLN0、LPHD、GGIO、MMXU、PTRC等通用邏輯節(jié)點的圖形化符號，滿足不同元件實例的變量配置到1個邏輯節(jié)點的需求。
元件內(nèi)邏輯節(jié)點建模示例如圖4所示。例如，過流元件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對應(yīng)的數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)元件內(nèi)邏輯節(jié)點建模。
圖4 元件內(nèi)邏輯節(jié)點建模示例
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)模型不一致的問題。在制作元件符號階段可同步進行元件變量的邏輯模型配置，一次配置，多處實例化使用，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的一致性。
在形成裝置驅(qū)動包時，通過讀取和處理可視化頁面內(nèi)元件和通用邏輯節(jié)點符號數(shù)據(jù)，可形成各個邏輯設(shè)備下的邏輯節(jié)點實例化列表，并形成數(shù)據(jù)集、報告控制塊等內(nèi)容，輸出ICD模型文件。
1.5 信號傳輸配置設(shè)計
裝置的虛回路配置以ICD文件為輸入源，通常是以1個間隔內(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，分虛端子信號傳輸配置頁面、邏輯回路瀏覽頁面子節(jié)點。其中，信號傳輸圖用于配置和展示裝置與裝置間虛端子信號的傳輸，其配置示意圖如圖5所示。
圖5 虛端子信號傳輸配置示意圖
雙擊圖5的符號，在彈出的對話框界面中，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)集和報告控制塊等屬性。
基于上述信息，可形成過程層回路配置的回路實例配置文件（CCD），用于跨裝置的過程層信號傳輸?？筛鶕?jù)sAddr記錄的短地址名進行交叉索引，實現(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
在完成各裝置的信號傳輸圖配置后，可自動形成裝置邏輯回路關(guān)系圖，其實現(xiàn)步驟如下：
1）讀取可視化回路配置頁面的虛端子配置符號數(shù)據(jù)，通過分析源裝置發(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數(shù)量計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，自動分配裝置符號坐標。
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，采用自動連線方法，形成GSE、SMV有向連接線。
4）創(chuàng)建裝置符號列表、連接線列表，形成邏輯回路關(guān)系圖數(shù)據(jù)，并展示圖形化符號和連線。
其中，回路圖屏數(shù)計算方法如下：單屏為A4紙張大小的橫向視圖，采用橫向擴展屏數(shù)。設(shè)源裝置數(shù)量為SNum、目的裝置數(shù)量為DNum，頁面單屏寬度為Pw、高度為Ph，裝置符號的外圍框度為Sw、高度為Sh，符號之間橫向間距為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、本裝置符號（單獨1列居中排放）、目的裝置符號，可自動計算裝置符號的坐標。
在圖6中，雙擊連接線，會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
可視化調(diào)試方案設(shè)計如圖7所示。裝置研發(fā)人員將應(yīng)用程序和系統(tǒng)平臺庫編譯為HEX目標文件，下載到裝置中，通過PCS-VisStation軟件將驅(qū)動包下載到裝置中。裝置基于動態(tài)注冊機制，形成實例化元件的動態(tài)內(nèi)存。PCS-VisStation軟件讀取元件頭文件，進行詞法分析和語義分析，獲取變量類型和在結(jié)構(gòu)體內(nèi)相對偏移地址等信息，下發(fā)調(diào)試報文，裝置上送變量值。
圖7 可視化調(diào)試方案設(shè)計
針對動態(tài)分配內(nèi)存的元件結(jié)構(gòu)體變量，系統(tǒng)平臺庫提供元件注冊接口，可記錄結(jié)構(gòu)體實例的首地址。PCS-VisStation軟件和裝置進行連接后，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語言語法，提取元件結(jié)構(gòu)體定義信息。根據(jù)裝置側(cè)處理器的字長信息，采用自然邊界對齊規(guī)則，計算變量在結(jié)構(gòu)體中的相對地址，然后下發(fā)變量信息給裝置，其計算流程如圖8所示。
裝置根據(jù)結(jié)構(gòu)體實例名在元件動態(tài)注冊表中查詢的結(jié)構(gòu)體首地址，加上變量相對地址，即可得到變量的真正地址，讀取該地址的對應(yīng)數(shù)據(jù)，上送給PCS- VisStation，軟件接收到報文后在可視化頁面視圖連接線上刷新顯示。
圖8 結(jié)構(gòu)體變量偏移量計算流程
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個軟件內(nèi)實現(xiàn)，軟件基于動態(tài)鏈接庫（dynamic link library, DLL）組件分層設(shè)計，采用組件化的集成架構(gòu)，可靈活擴展新的功能。
軟件以變電站-電壓等級-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文件后所進行跨裝置的虛回路配置，通過形成交叉索引符號，實現(xiàn)功能邏輯頁面和二次回路頁面銜接跳轉(zhuǎn)，通過調(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。
手機掃描二維碼
