智能变电站配置集成一体化软件设计与实现
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南京南瑞继保电气有限公司、国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、国网湖北省电力有限公司的研究人员周磊、夏勇军、黎恒烜、蔡敏、鄂士平，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，当前智能变电站的装置配置建模开发和工程集成普遍采用独立软件实现，存在功能逻辑程序和二次回路信息孤立、故障定位困难、升级工作量大等问题。
为解决上述问题，本文开发了智能变电站配置集成一体化软件PCS-VisStation。该软件基于变电站层次结构管理维护装置配置，通过可视化逻辑符号搭建装置功能和IEC 61850模型，支持以装置能力描述文件为输入源进行可视化虚端子连线配置。该软件通过分析二次回路配置页面数据，可自动形成装置逻辑回路视图，并支持形成交叉索引信息，实现功能程序页面和回路配置页面之间的跳转浏览及可视化调试。通过应用该软件，可提升智能变电站工程中配置、集成的效率。
智能变电站以光缆和软件逻辑代替二次回路，以系统配置文件描述二次设备的连接关系。而二次“虚回路”无法直观可视，设备改造涉及全站配置文件的修改和验证，调试时间长，因此需要提升二次回路的可观性和可控性，提升变电站运维的智能化水平和效率。
当前智能变电站装置的配置建模、集成普遍采用两个独立软件实现，即通过装置配套软件进行单装置功能程序的可视化配置和建模，通过变电站配置文件（substation configuration discription, SCD）工具进行变电站集成和装置之间的过程层配置。
已有文献基于SCD工具实现了二次回路的可视化配置浏览功能，如有学者将二次回路中智能电子设备（intelligent electronic device, IED）物理模型可视化，进行实际回路光纤光缆连接，之后进行虚端子配置；有学者将二次回路信息由文本模式转化为图形模式，支持分层图形化展示版本的差异；有学者利用短地址实现了站控层的遥信数据点与过程层及间隔层的虚拟二次回路异常信号之间的映射关系，实现对虚拟二次回路状态的监视。
由于装置的功能逻辑程序和过程层配置被分散到不同软件实现，导致程序修改后，需要导出装置能力描述（IED capability description, ICD）文件，然后导入SCD工具，集成到SCD文件中，再进行虚端子连接的修改，影响了工程实施效率，在定位回路故障时欠缺直观手段。
本文作为第三代智能变电站高级功能支撑技术研究子课题，开发了智能变电站配置集成一体化软件PCS-VisStation。下面具体介绍该软件的设计与实现。
1 软件设计与实现
1.1 软件功能设计
将装置和监控后台运行所需的文件划分为驱动程序、功能程序和模型文件。驱动程序包括硬件相关驱动、模块化功能接口程序等二进制包，提供装置运行支撑功能，如通用平台程序、人机接口程序和通信程序等。功能程序包括装置可视化逻辑程序和二次回路可视化配置信息，提供装置应用功能。模型文件描述装置通信模型，监控系统可导入该文件进行变电站装置的集成配置。
功能程序和模型文件由PCS-VisStation软件生成。该软件支持图形化方式展示、配置功能逻辑程序和数字化二次回路，采用变电站的层次结构进行工程管理，具备变量数据实时跟踪和信号溯源等功能。该软件界面如图1所示。
图1 PCS-VisStation软件界面
功能程序配置包括装置基本信息配置、硬件型号配置、功能逻辑页面配置、动作自检变位报文配置、录波配置、定值整定、液晶显示器（liguid crystal display, LCD）菜单配置和LCD主画面绘制等，实现单装置所需的各种功能配置。
装置模型采用图形化方式配置，与功能程序符号无缝融合。可视化页面分为功能逻辑可视化页面和二次回路可视化页面。功能逻辑可视化页面由功能块和数据连线搭建而成，在功能逻辑可视化页面对装置输入、输出变量进行逻辑节点建模，形成装置的虚端子。在回路可视化页面内使用逻辑节点与对应的虚端子进行装置间联系，完成二次回路的配置。
1.2 操作流程设计
全站的装置配置按照分层次、分目录组织，层次树按照变电站、电压等级、间隔、装置节点展示。软件层次结构如图2所示。在图2中变电站节点可创建多个电压等级，电压等级节点可创建多个间隔，在间隔节点可创建多台装置，也支持在变电站节点创建跨间隔的装置。
图2 软件层次结构
在装置节点下细分装置配置、功能逻辑、通信配置、二次回路子节点。在装置配置节点内，可进行装置信息配置、硬件选型、人机接口（human machine interface, HMI）菜单、定值分组等信息编辑。功能逻辑节点下可在多个插件节点下新建页面和功能块（功能块是实现逻辑和数学运算的图形化符号，包括输入、输出、参数等接口，是可视化页面编辑的基本单位），进行逻辑程序配置。
通信配置节点采用图形化符号方式，可设置MMS、GOOSE、SMV通信子网、过程层报告控制块的MAC地址、VLAN等信息。二次回路节点也采用图形化方式配置输出-输入虚端子连线。整站配置集成流程设计如下：
1）用户创建工程。基于离线驱动包或在线连接装置方式创建装置。
2）装置全局功能设置。包括MOT选型（软硬件版本和可选插件投退）、系统功能配置（例如母线间隔设置）、保护测控功能对象投退等。
3）功能逻辑编程。对用户新建页面进行逻辑编程、进行输入-输出等数据连线配置，采用图形化符号进行逻辑节点配置。
4）人机HMI配置。在录波界面中配置开关量、模拟量录波；对HMI菜单进行结构配置，包括动作、自检、变位报文配置等。
5）在LCD主界面编辑绘制、基于开关、刀闸等符号进行主接线配置。
6）离线定值整定。在定值节点设置定值，并可导入、导出定值模板。
7）IEC 61850层次结构定义。包括创建连接接入点S1、G1、M1、逻辑设备LD0、PROT、MEAS、PIGO、PISV等。
8）保存文件。形成装置驱动包和ICD文件，若出错，则根据提示信息进行处理。
9）在通信配置节点进行通信子网、报告块地址配置。
10）导入本间隔内其他装置的ICD文件，在二次回路节点下新建页面，采用图形化符号进行跨装置输入-输出虚端子配置。
11）形成新的ICD文件和过程层回路配置（CCD）文件、驱动包。
12）下载驱动包到装置中，使得配置生效。
13）装置调试。采用可视化逻辑页面调试和虚拟液晶工具调试等方式，对装置功能进行状态浏览和在线操作。
1.3 逻辑功能图设计
基于面向对象的思想组织管理功能程序，根据IEC 61131标准编程符号建模，采用模型-视图-控制器（model view controller, MVC）模式的图形编辑器设计，以层次化、图形化结构展现功能逻辑。功能逻辑可视化页面按照插件/处理器分散部署，每个插件/处理器包含多个应用，实现特定的装置功能。
软件提供通用功能块符号，包括逻辑运算、算术运算、时间延时等模块，该类符号按照如下方案设计：
1）符号的图形形式应是矩形或正方形；符号的名称、类型位于图形符号的内部，符号的实例位于图形符号的左上外部；符号的输入-输出变量名称应显示在图形符号的左面和右面。
2）对于与、或、非、加、减、乘、除等简单符号，从易于理解的角度，可省略输入-输出名和符号名称的显示，在矩形框内通过绘制字符、辅助图形直观表示。
3）对于功能相同而输入变量类型不同的符号，可通过增加后缀名进行区分，符号外观宜保持一致。
4）应将符号的输入-输出均匀排列在边框上，输入点之间、输出点之间的间距应为1个网格距离。
对于保护、测控等应用级功能模块，采用统一风格的模块化元件设计，采用松耦合、高内聚的原则，对各种保护测控功能进行合理粒度的划分，形成模块名和功能定义。通过对划分的功能模块进行详细的方案设计、输入-输出接口定义、编码测试、IEC 61850建模等步骤，形成易维护、可复用的图形化元件库。
用户可以从元件库中选择功能元件进行实例化，通过连接线完成数据连线，实现装置主体功能的快速集成。图3所示为功能逻辑图示例，显示了从模块化元件库中挑选各功能模块集成装置的过程。
1.4 装置建模设计
IEC 61850模型文件内容包括层次化结构数据、逻辑节点列表、数据集、报告块、数据模板等。数据模板可预先定义，层次化结构中的AccessPoint和LDevice在装置配置子节点界面内创建。从建模角度分析，模块化元件可以是逻辑节点的组合关系。
图3 功能逻辑图示例
在编辑元件数据属性时，可创建若干逻辑节点，并关联逻辑设备，将元件内变量和逻辑节点的DA数据属性进行关联映射。当元件实例化时，也自动实例化元件内的逻辑节点，形成逻辑节点的实例号。此外，提供LLN0、LPHD、GGIO、MMXU、PTRC等通用逻辑节点的图形化符号，满足不同元件实例的变量配置到1个逻辑节点的需求。
元件内逻辑节点建模示例如图4所示。例如，过流元件51P可用lnClass为PTOC等LN建模。双击图形化元件，在弹出的视图以LN为中心组织配置数据，将元件的变量名填入DAI的sAddr属性中，并选择该Ref对应的数据集，实现元件内逻辑节点建模。
图4 元件内逻辑节点建模示例
采用上述图形化建模方案的应用人员，应使用统一的数据模板，避免出现模型不一致的问题。在制作元件符号阶段可同步进行元件变量的逻辑模型配置，一次配置，多处实例化使用，减少了集成工作量，提高了配置效率，保证了变量和模型同源维护的一致性。
在形成装置驱动包时，通过读取和处理可视化页面内元件和通用逻辑节点符号数据，可形成各个逻辑设备下的逻辑节点实例化列表，并形成数据集、报告控制块等内容，输出ICD模型文件。
1.5 信号传输配置设计
装置的虚回路配置以ICD文件为输入源，通常是以1个间隔内其他装置作为源发送装置和接收目的装置。双击虚回路节点，分虚端子信号传输配置页面、逻辑回路浏览页面子节点。其中，信号传输图用于配置和展示装置与装置间虚端子信号的传输，其配置示意图如图5所示。
图5 虚端子信号传输配置示意图
双击图5的符号，在弹出的对话框界面中，列出本间隔内装置ICD发送数据集列表，本装置内GOIN、SVIN为前缀的接收虚端子列表，采用拖拽方式完成输出-输入配置，并记录虚端子的ldInst、prefix、lnClass、lnInst、doName、daName、sAddr、关联的数据集和报告控制块等属性。
基于上述信息，可形成过程层回路配置的回路实例配置文件（CCD），用于跨装置的过程层信号传输。可根据sAddr记录的短地址名进行交叉索引，实现功能逻辑程序和回路配置内容跳转浏览。
1.6 逻辑回路图形设计
在完成各装置的信号传输图配置后，可自动形成装置逻辑回路关系图，其实现步骤如下：
1）读取可视化回路配置页面的虚端子配置符号数据，通过分析源装置发送数据集的功能约束数据属性（FCDA）和本装置接收端子的IEC 61850层次索引名，汇总源装置的发送数据集、发送控制块，形成各个装置间变电站事件（GSE）、采样值（SMV）发送-接收交互关系。
2）根据需要绘制的装置符号数量计算需要显示的回路图屏数，按照源装置发送→本装置→目的装置接收的顺序，从左至右排列装置符号，自动分配装置符号坐标。
3）根据装置之间发送数据集、发送控制块和接收虚端子的关联关系，采用自动连线方法，形成GSE、SMV有向连接线。
4）创建装置符号列表、连接线列表，形成逻辑回路关系图数据，并展示图形化符号和连线。
其中，回路图屏数计算方法如下：单屏为A4纸张大小的横向视图，采用横向扩展屏数。设源装置数量为SNum、目的装置数量为DNum，页面单屏宽度为Pw、高度为Ph，装置符号的外围框度为Sw、高度为Sh，符号之间横向间距为Dw、纵向间距为Dh，则本装置居中占据1列，其他单列能放置的符号数量为RNum=floor((Ph/(Sh+Dh)))。
其中floor为向下取整函数，总列数为Row=ceil(Snum/RNum)+ ceil(DNum/RNum))+1，其中ceil为向上取整函数，屏幕数Screens=ceil(Row*(Sw+Dw)/Pw)，按照从左至右、从上至下等间距排放源装置符号、本装置符号（单独1列居中排放）、目的装置符号，可自动计算装置符号的坐标。
在图6中，双击连接线，会弹出界面显示的具体发送块、发送端子、接收端子信息。
图6 逻辑回路图示例
1.7 可视化调试方案设计
可视化调试方案设计如图7所示。装置研发人员将应用程序和系统平台库编译为HEX目标文件，下载到装置中，通过PCS-VisStation软件将驱动包下载到装置中。装置基于动态注册机制，形成实例化元件的动态内存。PCS-VisStation软件读取元件头文件，进行词法分析和语义分析，获取变量类型和在结构体内相对偏移地址等信息，下发调试报文，装置上送变量值。
图7 可视化调试方案设计
针对动态分配内存的元件结构体变量，系统平台库提供元件注册接口，可记录结构体实例的首地址。PCS-VisStation软件和装置进行连接后，获取待调试变量的结构体名字，并读取本地PC系统目录，解析元件H文件的C语言语法，提取元件结构体定义信息。根据装置侧处理器的字长信息，采用自然边界对齐规则，计算变量在结构体中的相对地址，然后下发变量信息给装置，其计算流程如图8所示。
装置根据结构体实例名在元件动态注册表中查询的结构体首地址，加上变量相对地址，即可得到变量的真正地址，读取该地址的对应数据，上送给PCS- VisStation，软件接收到报文后在可视化页面视图连接线上刷新显示。
图8 结构体变量偏移量计算流程
本文将智能变电站装置的功能程序配置、ICD建模、二次回路配置和可视化调试融合到1个软件内实现，软件基于动态链接库（dynamic link library, DLL）组件分层设计，采用组件化的集成架构，可灵活扩展新的功能。
软件以变电站-电压等级-间隔-装置的层次结构管理数据，支持单装置内以图形化方式搭建功能逻辑和建模，并支持形成装置ICD文件后所进行跨装置的虚回路配置，通过形成交叉索引符号，实现功能逻辑页面和二次回路页面衔接跳转，通过调试功能逻辑的发送变量和接收变量，快速定位链路故障。