基于全站系统配置文件解析的智能变电站二次设备调试策略生成方法

邹经鑫，刘 鑫，袁明哲，卢音朴，张 帅，李雪恺

(国网四川省电力公司成都供电公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

近年来，变电站智能设备的推广应用已经得到了长足的发展，各大城市已经出现了大量智能变电站。智能变电站全站系统配置文件(substation configuration description，SCD)是智能变电站应用和管理的核心。目前各大厂家均已遵照IEC 61850规范，推出各具特色的具有SCD文件解析及解析结果的可视化展示功能的配置工具。

在220 kV智能变电站中，正常运行设备涉及大量智能装置，其二次系统调试是变电检修工作的重要组成，需根据不同设备的详细情形因地制宜地制定可靠的个性化调试方案[1]。一般情况下，二次检修人员将在工作前一周内开展现场查勘。在进行查勘工作时，查勘人员将对照该智能站最新的SCD归档文件，核实现场工作涉及到的光纤回路、电缆回路、软硬压板、装置定值单等各类信息，据此编制安全措施票及调试项目。由于检修人员的技术水平和作业习惯存在差异，在智能站二次工作安全措施(以下称“安措”)制定的过程中可能遗漏重要回路，造成安措执行不到位，或是调试效率低下、调试项目不充分的问题[2]。目前，已有学者针对智能变电站二次安措的生成进行了一些研究，但并未涉及设备调试内容[3]。因此，亟需在充分了解智能变电站运行结构原理的基础上，结合SCD解析结果，及时对智能变电站二次设备调试方法进行创新升级，实现智能变电站二次系统调试项目的自动生成。实现设备的科学检修调试，为智能变电站安全、可靠、稳定运行提供条件。

与常规变电站相比，智能变电站的最大不同在于采用了SCD文件进行二次回路设计描述。SCD文件包含了智能电子设备(intelligent electronic device，IED)通信、类型、参数、控制块、装置间联系等所有信息[4]。其中二次系统调试的主要目标是精准确定调试方案，实现对SCD文件中二次回路的全面验证。下面采用XPath(XML路径查询语言)技术联合文档对象模型(document object model，DOM)方法对SCD进行语义解析，将原本不易理解的文本解析成结构化控制语言(structured control language，SCL)元素，以完整可靠地调试装置并清晰地反映二次回路的内容，生成调试方案及安全措施[5]。

1 智能变电站过程层数据结构

智能变电站过程层数据通信引入发布/订阅机制实现，其通信参数、数据通道、虚端子连接等信息均在SCD文件中完成配置。通过过程层发布/订阅机制的3类核心参数描述及示例如表1所示。其中：前两类参数决定各智能装置间的逻辑链路关系；最后一类参数用于实现多端口应用需求，亦属必要配置参数。

表1 过程层发布/订阅机制的核心参数及示例

作为SCD配置文件的重要组成部分，IED过程层虚端子配置文件描述了通用面向对象变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)发布/订阅、采样值(sampled value，SV)发布/订阅所需的通信、控制及端口信息。其中：GOOSE发布/订阅分别属于GOOSEPUB(GOOSE发布)元素/GOOSESUB(GOOSE订阅)元素集合范畴；SV发布/订阅分别属于SVPUB(SV 发布)元素/SVSUB(SV订阅)元素集合范畴。

IED过程层虚端子配置文件是其过程层通信配置的最小集合，直接影响IED之间二次回路过程层连接关系的具体表达[4,6]。图1为二次回路GOOSE发布/订阅的基本结构，SV发布/订阅具有与之相同的结构。依据IEC 61850标准，基于智能变电站过程层数据结构，针对性地提出SCD文件解析方法。

图1 GOOSE发布/订阅的基本结构

2 SCD文件内核解析

2.1 解析过程

当前用于SCD文件解析的主要方法有DOM解析方法和XML简单应用程序接口(simple API for XML，SAX)解析方法[7]。鉴于DOM模型优点[8]及SCD文件的规模特征，引入Xpath技术[9]联合DOM方法展开SCD文件解析。

SCD文件解析过程主要包括读取文件和分析文件，解析过程如图2所示。首先，读取文件将SCD文件路径在内存中形成DOM树，节点类型为XmlNode，可以访问其前节点、后节点、父节点和首个子节点，从而建起便于遍历的整棵树结构。同时，构建所有节点集合(XmlNodeList)，获取子节点信息，再运用XPath强大的查找功能，快速定位所查找IED的所有访问节点。

图2 SCD文件的解析过程

分析文件即是重构SCD文件的过程，以生成符合要求的新结构树。在重构过程中，使用具备一对一处理能力、能迅速通过关键字查找对象的Map关联容器[7]构造新结构树的节点。

2.2 实现流程

为实现SCD文件读取，需调用Load函数，在内存中形成DOM树，采用语句Xpath=“/SCL/IED”获取相应IED名称，并将节点类型转换为XmlElement，采用GetAttribute函数获取节点类型及名称等参数。将IED信息输出至列表框，完成系统初始化。

对于SCD文件分析，需要确立与SCD文件相对应的新结构树，以展开SCD解析。首先需预先定义树的数据结构。数据结构类型包括Substation根节点、IEDNode等5类节点类型和功能约束数据属性(functionally constrained data attribute，FCDA)等[7,10]。生成新的结构树是一个递归的过程，这里引入XPath快速查找功能从DOM树获取所需配置参数，然后写入新树对应属性，最终完成新结构树的构建。SCD文件解析配置主要流程如图3所示。

图3 SCD文件解析配置主要流程

1)由根节点进入通信系统(communication)元素，查找GSE/SMV接入点，采用XPath查找功能获取第一个IED下所有逻辑设备(logical device，LD)信息。

2)访问LD第一个子节点LN0，记录lnType值，并访问其下DOI节点，记录lnType各DOI值；

3)根据lnType和DOI值，在可实例化的逻辑节点类定义模型DataTypeTemplates/LNodeType中查找对应的lnType，并找到对应的数据对象(data object，DO)，即可获取DO的type值。该过程可利用XPath技术快速完成。

4)通过解析DO的Type值，可得隶属于DO的数据属性(data attribute，DA)，同时DO中各数据定义状态可进一步由DA的“功能约束FC”这一属性获取[11]。再次运用Xpath技术，查找id名与上步DO的Type值相同的DOType节点，并获取该节点下的所有DA节点。

5)根据步骤2访问DOI节点下的DA节点，并依据DA节点名称得到步骤4中DA对应节点，从而获取该DA节点具体类型。

考虑到全站数据规模较大，同时为了数据复用和程序执行效率，引入MySQL数据库作为数据中转处理方案。此外，在数据处理过程中，该方法集中对各数据类型进行了分类定义归档，以便实际工程应用中根据不同的实例化需求(如遥信、遥测数据单独调试)快速读取数据。

依据上述SCD文件解析流程，可快速获取各IED名称、逻辑装置名称、控制块具体配置以及DataSet元素的中文描述。这些解析得到的配置信息可以用于指导智能变电站二次系统检修工作中安全措施及调试项目的生成，具体生成方法在下一章展开论述。

3 安全措施与调试项目生成

3.1 确定调试项目

智能变电站二次系统调试包括单体调试、整组调试。单体调试只针对单项测试展开，整组调试则是验证各智能设备间的联络与配合关系，二次回路的正确性通过整组调试进行验证[4]。GOOSE开入/开出测试、SV输入/输出测试等项目属于单体调试的范畴。表2展示了二次回路发布/订阅配置参数与调试项目的对应关系。

表2 二次回路与调试项目

根据表2所示对应关系，基于解析SCD方法生成对应调试项目的主要步骤如下：

1)引入XPath技术快速搜索GOOSE/SV发布的配置信息，然后根据搜索结果对比控制块、通信、通道等配置信息的差异，最后生成对应调试项目。根据形成的调试项目对IED开展GOOSE/SV输出的单体调试。对于通信参数对应的GOOSE/SV输出的通信参数检查，需要保持IED发出的通信参数应与SCD文件相一致；对于数据通道的输出一致性校验，应采取IED功能测试，检验IED所发参数与SCD文件是否一致。

2)再次引入XPath快速搜索GOOSE/SV订阅的配置信息，然后根据搜索结果对比控制块、链路、通信、通道等信息差异点，最后生成对应调试项目。对于GOOSE/SV输入的通信参数检查，需要保持IED接收数据通信参数与SCD文件相一致，并检查IED设备GOOSE/SV输入过程是否存在异常警报；对于GOOSE/SV输入的整组调试，需要从发送侧IED输出配置信息，检查确保IED的GOOSE/SV输入与SCD文件保持一致；检查IED设备GOOSE/SV输入过程是否存在无异常警报，并核实接收过程中断报警信息的一致性，最后在模拟接收过程中断情形下，确保IED上传监控系统的过程警报描述与实际过程保持一致。

3.2 生成安全措施

在进行二次设备调试前准确制定和实施安全措施，实现调试与运行系统及时隔离，是调试工作的重要安全保障。变电站通常是根据图纸分析二次回路来界定工作分界面并制定安全措施[12]。通过解析智能变电站SCD文件得到待调试设备所关联的其他二次设备，将订阅该调试设备数据的非试验设备视为运行设备，用以指导当前调试工作安全措施的制定。

1)基于XPath技术快速获取GOOSE/SV订阅部分对应的IED二次回路文件，将控制块名称、接收IED名称进行记录，从而生成具有“一对多”特征的控制块与IED的对应关系。其中包含了各发送控制块的被订阅的情况，进而分析出可能受到此次整组调试影响的运行设备范围。

2)标记与整组调试相关的发送IED和接收IED为试验设备；再由试验设备GOOSE/SV发布控制块名称，并在配置文件中搜索订阅此控制块的IED信息(已标定为试验设备的除外)；再次利用XPath技术快速搜索运行设备的GOOSE/SV接收控制块信息，如果其发布IED是试验设备，就将该控制块标记成试验系统与运行系统的边界回路。隔离试验设备与运行设备在边界回路中的安全措施可设定为退出发送/接收软压板或断开光纤回路。

4 实例验证

采用所提方法，拟对某220 kV智能变电站某线路间隔进行常规调试及传动工作。利用生成工具高效实现本次线路保护年检工作安全措施及调试项目的自动生成，主要由以下两个步骤组成：1)根据工作内容匹配模板库，导出SCD解析结果；2)智能识别调试回路，生成本次工作的调试作业书。

4.1 匹配模板库

工作人员在进行110 kV待用152线路间隔保护年检、自动化联调工作前，将SCD文件导入生成工具后，SCD文件通过自动解析生成图形化虚端子连接，如图4所示。

图4 SCD文件解析结果

工作人员需提供本次年检工作的间隔名称，向生成工具输入表3所示各项参数。

表3 系统生成年检调试项目输入参数示意

其中，“核心装置编号”为可选项，其目的是结合本系统的语义分析，更精确地定位检修范围与工作间隔，减少计算时间和错误率。

生成工具利用SCD解析得到的运行设备间链路关系，计算并生成图形化的二次设备安全措施展示如图5所示。其中，DL1107代表待检修线路保护装置；IML1107代表同线路间隔的合智一体装置。

图5 二次设备安全措拖可视化展示

4.2 生成调试作业书

SCD解析结果还可以给出在进行某项试验时，停电待检修设备与其他装置的关联链路信息。图6显示了110 kV待用152线路保护装置整组调试所涉及到的相关装置间的链路关系，每个回路同时标注了信号描述，这是系统对SCD文件进行信号分类的结果。

图6 待用152间隔整组调试涉及链路信号

通过对SCD文件的解析，并剔除因涉及到安措不能够进行调试验证的项目，输出152线路保护装置调试项目如表4所示。

表4 保护装置调试项目

同理，通过计算每个被试设备的虚端子链路关系，分别得到各自的调试项目表。进一步合并消除其中的重复项，再经过语义匹配，将调试表中各项利用解析SCD文件虚端子回路形成的调试项目表，可以保证检修设备编号、运行设备编号、变电站设备编号与实际工作内容的一致性，大大减少了查勘人员因现场查勘不充分或手工编制而造成的错误。在实际工作中，部分涉及到检修装置的调试项目因本次工作安全措施要求所限，无法进行调试，该类项目表在生成标准化作业书的同时一并输出存储，便于为该站今后开展其他检修工作时提供参考。

参数(包括调试内容、物理链路、发送控制块、被调试装置、被调试光口等条目)嵌入到预制的调试作业书模板，最终生成标准化作业书(见图7)，满足现场实际工作需求。

图7 安全措施及调试项目的自动生成界面

5 结 论

围绕智能变电站二次系统检修作业效率与质量的提升，针对智能站检修中安全措施及调试项目可能出现遗漏的重要回路，造成安全措施执行不到位以及调试效率低下、调试项目不充分等问题，提出一种基于SCD文件解析的智能变电站二次设备调试策略生成方法，主要结论如下：

1)构建了基于XPath技术联合DOM方法的SCD文件解析方法，为自动生成智能变电站安措及调试项目提供了基础平台；

2)基于SCD解析方法，抽取了待检设备与关联设备间的过程层链路关系，并提出了二次设备安全措施自动生成方法；

3)基于SCD解析方法，形成了包含调试项目在内的变电二次专业标准化作业书自动生成方法。

从工程实例应用结果可以看出，所研究成果能够自动生成准确可靠的二次安措和对应调试项目。今后，还可就SCD文件的解析速度与调试作业书计算生成速度作进一步的优化与提升。