當前智能變電站的裝置配置建模開(kāi)發(fā)和工程集成普遍采用獨立軟件實(shí)現，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(wèn)題。
為解決上述問(wèn)題，本文開(kāi)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構管理維護裝置配置，通過(guò)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(jìn)行可視化虛端子連線(xiàn)配置。該軟件通過(guò)分析二次回路配置頁(yè)面數據，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)現功能程序頁(yè)面和回路配置頁(yè)面之間的跳轉瀏覽及可視化調試。通過(guò)應用該軟件，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，以系統配置文件描述二次設備的連接關(guān)系。而二次“虛回路”無(wú)法直觀(guān)可視，設備改造涉及全站配置文件的修改和驗證，調試時(shí)間長(cháng)，因此需要提升二次回路的可觀(guān)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(gè)獨立軟件實(shí)現，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。
已有文獻基于SCD工具實(shí)現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)現了站控層的遙信數據點(diǎn)與過(guò)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(shí)現對虛擬二次回路狀態(tài)的監視。
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，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(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(guān)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(kāi)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計與實(shí)現。
1 軟件設計與實(shí)現
1.1 軟件功能設計
將裝置和監控后臺運行所需的文件劃分為驅動(dòng)程序、功能程序和模型文件。驅動(dòng)程序包括硬件相關(guān)驅動(dòng)、模塊化功能接口程序等二進(jìn)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，提供裝置應用功能。模型文件描述裝置通信模型，監控系統可導入該文件進(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字化二次回路，采用變電站的層次結構進(jìn)行工程管理，具備變量數據實(shí)時(shí)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(yè)面配置、動(dòng)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(huà)面繪制等，實(shí)現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(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)面由功能塊和數據連線(xiàn)搭建而成，在功能邏輯可視化頁(yè)面對裝置輸入、輸出變量進(jìn)行邏輯節點(diǎn)建模，形成裝置的虛端子。在回路可視化頁(yè)面內使用邏輯節點(diǎn)與對應的虛端子進(jìn)行裝置間聯(lián)系，完成二次回路的配置。
1.2 操作流程設計
全站的裝置配置按照分層次、分目錄組織，層次樹(shù)按照變電站、電壓等級、間隔、裝置節點(diǎn)展示。軟件層次結構如圖2所示。在圖2中變電站節點(diǎn)可創(chuàng )建多個(gè)電壓等級，電壓等級節點(diǎn)可創(chuàng )建多個(gè)間隔，在間隔節點(diǎn)可創(chuàng )建多臺裝置，也支持在變電站節點(diǎn)創(chuàng )建跨間隔的裝置。
圖2 軟件層次結構
在裝置節點(diǎn)下細分裝置配置、功能邏輯、通信配置、二次回路子節點(diǎn)。在裝置配置節點(diǎn)內，可進(jìn)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。功能邏輯節點(diǎn)下可在多個(gè)插件節點(diǎn)下新建頁(yè)面和功能塊（功能塊是實(shí)現邏輯和數學(xué)運算的圖形化符號，包括輸入、輸出、參數等接口，是可視化頁(yè)面編輯的基本單位），進(jìn)行邏輯程序配置。
通信配置節點(diǎn)采用圖形化符號方式，可設置MMS、GOOSE、SMV通信子網(wǎng)、過(guò)程層報告控制塊的MAC地址、VLAN等信息。二次回路節點(diǎn)也采用圖形化方式配置輸出-輸入虛端子連線(xiàn)。整站配置集成流程設計如下：
1）用戶(hù)創(chuàng )建工程?；陔x線(xiàn)驅動(dòng)包或在線(xiàn)連接裝置方式創(chuàng )建裝置。
2）裝置全局功能設置。包括MOT選型（軟硬件版本和可選插件投退）、系統功能配置（例如母線(xiàn)間隔設置）、保護測控功能對象投退等。
3）功能邏輯編程。對用戶(hù)新建頁(yè)面進(jìn)行邏輯編程、進(jìn)行輸入-輸出等數據連線(xiàn)配置，采用圖形化符號進(jìn)行邏輯節點(diǎn)配置。
4）人機HMI配置。在錄波界面中配置開(kāi)關(guān)量、模擬量錄波；對HMI菜單進(jìn)行結構配置，包括動(dòng)作、自檢、變位報文配置等。
5）在LCD主界面編輯繪制、基于開(kāi)關(guān)、刀閘等符號進(jìn)行主接線(xiàn)配置。
6）離線(xiàn)定值整定。在定值節點(diǎn)設置定值，并可導入、導出定值模板。
7）IEC 61850層次結構定義。包括創(chuàng )建連接接入點(diǎn)S1、G1、M1、邏輯設備LD0、PROT、MEAS、PIGO、PISV等。
8）保存文件。形成裝置驅動(dòng)包和ICD文件，若出錯，則根據提示信息進(jìn)行處理。
9）在通信配置節點(diǎn)進(jìn)行通信子網(wǎng)、報告塊地址配置。
10）導入本間隔內其他裝置的ICD文件，在二次回路節點(diǎn)下新建頁(yè)面，采用圖形化符號進(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、驅動(dòng)包。
12）下載驅動(dòng)包到裝置中，使得配置生效。
13）裝置調試。采用可視化邏輯頁(yè)面調試和虛擬液晶工具調試等方式，對裝置功能進(jìn)行狀態(tài)瀏覽和在線(xiàn)操作。
1.3 邏輯功能圖設計
基于面向對象的思想組織管理功能程序，根據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計，以層次化、圖形化結構展現功能邏輯。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)應用，實(shí)現特定的裝置功能。
軟件提供通用功能塊符號，包括邏輯運算、算術(shù)運算、時(shí)間延時(shí)等模塊，該類(lèi)符號按照如下方案設計：
1）符號的圖形形式應是矩形或正方形；符號的名稱(chēng)、類(lèi)型位于圖形符號的內部，符號的實(shí)例位于圖形符號的左上外部；符號的輸入-輸出變量名稱(chēng)應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(jiǎn)單符號，從易于理解的角度，可省略輸入-輸出名和符號名稱(chēng)的顯示，在矩形框內通過(guò)繪制字符、輔助圖形直觀(guān)表示。
3）對于功能相同而輸入變量類(lèi)型不同的符號，可通過(guò)增加后綴名進(jìn)行區分，符號外觀(guān)宜保持一致。
4）應將符號的輸入-輸出均勻排列在邊框上，輸入點(diǎn)之間、輸出點(diǎn)之間的間距應為1個(gè)網(wǎng)格距離。
對于保護、測控等應用級功能模塊，采用統一風(fēng)格的模塊化元件設計，采用松耦合、高內聚的原則，對各種保護測控功能進(jìn)行合理粒度的劃分，形成模塊名和功能定義。通過(guò)對劃分的功能模塊進(jìn)行詳細的方案設計、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(hù)可以從元件庫中選擇功能元件進(jìn)行實(shí)例化，通過(guò)連接線(xiàn)完成數據連線(xiàn)，實(shí)現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(guò)程。
1.4 裝置建模設計
IEC 61850模型文件內容包括層次化結構數據、邏輯節點(diǎn)列表、數據集、報告塊、數據模板等。數據模板可預先定義，層次化結構中的AccessPoint和LDevice在裝置配置子節點(diǎn)界面內創(chuàng )建。從建模角度分析，模塊化元件可以是邏輯節點(diǎn)的組合關(guān)系。
圖3 功能邏輯圖示例
在編輯元件數據屬性時(shí)，可創(chuàng )建若干邏輯節點(diǎn)，并關(guān)聯(lián)邏輯設備，將元件內變量和邏輯節點(diǎn)的DA數據屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射。當元件實(shí)例化時(shí)，也自動(dòng)實(shí)例化元件內的邏輯節點(diǎn)，形成邏輯節點(diǎn)的實(shí)例號。此外，提供LLN0、LPHD、GGIO、MMXU、PTRC等通用邏輯節點(diǎn)的圖形化符號，滿(mǎn)足不同元件實(shí)例的變量配置到1個(gè)邏輯節點(diǎn)的需求。
元件內邏輯節點(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L(fǎng)N為中心組織配置數據，將元件的變量名填入DAI的sAddr屬性中，并選擇該Ref對應的數據集，實(shí)現元件內邏輯節點(diǎn)建模。
圖4 元件內邏輯節點(diǎn)建模示例
采用上述圖形化建模方案的應用人員，應使用統一的數據模板，避免出現模型不一致的問(wèn)題。在制作元件符號階段可同步進(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的一致性。
在形成裝置驅動(dòng)包時(shí)，通過(guò)讀取和處理可視化頁(yè)面內元件和通用邏輯節點(diǎn)符號數據，可形成各個(gè)邏輯設備下的邏輯節點(diǎn)實(shí)例化列表，并形成數據集、報告控制塊等內容，輸出ICD模型文件。
1.5 信號傳輸配置設計
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。雙擊虛回路節點(diǎn)，分虛端子信號傳輸配置頁(yè)面、邏輯回路瀏覽頁(yè)面子節點(diǎn)。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(huà)框界面中，列出本間隔內裝置ICD發(fā)送數據集列表，本裝置內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)的數據集和報告控制塊等屬性。
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)程層信號傳輸?？筛鶕Addr記錄的短地址名進(jìn)行交叉索引，實(shí)現功能邏輯程序和回路配置內容跳轉瀏覽。
1.6 邏輯回路圖形設計
在完成各裝置的信號傳輸圖配置后，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數據，通過(guò)分析源裝置發(fā)送數據集的功能約束數據屬性（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)送數據集、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）根據需要繪制的裝置符號數量計算需要顯示的回路圖屏數，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(dòng)分配裝置符號坐標。
3）根據裝置之間發(fā)送數據集、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(xiàn)方法，形成GSE、SMV有向連接線(xiàn)。
4）創(chuàng )建裝置符號列表、連接線(xiàn)列表，形成邏輯回路關(guān)系圖數據，并展示圖形化符號和連線(xiàn)。
其中，回路圖屏數計算方法如下：?jiǎn)纹翞锳4紙張大小的橫向視圖，采用橫向擴展屏數。設源裝置數量為SNum、目的裝置數量為DNum，頁(yè)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1列，其他單列能放置的符號數量為RNum=floor((Ph/(Sh+Dh)))。
其中floor為向下取整函數，總列數為Row=ceil(Snum/RNum)+ ceil(DNum/RNum))+1，其中ceil為向上取整函數，屏幕數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(dòng)計算裝置符號的坐標。
在圖6中，雙擊連接線(xiàn)，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 可視化調試方案設計
可視化調試方案設計如圖7所示。裝置研發(fā)人員將應用程序和系統平臺庫編譯為HEX目標文件，下載到裝置中，通過(guò)PCS-VisStation軟件將驅動(dòng)包下載到裝置中。裝置基于動(dòng)態(tài)注冊機制，形成實(shí)例化元件的動(dòng)態(tài)內存。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(lèi)型和在結構體內相對偏移地址等信息，下發(fā)調試報文，裝置上送變量值。
圖7 可視化調試方案設計
針對動(dòng)態(tài)分配內存的元件結構體變量，系統平臺庫提供元件注冊接口，可記錄結構體實(shí)例的首地址。PCS-VisStation軟件和裝置進(jìn)行連接后，獲取待調試變量的結構體名字，并讀取本地PC系統目錄，解析元件H文件的C語(yǔ)言語(yǔ)法，提取元件結構體定義信息。根據裝置側處理器的字長(cháng)信息，采用自然邊界對齊規則，計算變量在結構體中的相對地址，然后下發(fā)變量信息給裝置，其計算流程如圖8所示。
裝置根據結構體實(shí)例名在元件動(dòng)態(tài)注冊表中查詢(xún)的結構體首地址，加上變量相對地址，即可得到變量的真正地址，讀取該地址的對應數據，上送給PCS- VisStation，軟件接收到報文后在可視化頁(yè)面視圖連接線(xiàn)上刷新顯示。
圖8 結構體變量偏移量計算流程
總結
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試融合到1個(gè)軟件內實(shí)現，軟件基于動(dòng)態(tài)鏈接庫（dynamic link library, DLL）組件分層設計，采用組件化的集成架構，可靈活擴展新的功能。
軟件以變電站-電壓等級-間隔-裝置的層次結構管理數據，支持單裝置內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，實(shí)現功能邏輯頁(yè)面和二次回路頁(yè)面銜接跳轉，通過(guò)調試功能邏輯的發(fā)送變量和接收變量，快速定位鏈路故障。
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