隨著直流輸電工程的快速增長(zhǎng)和大功率跨區(qū)輸送對(duì)送受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題的突出影響，其核心組成環(huán)節(jié)——換流站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行面臨著巨大的挑戰(zhàn)。相較于智能變電站，直流換流站采用變電站物理配置描述（substation physical configuration description, SPCD）文件取代智能變電站的系統(tǒng)配置描述（substation configuration description, SCD）文件來(lái)傳輸站內(nèi)物理配置信息。

該配置文件的正確性對(duì)直流換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，對(duì)直流換流站的安全運(yùn)維有著舉足輕重的作用。光纖物理回路模型SPCD文件包含兩個(gè)部分，一部分是物理對(duì)象及層級(jí)關(guān)系，如小室、屏柜、裝置、交換機(jī)、光纖配線架（ODF）等，另一部分是光纖回路連接關(guān)系。

本文基于直流換流站的應(yīng)用，對(duì)SPCD模型進(jìn)行了部分?jǐn)U展，如總線、繼電器、端子排和電纜等格式定義。通過(guò)解析SPCD文件可以獲取各個(gè)端口的連接設(shè)備，獲得設(shè)備端口的拓?fù)潢P(guān)系。

在換流站的建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維、檢修、改造和擴(kuò)建過(guò)程中，運(yùn)維人員需要對(duì)SPCD文件內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)地修改并驗(yàn)證，因此會(huì)形成較多版本的SPCD文件，而在實(shí)際工程管理中需要詳細(xì)了解SPCD的變化信息，若是直接以文本形式查看或是以SPCD配置工具查看操作很不方便，于是運(yùn)維人員更希望擁有通過(guò)方便快捷的比較方式直觀獲得各個(gè)版本變化的差異。

以往的SPCD比對(duì)方式為傳統(tǒng)的文本字符型比對(duì)，通過(guò)專(zhuān)用的字符比對(duì)工具（如Araxis Merge和Beyond Compare等），以XML文本形式對(duì)所有字符依次逐個(gè)比對(duì)，缺點(diǎn)在于其對(duì)人員專(zhuān)業(yè)能力有很高的要求，要求使用者清楚地了解SPCL語(yǔ)法和SPCD文件結(jié)構(gòu)，而且不能直觀清晰地展示比對(duì)結(jié)果，不適合向運(yùn)維人員大范圍推廣。

本文針對(duì)以上這些不足之處提出了一種基于SPCD的換流站控保系統(tǒng)物理回路可視化比對(duì)方法，并開(kāi)發(fā)了一款與之相對(duì)應(yīng)的SPCD可視化比對(duì)工具，可以由外而內(nèi)多層級(jí)可視化展示SPCD文件信息和比對(duì)結(jié)果，可以高效地展示不同SPCD文件的版本差異，用于提高運(yùn)維人員的維護(hù)效率，縮短運(yùn)維時(shí)間，降低運(yùn)維成本。

1 基于換流站控保系統(tǒng)的SPCD文件擴(kuò)展定義

換流站是指在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了完成將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電的轉(zhuǎn)換，并達(dá)到電力系統(tǒng)對(duì)于安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量要求而建立的站點(diǎn)。

換流站的控制調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)停、送直流功率以及控制電力潮流的方向，調(diào)節(jié)潮流的數(shù)量和其他電氣參量，處理和限制換流閥非正常運(yùn)行以及交、直流系統(tǒng)干擾所造成的影響，保護(hù)換流站的設(shè)備以及監(jiān)測(cè)換流站的各種參量等功能的智能微機(jī)系統(tǒng)。換流站及直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能和安全可靠程度與控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能和可靠程度密切相關(guān)，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也有重要的影響。

光纖物理回路SPCD文件已經(jīng)很好地描繪了二次對(duì)象的物理層級(jí)關(guān)系及光纖回路連接關(guān)系，是二次系統(tǒng)物理配置信息的基礎(chǔ)，但標(biāo)準(zhǔn)的SPCD文件并不能很好地兼容換流站的配置運(yùn)用，所以在此基礎(chǔ)上對(duì)換流站特有的物理對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)充建模，比如快速現(xiàn)場(chǎng)總線、IDM總線、DP總線、開(kāi)入開(kāi)出集線器、端子排、電纜、硬壓板等，可在屏柜元素及線纜元素部分分別擴(kuò)充對(duì)應(yīng)元素。繼電器擴(kuò)展建模參照實(shí)例如圖1所示。

圖1 K系列繼電器原理圖

繼電器擴(kuò)展建模采用了通用建模方式進(jìn)行擴(kuò)展。繼電器存在于數(shù)字量IO回路中，通過(guò)多層轉(zhuǎn)接將信號(hào)輸入輸出，同時(shí)，內(nèi)部引腳對(duì)于軟件解析來(lái)說(shuō)無(wú)必然關(guān)系。導(dǎo)致既要對(duì)每個(gè)引腳寫(xiě)IntCore，又要對(duì)繼電器內(nèi)部端子寫(xiě)IntCore，按常規(guī)方式配置連接關(guān)系，效率非常低下。同時(shí)，考慮繼電器部分采用特殊格式來(lái)提高配置效率并可優(yōu)化展示方式。繼電器擴(kuò)展建模格式如下所示：

K300繼電器

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""manufacture="" type="K300" class="RELAY">

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</Unit>

</IPCL>

繼電器元素及屬性說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 繼電器元素及屬性說(shuō)明

2 可視化比對(duì)方法

SPCD模型文件在運(yùn)維調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)小的修改，容易導(dǎo)致SPCD版本管理的混亂，因此對(duì)SPCD版本的比對(duì)需要進(jìn)行多層次的差異比較。關(guān)于SPCD版本比對(duì)的思路滿足兩點(diǎn)：①?gòu)腟PCD模型文件中提取物理回路信息；②以圖形化方式展示物理回路連接及差異情況。

實(shí)施流程如下：首先需要獲取兩個(gè)SPCD版本模型文件的屬性信息，然后對(duì)兩個(gè)模型文件進(jìn)行多層級(jí)的比對(duì)，即從站內(nèi)物理模型屬性、屏間物理線纜、屏間線纜纜芯和柜內(nèi)纜芯回路4個(gè)層次以可視化方式展示SPCD模型文件版本差異性的比對(duì)結(jié)果，確保SPCD模型文件版本比較的有效性和直觀性。可視化比對(duì)流程如圖2所示。

1）基于多層級(jí)物理模型屬性的第一層次比對(duì)：通過(guò)提取換流站內(nèi)所有物理對(duì)象的模型信息，如屏柜編號(hào)、設(shè)備板卡類(lèi)別和端子用途等，并比較兩個(gè)版本SPCD的差異。

圖2 可視化比對(duì)流程

2）基于屏間物理線纜的第二層次比對(duì)：通過(guò)提取Cable（物理線纜）層級(jí)下的配置信息，比對(duì)屏間物理線纜的增減情況，線纜自身屬性信息，得出物理線纜的差異變化結(jié)果，并用于第三層次比對(duì)時(shí)選擇差異線纜。

3）基于屏間線纜纜芯的第三層次比對(duì)：通過(guò)第二層比對(duì)結(jié)果選擇差異線纜，并解析Core（線纜纜芯）層級(jí)下的配置信息，比對(duì)出線纜纜芯的增減情況和端口回路信息差異變化。

4）基于柜內(nèi)纜芯回路的第四層次比對(duì)：在屏柜節(jié)點(diǎn)下獲取該柜內(nèi)所有跳纜關(guān)系，解析出所選屏柜的IntCore（柜內(nèi)纜芯）信息，并比對(duì)纜芯的增減情況、回路路徑和跳纜類(lèi)型等差異信息。

3 可視化比對(duì)的具體實(shí)現(xiàn)

在獲取兩個(gè)不同版本的SPCD文件基礎(chǔ)上，依次進(jìn)行物理模型屬性、屏間物理線纜、屏間線纜纜芯和柜內(nèi)纜芯回路4個(gè)層次的比較，完整獲取SPCD版本差異的比對(duì)結(jié)果。

3.1 物理模型屬性比對(duì)

第一層次的比對(duì)，通過(guò)提取兩個(gè)不同版本SPCD模型文件中的站內(nèi)物理配置信息，分別對(duì)站內(nèi)小室區(qū)域、小室內(nèi)屏柜、柜內(nèi)設(shè)備、設(shè)備板卡和板卡使用端子排等進(jìn)行多層級(jí)比對(duì)，比較出小室是否擴(kuò)建、室內(nèi)屏柜的類(lèi)型及數(shù)量、柜內(nèi)設(shè)備的更替、設(shè)備上板卡的啟停狀態(tài)和對(duì)應(yīng)端口的通信方式等差異信息，并以可視化的圖形界面進(jìn)行展示。

如圖3所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示物理模型新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“◆”表示物理模型減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示物理模型信息發(fā)生變化。

圖3 物理模型屬性比對(duì)

3.2 屏間物理線纜比對(duì)

第二層次的比對(duì)，通過(guò)提取Cable層級(jí)下的配置信息，解析出不同屏柜之間的物理線纜回路信息，比對(duì)每一條物理線纜的差異，總結(jié)出線纜數(shù)量的增減和線纜自身屬性的變化，其中線纜屬性變化包括線纜布置長(zhǎng)度、線纜內(nèi)纜芯的數(shù)量、線纜連接路徑和線纜類(lèi)型，隸屬于電纜、光纜和尾纜等。

如圖4所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示屏間物理線纜新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“◆”表示屏間物理線纜減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示屏間物理線纜屬性變化。

圖4 屏間物理線纜比對(duì)

3.3 屏間線纜纜芯比對(duì)

第三層次的比對(duì)，SPCD版本1和SPCD版本2逐個(gè)導(dǎo)入纜芯比對(duì)模塊，根據(jù)第二層次的比對(duì)結(jié)果，選擇差異線纜后，以圖形展示的方式快速比對(duì)出產(chǎn)生變化的線纜纜芯。

屏間線纜纜芯比對(duì)包括新增纜芯、減少纜芯和纜芯回路變化。以屏間設(shè)備為視角，以可視化方式展示所選屏柜設(shè)備和屏外設(shè)備之間物理回路的關(guān)系，并通過(guò)可視化的符號(hào)標(biāo)注兩個(gè)版本屏柜之間的纜芯端子變化信息。

如圖5所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示線纜纜芯新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“◆”表示線纜纜芯減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示存在線纜纜芯回路端子發(fā)生變化。

3.4 柜內(nèi)纜芯回路比對(duì)

第四層次的比對(duì)，SPCD版本1和SPCD版本2逐個(gè)導(dǎo)入纜芯比對(duì)模塊，從差異屏柜內(nèi)選取出差異柜內(nèi)纜芯后，以圖形展示的方式快速比對(duì)出產(chǎn)生變化的線纜纜芯。

柜內(nèi)纜芯回路比對(duì)包括新增纜芯、減少纜芯、纜芯回路變化和跳纜類(lèi)型。以屏內(nèi)設(shè)備為視角，以可視化方式展示所選設(shè)備和屏內(nèi)其余設(shè)備之間屏內(nèi)跳纜的關(guān)系，并通過(guò)可視化的符號(hào)標(biāo)注兩個(gè)版本屏柜之間的纜芯端子變化信息，點(diǎn)擊變化信息即可呈現(xiàn)跳纜類(lèi)型和回路功能等信息。

圖5 屏間線纜纜芯比對(duì)

如圖6所示，①在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“+”表示柜內(nèi)纜芯回路新增；②在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“◆”表示柜內(nèi)纜芯回路減少；③在對(duì)應(yīng)圖形通道上以“！”表示柜內(nèi)纜芯回路端子變化或者跳纜類(lèi)型由跳纜改為雙絞線等差異。

圖6 柜內(nèi)纜芯回路比對(duì)

3.5 可視化比對(duì)成果展示

可視化比對(duì)工具畫(huà)面由軟件自動(dòng)生成，畫(huà)面的生成依賴(lài)兩個(gè)條件：一個(gè)是SPCD數(shù)據(jù)模型，另一個(gè)是圖形可視化技術(shù)。軟件分別讀取兩個(gè)全站SPCD文件，并進(jìn)行比對(duì)展示，建立起物理回路連接關(guān)系示意圖。系統(tǒng)先定義好畫(huà)面布局及設(shè)備、物理回路連線和虛擬線纜等畫(huà)面元素的圖形樣式，然后將圖元樣式與數(shù)據(jù)模型結(jié)合起來(lái)，在適當(dāng)?shù)奈恢蒙侠L制出各個(gè)圖元，最終生成可視化比對(duì)展示畫(huà)面。

可視化比對(duì)工具采用跨平臺(tái)軟件QT設(shè)計(jì)界面框架，軟件擁有直觀簡(jiǎn)潔的用戶(hù)界面，方便運(yùn)維人員學(xué)習(xí)和使用。透明運(yùn)維配置工具生成軟件采用經(jīng)典界面布局模式，擁有直觀簡(jiǎn)潔的用戶(hù)界面：工具欄、樹(shù)形導(dǎo)航欄、工作區(qū)域，如圖7所示。

運(yùn)維人員使用時(shí)，只需通過(guò)上方工具欄分別按下“導(dǎo)入SPCD1”和“導(dǎo)入SPCD2”按鈕導(dǎo)入兩個(gè)不同版本的SPCD模型文件，工具就會(huì)自動(dòng)完成模型解析、比對(duì)，并按層級(jí)關(guān)系比對(duì)方法流程自動(dòng)生成可視化比對(duì)畫(huà)面展示。

圖7 可視化比對(duì)工具界面顯示

4 結(jié)論

本文提出了一種基于線纜物理回路SPCD文件的可視化比對(duì)方案，完成了SPCD文件可視化與文件信息的對(duì)比。該工具通過(guò)對(duì)不同版本的SPCD文件內(nèi)容的分析與提取，從4個(gè)層級(jí)自上而下逐步實(shí)現(xiàn)SPCD文件比較，通過(guò)可視化客戶(hù)端顯示所有鏈路信息，對(duì)差異處進(jìn)行標(biāo)記，直觀地展示了完整的SPCD版本比對(duì)信息。

該工具實(shí)現(xiàn)了直流換流站線纜回路運(yùn)維智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化，解決了依靠人力保證線纜物理回路配置信息效率低下且錯(cuò)誤率高的問(wèn)題，有效提升了運(yùn)維效率，降低了運(yùn)維成本，為二次運(yùn)維和調(diào)試等高級(jí)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，在直流換流站的管理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于變電站物理配置描述的換流站控保系統(tǒng)物理回路可視化比對(duì)方法”，作者為湯曉崢、施琳、喻春雷、宋金山、張祥。