當前智能變電站的裝置配置建模開發和工程集成普遍采用獨立軟件實現，存在功能邏輯程序和二次回路信息孤立、故障定位困難、升級工作量大等問題。
為解決上述問題，本文開發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據，可自動形成裝置邏輯回路視圖，并支持形成交叉索引信息，實現功能程序頁面和回路配置頁面之間的跳轉瀏覽及可視化調試。通過應用該軟件，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系。而二次“虛回路”無法直觀可視，設備改造涉及全站配置文件的修改和驗證，調試時間長，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，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了站控層的遙信數據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系，實現對虛擬二次回路狀態的監視。
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，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研究子課題，開發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現。
1 軟件設計與實現
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程序、功能程序和模型文件。驅動程序包括硬件相關驅動、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行工程管理，具備變量數據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據連線搭建而成，在功能邏輯可視化頁面對裝置輸入、輸出變量進行邏輯節點建模，形成裝置的虛端子。在回路可視化頁面內使用邏輯節點與對應的虛端子進行裝置間聯系，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，層次樹按照變電站、電壓等級、間隔、裝置節點展示。軟件層次結構如圖2所示。在圖2中變電站節點可創建多個電壓等級，電壓等級節點可創建多個間隔，在間隔節點可創建多臺裝置，也支持在變電站節點創建跨間隔的裝置。
圖2 軟件層次結構
在裝置節點下細分裝置配置、功能邏輯、通信配置、二次回路子節點。在裝置配置節點內，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。功能邏輯節點下可在多個插件節點下新建頁面和功能塊（功能塊是實現邏輯和數學運算的圖形化符號，包括輸入、輸出、參數等接口，是可視化頁面編輯的基本單位），進行邏輯程序配置。
通信配置節點采用圖形化符號方式，可設置MMS、GOOSE、SMV通信子網、過程層報告控制塊的MAC地址、VLAN等信息。二次回路節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計如下：
1）用戶創建工程?；陔x線驅動包或在線連接裝置方式創建裝置。
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。對用戶新建頁面進行邏輯編程、進行輸入-輸出等數據連線配置，采用圖形化符號進行邏輯節點配置。
4）人機HMI配置。在錄波界面中配置開關量、模擬量錄波；對HMI菜單進行結構配置，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、刀閘等符號進行主接線配置。
6）離線定值整定。在定值節點設置定值，并可導入、導出定值模板。
7）IEC 61850層次結構定義。包括創建連接接入點S1、G1、M1、邏輯設備LD0、PROT、MEAS、PIGO、PISV等。
8）保存文件。形成裝置驅動包和ICD文件，若出錯，則根據提示信息進行處理。
9）在通信配置節點進行通信子網、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、驅動包。
12）下載驅動包到裝置中，使得配置生效。
13）裝置調試。采用可視化邏輯頁面調試和虛擬液晶工具調試等方式，對裝置功能進行狀態瀏覽和在線操作。
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。功能邏輯可視化頁面按照插件/處理器分散部署，每個插件/處理器包含多個應用，實現特定的裝置功能。
軟件提供通用功能塊符號，包括邏輯運算、算術運算、時間延時等模塊，該類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、類型位于圖形符號的內部，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分，符號外觀宜保持一致。
4）應將符號的輸入-輸出均勻排列在邊框上，輸入點之間、輸出點之間的間距應為1個網格距離。
對于保護、測控等應用級功能模塊，采用統一風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，通過連接線完成數據連線，實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在裝置配置子節點界面內創建。從建模角度分析，模塊化元件可以是邏輯節點的組合關系。
圖3 功能邏輯圖示例
在編輯元件數據屬性時，可創建若干邏輯節點，并關聯邏輯設備，將元件內變量和邏輯節點的DA數據屬性進行關聯映射。當元件實例化時，也自動實例化元件內的邏輯節點，形成邏輯節點的實例號。此外，提供LLN0、LPHD、GGIO、MMXU、PTRC等通用邏輯節點的圖形化符號，滿足不同元件實例的變量配置到1個邏輯節點的需求。
元件內邏輯節點建模示例如圖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，實現元件內邏輯節點建模。
圖4 元件內邏輯節點建模示例
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。
在形成裝置驅動包時，通過讀取和處理可視化頁面內元件和通用邏輯節點符號數據，可形成各個邏輯設備下的邏輯節點實例化列表，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個間隔內其他裝置作為源發送裝置和接收目的裝置。雙擊虛回路節點，分虛端子信號傳輸配置頁面、邏輯回路瀏覽頁面子節點。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，列出本間隔內裝置ICD發送數據集列表，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、關聯的數據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Addr記錄的短地址名進行交叉索引，實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，可自動形成裝置邏輯回路關系圖，其實現步驟如下：
1）讀取可視化回路配置頁面的虛端子配置符號數據，通過分析源裝置發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，匯總源裝置的發送數據集、發送控制塊，形成各個裝置間變電站事件（GSE）、采樣值（SMV）發送-接收交互關系。
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）根據裝置之間發送數據集、發送控制塊和接收虛端子的關聯關系，采用自動連線方法，形成GSE、SMV有向連接線。
4）創建裝置符號列表、連接線列表，形成邏輯回路關系圖數據，并展示圖形化符號和連線。
其中，回路圖屏數計算方法如下：單屏為A4紙張大小的橫向視圖，采用橫向擴展屏數。設源裝置數量為SNum、目的裝置數量為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送塊、發送端子、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PCS-VisStation軟件將驅動包下載到裝置中。裝置基于動態注冊機制，形成實例化元件的動態內存。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構體內相對偏移地址等信息，下發調試報文，裝置上送變量值。
圖7 可視化調試方案設計
針對動態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，可記錄結構體實例的首地址。PCS-VisStation軟件和裝置進行連接后，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語言語法，提取元件結構體定義信息。根據裝置側處理器的字長信息，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。
裝置根據結構體實例名在元件動態注冊表中查詢的結構體首地址，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面視圖連接線上刷新顯示。
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個軟件內實現，軟件基于動態鏈接庫（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文件后所進行跨裝置的虛回路配置，通過形成交叉索引符號，實現功能邏輯頁面和二次回路頁面銜接跳轉，通過調試功能邏輯的發送變量和接收變量，快速定位鏈路故障。
手機掃描二維碼
