摘要：提出由设计院完成智能变电站模型和站内数据流的设计，做到站内数据源统一且唯一。为实现该设计方式，同时简化设计人员工作,制定了图形化模型设计软件的开发方案。方案采用AutoCAD的ActiveX Automation技术进行二次开发，软件分为图形编辑模块和模型编辑模块，将IEC61850模型文件与CAD图形相关联，在CAD的图块中增加建模所需的扩展属性，通过XML数据库在模型文本和图形文件间交换模型信息，以提高访问和搜索模型的速度。使用绘图加定义属性值的方式最终完成图纸和模型的双重设计。

　　引言

　　随着智能电网建设的开展,越来越多的变电站采用智能化方案进行建设JEC61850标准体系与智能变电站建设的全过程结合愈加紧密。在IEC61850中详细规定了智能变电站中数据流的产生和传输过程，采用建模的方式描述变电站一、二次系统的设备能力和接线方式，以变电站配置描述语言SCL(Substation Configuration description Language)为基础，采用可扩展标记语言XML(eXtensible Markup Language)格式的模型文件作为各类装置和系统信息交互的平台。

　　工程中常用的模型工具软件有2种:智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device)装置配置工具和系统配置工具。实际工程中由IED制造商采用装置配置工具建立IED能力描述ICD(IED Capability Description)模型文件，由变电站自动化系统SAS(Substation Automation System)集成商采用系统配置工具根据变电站的主接线图配置系统规范描述SSD(System Specification Description)模型文件，然后根据变电站的一、二次系统原理图配置变电站配置描述SCD(Substation Configuration Description)模型文件，并在SCD文件中以虚端子的方式体现系统的数据流连接。

　　在采用IEC61850标准体系建设的变电站中，模型文件的交互贯穿在设计、调试、施工、验收的整个建设过程中，以SCD文件作为变电站的信息数据源，建立变电站全景信息模型,实现信息共享。现有的变电站中除了SCADA系统外还有继电保护故障信息系统、相量测量单元(PMU)、在线监测系统、配电管理系统(DMS)等各类子系统，它们都要从SCD中订阅各自所需的信息，因此在站内必须要保证模型文件的规范和系统信息的统一，同时应保证SCD文件是站内唯一的信息数据源。鉴于此，本文提出一种基于AutoCAD的智能变电站图形化模型设计软件的开发方案作为系统配置工具。

　　1软件的功能需求

　　1.1现有设计方式的缺点

　　在现有的智能变电站工程中，设计方式和原有的常规变电站基本一致，由IED制造厂商提供装置原理图和组屏图，由设计院根据工程规划绘制一、二次系统接线图和网络接线图等工程图纸。在调试、施工时无论是装置配置工具、系统配置工具还是工程的配置工作多由设备制造厂商完成,其中系统配置一般由后台监控系统厂商完成并提供SCD文件。这种设计方式的弊端是：

　　a.严重依赖设备厂商,在设计、施工、调试、维护过程中都必须有厂商参与，由厂商提供各类配置工具,工具缺乏通用性，对工程的参与人员要求比较高，综合人力成本高，基本上由集成商掌握联调工作进度和工程进度；

　　b.多次进行信息人工输入，由于站内可能存在多个子系统，由监控厂家作为系统集成商配置的SSD和SCD模型需要提供给各子系统使用,而各子系统的要求可能不同，由一个厂商负责修改全站配置信息不利于工作的协调，且难以保证模型的一致性，各系统厂商修改维护需要十分小心；

　　C.变电站改扩建不便利，由于系统集成由设备厂商完成，改扩建时若更换厂商,则原有的配置继承非常有限。

　　L2理想的设计方式

　　理想的智能变电站设计，由第三方设计院承担部分系统集成商的职责，在设计中除了完成常规的一、二次接线图外，还需要根据各设备厂商提供的ICD模型文件及变电站一、二次设备的配置原理完成完整的全站数据模型配置和变电站的数据流连接，完整的数据模型包括反映一次接线的SSD文件和包含SSD、ICD及数据流配置的SCD文件，数据流连接包括通用面向对象的变电站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)和采样值SV(Sampled Values)的虚端子连接,真正做到变电站中只输入一次信息、通过交互的方式实现信息的共享,在设计层面上完善和实现智能变电站的开放性。

　　1.3软件的功能需求

　　图形化模型设计软件需要满足理想的智能变电站设计需求,符合设计人员的使用习惯，降低设计人员对IEC61850标准体系理解的要求，尽可能自动将工程中原有的自然语言如图纸、码表、口头交流等技术转化为釆用SCL的计算机语言模式，使设计人员既能完成常规图纸的设计，又能在此基础上完成全站信息数据源的设计，其主要功能如下。

　　a.SSD一次系统建模。软件根据IEC61850-6定义的一次设备装置类型建立图元，图元中包含建模时所需属性，如连接端子数、设备名称、类型代码等，表1为部分设备类型及所需属性。

　　绘制主接线图时给每个具体的图元添加必要的属性值，接线图绘制好后，自动根据接线关系生成SSD模型文件。

　　b.SCD二次系统集成。设计人员首先绘制二次系统的网络结构图，为网络上的每个IED图元导入一个ICD模型，并配置好相应的设备名称、通信地址等信息，软件根据ICD文件自动生成虚端子图;然后设计人员根据二次回路的设计要求,在二次设备的虚端子图上进行连线操作，软件自动生成虚端子的关联模型并添加到SCD中。

　　c.SCD全站系统集成。在绘制好的变电站线图上导入SCD二次系统集成文件,软件根据定义好的IED名称，自动寻找需要关联的一、二次模型文本段落，釆用向导式的方法完成二次设备逻辑节点与一次设备的关联,完成全站系统集成。

　　2软件的开发方案

　　为满足软件的功能需求,设计软件采用AutoCAD二次开发的方式，将建模与CAD图纸设计绑定，通过绘图和定义图元属性值的方式帮助设计人员自动完成建模工作，同时借助于数据库存储XML数据，提高模型信息的访问、搜索速度。

　　在AutoCAD中分别开发：图形编辑模块，用于绘制常规图纸和扩展属性定义功能;模型编辑模块,用于最终生成模型文件，支持文件的导入、导出、编辑和校验等高级功能。2个模块通过访问数据库接口，完成模型信息的共享操作，图1所示为软件的总体方案图。

　　2.1软件所需关键技术

　　2.1.1AutoCAD的ActiveX Automation技术

　　AutoCAD是一种结构高度开放的图形绘制平台软件，提供给用户一个功能强大的二次开发环境。从AutoCAD R14版本起,AutoCAD引入了ActiveX Automation技术，图2所示为ActiveX Automation开发结构，VC、VB、Java等各种面向对象的编程环境下的语日和应用程序可通过ActiveXAutomation与AutoCAD进行直接通信，并操纵AutoCAD的多种功能，完成图形的绘制和属性的编辑。

　　用户通过ActiveX Automation访问AutoCAD开放的各级对象。包括Application对象(AutoCAD本身)、优先设置(Preferences)对象和文档(Docilment)对象等，其中Application对象处于最顶层。是AutoCAD ActiveX Automation对象模型的根对象，如图3所示，所有其他对象都是该对象的派生，都要直接或间接通过该对象来获得，且各个对象的获得都需一层一级地进行。

　　Application对象是ActiveX接口的外部对象,它的所有方法和属性对于外部空间都是可用的,用户可以从中访问任何一个对象及其属性和方法，从而控制AutoCAD进行图形的绘制，并将图形中的属性导出到外部数据库中。

　　ActiveX Automation技术使得在AutoCAD中开发图形编辑模块和模型编辑模块更加容易，既可以调用AutoCAD的编程接口直接访问AutoCAD的图形数据，也可以调用外部的XML解析程序接口，简化了图形的扩展属性编辑和IEC61850模型的编辑，还可通过数据库连接接口共享数据。

　　2.1.2基于XML的AutoCAD属性编辑

　　XML是互联网联合组织(W3C)创建的一组规范,是为了解决计算机之间传输和交换文档的问题,它包括一组技术。XML是标准通用标记语言SGML(Standard Generalized Markup Language)的子集，但它克服了SGML描述信息的复杂性、SGML文档在网络上传输的庞大性和超文本标记语言HTML(HyperText Transfer Protocol)描述信息的不易扩充性。当然,XML继承了SGML与系统无关和平台独立的特性，也具有HTML的简单性。XML能够结构化地描述信息，具有清楚表达信息的能力。XML不但定义了描述文档的组织形式，也定义了对文档校验约束的形式(如IEC61850-6标准所描述的SCL就是以XML格式存储的)，同时还定义了一套Schema校验体系,保证文本的语法和约束。

　　AutoCAD中定义的扩展属性需要按照IEC61850-6的要求来编辑。图块的扩展属性为每个独立设备的属性，通过AutoCAD的二次开发，可以将所有属性按XML的文件格式输出保存，降低图形编辑模块、数据库、模型编辑模块间的数据转换开销，同时,Schema校验技术能够保证在图形化关联错误时提示异常信息。图4为基于XML的AutoCAD属性输出。

　　2.1.3基于数据库的XML存储技术

　　在智能变电站的设计应用中，若直接对XML文本进行编辑，不利于图形界面的开发，因此需借助数据库的方式对XML数据进行存取和操作，将半结构化数据转化为结构化数据，通过査询数据库来提取、综合和分析XML文档的数据。

　　XML数据本身的树形结构不同于关系模型中的二维表结构，这种差别在数据库处理XML数据的技术上主要表现为:直接将XML文本文件作为存储单元，用户只用XML文档存取数据，简称为NXD(Native XML Database)；利用在原有关系型数据库基础上扩充的处理XML的模块，将XML文本格式的目标数据按规则拆分并分别存入传统的二维表,当用户读取数据时通过执行内嵌功能模块将数据进行重组，从而返回原本的XML格式数据，简称为XED(XML Enabled Database)。使用XED时需要将ICD、SCD等文件分解为规则的二维表，在建立数据库时需要详细的分解模型文件结构，否则容易造成文件与数据库在转换过程中的信息丢失,影响系统集成的质量，而NXD应用的是层次数据存储模型，它保持了XML文档的树型结构并省去XML文档和传统数据库之间的数据转换过程，保证了文件的正确性,但是在实际应用中解析整个XML文件通常需要将文件读入内存，构建文档对象模型DOM(Document Object Model)树，当XML文件较大时，整个解析过程用时较长，在软件处理时可以采用分层次解析的方法,尽量缩短解析时间。

　　基于数据库的XML存储技术，使得图形编辑模块和模型编辑模块都能够从数据库中获得需要的信息,如图形编辑模块所需要的扩展属性和模型编辑模块对模型的导入、导出、编辑等各类操作。

　　2.2软件的实现

　　2.2.1图块编辑功能

　　该功能主要完成图块编辑定义和属性扩展功能。

　　由于各设计院所使用的块图元不尽相同,软件提供了图块自定义及修改的功能,图块所需扩展属性由特定XML表示,新增图块时,首先需要在XML下定义扩展属性，使用AutoCAD提供的基础属性组合成扩展属性,然后进行图块的绘制，最后将图块与编辑好的属性类型关联，完成图块与扩展属性的绑定,并通过画图形成图元。图5为生成图元的流程图。

　　a.扩展属性编辑。扩展属性主要用于绑定IEC61850定义的相关属性及软件操作时所需要的标识，如:二次需要包含IED名称、物理设备名称、模型路径等。扩展属性定义如下：

　　b.图块编辑。根据功能需要，对图元进行分类,一类是一次接线图所需图元，包括开关、刀向、变压器等一次设备图元,根据这些图元的连接关系图以及图元的扩展属性，可以生成相应的SSD文件;另一类是二次接线图、网络图等所需的图元,包括二次设备图元、网络关系图元、虚端子开入和开出端图元等，根据这类图元可以连接生成虚端子图，导岀SGD的虚端子连接部分信息以及构成SCD的各设备ICD信息。在完成编辑或修改后选择所定义的图块类型,即可根据预先定义好的扩展属性自动生成图块属性。软件通过GetSelUnitType()获取图块类型,通过SetUnitType()设置图块属性，代码如下：

　　2.2.2 SCD编辑功能

　　SCD编辑功能分为SSD编辑功能和虚端子编辑功能。SSD编辑功能主要完成一次接线图的绘制与SSD模型文件间的相互转换。虚端子编辑功能主要完成各间隔网络结构图的绘制、各装置ICD模型的导入与集成配置及虚端子信息的编辑等。

　　2.2.2.1 SSD编辑功能

　　使用预先定义好的一次图元绘制主接线图，添加扩展属性值，如断路器需对其设备描述、分相信息等进行具体赋值。根据IEC61850-6标准定义,SSD模型文件可按图6所示结构分析主接线图并自动生成文件。

　　解析生成SSD模型文件的方法如下。

　　a.确定各设备连接关系。检索主接线图中所有设备的端子，依照端子连接的定义分析出各设备间的连接关系。

　　b.确定母线图元的扩展属性中定义的电压等级和单位判断母线的电压等级。

　　c.划分间隔及间隔设备。对于确定的电压等级,搜索其母线到母线或者母线到主变之间的所有连接设备串。对于只含1个断路器的间隔，搜索到的每个连接串即为一个间隔，间隔以断路器名称命名,连接串内的所有设备即为间隔设备。对于包含2个或2个以上断路器的连接串，如3/2接线方式下，需在AutoCAD上对连接设备串进行人工分组,每组为1个间隔，间隔名为组名，组成员即为间隔设备。

　　d.确定绕组。若连接串既包含母线也包含主变，则母线电压即为绕组电压，根据电压等级确定绕组种类。

　　e.确定设备连接信息。连接信息格式为：变电站/电压等级/间隔/连接点，对于连接串内的任意一个设备，连接点名称按顺序依次生成，如L1、L2、…,其他信息直接从扩展属性中取得。软件实现方式为通过ObjectsLinkedMap函数得到各设备连接关系，通过GetVSteps函数获取电压等级，然后分别对每个电压等级检索间隔，划分好间隔后通过WriteSSD直接输出。代码如下：

　　f.SSD二次关联。作为独立的信息结构，软件单独提供界面供各个设备或间隔与二次设备信息进行关联，关联信息保存在图元的扩展属性中。

　　2.222 SCD编辑功能

　　SCD系统集成模块完成各间隔网络结构图的绘制、各装置ICD模型的导入与集成及虚端子信息生成等。

　　a.绘制网络结构图。根据定义的IED图块、设备类型图块绘制网络结构图，每个间隔的网络结构图体现了间隔间设备的通信连接方式和信息走向，如图7所示为某间隔内线路保护装置、合并单元及智能单元之间的结构关系。

　　b.导入装置ICD模型。在已绘制的网络结构图上，为每个网络上的IED图元导入1个ICD模型并存入数据库中，同时需要配置相应的设备名称、通信地址等信息，1个IED图元可以配置基于同一个ICD模型的一类设备信息，其中IED名称作为图元的扩展，它是连接图元和数据库的唯一标识。ICD导入过程代码如下：

　　c.生成虚端子信息。软件根据导入的ICD文件自动生成虚端子图;软件将站内已经添加的所有设备按树形结构列岀，分别为虚端子输入端、虚端子输出端和虚端子关联信息窗口，在关联窗口中选择需要接入的端子,在输出窗口中选择发送端子，软件将连接信息按照IEC61850-6中定义的要求将Inputs写入接收设备模型中并存入数据库。

　　2.2.3数据库功能

　　数据库功能提供将模型文件分解为数据表和将数据表恢复成模型文件所需的操作接口。根据软件的需要，按照IEC61850的要求在数据库中建立模型库、操作员库、图元库和图纸库，数据库的存储以文件为中心,将模型文件按描述层次分解为若干个文本块建立数据表，数据库中除了操作员库外，其他数据库均按照二进制文件方式存储。图8为XML数据库结构示意图。

　　软件需要根据设计习惯提供一些站内配置信息的表格，如装置定值表、通信地址表、虚端子表等，并且需要将完成设计图纸转换成SCD、CID模型文件,上述信息都由软件从数据库中读取相应的信息，组合编辑为所需的文件。表2为PL5001:PSL603U保护根据IED的虚端子信息，从数据库中将关联信息取出后生成的表格,数据流向为从开出量流向开入量。

　　3.结语

　　针对智能变电站设计方式由常规的电缆连线设计向数据模型和数据流设计的转变，提出釆用理想的智能变电站设计方式，由第三方设计院承担部分系统集成商的职责，按照设计需求制定了图形化模型设计软件的开发方案.采用AutoCAD的ActiveX Automation技术，开发图形编辑接口，添加符合IEC61850-6标准定义的图形扩展属性，新添加的属性使用XML文档格式输入、输出，通过XML数据库存储技术与模型编辑模块接口,最终在设计阶段既能够完成常规图纸的设计，包括一、二次接线图，网络图，电缆清册等，又能完成智能变电站调试、施工所需要的虚端子接线图、生成模型文件，建立变电站全景信息模型，真正做到站内使用统一的数据源。另一方面，AutoCAD的图形化操作界面也符合设计人员的设计习惯,可以降低设计人员对IEC61850的理解要求，使智能变电站的数据流设计工作由依靠厂商完成转换为依靠第三方设计机构完成，减少工程中的沟通成本,为工程的顺利实施和今后的改扩建提供了便利。

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