陳 盼，林傳偉，湯惠芳，黃皖生

（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003）

0 引言

在智能變電站二次設(shè)計(jì)中，為了最小化對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的改動，業(yè)界提出了虛端子的概念[1-3]，它與傳統(tǒng)變電站中的端子排相對應(yīng)，相當(dāng)于IED（intelligent electronic device，智能電子設(shè)備）的功能接口索引。隨著智能變電站的發(fā)展，虛端子設(shè)計(jì)已成為二次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的SCD（Substation Configuration Description，全站系統(tǒng)配置文件）文件已成為智能變電站工程調(diào)試及運(yùn)行檢修的核心文件。

在一些已投運(yùn)的智能變電站試點(diǎn)工程中，虛端子設(shè)計(jì)遇到的主要問題之一是在變電站調(diào)試過程中，一旦廠家需要修訂 ICD（IED Capability Description，IED能力描述文件）模型文件，與該裝置相關(guān)的虛端子關(guān)聯(lián)關(guān)系將全部被刪除，設(shè)計(jì)單位、集成商廠家、調(diào)試單位需重新關(guān)聯(lián)虛端子，大量重復(fù)性勞動導(dǎo)致調(diào)試時(shí)間增長，直接影響工程工期，降低設(shè)計(jì)調(diào)試質(zhì)量[4]。

解決上述問題的有效途徑之一是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則的自學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)虛端子的自動關(guān)聯(lián)。這樣，當(dāng)需要替換ICD模型文件時(shí)，虛端子的關(guān)聯(lián)工作將由計(jì)算機(jī)完成，原來繁復(fù)的手動關(guān)聯(lián)將變成簡單的數(shù)據(jù)刷新等操作，節(jié)省時(shí)間的同時(shí)減少了錯(cuò)誤率。

目前，關(guān)于虛端子自動關(guān)聯(lián)的研究較少，國內(nèi)已出現(xiàn)一些智能變電站輔助設(shè)計(jì)工具[5]，可實(shí)現(xiàn)虛端子可視化設(shè)計(jì)，自動生成SCD文件，一定程度上提高了設(shè)計(jì)效率。但這類軟件大部分只具備“典型間隔復(fù)制”、“相同模型替換”等功能，要求互相復(fù)制或替換的虛端子完全相同，無法應(yīng)對設(shè)備配置不同的情形。

針對虛端子圖文雙重表達(dá)、語義性強(qiáng)、可讀性好等特點(diǎn)，本文提出基于關(guān)鍵字符匹配的虛端子自動關(guān)聯(lián)方法：以關(guān)鍵字符為紐帶，通過查找關(guān)鍵字符和調(diào)整虛端子順序使待關(guān)聯(lián)文件和模板文件中功能相同的虛端子位置一致，從而實(shí)現(xiàn)虛端子自動關(guān)聯(lián)。

1 虛端子數(shù)據(jù)格式、命名規(guī)范及應(yīng)用

現(xiàn)階段，變電站中的二次設(shè)備均按照IEC 61850進(jìn)行建模。IEC 61850采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎx了樹形、層次化的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)[6-8]，從上到下依次可分為物理設(shè)備（physical device，PD）、邏輯設(shè)備（logical device，LD）、邏輯節(jié)點(diǎn)（logical node，LN）、數(shù)據(jù)對象（data object，DO）、數(shù)據(jù)屬性（data attribute，DA）。在此基礎(chǔ)上，對每個(gè)對象生成一個(gè)全局唯一的索引[9]，即虛端子名稱的數(shù)據(jù)格式為

IEC 61850定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類及對象，但未明確如何建模，即未定義各種具體的物理設(shè)備分別包含哪些邏輯設(shè)備，不同的邏輯設(shè)備包含哪些邏輯節(jié)點(diǎn)等。為指導(dǎo)IEC 61850規(guī)范的實(shí)施和工程應(yīng)用，國網(wǎng)公司2010年發(fā)布了《IEC 61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型》[10]，對于如何建模、命名規(guī)則等予以細(xì)化和補(bǔ)充，以規(guī)范化國內(nèi)不同廠家虛端子格式和命名。

從應(yīng)用的角度看，一些已建設(shè)的智能變電站試點(diǎn)工程中，設(shè)備建模及虛端子表達(dá)有以下特點(diǎn)和問題：

（1）由于引用了規(guī)范中的類名及對象名，不同廠家的虛端子名稱具有一定的相似性。

（2）國內(nèi)二次廠家數(shù)量較多，各廠家對規(guī)范的理解存在偏差，依照同一規(guī)范設(shè)計(jì)出的虛端子仍具有一定的差異性。

（3）目前智能變電站的發(fā)展尚未成熟，同時(shí)各廠家對產(chǎn)品的研發(fā)求變是一個(gè)不間斷的過程，規(guī)范中對具體實(shí)施留有一定的自由度，各廠家內(nèi)部模型不一，虛端子實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)一還需較長時(shí)間。

綜上所述，各廠家的虛端子設(shè)計(jì)現(xiàn)階段及相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)將呈現(xiàn)相似性與差異性共存的現(xiàn)象，要求不同廠家的虛端子完全一致是較難實(shí)現(xiàn)的，只能對其進(jìn)行模糊匹配。

2 基于關(guān)鍵字符匹配的虛端子自動關(guān)聯(lián)方法

2.1 關(guān)鍵字符矩陣及提取原則

一般二次設(shè)備廠家提供的虛端子包含編號、名稱、定義及軟壓板情況，如表1所示。

表1 虛端子示意Table 1 Interpretation of virtual terminals

本文將虛端子的關(guān)鍵字符定義為：從表達(dá)方式不同、功能相同的一系列虛端子名稱及定義中提取出的具有共同語義的特征字符。通過查找關(guān)鍵字符，可對具有某個(gè)功能的虛端子實(shí)現(xiàn)精確定位。

對每一個(gè)虛端子分別提取關(guān)鍵字符，即構(gòu)成了關(guān)鍵字符矩陣。例如，可設(shè)置表1中虛端子的關(guān)鍵字符矩陣，如表2所示。

表2 虛端子關(guān)鍵字符矩陣Table 2 Key-character matrix of virtual terminals

為提高關(guān)鍵字符的查找定位功能，可遵循下列原則設(shè)定關(guān)鍵字符：

（1）對于每個(gè)虛端子都包含的字符，可不設(shè)為關(guān)鍵字符，以減少程序運(yùn)行時(shí)間，如表1中的“MU”不必設(shè)為關(guān)鍵字符；

（2）關(guān)鍵字符應(yīng)當(dāng)是面向某一類功能的虛端子，而非某個(gè)具體的虛端子；

（3）對于能顯著區(qū)分某類虛端子特征的字符，可適當(dāng)增加權(quán)重。

2.2 關(guān)聯(lián)矩陣

若虛端子A的名稱或定義中包含關(guān)鍵字符B，則認(rèn)為A和B是相關(guān)聯(lián)的，關(guān)聯(lián)系數(shù)為1，反之，則認(rèn)為二者無關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0。

一組關(guān)鍵字符一般含多個(gè)字符，某虛端子對組內(nèi)所有關(guān)鍵字符的關(guān)聯(lián)系數(shù)之和稱為該虛端子對該組關(guān)鍵字符的關(guān)聯(lián)系數(shù)。每一個(gè)虛端子對每一組關(guān)鍵字符求關(guān)聯(lián)系數(shù)，即得到關(guān)聯(lián)矩陣，如圖1所示。

關(guān)聯(lián)矩陣中，行表示同一個(gè)虛端子對每一組關(guān)鍵字符的關(guān)聯(lián)系數(shù)；列表示不同虛端子對同一組關(guān)鍵字符的關(guān)聯(lián)系數(shù)。關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，則虛端子中包含該組關(guān)鍵字符的字符數(shù)量越多，這意味著通過該組關(guān)鍵字符查找該虛端子的概率越大。

圖1 關(guān)聯(lián)矩陣示意圖Fig. 1 Schematic of connection matrix

2.3 虛端子自動關(guān)聯(lián)方法

虛端子自動關(guān)聯(lián)流程如圖2所示，具體步驟為

（1）首先，選擇某個(gè)間隔進(jìn)行手動虛端子關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)好的文件定義為模板文件；其他未關(guān)聯(lián)的虛端子定義為待關(guān)聯(lián)文件。

（2）比較模板文件與待關(guān)聯(lián)文件輸入輸出虛端子名稱是否相同，若相同，則直接復(fù)制模板文件的虛端子，轉(zhuǎn)向（9），若不同，則轉(zhuǎn)至（3）。

圖2 虛端子自動關(guān)聯(lián)流程圖Fig. 2 Flow chart of automatic connection

（3）分析待關(guān)聯(lián)文件與模板文件的虛端子規(guī)律，對于規(guī)律不明顯的可進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。比如測控裝置，虛端子量大，各廠家規(guī)律不一，很難設(shè)置關(guān)鍵字符，此時(shí)可通過增加一個(gè)附加項(xiàng)（遙信開入1，遙信開入2，…）作為虛端子定義以提高匹配率。

（4）分析待關(guān)聯(lián)文件與模板文件的虛端子名稱及定義的語義特征，設(shè)置關(guān)鍵字符矩陣。

（5）求模板文件對關(guān)鍵字符矩陣的關(guān)聯(lián)矩陣。

（6）根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣調(diào)整關(guān)鍵字符的排列順序，使之與模板文件的順序一一對應(yīng)，調(diào)整后得到新的關(guān)鍵字符矩陣。

（7）求取待關(guān)聯(lián)文件對于新關(guān)鍵字符矩陣的關(guān)聯(lián)矩陣。

（8）根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣調(diào)整待關(guān)聯(lián)文件的虛端子順序，使之與新關(guān)鍵字符矩陣一一對應(yīng)，也即與模板文件中具有相同功能的虛端子順序一一對應(yīng)。

（9）將待關(guān)聯(lián)文件輸入輸出虛端子按調(diào)整后的順序依次對應(yīng)，完成虛端子的自動關(guān)聯(lián)。

（10）檢測是否所有虛端子關(guān)聯(lián)完，若是，則轉(zhuǎn)向（11），否則，對其進(jìn)行手動關(guān)聯(lián)后轉(zhuǎn)向（11）。

（11）檢測所有待關(guān)聯(lián)文件的虛端子是否關(guān)聯(lián)完，若沒有，則轉(zhuǎn)至（2），反之，則結(jié)束程序。

需特別注意的是，由于是模糊匹配，難免存在一對多（即一組關(guān)鍵字符查找出多個(gè)虛端子）的情況，此時(shí)可通過調(diào)整關(guān)鍵字符進(jìn)行改善。另外，一般此類虛端子數(shù)量較少，也可直接手動關(guān)聯(lián)。由于經(jīng)過關(guān)鍵字符篩選，此時(shí)手動關(guān)聯(lián)的選擇范圍顯著減少（一般為2~4個(gè)），相應(yīng)工作量也顯著減小。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及平臺

以某220 kV智能變電站為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。線路1間隔的保護(hù)裝置、合并單元、智能終端均選用國電南自的設(shè)備，線路2間隔選用南瑞繼保的設(shè)備。選擇線路1間隔配置的虛端子作為模板文件，線路2間隔為待關(guān)聯(lián)文件，模板文件和待關(guān)聯(lián)文件的輸入輸出虛端子均不相同，字符相似度在50%左右。

在2.0 G-Hz，2.0 G-RAM個(gè)人電腦，WindowsXP操作系統(tǒng)上使用Matlab R2009a編程實(shí)現(xiàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

以合并單元輸出至保護(hù)裝置為例，簡要說明虛端子自動關(guān)聯(lián)的步驟。

第一步：手動配置模板文件，如表3所示。

表3 模板文件虛端子配置表Table 3 Configuration table of virtual terminals in template file

第二步：設(shè)置合并單元的關(guān)鍵字符矩陣。

分析模板文件和待關(guān)聯(lián)文件合并單元的數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵字符矩陣如表4所示。

表4 合并單元的關(guān)鍵字符矩陣列表Table 4 Key-character matrix of merging unit

第三步，計(jì)算模板文件合并單元對關(guān)鍵字符矩陣的關(guān)聯(lián)矩陣如式（1）。

第四步：根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣調(diào)整關(guān)鍵字符矩陣的行位置，得到新的關(guān)鍵字符矩陣。

表5 合并單元新的關(guān)鍵字符矩陣列表Table 5 New key-character matrix of merging unit

關(guān)聯(lián)矩陣中，每一行中關(guān)聯(lián)系數(shù)最大的列號即為與該行虛端子關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的關(guān)鍵字符的序號。如關(guān)聯(lián)矩陣中第一行中關(guān)聯(lián)系數(shù)最大為“6”，在第“7”列，則說明關(guān)鍵字符矩陣中第7行（7 'TVTR' 'VOL1''UA' '電壓' 'A' '采樣值1' '電壓1'）與合并單元的第一個(gè)虛端子（SVOUT17 MU/UATVTR1.Vol1 電壓A相:電壓采樣值1）關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，因此，將該組關(guān)鍵字符位置提至第一行，與虛端子的位置保持一致。同理對每一行進(jìn)行調(diào)整得到新的關(guān)鍵字符矩陣如表5所示。

第五步：求待關(guān)聯(lián)文件中合并單元對新關(guān)鍵字符矩陣的關(guān)聯(lián)矩陣。

計(jì)算可得關(guān)聯(lián)矩陣為

第六步：根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣調(diào)整待關(guān)聯(lián)文件中合并單元的位置。

與上一次關(guān)鍵字符位置調(diào)整不同的是本次應(yīng)調(diào)整合并單元虛端子的位置，即根據(jù)列調(diào)整。關(guān)聯(lián)矩陣每一列對應(yīng)一組關(guān)鍵字符，每一列中關(guān)聯(lián)系數(shù)最大的行號即為與該組關(guān)鍵字符關(guān)聯(lián)性最大的虛端子的序號，由于關(guān)鍵字符已被調(diào)整與模板文件中虛端子順序?qū)?yīng)，因此調(diào)整后待關(guān)聯(lián)文件與模板文件中功能相同的虛端子位置一致，待關(guān)聯(lián)文件合并單元的順序調(diào)整如表6所示。

表6 待關(guān)聯(lián)文件中合并單元調(diào)整后位置表Table 6 Adjusted position of merging unit in the file waiting for connection

第七步：同理對待關(guān)聯(lián)文件中保護(hù)裝置進(jìn)行上述步驟，并將調(diào)整后的合并單元和保護(hù)裝置虛端子依次對應(yīng)，完成虛端子的自動關(guān)聯(lián)。

關(guān)聯(lián)好的虛端子結(jié)果如表7所示。

表7 自動關(guān)聯(lián)虛端子配置表Table 7 Configuration table for virtual terminals automatic connection

第八步：檢查是否完全匹配，對于少量不完全匹配的情況，可通過調(diào)整關(guān)鍵字符或手動關(guān)聯(lián)的方式完成所有虛端子關(guān)聯(lián)。

觀察自動關(guān)聯(lián)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵字符“5 'TCTR''Amp1' 'PC' '電流' 'C' '采樣值 1' '電流 1'”同時(shí)有兩個(gè)虛端子與之相對應(yīng)。通過分析可知，這是由于關(guān)鍵字符中含“PC”，而虛端子“SVOUT 7”中“AmpChB”也含有“pC”字符，程序中不區(qū)分大小寫，從而增大了關(guān)聯(lián)系數(shù)導(dǎo)致誤判。由于此類型的虛端子數(shù)量較少，且已縮小虛端子的選擇范圍，因此可通過調(diào)整關(guān)鍵字符或手動方式完成關(guān)聯(lián)。

3.3 結(jié)果分析

分析、歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）從匹配正確率上看，虛端子正確匹配率90%以上，可完成大部分虛端子的自動關(guān)聯(lián)。

（2）從工作效率上看，自動關(guān)聯(lián)虛端子的工作由計(jì)算機(jī)完成，省略了人工查找、拖拽、連線等工作，關(guān)聯(lián)時(shí)間在秒級（0.6 s左右），具有絕對優(yōu)勢。

（3）從適用度上看，由于采用了基于部分關(guān)鍵字符的模糊查找，只要求虛端子有一定的相似度即可，能兼容現(xiàn)有的國內(nèi)大部分二次廠家的產(chǎn)品。

4 結(jié)語

針對智能變電站虛端子的語義特征，提出了基于關(guān)鍵字符匹配的虛端子自動關(guān)聯(lián)方法，通過該方法，對于一種類型的關(guān)聯(lián)，僅需設(shè)計(jì)一個(gè)模板即可自動完成其他虛端子的關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)人員的工作內(nèi)容可從過去繁瑣的重復(fù)機(jī)械勞動轉(zhuǎn)變?yōu)閷ο到y(tǒng)的優(yōu)化和對數(shù)據(jù)的分析，從而提升設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。由于基于模糊匹配，所提方法不局限于設(shè)備型號的限制，能很好地兼容不同廠家、不同型號的設(shè)備，具有可觀的推廣應(yīng)用前景。

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