面向新型电力系统的智能变电站虚回路自动校验技术研究

叶远波，李端超，谢民 ，王志华，毛玉荣

(1.国网安徽省电力有限公司，合肥 230022； 2.武汉凯默电气有限公司，武汉 430223)

0 引 言

构建新能源为主体的新型电力系统，可推动可再生能源从能源绿色低碳转型的生力军成长为碳达峰碳中和的主力军，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系提供坚强保障。国家电网、南方电网十四五规划提出规模建设智能变电站为着力提升新能源消纳和存储能力，构建新型电力系统提供大力支撑。

智能变电站中虚回路实现了智能变电站过程层设备间的数字信号传输，是变电站安全稳定运行的基础[1-2]。在变电站投运前，需要对变电站SCD(Substation Configuration Description)文件进行虚回路校验，确保虚回路的正确性。SCD文件采用SCL(Substation Configuration description Language)语言配置[3-4]，可读性差，且变电站二次回路复杂，人工校验专业度要求高、工作量大、易出错，不适应新型电力系统智能高效的需求。

现有研究针对人工校验的困难提出了一些解决方法，包括将SCD文件图像可视化[5-9]、SCD差异性比对[10-12]、从SCD中导出虚端子表[13-14]等，并对实现虚回路自动校验做了一定的技术探索[15-18]；文献[16]在变电站二次设备中部署虚端子模拟输出模块，通过逐一收发解析二次设备报文验证虚回路的正确性，测试工作量大，且要更改现场二次设备，现场适应性不强；文献[17]基于现有SCD文件中IED(Intelligent Electronic Device)描述及虚回路描述关键词提取创建虚回路模板库，通过关键字匹配实现虚回路的自动设计和校验。基于SCD文件直接建立模板库，需要海量样本，无法实现跨间隔的虚连接错误校验，由于描述的不规范性致使正确率难以保证。

针对人工校验效率低、正确性受外观因素影响，及由于模型不规范造成的自动校验正确率不高的问题，并响应新型电力系统智能高效的要求，文中提出一种基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法的虚回路自动校验技术，讨论了标准端子库和校验模板(tSCD)的建模方法，并开发了自动校验软件，通过实例验证了所提方法的实际应用效果。

1 虚回路自动校验流程

虚端子模型沿用IEC 61850标准中定义的层次化结构，数据格式为：逻辑设备/逻辑节点.数据对象.数据属性，并引用虚端子描述解释通用虚端子的具体作用。IEC 61850标准中规定了层次化的数据结构和类型，但并没有规定模型中各个层次的命名规则，导致不同设备厂商虚端子建模方式存在差异[19]。不同厂家ICD(IED Configuration Description)文件中虚端子DOI(Instantiated Data Object)、DAI(Instantiated Data Attribute)描述、引用地址等存在差异。文章基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法建立标准端子库，解决ICD文件模型不规范的问题；基于标准端子库和不同地区已通过校验的SCD文件建立校验模板，解决不同地区虚回路设计的差异性。

基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法的虚回路自动校验方法如图1所示，包括以下步骤：

图1 虚回路自动校验方法Fig.1 Virtual circuit automatic calibration method

(1)依据相关规范建立标准虚端子，将Word2Vector相似性引入Levenshtein距离计算，提高对文本语义的理解，利用改进的Levenshtein距离算法计算SCD文件或ICD文件中IED各虚端子特征字符串与标准虚端子特征字符串的相似性，基于虚端子字符串间的相似性实现各IED虚端子到标准虚端子的自动映射，建立标准端子库;

(2)基于标准端子库和已通过校验的SCD文件中的虚连接关系建立间隔模板。已通过校验的SCD文件提供正确的虚连接关系，通过标准端子库将正确的虚连接关系标准化生成间隔校核模板。采用不同地区的SCD文件建立间隔校核模板，继承了不同地区的SCD文件虚回路设计的特点;

(3)基于间隔模板集成不同的tSCD文件。通过建立典型间隔模板，分地区按需集成为不同的tSCD文件，可以提高校验模板的适用性，降低建立校验模板的工作量。同一地区的校验模板用于校验该地区的SCD文件，以适应不同地区SCD设计的差异;

(4)校验时，SCD文件中各IED的虚端子依据IED的电压等级、接线方式、设备类型、对象属性自动匹配标准端子库中的端子字典，将待校验的虚回路模型标准化，并配置IED的间隔和支路信息;

(5)选择校验模板tSCD文件，按照模板对SCD文件进行自动校验，对多配、错配、漏配的虚连接进行告警，并输出校验结果报告。

2 基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法的标准端子库自动配置

标准端子库建立了IED虚端子与标准虚端子的对应关系，基于标准端子库建立的校验模板将IED虚端子的非标准模型用标准模型替代，基于此实现自动校验。IED虚端子与标准虚端子的对应关系通过计算IED各虚端子特征与标准虚端子特征之间的相似性建立。

文章采用Levenshtein距离衡量虚端子特征的相似度，Levenshtein距离指由一个字符串转换成另一个字符串所需的最少编辑次数，编辑操作包括替换成另一个字符、插入一个字符、以及删除一个字符。两个字符串之间的Levenshtein距离越小，则两个字符串的相似度越大。

提取虚端子的虚端子描述、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性5个属性作为虚端子的特征字符串，如式(1)所示。

Li=(Ti1,Ti2,Ti3,Ti4,Ti5)

(1)

式中Ti1、Ti2、Ti3、Ti4、Ti5分别表示虚端子的虚端子描述、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性。SV(Sampled Value)虚端子的数据属性通常为空，文章将SV虚端子的数据属性视作空字符串。

其中对于虚端子的逻辑节点、数据对象属性，国家电网公司颁布了相关规范中定义了属性类型，但留有一定的自由度，允许厂家建模时在属性类型中添加前缀或后缀引入相关信息，为消除不同厂家添加前缀或后缀方式不同引起的编辑距离计算的差异，文章对虚端子的逻辑节点与数据对象属性进行标准化处理，在提取虚端子的逻辑节点属性时不考虑属性的前后缀。

如某220 kV线路保护一条GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)发送虚端子为：跳断路器-PIGO/LinPTRC1.Tr.phsA，文章提取特征字符串为{跳断路器, PIGO, PTRC, Tr, phsA}。其中“跳断路器”为虚端子描述，解释该虚端子的具体作用，“PIGO”表示过程层GOOSE信号，“PTRC”表示保护跳闸出口，“Tr”表示跳闸，“phsA”表示A相。

两个虚端子的相似度可以通过两个虚端子的特征字符串Levenshtein距离相似度衡量，任意两个虚端子，其Levenshtein距离相似度如式(2)所示。

(2)

两个虚端子的相似度取组成虚端子字符串的5个属性相似度加权平均值。wk为第k个数据属性相似度权重，且满足：

(3)

相似度计算如式(4)所示。

(4)

式中LD(Tik,Tjk)为虚端子Li、Lj第k个数据属性之间的Levenshtein距离。

对于虚端子描述字符串，针对中文文本特点，引入Word2Vector提高对原文语义关系的理解[20]，通过两个词的词向量的欧氏距离衡量两个词的相似性，并将相似性引入替换操作的编辑距离计算。

二次设备虚端子描述通常为短文本，文章采用Word2Vector中CBOW(Continuous Bag-of-Words)模型进行词汇向量化表征，CBOW模型如图2所示。包含输入层、隐藏层和输出层，W1和W2分别为输入层矩阵和输出层矩阵；V为词典的词汇量；C为输入的词汇数量；输入词汇用One-hot编码，记为xi；N为隐藏层的维度；h表示隐藏层词向量的平均值，表达式如式(5)所示。

图2 CBOW模型Fig.2 CBOW model

(5)

文本的输出层的输入向量u如式(6)所示。

u=W2hT

(6)

式中u0表示目标词汇的值,模型的损失函数E如式(7)所示。通过随机梯度下降算法不断更新输入输出层矩阵达到E的极小值，并最终求得各词汇的词向量值。

(7)

两个词汇词向量的欧式距离如式(8)所示。

(8)

式中vs、vs′分别为词汇s与s′的词向量。

将词汇的词向量的欧式距离衡引入字符串Levenshtein距离计算，替换操作Levenshtein距离的大小应与两个词的相似性大小相反，则两个字符串S、S′的改进Levenshtein距离的计算如式(9)所示。

(9)

对于一个IED，计算其各个虚端子特征字符串与各个标准虚端子特征字符串的改进Levenshtein距离相似度，相似度最大的一对IED虚端子和标准虚端子则自动建立匹配关系。根据IED的电压等级、设备类型、对象、接线方式等属性匹配到标准端子库中的标准端子，对于一个有n个虚端子的IED，其虚端子集可表示为L={L1,L2,...,Ln}，其匹配的端子数为m标准端子集可表示N={N1,N2,...,Nm}，其与标准端子集共有n×m中匹配组合，可表示为式(10)所示。

(10)

根据公式(2)计算每个匹配组的相似度，根据计算结果将IED虚端子依次匹配到相似度最大的标准端子。选取不同IED依据上述方式将IED虚端子匹配到标准端子，建立标准端子库。

基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法的标准端子库配置流程如图3所示。继电保护相关信息模型规范[21-24]给出了各类型保护设备虚端子表，规范了保护设备虚端子模型。依据保护设备规范虚端子模型制定合并单元、智能终端等二次设备的规范虚端子模型，依据规范虚端子模型按层级建立标准虚端子，解析并计算目标IED的虚端子特征字符串与标准虚端子字符串的相似度，建立匹配关系，生成标准端子库。

图3 标准端子库配置流程Fig.3 Standard terminal library configuration process

标准端子库结构如图4所示，包含6个层级,图中标注为L1～L6。第一层DZ_MB_LIB为根目录，表示该文件为标准端子库；第二层VolLevel 为电压等级，包括750 kV、500 kV、330 kV、220 kV、110 kV、66 kV、35 kV、20 kV、10 kV；第三层ied为设备，包含iedType(设备类型)、objType(对象)、conType(接线方式)3个属性。第四层为IED的端子集，包括SVSend(SV发布)、SVRcv(SV接收)、GooseSend(GOOSE发布)、GooseRcv(GOOSE接收)4个端子集，端子集依照继电保护信息规范做最大化建模，不同功能配置的保护装置可能存在不包含某一信号的情况；第五层DZ为标准端子，包括strName(端子的标准描述)、addr(端子标准引用地址)；第六层DZ_ZD为各厂家IED的端子字典，包括iedManuf(设备厂家)、IedType(设备类型)、desc(端子描述)、addr(端子引用地址)4个属性。

图4 标准端子库结构Fig.4 Standard terminal library structure

3 tSCD文件建模

基于标准端子库与已通过校验的SCD文件中的虚连接关系建立间隔模板tied文件，已通过校验的SCD文件保证了虚回路的正确性，通过标准端子库规范虚端子模型，将正确的虚回路规范化。间隔模板建立流程为：解析已通过校验的SCD文件，获取IED列表，提取IED的属性信息，与标准端子库相关信息比较，自动匹配。提取标准端子库中的电压等级、IED属性、端子标准描述作为每条连接关系的本侧虚端子信息以及对侧虚端子信息，生成tied文件。

基于tied集成为适用于对不同SCD文件进行校验的tSCD文件。tSCD文件结构如图5所示，图中矩形框内是一个完整的tied文件结构，tied第一层Interval为间隔类型，第二层IEDMB为中心设备，属性包括iedName(设备名称)、volLevel(电压等级)、iedType(设备类型)、objType(对象)、conType(接线方式)、desc(设备描述)；第三层ExIED为中心设备关联的IED，属性包括、volLevel(电压等级)iedType(设备类型)、objType(对象)、conType(接线方式)、desc(设备描述)；第四层为两个IED间虚连接关系，包括SVSend(SV发布)、SVRcv(SV接收)、GooseSend(GOOSE发布)、GooseRcv(GOOSE接收)4个连接关系集，第五层为虚连接关系描述，包括fcdaDesc(本测虚端子标准描述)和extrefDesc(对测虚端子标准描述)。按电压等级、接线方式集成tied文件即可形成不同的tSCD文件，用于SCD文件的虚回路自动校验。

图5 tSCD模型结构Fig.5 tSCD model structure

基于校验模板的虚回路自动校验流程如图6所示，导入待校验的SCD文件，配置IED的间隔及支路信息,程序根据SCD文件中IED名称自动配置IED间隔属性，对于名称不标准无法获取准确间隔信息的IED软件提示人工配置间隔信息，并根据变电站主接线图配置IED的支路信息。

图6 虚回路校验流程Fig.6 Virtual circuit calibration process

完成间隔支路信息配置后，依据IED属性信息自动匹配标准端子库中的端子字典，获取标准端子描述，对于没有匹配成功的IED，完善标准端子库，重新匹配；匹配完成，将待校验的虚回路标准化。

依据待校验SCD的电压等级、接线方式信息选择合适的tSCD文件，依据tSCD文件进行SCD虚回路自动校验，如无合适的tSCD文件，则依据待校验SCD的电压等级、接线方式等信息集成新的tSCD文件用于校验。IED间隔支路信息配置可解决跨间隔虚连接错误校验问题。

4 基于校验模板的虚回路自动校验

利用某公司开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架Qt5.0,开发了一套虚回路自动校验软件，Qt提供了跨平台的C++程序工具包，易于扩展，允许组件编程。选择30个已通过校验的220 kV智能变电站SCD文件建立标准端子库及校验模板，30个SCD包含超过3 000个IED的虚回路信息。提取IED的虚回路描述构建词向量，基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法建立标准端子库，并建立校核模板。

以标准端子库中220 kV线路保护的GOOSE发送数据集为例介绍标准端子库建立。根据相关规范建立标准端子库中220 kV线路保护GOOSE发送标准虚端子如表1所示。标准虚端子依照保护的技术规范做最大化建模，不同厂家及类型的保护配置的功能不同，可能存在不包含某一信号的情况。

表1 220 kV线路保护GOOSE发送标准虚端子集Tab.1 220 kV line protection GOOSE transmission standard virtual terminal set

导入包含某厂家CSC-103A2 220 kV线路保护的SCD文件，解析获得GOOSE发送虚端子集如表2所示，提取相关属性生成虚端子特征字符串，基于编辑距离相似性计算进行自动匹配，相似性矩阵如式(11)所示，其中行为CSC-103A2 GOOSE发送虚端子，序号与表2序号对应，列为标准虚端子，序号与表1中序号对应，虚端子各属性权重取值w={0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2}，加粗字体对应的虚端子为根据最大相似性匹配的结果，由表1和表2分析可知，匹配结果正确。

表2 CSC-103A2 GOOSE发送虚端子集Tab.2 CSC-103A2 GOOSE sending virtual terminal set

为验证所提方法的普适性，选取国网继电保护“六统一”原则发布之前的保护装置模型进行匹配计算。某厂家CSC-103BE线路保护GOOSE发送虚端子如表3所示,“六统一”原则发布之前，设备厂家依据水利电力部组织编写的“四统一”原则进行设计，对“四统一”原则没有涉及的模型文件、配置文件，各厂家私有定义，模型极不规范。

表3 CSC-103BE GOOSE发送虚端子集Tab.3 SC-103BE GOOSE sending virtual terminal set

利用文中所提方法进行计算及匹配，其中虚端子各属性权取值w=[0.6,0.1,0.1,0.1,0.1]，相似性矩阵如式(12)所示，加粗字体对应的虚端子为根据最大相似性匹配的结果，由表1和表3分析可知，除虚端子14差动通道告警-PI/PTRC23.Tr.general外，CSC-103BE GOOSE发送数据集中的虚端子都正确匹配到标准虚端子。由式(6)中相似性数据可知，虚端子14与标准端子集中端子的相似性都很低，这是由于虚端子14的端子描述和引用地址都很不标准引起的，通过设置匹配相似度门槛值可以过滤低相似性匹配，通过人工方式匹配到标准端子。

(11)

(12)

由计算匹配结果可知文章所提方法对“六统一”原则发布前的保护装置模型同样适用。通过开放虚端子各属性权重设置，对相对规范的属性设置高权重，不规范的属性设置低权重，以及设置匹配相似度门槛值，相似度低于门槛值的通过人工确认，可确保匹配的正确性。

通过SCD组态工具修改样本中的SCD文件，人工设置多接、少接、错接等错误类型，基于建立的标准端子库和校验模板对修改后的SCD进行虚回路校验，基于修改前的样本建立的tSCD文件不包含人工设置的多接、少接和错接的虚回路，依据tSCD文件对修改后的SCD文件进行虚回路校核时，程序自动识别出所有错误的虚回路。如图7所示，人工在SCD中增加的一条PM1101 110 kV母线保护母联_保护跳闸→IE1101 110 kV母联智能终端保护永跳2的虚回路，在基于已通过校验的SCD文件建立的tSCD中不存在该条虚回路，程序自动识别新增的虚连接，标注“+”提醒，并显示该条虚回路的详细信息。基于文中所提方法建立的标准端子库和tSCD文件自动校验了SCD文件的虚回路，校验结果正确，验证了文中所提方法的有效性。

图7 校验结果Fig.7 Calibration results

5 结束语

智能变电站虚回路人工校验方式难以满足新型电力系统智能高效的需求，文中提出了一种基于改进Levenshtein距离匹配算法的虚回路校验技术，给出了标准端子库和tSCD文件的建模方法，并基于改进Levenshtein距离模糊匹配算法实现标准端子库自动配置，解决了ICD模型不规范的问题，依据不同地区已通过校验的SCD文件建立间隔模板tied，继承不同地区SCD文件虚回路设计的特点，基于间隔模板分地区集成为不同的tSCD文件，解决不同地区虚回路设计差异性问题，开发了虚回路校验软件，实现了虚回路自动校验。提升了智能变电站虚回路校验智能化水平和效率。