智能變電站SCD智能比對軟件的設計與實現

， ，，，滄楊，

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072； 2.常州鐵道高等職業技術學校，江蘇 常州 213011；3. 西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610041)

0 引 言

近幾年來，智能變電站自動化系統逐步得到許多應用[1～7]。設備的設計方式已轉變為以變電站配置描述(substation configuration description SCD)為主的配置方式，它向設備的設計、調試、運行維護提出了新的挑戰。文獻[5]提出了利用SCD生成遠動系統裝置定義的通用方法。文獻[6]研究了從SCD向CIM/E模型轉換的方案。文獻[7]研制了基于IEC61850各種保護裝置的在線協同測試系統。

傳統保護裝置以開入開出、交流輸入端子到端子的電纜硬連接處理輸入與輸出信號，智能變電站通過網絡通信傳輸GOOSE、SV等信號實現設備之間的聯系。國內各生產廠家統一引入虛端子[8～9]，形成設備之間的虛連接，包括發送設備、發送端虛端子號、接收設備、接收端虛端子號等信息。目前設計院或集成商主要以虛端子表(Excel文件)設計GOOSE、SV輸入虛端子，表達其原始的設計意圖。生產廠家或集成商依照虛端子表文件，在SCD、IED Inputs ExtRef子元素中予以表達。

目前，由于設計院的虛端子表文件與生產廠家的SCD在虛端子配置上存在許多不一致性，影響了設備虛端子配置的正確性。因此需要設計一種SCD智能比對軟件，將SCD與虛端子表文件中各虛端子信息進行一一比對，檢查其正確性。

1 問題的提出

在SCD文檔中，各廠家用IED、LN0 Inputs的多條ExtRef子元素描述其輸入虛端子以及對應的內部虛端子號intAddr，用iedName表示發送設備編號，用6個子項daName、doName、ldIns、lnClass、lnInst、prefix聯合表達發送虛端子號。1個虛連接例子如下。

"Vol" iedName= "MM1101A" intAddr="SVLD/SVINGGIO1.AInd1.instMag.i" ldInst="MU01" lnClass="TVTR" lnInst="1" prefix="MUA1"/>

......

目前各設計院的虛端子表文件格式與內容各不相同。一種常見的虛連接格式有接收端名稱(中文)、接收端虛端子號、信息描述、對側裝置(中文)、對側裝置虛端子號等。從理論上講，如果設計院定義了標準的虛端子規范，SCD嚴格按照設計院虛端子表來配置SCD的Inputs，就不存在一致性問題。但是事實上，有4種原因導致SCD與虛端子表Excel文件之間虛端子的確存在許多不一致地方，如下。

1)各設計院的虛端子表文件有各自的中文表述習慣與方式，表的各列含義不盡相同、不規范。

2)設計院設計人員缺乏對SCD知識的了解。設計院用接收設備、發送設備的中文名稱分別表示接收與發送設備，而SCD的Inputs是用設備英文名稱iedName表示發送設備。因此，虛端子表文件中接收與發送設備的中文名稱與SCD的Inputs中發送設備英文名稱，不是直接的一一對應關系，需要做映射。除了設備名，雙方設計人員設計接收與發送虛端子號時不小心寫錯，就容易造成不一致。

3)設計院設計人員有時為了簡潔描述，在Excel文件采用“適用于…”等簡化字樣，表示多個相似線路、變壓器裝置之間的相似虛端子內容。一種典型虛端子表文件的格式及其簡化表達方式如表1所示。其中有兩種簡化表達，第1種表示西里線路合并單元 的GOOSE開入同樣適用于熱水塘、團結線路合并單元，SCD設計人員應根據這句話，復制生成熱水塘、團結合并單元中相似的輸入GOOSE虛端子，把接收設備、發送設備名中“西里”分別換成“熱水塘”、“團結”，但虛端子號不需要變動。第2種簡約表達說明主變壓器相關虛連接適用于1號、2號主變壓器，需要重復生成變壓器1號、2號的相似虛連接，把其中“主變保護”分別替換成“1號主變壓器保護”和“2號主變壓器保護”字樣。廠家設計人員需根據Excel的簡化表達，配置SCD中相關設備的類似虛端子。

表1 一種典型的Exeel虛端子文件的格式及其簡化表示方式

4)在虛端子表Excel文件中接收、發送設備(對側裝置)兩列設備名均采用中文名稱，由于習慣不同，設計院定義的設備中文名稱與SCD中IED中文描述不完全一樣，例如，Excel側發送設備名為“110千伏西里線路智能終端”，SCD側設備中文描述為“110 kV 西里線智能終端”，前者用千伏、線路，后者用kV、線，在“終端”后加了設備型號DBU814。雖然兩種設備名是指同一個設備，但是造成兩側表達卻不一致。

目前各廠家的SCD配置工具沒有提供對SCD與虛端子表文件的智能自動比對功能。

2 SCD智能比對軟件的工作原理

SCD智能比對軟件先要分別形成SCD側與Excel側虛連接，再做一一比對，找出不一致地方。關鍵點有兩個：1)需從SCD獲取各虛連接、讀取IED設備名描述desc，再讀取Excel文件中接收端與發送端設備中文名稱，把Excel側設備中文名智能映射為SCD側設備名描述，才能形成與SCD側類似的Excel側虛連接；2)在獲得兩側虛連接后，進行正向與反向比對，找出兩側不一致及其細節，向雙方人員指出錯誤，以便糾正。

這里研發的智能變電站SCD智能比對軟件首先讀取SCD，解析每個IED的設備編號、中文描述等屬性，再沿某IED節點逐層遍歷直到LN0的Inputs子節點，解析出其有效的虛連接，再搜索LN0與其它LN節點，找到各數據對象DOI，獲得其屬性desc作為發送虛端子號與內部虛端子號的信息描述，形成SCD側虛連接，保存到SCD側虛連接鏈表，并在界面上以列表顯示這些SCD側虛連接。

然后一次性讀取多個虛端子表文件，解析其內容，獲取原始虛連接記錄，獲得全站所有設備中文名稱。再解讀其中的簡化表述，正確地擴展為虛連接。將Excel側每個設備中文名稱與SCD側所有設備描述逐一進行比較，找到與其最匹配的那個SCD側設備描述，建立Excel側設備中文名稱與SCD側設備描述的映射表。

根據解讀后的Excel虛連接和映射表，將Excel側接收端與發送端設備的中文名稱換成SCD側設備描述，得到SCD側該設備的編號，再加上Excel原有的接收端(發送端)虛端子號等，生成了比對用的Excel側虛連接。

將每個SCD側虛連接與Excel側虛連接逐一做正向、反向比對，得到4種比對結果，即比對成功、SCD中有而Excel中沒有虛連接、Excel中有而SCD中沒有虛連接、只有接收端或發送端虛端子號沒有匹配上虛連接，在界面上以表格分類顯示它們。設計了形成比對報告模塊，將4種比對結果、SCD中原始虛連接、Excel中原始虛連接等分別保存到比對報告Excel文件的各個工作表，以便查看與檢查該次比對結果。當采用比對軟件發現SCD與Excel虛端子表文件的不一致地方，修改和糾正SCD或Excel文件中錯誤，再做比對，循環檢查直到完成。

SCD智能比對軟件的流程圖如圖1所示。

圖1 SCD智能比對軟件的流程圖

3 功能設計

SCD智能比對軟件有5個子系統，分別是讀取SCD及形成SCD虛連接、讀取Excel文件與制作映射表、比對SCD與Excel兩側虛連接、分類顯示比對結果、生成比對結果報告等。SCD智能比對軟件的功能樹如圖2所示。

圖2 SCD智能比對軟件的功能樹

讀取SCD及形成SCD虛連接子系統實現：1)選取1個SCD文件，解析SCD得到各IED的設備編號、設備描述等屬性、各虛端子號的信息描述；2)將解析后IED信息顯示在界面上，能夠查找某設備的基本信息；3)讀取各設備Inputs中各虛連接，將它們顯示在界面上，可排序，能夠定位查看。

讀取Excel文件與制作映射表子系統實現：1)一次性讀取1個或多個Excel虛端子表文件，將它們顯示在界面的表格中；2)解析Excel文件中那些簡化表達的文字，解讀與擴展，形成虛連接；3)從解析、解讀的虛端子中接收端、發送端設備兩列，提取該Excel文件中所有設備的中文名稱，將每個依次與SCD側IED設備描述一一智能比較，找到最接近的SCD側設備描述，給出匹配度，形成兩側設備名映射表；4)形成和顯示Excel側虛連接。比對SCD與Excel兩側虛連接子系統是把SCD側虛連接與Excel側逐條做正向比對，找到與它匹配的虛連接，然后做反向比對，即將Excel側與SCD側虛連接比對，最后形成4種比對結果。

分類顯示比對結果子系統實現以表格顯示4種比對結果。對于只有接收端或發送端虛端子號沒有匹配上的兩側虛連接，用不同背景色突出對照顯示出兩側虛端子號不一致的細節，以便糾正。

生成比對結果報告子系統將4種比對結果、SCD側虛連接、Excel中原始虛連接等6類結果輸出到某比對報告文件(Excel文件)。

4 關鍵技術

4.1 解析SCD、形成虛連接及優化搜索

SCD屬于xml文件，不易直接分析。需從SCD獲取所有IED的設備名編號及其中文描述，獲取各IED的Inputs中各虛端子。為了方便地瀏覽SCD各條虛連接的虛端子號、了解其含義、查找出錯的虛連接，需給出每條SCD側虛連接中每個接收虛端子號、發送端虛端子號的信息描述。

先遍歷每個IED節點，得到設備編號及其描述，再由IED到LD逐層找到Inputs子節點，得到各虛端子信息，將其中6項子項組合成發送端虛端子號，保存到SCD側虛連接鏈表。再讀取各LN的各DOI子節點的屬性desc，作為接收端或發送端虛端子號描述，保存到DOI的desc鏈表。對每個SCD虛連接的接收端與發送端虛端子號，遍歷DOI的desc鏈表，查找相應虛端子號描述。

這里存在一個優化設計問題，因為查找目標虛端子號描述的次數非常多，比如某SCD有3 760條虛連接、139 437個數據對象DOI，就可能產生幾千萬次查找，非常消耗時間。查找虛端子描述的優化方法是在解析SCD文件時，獲取每個IED節點后，馬上針對該IED中各虛連接的接收端虛端子號，就在本IED的DOI遍歷查找其描述。而發送端虛端子號描述只能等到全部IED遍歷后才做查找。這樣可在一定程度加快了查找各虛端子號描述的速度。

4.2 解讀虛端子表Excel文件及其設計意圖

讀取與解析Excel虛端子文件包括一次性讀取多個Excel文件、解析與解讀虛端子、智能生成映射表、形成比對用Excel側虛連接等子功能。

如前所述，設計院設計人員對多個相似設備具有相似虛端子的情況，采用簡化表達。比如在一組GOOSE輸入虛端子的上方，加上“220 kV晴朗線路測控裝置(適用于220 kV晴朗、色爾古I、色爾古II線路測控裝置)”等簡化文字，程序就要解讀此類文字，首先生成220 kV晴朗線路測控裝置的GOOSE輸入虛端子，然后再把其中“晴朗”替換為“色爾古I(II)”，為色爾古I、色爾古II線路測控裝置新增相似GOOSE虛端子。

4.3 SCD與Excel兩側設備中文名智能匹配算法

SCD中虛連接包括發送端與接收端設備編號，Excel虛端子表文件包含發送端與接收端中文名稱。需要先把Excel側發送與接收端中文名稱映射為SCD側設備中文描述，建立Excel側設備中文名稱與SCD側設備描述的映射表，進而把Excel側設備中文名稱映射為SCD側設備編號，才能形成比對用Excel側虛連接，進行兩側比對。

SCD與Excel兩側設備中文名稱智能匹配是把某Excel側設備中文名(含有中文、字母、數字)當作源串，把所有SCD側設備描述當作目標串進行比較。采用2種方法融合匹配。算法1是對傳統GST比對算法的改進，在計算匹配度時增大了較長“公共子串”所占權重，使其比較短“公共子串”更容易被匹配上，有效避免了傳統GST算法存在的有較短“公共子串”時的匹配度可能比有較長“公共子串”大的問題。算法2先采用判斷源串與目標串中每個字符是中文雙字節字符還是字母或數字，再不管順序找到兩個串中相同字符個數，用它去除兩個串中較短串長度，作為第1匹配度。再考慮源串和各目標串中數字(字母)出現的先后順序，尤其是首數字與字母和末數字與字母是否相同。當發現源串與某目標串的數字或字母的順序分別匹配上，增大輔助匹配度。將第1匹配度和輔助匹配度進行加權求值，得到兩個字符串最后的匹配度。這樣可得到源串與SCD側所有設備描述的匹配度，將它們排序，匹配度最大的目標串為最終匹配上的SCD側設備描述。

由于SCD與Excel設計人員在設備名稱表述有一定差異，同一名稱或關鍵詞表達有所不同，比如Excel虛端子表文件使用“千伏”、“一”、“二”、“母差”分別與SCD中“kV”、“1”、“2”、“母線”是等價的。上述智能比較方法未必有效，因此增加了手工匹配策略，手工制作一些常見關鍵詞等價替換關系，在字符串比較時將Excel側設備中文名做關鍵詞替換，幫助形成合適的兩側設備描述映射表。

多次實驗表明本智能字符串自動比較方法與策略有較高的正確率，達到90%以上。匹配度數值能較真實反映源串與多個目標串的匹配程度。對匹配不準確的映射項允許在界面手工修正。

4.4 自動比對、分類顯示比對結果

分別形成SCD側與Excel側虛連接后，自動地將兩側虛連接進行正向與反向比對。提供手工同步比對檢查手段，即選中某條SCD虛連接時，在界面右側可同步顯示與之匹配的Excel側虛連接，如果沒有找到完全匹配，則在信息欄顯示與SCD側虛連接具有相同虛端子號的Excel側相近虛連接。

形成4種比對結果，將它們在4個表格中分類成組表示。尤其是對于只有接收端或發送端虛端子號沒有匹配上虛連接的比對結果，每組比對結果分成兩行進行顯示，分別表示SCD側與Excel側虛連接，對未匹配上虛端子號用不同背景色上下對照顯示，以提醒操作者該錯誤的存在。

4.5 形成比對結果報告

除了在界面上顯示比對結果，還能形成比對結果報告文件，把比對結果數據保存到一個比對結果Excel文件的多個工作表中，以便在比對過程中查找比對出錯原因、形成最終的比對報告。實現方法是調用微軟提供的訪問Excel文件的OLE接口函數。一般采用向每個單元格寫入數據方式，但該做法的效率很低。例如將幾M的數據寫入Excel文件時，往往需要十幾分鐘才能完成。這里采用內存拷貝方式，即先將比對結果數據寫入一個字符串數組，再把該字符串以復制方式送入Excel工作表的目標區域，再調用Excel工作表的粘帖接口函數Paste，一次性寫入Excel文件。現在實現了只需2分鐘左右完成一次比對結果報告的形成。

5 軟件的運行效果與分析

5.1 運行效果

設計的SCD智能比對軟件實現了各子功能。比對結果的運行界面之一如圖3所示。第4種比對結果每2行以不同背景顏色突出顯示兩側只有接收端或發送端虛端子號不一致細節，如第1行SCD側：PIO/DevGOIN1GGIO1.DPCS03. stVal，第2行Excel側：PIO/DevIN1GGIO1. DPCS03.stVal。兩側的接收虛端子號不一致。

軟件已在四川省多個變電站調試工作中得到運用，取得了良好的調試效果，發揮較大的作用。如果利用現有廠家SCD配置工具查找SCD側虛端子、再人工查看Excel虛端子文件進行校核，幾乎很難完成SCD文件與Excel虛端子表文件比對任務。因為現有SCD軟件查找SCD側虛端子的操作較繁瑣，兩側虛端子信息的數量往往有幾千條，靠人工比對需要很長時間，很容易發生漏判、誤判，工作效率很低。系統能夠準確比對、指出不一致、錯誤的細節，直到找出所有可能出錯的地方。運用本軟件對某變電站近3 000條虛連接的SCD比對與修改，只用了幾天就完成一次性比對出300多條SCD與Excel虛端子表文件不一致與錯誤的地方。

圖3 本軟件中顯示各比對結果的運行界面

5.2 比對出錯的原因分析

通過多個智能變電站的許多次SCD比對調試，發現幾類出錯原因如下。

1)對于SCD中有而Excel中沒有虛連接、Excel中有而SCD中沒有虛連接情況，說明Excel虛端子文件或SCD側有些虛端子不完整。

2)由于設計人員的粗心大意、筆誤，會將Excel中設備名寫錯，比如設備名本應是“2號主變壓器本體智能終端1”，誤寫成“1號變壓器本體智能接口單元2”。把虛端子號寫錯或大小寫不對，比如SCD側接收端虛端子號為PI01/GOINGGIO2. SPCSO6.stVal，Excel側卻寫成 PI01/GOINGGIO2. SPCSO1.stVal。

3)SCD與Excel兩側對虛端子號的引用路徑、對各層數據屬性的表達方式不一樣導致兩側不一致，比如SCD側：GO/BinInGGIO0.DPCSO2. stVal，而Excel側：MU/GOI.BinInGGIO0.DPCSO2. stVal。

6 結 論

軟件自2012年8月以來已經在多個智能變電站的調試中得到了成功運用，已經實現了對集成商的SCD與Excel虛端子表文件比對功能，通過智能中文字符串比較、自動比對兩側虛連接等工作，能夠發現SCD與Excel兩側虛端子不一致地方與錯誤細節，大大提高了比對的效率和準確性，有力促進了智能變電站中SCD貫徹設計意圖的檢查與實施。

由于各設計院的Excel虛端子表文件格式不統一，給比對造成一些困難，解決此問題的最好方法是由SCD工具將SCD配置與虛端子設計一體化，用SCD工具直接配置Inputs各虛端子，不再從Excel虛端子表文件讀取虛端子。而這項工作還在研發中，其完善還有個過程。因此在一段時間內，仍需由設計院用Excel虛端子表文件定義虛端子，因此仍有必要對SCD和Excel虛端子表文件進行智能自動化比對，檢查兩者一致性，保證設備的正常運行。

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