基于SCD語義的保護二次回路辨識技術探討

姜　寧　高　翔　劉孝剛　張　帆　崔運光

（1. 國網江蘇省電力公司檢修分公司，南京　210024；2. 上海毅昊自動化有限公司，上海　201204）

自2009年國網公司智能電網戰略推進以來，大量智能變電站進入了工程應用，我國已經成為智能變電站最多的國家[1-3]。智能變電站基于變電站配置文件SCD完成二次系統信號關聯的配置，由于SCD采用 XML格式，與常規綜自系統以硬接線為特征的二次聯接電纜表現特征有很大差異，二次系統呈現為不可見性，對于現場運行維護工作帶來了很大困難。

為規范智能變電站二次系統設計與工程應用，國網公司頒布了 Q/GDW 1161—2014，線路保護及輔助裝置標準化設計規范，及Q/GDW 1175—2013，變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范。為智能變電站二次系統設計與工程應用提供了依據。

本文提出了基于語義強度的 SCD虛回路辨識技術，通過分層解析SCD文件，判別智能變電站虛回路的關聯關系，為智能變電站工程應用提供可靠的技術支撐。同時明確虛回路語義由標簽語義和結構語義構成。標簽語義在于識別回路標識的正確性，結構語義在于識別回路的功能完備性和正確性。而任何語義尤其是標簽語義具有不同的強度，這種強度表現為不同層次的標準和規范約束。

1　SCD虛回路應用分析

1.1　SCD虛回路描述特征

SCD文件中對于虛回路的描述是間接和隱含的，沒有實現對象化的顯性描述。例如發送遠方跳閘令的虛回路，在SCD中的保護外部關聯部分的描述如下：

該回路是由母線保護 PM2201B發給 PL2201B的遠方跳閘命令回路。對象化的描述應該包含3個部分：①回路名稱；②發送虛端子；③接收虛端子。

因此，對于虛回路的對象化顯性描述是實現符合保護設計原理檢查的重要基礎。

在IEC 61850標準中對于IED的輸入輸出虛端子描述采用FCDA和ExtRef，因此，建立IED裝置之間的虛回路聯接關系取決于FCDA和ExtRef之間的對應關系。FCDA的合法性為：通過FCDA中的LD、LN、DO、DA能否在IED的對應LD/LN/DO/DA路徑下找到。

ExtRef和 FCDA的對應為：ExtRef中每一組LD+LN+DO+DA能否在其指定 iedName的 FCDA中找到對應的LD+LN+DO+DA。

若滿足：①FCDA合法；②ExtRef能夠找到FCDA的對應，則虛回路能夠建立，下一步再通過檢查 ExtRef來確定輸入回路的含義是否滿足 1161和1175規范所需，對于規范中的輸出回路，可以通過檢查FCDA來實現。

1.2　基于業務特征的可視化

由于SCD僅僅是二次系統的功能載體，保護業務管理對象應該是二次功能回路，因此，基于SCD的智能變電站實現方案并沒有改變變電站業務特征，卻使變電站二次系統演變成了“黑匣子”。因此，基于業務特征的 SCD虛回路可視化成為一種基本應用需求，如圖1所示。

然而，不同廠家IED基于XML格式描述的SCD二次虛回路存在的一定的差異。

圖1　虛回路可視化

具體如：北京四方公司500kV電壓等級的CSC101線路保護用于起動發遠方跳閘令的 GOOSE虛端子的地址為 PI/GOINGGIO13.SPCS01.stVal, 而其描述是“其他保護停信”。南瑞繼保PCS931-GM保護雙重化配置時虛端子的地址為 PIGO/GOINGGIO5。SPCS01.stVal，相應的描述卻是“發遠方跳閘”。

1.3　工程應用發現的問題分析

在實際工程應用中發現了 SCD虛回路的諸多問題，具體如下。

1）缺少失靈起動回路

某220kV智能變電站SCD文件某線路間隔的虛回路缺少失靈起動回路，如圖2所示。

圖2　缺乏失靈起動回路

原因是該變電站擴建時，系統集成商做工程時手工完成相關回路配置，沒有采用工具配置；等同于常規站現場二次線更改后，竣工圖沒有修改。

2）二次回路錯線

某變電站 SCD文件中短引線保護存在二次虛回路錯誤現象，如圖3所示。

圖3　二次回路錯線

SCD文件中對該回路的描述如下：

原因是，該二次刀閘位置回路的輸出虛端子被錯誤的配置到了刀閘變位時間“t”上。

3）未投運的二次設備回路不完整

變電站建設一般會分階段進行，在某些智能變電站未投運間隔盡管保護設備已經配置，但在SCD文件中會完全不配置相關回路，該保護的二次虛回路完全缺失，如圖4所示。

圖4　二次回路沒有配置

因此，探索SCD虛回路的檢查技術成為確保智能變電站可靠運行的關鍵。

2　SCD檢查方案分析

2.1　基于通用設計規則的模板庫

國網公司發布的“變電站通用設計規范”定義了變電站二次系統設計規范，這些規范規定了二次系統的配置原則，結合變電站一次典型接線方式，可以大體確定 SCD所包含的二次虛回路的聯接要求。基于此，構成二次系統檢查的規則庫[4]。

在此基礎上，需要結合變電站過程層組網方案進行檢查，檢查的內容包括：①IED之間的功能回路連接，驗證基本的功能回路是否完整以及是否符合二次系統設計規則。這種驗證本質上是一種結構語義的驗證，其核心是完備性和一致性；②功能回路的網絡通信參數的規范性和正確性，驗證是否存在網絡參數錯誤等。這種驗證本質上是一種語義標簽驗證，其核心是正確性和等價性。

例如，1.3中1）屬于語義標簽錯誤；1.3中的2）屬于結構語義錯誤。兩種錯誤的承載對象存在差異：標簽語義錯誤的對象是回路對象；而結構語義錯誤的對象是功能，或包含功能的保護裝置，或包含保護裝置的變電站。

2.2　基于功能的回路檢查

IEC 61850標準定義的邏輯節點（logical node,LN）是功能實現的載體和表現，展現和控制與功能實現相關的輸入、輸出、定值和參數等，即邏輯節點可以使：“功能”的所有輸入和定值都是可見和可配置的；“功能”的所有輸出都是可定向和可檢查的。因此，對于二次系統功能的回路檢查可以通過由大到小的方式，沿著電壓等級、等級內間隔、間隔內裝置、裝置內功能的路徑進行逐步。如：①功能回路邏輯閉環的完整性：以線路保護為例，完整的邏輯閉環包括模擬量和開關量采樣、保護跳閘動作出口等回路；②虛回路連接的正確性：根據SCD文件中配置的二次虛回路的模型和描述等信息提取回路的類型特征，與規則庫進行匹配和比較，檢查回路連接是否完整[5]。

2.3　基于通信描述機制的檢查

IEC 61850標準對于IED之間的信息傳遞一般通過 GOOSE和 SMV數據描述，因此，需要針對SCD中的報告控制塊特征，結合數據集定義、通信參數等要素，進行SCD的虛回路檢查。檢查的內容包括：①GOOSE和SMV的報告控制塊的通信地址配置格式和范圍是否合乎規范；②APPID、MAC地址是否有重復或者缺失；③IP地址的分配是否合理、是否存在重復或者缺失等。

智能變電站的集成商在工程現場修改SCD時，一般是通過各自的專用SCD配置工具，由人工配置其中的二次回路連接關系。雖然某些集成商的工具具備模板類的配置輔助功能，但是保護和智能設備之間的多樣性組合仍然對 SCD工程配置的正確性提出很大的挑戰[6-9]。

3　基于語義強度的虛回路辨識技術

3.1　基于語義強度的虛回路辨識技術方案

鑒于SCD語義有強弱區分，可以根據語義強度對于SCD虛回路實現逐層辨識。具體如：基于IEC 61850-6的要求，進行SCD輸入二次虛回路的語義語法結構規范性辨識；基于國網企標《智能變電站配置文件技術規范》，進行IED裝置與一次系統關聯關系辨識；基于1396標準進行IED裝置模型描述規范性辨識；基于1161、1175設計規范，進行基于引用路徑及DESC的二次虛回路辨識，如圖5所示。

圖5　基于語義強度的虛回路辨識示意圖

3.2　基于Schema的實現技術分析

XML Schema是一種在XML中創建模式定義的語言，其以xsd為文件的后綴名。Schema模式文檔自身以 XML語言寫成，且支持 include、import等多種編程形式，使用Schema模式文檔規定XML文件，可以使其正確性定義結構清晰，含義明確。Schema模式文檔給出了對指定XML文件的語法和語義規定，檢查則由特定的程序或者軟件完成，程序如 JAVA等語言中的 xml.validation包，軟件如XMLSpy、Oxygen等。

Schema模式語言不僅能夠規定XML文檔的語法結構，而且可以通過一致性約束做到一定程度的語義檢查。Schema模式語言中使用的一致性約束有兩種，分別為：①惟一性約束，即xs:unique，其作用是指定某個元素的值或屬性在一定范圍內的唯一性；②關鍵字約束，即xs:key和xs:keyref，其作用是使用 keyref的一組值或屬性必須引用其對應的key這一組值或屬性。

變電站中IED之間的連接關系、二次回路等信息是通過某一個 IED的數據集中的 FCDA表達輸出，另一個IED的inputs中的ExtRef表達輸入來完成，Schema模式語言只能描述單個元素的值或屬性約束，無法直接使用 Schema模式文檔描述連接關系或二次回路等間接信息的正確性定義，因此不能通過Schema模式文檔進行SCD虛回路的規范性檢查。

SCD模型文件自身對連接信息、二次回路的描述機制決定了其不能使用 Schema模式語言直接進行約束。但是SCD本身并不缺少變電站中的任何配置信息，只是大量信息耦合在一起難以處理。因此，需要對SCD文件中的信息按類型進行信息提取，即對不同類型的信息解耦，由此，實現SCD文件中彼此孤立卻在實際上緊密聯系的同類信息的整合，并按照利于 Schema模式文檔約束的形式寫入到新的XML文件之后，用Schema模式文檔描述檢查規則，進行SCD虛回路辨識。

3.3　智能變電站設計規范特征

由上述可以看出，IEC 61850，1396，1161/1175，是目前分層強度檢查的主要層次框架。但以虛回路的視角看，它們所約束的語義強度側重點不同：

1）IEC 61850更側重標簽語義，即使是對于結構的約束，也多為通信目的，并非回路結構。因此應作為回路檢查的基礎標簽語義依據。

2）1396屬于結構語義的范疇，并細化了部分標簽語義，但結構側重于變電站通用結構。因此應作為回路檢查的加強標簽語義，及基礎結構語義依據。

3）1161/1175，以裝置類型為對象，詳細的規定的裝置的輸入/輸出，及模型表達約束，屬于強結構語義。因此應作為回路檢查的加強結構語義依據。

IEC 61850所提供的Schema模式，雖然僅僅表達了IEC 61850的約束，但其本質是一種詞法/語法/句法的形式化表達，可作為自動檢查的輸入。所以，無論1396，還是1161/1175中涉及詞法/語法/句法的約束，都可以采用擴充 Schema的方式加以形式化表達，則自動檢查的強度也隨之加強。

除此之外，1161/1175對回路設計的規范約束更具有現實價值。在本文中，屬于最高強度的回路語義依據。雖然標準的表達形式主要依靠表格與文字，但其實質是語義學中的詞庫、詞袋、詞向量，作為等價關系的檢查，目前的技術已經是充分的。參考目前AI技術和數學技術的發展，將“等于”這一單一運算，擴展到“大于”、“小于”、“相加”、“相減”等完整的運算體系，則可以近一步給出語義的“距離”，使之與“強度”、“完備”等性質對應，將使回路語義檢查更具有量化特征。

4　典型工程案例分析

為驗證技術方案的有效性，選擇了某500kV智能變電站SCD，采用基于語義強度的Schema技術，逐層對于所選擇的SCD進行虛回路規范性辨識，具體如下。

1）第一步IEC 61850檢查，基于XML的原始SCD文件與IEC 61850-6給出的XSD文件進行一致性比較，主要檢查SCD的語法結構是否規范，檢查結果如下。

獨立學院英語專業學生目前最大的問題是學習比較被動，從實際授課情況看，特別是人數比較多的班級，課堂氣氛比較沉悶，教學過程中的絕大部分時間是由教師講授。商務英語的專業定位是培養應用型人才，這個目標只有在學生具有一定積極性的前提下才有可能實現。因此，在眾多教學方法中，最適合在獨立學院教學需要的首先應該是案例教學法。

（1）第56317行：PB5012B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。

（2）第56318行：PB5012B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。

（3）第99942行：PL5003B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。

（4）第1891953行：PM5001B中元素“ExtRef”缺少必須屬性prefix。

前4條示例差異，缺乏上述屬性，可能會影響SCD二次回路正確性的判斷。

2）第二步基于 SCD技術規范的檢查，通過基于SCD技術規范的Schema技術，比對原始SCD文件與XSD文件的一致性。檢查SCD是否滿足SCD規范附錄J對IED實例化命名的約束要求，具體如下。

（1）SCD文件第 2031857行：裝置命名為IT02A，該命名不正確！

（2）SCD文件第 2036225行：裝置命名為IT02B，該命名不正確！

（4）SCD文件第 2052491行：裝置命名為PT02B，該命名不正確！

（5）SCD文件第 2241564行：裝置命名為ZDTQ01，該命名不正確！

（6）SCD文件第 2245445行：裝置命名為ZDTQ02，該命名不正確！

（7）SCD文件第 2581276行：裝置命名為ythdy，該命名不正確！

上述 7條差異反映 IT02A、IT02B、PT02A、PT02B、ZDTQ01、ZDTQ02和ythdy均不符合SCD技術規范附錄J的IED命名方式。命名不規范會影響對于保護屬性的正確判斷。

3）第三步IED配置檢查，以Q/GDW 1396—2012《IEC 61850工程繼電保護應用模型》為依據，采用Schema文件，比對SCD文件與XSD文件的一致性；具體如下。

（1）“PL5003A”的名字為PROT的LDevice中缺少名為PTOC的必選邏輯節點。

（2）“PT02A”的名字為PROT的LDevice中缺少名為TVTR的必選邏輯節點。

（3）“PT03A”的名字為PROT的LDevice中缺少名TVTR的必選邏輯節點。

（4）“PM5001A”的名字為 PROT的 LDevice中缺少名為TCTR的必選邏輯節點。

檢查結果體現的4條差異，缺少上述邏輯節點，則與該 IED相關的虛回路檢查時，無法直接調用Q/GDW 1161，線路保護及輔助裝置標準化設計規范；Q/GDW 1175，變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范中定義的引用路徑。

4）第四步基于Q/GDW 1161，線路保護及輔助裝置標準化設計規范，及 Q/GDW 1175，變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范的二次虛回路檢查，主要采取兩種方式：①基于引用路徑檢查；②基于DO的描述DESC信息的檢查。考慮到每臺裝置的有效輸出回路會在對端的輸入回路得到體現，所以需要提取 SCD中每一個IED輸入虛回路的本端端子dodesc信息和對端端子dodesc信息，由此可以構成二次虛回路體系完整性檢查。具體結果如下。

（1）“PL2204A”的輸入虛回路中閉鎖重合閘-6不存在，與標準中不符。

（2）“PL2204A”的輸入虛回路中其他保護動作-6不存在，與標準中不符。

（3）“PL2205A”的輸入虛回路中閉鎖重合閘-6不存在，與標準中不符。

（4）“PL2205A”的輸入虛回路中其他保護動作-6不存在，與標準中不符。

結果示例：4條差異缺少標準中必須存在的輸入虛回路，可能會影響對二次回路正確性的判斷。

5　結論

本文針對智能變電站SCD應用現狀，提出了基于語義強度的SCD虛回路辨識技術，通過對于工程應用中SCD文件的檢查，印證了該技術方案的有效性。確保SCD文件的正確性是實現智能變電站SCD全壽命周期管理的基礎[10-11]，是落實國調80號文要求，是實現保護系統在線監測與智能診斷，構建智能變電站二次安全預警系統的前提[12]。本文所提出的解決方式對于智能變電站保護系統運行安全性具有十分重要的價值，為智能變電站工程實踐推廣提供了可靠的技術保障。