基于OCS圖模的監控信號自動校核研究

李文偉

摘要：目前監控OCS平臺中，依托于圖模進行操作已經成為常態。相較傳統監控點表，圖模系統可更直觀了解變電站運行狀況，降低對監控人員的專業要求，降低操作復雜度，對電網運行起到積極作用。當前OCS圖模由維護人員依據監控點表手工繪制，缺乏有效工具對圖模正確性進行自動校核，本研究通過分析圖模配置文件，找出量化判據，實現圖模自動校核，并在測試數據中取得良好效果。

Abstract： At present， in OCS platform， it has become normal to operate on the basis of graphics. Compared with the traditional monitoring signal table， the graphic system can more intuitively understand the operation status of the substation， reduce the professional requirements of the monitoring personnel， reduce the complexity of operation， and play a positive role in management. But， the OCS schematic is drawn manually by maintenance personnel according to the monitoring signal table， and there is no tool to check the correctness of the schematic automatically yet. In this study， by analyzing the configuration file of the schematic， quantitative criteria are found to realize the automatic verification of the graphics， and good results are achieved in the test data.

關鍵詞：OCS圖模;監控點表;圖模匹配

Key words： OCS schematic;monitor signal;graphic matching

中圖分類號：TM734 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0232-04

0 ?引言

作為電力的控制中樞，主站監控中心對于電網安全穩定運行起到重要作用。OCS（電網運行監控系統）平臺作為監控中心的重要組成部分，承載了監控中心大量工作。依托于OCS平臺運行的常規業務包括：運行監控、操作下令、方式切換和系統維護等。目前，OCS平臺已經完成從傳統監控點表監控向電網圖模監控的遷移。值班員工作時面對監控大屏，在一次接線圖上直接讀取某開關或母線運行狀態，對一次設備進行遠程操作已日漸平常。但隨著系統內變電站數量增多，接入的整體點表數量成幾何級增長[1]。目前，主站OCS平臺內圖模創建仍然由電網自動化專業人員在點表完成設計后人工繪制，并在變電站投產時通過人工比對點表來進行校核。目前IEC61850站內點表規模平均可達4000點以上，極易因人為疏忽造成圖模與點表不匹配的情況發生。常常在變電站投產運行后，才發現問題而進行補救，存在漏洞。

由于技術原因，目前OCS平臺尚無成熟方案對圖模和點表進行自動校核。本研究通過利用圖模文件中的圖元字段信息，對信號描述和圖元位置等進行量化分析。通過利用圖模中包含的豐富信息：圖元距離、上下層關系、元件類型等，以多維度數據來強化配對效果。將配對結果進行輸出，以便其它功能調用。在測試數據集中進行驗證時，通過人為引入錯誤值驗證算法可靠性，達到滿意效果。整理總結出一般化應用方案。

1 ?電力信息化

經過數十年的發展，我國電業運行水平已經有了突飛猛進的發展。隨著二十世紀90年代開始推廣的電網信息化改造，大量原來需要人員駐站值班的老舊站通過改擴建，均實現了變電站內監控信號遠送。變電站的運行方式也從定期匯報、電話下令、值班人員本地操作的舊方式，升級為遠方監控中心通過“四遙”信號（指電網運行的遙信、遙測、遙控、遙調四類信號）實時監控、直接下令、遠方操作的新方式。大大降低變電站運行成本，提高變電站運行可靠率，簡單來說，通過電網信息化，我國電業水平已經躍居世界先進前列。

1.1 調度OCS平臺

隨著電網規模快速擴大，變電站自動化程度迅速提高，原來一個地級縣市電力公司的轄區也成倍增長。據資料統計，在我國二十世紀70年代，全國電力公司平均管轄變電站僅10余站，但在90年代末期，就已經達到百余站。如此快速的發展，對調度監控中心的運行管理水平要求也快速提高。迫切需要對監控中心進行改造升級，以便適應電網新發展[2]。

我國電業調度OCS平臺共經歷了四大時期：①單片機時代，20世紀70年代就已經有了調度自動化概念雛形，但限于當時技術所限制，大多數僅實現了信號的自動采集，通過使用MSC51，Z80等當時主流單片控制器實現了傳統表計的讀取;②EMS時代，隨著電網規模提高，提出了EMS（能量管理系統）平臺概念，中國電力科學研究院、南京自動化研究所和其它系統內研究單位在此概念下，探索研發一系列調度平臺，其中SCADA（數據采集和監控系統）得到了長足發展;③集中監控時代，由于電子計算機技術發展，出現了一批基于RISC的高性能計算平臺，基于這些嵌入式平臺各廠家開發了豐富功能的分布式系統。這個時期，在高性能硬件的支持下，高級圖形技術和數據庫技術引入了電網監控系統，應用軟件日益豐富;④D5000時代，在2003年8月，北美電網大面積停電事故給全世界電力行業敲響了警鐘。我國電力企業，連同行業內各科研院所，于2004年開展了專項研究。于2008年汶川地震后從理論開始迅速轉化為新一代調度控制系統研發，啟動了我國電網智能化發展的戰略。新一代調度平臺支持搭建各類應用，如EMS、DMS（配電網管理系統）、WAMS（廣域監測預警系統）等。此平臺具備廣度、深度兩個方向的廣泛適用性。（表1）

監控中心的網絡拓撲分為生產大區與信息大區。在OCS平臺上可同時進行生產監控信號遠程瀏覽、操作，也可以進行增改與維護。

1.2 圖模定義文件

基于D5000平臺的圖模子系統就是其重要組成部分。D5000平臺圖模采用ASCII編碼的G文件和CIM/E文件進行描述[3]。G文件為圖模交互標準文件，內部數據由XML結構組成，通過不同字段存儲了包括UID、圖元、位置、旋轉、縮放、綁定信號、keyid等一系列內容，對G文本進行解析，可以還原D5000平臺內實際一次接線圖;CIM/E文件內是監控信號與圖模關系描述文件，其內部將監控信號的點號同G文本中的keyid相結合，以便在D5000平臺圖模中正確反應變電站實際情況，讓圖動起來，具體關系見圖1示例。

經上述關系匹配，提取OCS圖模與監控點表中自動匹配所需數據來源。在兩個文件中，通過不同字段存儲分析所需信息，包括圖元在一次接線圖上的位置，信號描述信息等。表2中對分析所需字段進行了統計，并對字段內容進行簡述。

1.3 電力IEC104報文

在電力行業，已經確定變電站與調度監控中心之間通過IEC104規約進行通信，并收到各廠家平臺、設備的廣泛支持。研究IEC104報文解析，為實現OCS圖模與監控信號自動匹配是有意義的。目前IEC104經過迭代，存在多個版本，本研究基于IEC104/2002版本。

IEC104規約作為廣泛應用的國際標準，繼承了IEC101規約中ASDU（應用服務數據單元）的設計思想。通過將原基于低速串行介質的技術實現網絡化升級，結合標準OSI網絡通信模型形成的新一代規約。根據規約要求，IEC104工規定了5層的模型，分別為：①物理層;②鏈路層;③網絡層;④傳輸層;⑤應用層。實際應用時的報文通過應用層中的ASDU與APDU（應用規約數據單元）實現數據交互。由于應用層下四層同標準網絡TCP/IP通信相同，故不進行贅述[4]。

IEC104報文中，以68H作為幀起始標志，幀內參數包括主站地址、子站地址、點號，類型，取值，次序碼，UTC時間、校驗位。其中，以點號，類型，取值，UTC時間最為重要。點號即變電站內調度點表中點號，是標識通信幀最重要的關鍵點;其次，類型為解析提供依據，因為IEC104報文中對數據類型定義分為單點遙信、雙點遙信、遙測、SOE、告警直傳等類型，不同類型決定了后面數據區域的解析方法。所以正確解析類型也很重要。SOE事件報文中，會攜帶UTC事件，此時間為變電站設備發出的真值時間，應作為信號處理時的重要參考。最后，循環次序碼作為IEC104規約的重要組成部分，保障了在網絡通信不穩定時，通過次序碼形成高效校驗方案，確保變電站與監控中心間數據傳輸可靠。

2 ?自動匹配方案

實現OCS圖模與監控點表之間的自動校核，難點在于如何在圖模中確定圖元的正確性，由于在一次接線圖中，圖元不僅僅包含監控信息的數據內容，更由于其在二維平面中的位置，決定了在圖中是否正確。通過分析電力一次接線圖的繪圖規則，確定了三點規則：圖元有效半徑、描述相似度、類型關聯度。

2.1 圖元有效半徑

一次接線圖中，各設備的圖元位置均有實際意義，如果任意對其進行擺放將造成錯誤，極易引起使用者對圖模獲取錯誤信息，導致運行決策失誤的情況發生。通過引入圖元有效半徑的概念，將相關聯的圖元進行聚類，當對信號描述的語義關鍵字相近，但脫離圖元有效半徑的疑似錯誤圖元可以進行匹配錯誤。

針對電網中常見的設備，方案對其圖元有效半徑定義如表3。

式（2）作為對指定圖元與目標圖元有效半徑是否重疊的判據，可以方便的對一次接線圖的每個圖元進行遍歷運算，得到各圖元之間有效半徑覆蓋關系。

2.2 描述相似度

由節1.2描述，在圖模的CIM/E文件內，存儲有一次接線圖內圖元對應的信號描述字符串。根據監控中心自動化要求，此字段應同監控信號描述完全一致。隨著調度點表編制日益規范，從這些描述中可以對圖元實現解析，將描述內實義詞進行自然語義匹配，計算出各圖元的描述相似度，相似度高的圖元應該位置更為接近，這樣才符合圖模中一般規律。

信號描述一般表示為：#3主變220kV側203開關;#3主變220kV側2031刀閘;#3主變10kV側903開關A相電流。由這些描述可以看出，剔除非實義詞后，對描述關鍵字進行提取，可以得到“#3號主變”、“220kV側”、“開關”、“刀閘”等關鍵字段。定義描述相似度由如下公式來定量：

當描述中某關鍵字可以在實義詞組內找到包含關系，則該關鍵字對描述相似度τ為正貢獻，反之則無貢獻。將描述同所有CIM/E文件內描述進行對比，可以得到相似度定量數組，對數組進行降序排列，則描述相似度高的信號在數組最前。

2.3 類型關聯度

在一次接線圖中，圖元有確切的類型信息，對于開關、刀閘、地刀、高抵抗等，根據電網設備要求都有一定的次序，對于回路一次設備組合，肯定是由地刀、刀閘、開關、刀閘、地刀組成。對于變壓器周圍，肯定是由刀閘、高抗、變壓器、低抗、刀閘組成。對于電網設備，具有典型的設計規程。所以通過對圖元類型進行匹配，也可以得到關聯度量化值。由此，可以設計類型關聯規則，例如：刀閘圖元周圍，開關、地刀即為高關聯度設備，而變壓器，高抵抗等就是低關聯度設備或者負關聯度設備。將規則依據一次設備設計要求進一步細化，即可實現對一次接線圖內圖元類型關聯度的量化。

通過對圖元有效半徑、描述關聯度和類型關聯度進行綜合匹配，可以有效對一次接線圖對應圖模文件進行量化分析，適用于通過圖模對監控信號實現自動校核。

3 ?方案實施驗證

為保證客觀性，對研究的OCS圖模自動校核方案進行驗證，設計為三個步驟進行：首先，從監控中心應用較長時間，實際運行多年的圖模文件和信號點表入手，驗證方案實際可行性，作為證真步驟來確保方案設計和方案實現不存在紕漏;其次，對一次接線圖的圖模文件進行人為篡改，造成較明顯錯誤，通過研究方法對其進行自動校核，查看是否可以正確找到篡改點，作為證偽步驟來進一步證明方案可行性;最后，通過對監控中心剛設計的圖模文件進行自動校核，通過嘗試實施基于OCS圖模的自動校核。

根據設計，首先進行步驟一。選用圖模文件為某220kV變電站一次接線圖。其中共有高壓側設備46個，低壓側設備83個。覆蓋了220kV/110kV/35kV各電壓等級。對OCS圖模文件進行圖元有效半徑、描述關聯度和類型關聯度分析。三項關聯度計算后，強匹配圖元數量123個，弱匹配圖元數量4個，疑似錯誤匹配圖元2個。后經分析，錯誤匹配圖元為：“#1主變調檔值”和“#1主變油溫”，由于一次接線圖繪制時為了方便調度人員查看兩臺主變情況，將#1主變此參數放置于#2主變相似信號附近所致。

而后，對該圖模文件中102回路設備進行人為修改，分別將“110kV備用一164開關”、“110kV備用一1642刀閘”的坐標打亂，將“110kV備用二162開關”的描述更改為“110kV備用二262開關”來模擬圖模設計錯誤的情況。經過對OCS圖模文件再次運行自動校核，三相關聯度計算后，強匹配圖元數量降為115個，弱匹配圖元數量8個，疑似錯誤匹配圖元6個。對輸出結果進行查驗，與證偽期望結果相同。

最后，應用方案對某待驗收變電站的OCS圖模文件與監控信號進行自動校核，未識別出待驗收變電站OCS圖模文件存在圖元錯誤。基本滿足研究期望效果。

由圖2可知，方案基本滿足研究要求。在驗真環節，對實際應用的OCS圖模進行自動校核，校核出2個錯誤圖元。但經對圖模文件進行核對，其按照方案規則確實屬于錯誤情況，屬于現場一次圖編輯不規范所致。在后面的驗偽環接，由于修改了3個圖元，對結果產生了負面影響，弱匹配和錯誤匹配數量上升明顯。在實際應用環節，取得滿意效果。同時也對方案的計算量進行了統計，在相同計算機內，可以看到計算時間由信號數量決定，呈線性關系。對于相同數量信號，當錯誤圖元數量增多時，計算時間會略微上漲，但影響甚微。

4 ?總結與展望

隨著調度監控中心所管轄的變電站數量跨越式發展，主站側D5000平臺的圖模規模也隨之明顯增長。由于電網一次接線圖的復雜性制約，當前仍然需要通過中心自動化維護人員根據監控信號點表對圖模進行手動繪制。受限于維護人員的責任心和專業知識，圖模文件的正確性并無法得到有效保障。而隨著OCS平臺的迭代進化，監控中心運行值班人員已熟悉于通過一次接線圖模對變電站運行狀態進行監控與操作下令。當出現圖模錯誤時，極易誤導值班人員，對電網安全運行造成隱患。

本研究通過深入解析OCS平臺圖模G文件和CIM/E文件，找出了其同監控點號的關聯字段，成功將G文件、CIM/E文件和監控點表三者實現邏輯關聯。而后受自然語言處理的啟發，針對一次接線圖中的圖元提出了有效半徑、描述相似度和類型關聯度三種可量化的判別依據。初步實現了基于OCS圖模文件的信號自動校核方案，經過實驗完成方案實施驗證并取得良好效果。確認方案在主站圖模自動校核中具備實用價值。

參考文獻：

[1]修洪江.基于D5000平臺的調控一體化智能防誤系統的研究與應用[J].電工技術，2014（005）：58-60.

[2]王曉波，樊紀元，等.電力調度中心統一數據平臺的設計[J].電力系統自動化，2006，30（22）：89-91.

[3]周博曦，孟昭勇，王志臣，等.一種基于CIM的一次接線圖自動繪制系統的設計方法[C].中國高等學校電力系統及其自動化專業學術年會，2011.

[4]韓小軍，蔡東升，黃琦，等.基于IEC104遠動規約的智能變電站輔助平臺測試系統設計與實現[J].電測與儀表，2014（014）：104-109.