基于關鍵字符匹配的虛端子自動關聯(lián)方法

陳 盼，林傳偉，湯惠芳，黃皖生

（福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003）

0 引言

在智能變電站二次設計中，為了最小化對傳統(tǒng)設計方法的改動，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，相當于IED（intelligent electronic device，智能電子設備）的功能接口索引。隨著智能變電站的發(fā)展，虛端子設計已成為二次設計的主要內(nèi)容，在此基礎上構建的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試及運行檢修的核心文件。

在一些已投運的智能變電站試點工程中，虛端子設計遇到的主要問題之一是在變電站調試過程中，一旦廠家需要修訂 ICD（IED Capability Description，IED能力描述文件）模型文件，與該裝置相關的虛端子關聯(lián)關系將全部被刪除，設計單位、集成商廠家、調試單位需重新關聯(lián)虛端子，大量重復性勞動導致調試時間增長，直接影響工程工期，降低設計調試質量[4]。

解決上述問題的有效途徑之一是利用計算機進行設計規(guī)則的自學習，從而實現(xiàn)虛端子的自動關聯(lián)。這樣，當需要替換ICD模型文件時，虛端子的關聯(lián)工作將由計算機完成，原來繁復的手動關聯(lián)將變成簡單的數(shù)據(jù)刷新等操作，節(jié)省時間的同時減少了錯誤率。

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

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

1 虛端子數(shù)據(jù)格式、命名規(guī)范及應用

現(xiàn)階段，變電站中的二次設備均按照IEC 61850進行建模。IEC 61850采用面向對象的建模方法，定義了樹形、層次化的數(shù)據(jù)模型結構[6-8]，從上到下依次可分為物理設備（physical device，PD）、邏輯設備（logical device，LD）、邏輯節(jié)點（logical node，LN）、數(shù)據(jù)對象（data object，DO）、數(shù)據(jù)屬性（data attribute，DA）。在此基礎上，對每個對象生成一個全局唯一的索引[9]，即虛端子名稱的數(shù)據(jù)格式為

IEC 61850定義了數(shù)據(jù)結構、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備分別包含哪些邏輯設備，不同的邏輯設備包含哪些邏輯節(jié)點等。為指導IEC 61850規(guī)范的實施和工程應用，國網(wǎng)公司2010年發(fā)布了《IEC 61850工程繼電保護應用模型》[10]，對于如何建模、命名規(guī)則等予以細化和補充，以規(guī)范化國內(nèi)不同廠家虛端子格式和命名。

從應用的角度看，一些已建設的智能變電站試點工程中，設備建模及虛端子表達有以下特點和問題：

（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)范設計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，同時各廠家對產(chǎn)品的研發(fā)求變是一個不間斷的過程，規(guī)范中對具體實施留有一定的自由度，各廠家內(nèi)部模型不一，虛端子實現(xiàn)完全統(tǒng)一還需較長時間。

綜上所述，各廠家的虛端子設計現(xiàn)階段及相當長的一段時間內(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現(xiàn)的，只能對其進行模糊匹配。

2 基于關鍵字符匹配的虛端子自動關聯(lián)方法

2.1 關鍵字符矩陣及提取原則

一般二次設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

本文將虛端子的關鍵字符定義為：從表達方式不同、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。通過查找關鍵字符，可對具有某個功能的虛端子實現(xiàn)精確定位。

對每一個虛端子分別提取關鍵字符，即構成了關鍵字符矩陣。例如，可設置表1中虛端子的關鍵字符矩陣，如表2所示。

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

為提高關鍵字符的查找定位功能，可遵循下列原則設定關鍵字符：

（1）對于每個虛端子都包含的字符，可不設為關鍵字符，以減少程序運行時間，如表1中的“MU”不必設為關鍵字符；

（2）關鍵字符應當是面向某一類功能的虛端子，而非某個具體的虛端子；

（3）對于能顯著區(qū)分某類虛端子特征的字符，可適當增加權重。

2.2 關聯(lián)矩陣

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

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

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

圖1 關聯(lián)矩陣示意圖Fig. 1 Schematic of connection matrix

2.3 虛端子自動關聯(lián)方法

虛端子自動關聯(lián)流程如圖2所示，具體步驟為

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

（2）比較模板文件與待關聯(lián)文件輸入輸出虛端子名稱是否相同，若相同，則直接復制模板文件的虛端子，轉向（9），若不同，則轉至（3）。

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

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

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

（5）求模板文件對關鍵字符矩陣的關聯(lián)矩陣。

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

（7）求取待關聯(lián)文件對于新關鍵字符矩陣的關聯(lián)矩陣。

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

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

（10）檢測是否所有虛端子關聯(lián)完，若是，則轉向（11），否則，對其進行手動關聯(lián)后轉向（11）。

（11）檢測所有待關聯(lián)文件的虛端子是否關聯(lián)完，若沒有，則轉至（2），反之，則結束程序。

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

3 實例分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)及平臺

以某220 kV智能變電站為例進行實驗分析。線路1間隔的保護裝置、合并單元、智能終端均選用國電南自的設備，線路2間隔選用南瑞繼保的設備。選擇線路1間隔配置的虛端子作為模板文件，線路2間隔為待關聯(lián)文件，模板文件和待關聯(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個人電腦，WindowsXP操作系統(tǒng)上使用Matlab R2009a編程實現(xiàn)。

3.2 實驗步驟

以合并單元輸出至保護裝置為例，簡要說明虛端子自動關聯(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：設置合并單元的關鍵字符矩陣。

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

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

第三步，計算模板文件合并單元對關鍵字符矩陣的關聯(lián)矩陣如式（1）。

第四步：根據(jù)關聯(lián)矩陣調整關鍵字符矩陣的行位置，得到新的關鍵字符矩陣。

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

關聯(lián)矩陣中，每一行中關聯(lián)系數(shù)最大的列號即為與該行虛端子關聯(lián)性最強的關鍵字符的序號。如關聯(lián)矩陣中第一行中關聯(lián)系數(shù)最大為“6”，在第“7”列，則說明關鍵字符矩陣中第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虛端子（SVOUT17 MU/UATVTR1.Vol1 電壓A相:電壓采樣值1）關聯(lián)性最強，因此，將該組關鍵字符位置提至第一行，與虛端子的位置保持一致。同理對每一行進行調整得到新的關鍵字符矩陣如表5所示。

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

計算可得關聯(lián)矩陣為

第六步：根據(jù)關聯(lián)矩陣調整待關聯(lián)文件中合并單元的位置。

與上一次關鍵字符位置調整不同的是本次應調整合并單元虛端子的位置，即根據(jù)列調整。關聯(lián)矩陣每一列對應一組關鍵字符，每一列中關聯(lián)系數(shù)最大的行號即為與該組關鍵字符關聯(lián)性最大的虛端子的序號，由于關鍵字符已被調整與模板文件中虛端子順序對應，因此調整后待關聯(lián)文件與模板文件中功能相同的虛端子位置一致，待關聯(lián)文件合并單元的順序調整如表6所示。

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

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

關聯(lián)好的虛端子結果如表7所示。

表7 自動關聯(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，可通過調整關鍵字符或手動關聯(lián)的方式完成所有虛端子關聯(lián)。

觀察自動關聯(lián)結果發(fā)現(xiàn)，關鍵字符“5 'TCTR''Amp1' 'PC' '電流' 'C' '采樣值 1' '電流 1'”同時有兩個虛端子與之相對應。通過分析可知，這是由于關鍵字符中含“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，從而增大了關聯(lián)系數(shù)導致誤判。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，因此可通過調整關鍵字符或手動方式完成關聯(lián)。

3.3 結果分析

分析、歸納實驗結果得到如下結論：

（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聯(lián)。

（2）從工作效率上看，自動關聯(lián)虛端子的工作由計算機完成，省略了人工查找、拖拽、連線等工作，關聯(lián)時間在秒級（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 結語

針對智能變電站虛端子的語義特征，提出了基于關鍵字符匹配的虛端子自動關聯(lián)方法，通過該方法，對于一種類型的關聯(lián)，僅需設計一個模板即可自動完成其他虛端子的關聯(lián)。設計人員的工作內(nèi)容可從過去繁瑣的重復機械勞動轉變?yōu)閷ο到y(tǒng)的優(yōu)化和對數(shù)據(jù)的分析，從而提升設計效率和質量。由于基于模糊匹配，所提方法不局限于設備型號的限制，能很好地兼容不同廠家、不同型號的設備，具有可觀的推廣應用前景。

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