基于智能匹配的智能變電站虛回路自動連接技術(shù)

曾凡興 史正陽 修黎明 魯萬新 羅志娟 康毅

摘 要： 針對虛回路數(shù)量較多、設(shè)計繁雜、手工鏈接、出錯率高、效率低等諸多難題，重點研究了利用智能匹配技術(shù)進行虛回路自動連接的方法，提出了以構(gòu)建基于正則表達式的典型設(shè)計方案規(guī)則為基礎(chǔ)，開展虛回路自動設(shè)計的詳細策略，最后通過工程實驗驗證了自動化連接的可行性、有效性，經(jīng)過訓練優(yōu)化的規(guī)則庫虛端子自動連接正確率達到100%。

關(guān)鍵詞： 虛回路； 自動化設(shè)計； 智能變電站； 智能匹配； 自動連接； 正則表達式

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0146?05

Abstract： The design for virtual circuit has the problems of a large number of virtual circuits， miscellaneous design workload， manual link， high error rate and low efficiency. Therefore， the method using intelligent matching technology to automatically connect the virtual circuit is emphasically studied. The detailed design strategy of virtual circuit automatic design is proposed according to the typical design scheme rule based on regular expression. The feasibility and effectiveness of the automatic connection are verified with engineering experiments， and its corret rate can reach up to 100%.

Keywords： virtual circuit； automation design； smart substation； intelligent matching； automatic connection； regular expression

0 引 言

智能變電站合并單元、智能終端的應用實現(xiàn)了采樣、跳閘信號的數(shù)字化。原本由電纜連接完成的二次回路改為光纖連接，而光纖中所承載的鏈路稱為“虛回路”，每條“虛回路”的發(fā)送端和接收端信號稱之為“虛端子”。常規(guī)變電站中的電纜連接通過裝置背板上的端子進行連接，能夠通過圖紙直觀表達；而虛回路為數(shù)字鏈接回路，虛端子是通過廠家提供的ICD文件（IED Capability Description）來描述，數(shù)量較多，難以通過圖紙形式表達，目前主要以Excel表格形式展現(xiàn)。雖然國家電網(wǎng)公司出臺了相關(guān)企業(yè)標準、通用設(shè)備等，但除保護類設(shè)備ICD文件相對標準外，其余如智能終端、測控裝置等ICD文件各廠家編制原則、思路差異較大。對保護、測控等設(shè)備而言，智能變電站通過虛回路實現(xiàn)的功能與傳統(tǒng)變電站通過電纜連接構(gòu)成的二次回路實現(xiàn)的功能是沒有差別的。依據(jù)這一思路，通過尋找合并單元、保護、智能終端等之間固化鏈接規(guī)則，研究一種虛回路的自動化連接方法，減少設(shè)計、廠家人員重復勞動，提高虛回路鏈接正確率、提高智能變電站建設(shè)效率。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

文獻[1?2]提出了一種虛端子的設(shè)計方法，能夠?qū)⑻摱俗右钥梢姷男螒B(tài)在圖紙上進行表達，解決了數(shù)字回路無節(jié)點、無端子、無連線、設(shè)計難以表現(xiàn)的問題。文獻[3]利用設(shè)備廠家的ICD文件直接開展設(shè)計，并借助軟件讓虛回路設(shè)計更加直觀，糾錯更加便利。以上文獻均是在虛回路設(shè)計方法、虛回路表達方式等方向做出的探索，并未見實質(zhì)的效率提升。文獻[4]提出基于歷史SCD模板的虛回路輔助生成方法，向虛回路自動化連接邁進了一步，基于關(guān)鍵字編碼查找的方式進行端子匹配，但這種方式對標準規(guī)范的依賴性較大，且關(guān)鍵詞匹配不支持復雜的邏輯，匹配的正確性得不到保證。

本文針對虛回路匹配工作繁重、容易配錯等問題，提出一種適應性強的虛回路自動連接方法，利用正則表達式定義規(guī)則庫。通過分析主流設(shè)備廠家的虛端子描述方式，定義能夠兼容不同廠家虛端子的正則表達式，通過歷史工程訓練驗證規(guī)則庫，并反饋優(yōu)化規(guī)則定義，最終應用到實際工程的虛端子連接中。實驗驗證了所提方案的可行性，經(jīng)過訓練優(yōu)化的規(guī)則庫虛端子自動連接正確率達到100%。

2 正則表達式原理

2.1 字符定義

正則表達式是對字符串操作的一種邏輯公式，用事先定義好的一些特殊字符組成的字符串，并以此檢查一個字符串是否包含某種子串、將匹配的子串做替換、從某個字符串中取出符合某個條件的子串等。本文利用檢查某個虛端子中是否包含提前定義的子串來確定該虛端子的意義。

正則表達式由普通字符、元字符組成，其中普通字符包括大小寫的字母和數(shù)字，而元字符則具有特殊的含義[5]。元字符的不同組合規(guī)則具備不同的含義，表1列出用到的一些元字符及其簡單描述。

2.2 匹配原理

匹配過程按照從表達式最左端第一個字符開始，從左到右依次一個字符進行匹配。當待匹配字符串中有字符成功匹配到正則表達式中字符，則從這個位置開始嘗試正則表達式中的下一個字符進行匹配，如果匹配成功則繼續(xù)從這個位置開始匹配正則表達式中下一個字符；如果匹配不成功，則“回溯”到第一次匹配的字符處重新從正則表達式中第一個字符開始匹配[6?8]。

以圖1為例介紹匹配到指定內(nèi)容的過程：

首先，由正則表達式中的字符“電”取得控制權(quán)，從源字符串的位置0開始匹配，由“電”來匹配“?！保ヅ涫。焕^續(xù)嘗試下一字符“護”，匹配失??；繼續(xù)下一個字符“電”，匹配成功。

這樣控制權(quán)由正則表達式中的“電”傳遞給字符“流”，由于字符“電”已被匹配，所以“流”從位置3開始匹配，匹配成功。

控制權(quán)由正則表達式的“流”傳遞給“.*”，由于“.*”是匹配優(yōu)先量詞，在可匹配可不匹配的情況下，優(yōu)先嘗試匹配，從位置4開始匹配，匹配成功，繼續(xù)向右匹配直到結(jié)尾的“1”，匹配成功，由于此時已經(jīng)匹配到字符串的結(jié)尾，所以“.*”匹配結(jié)束，將控制權(quán)交給正則表達式的“A”。

“A”取得控制權(quán)后，由于已經(jīng)在字符串結(jié)束位置，匹配失敗，向前查找可供回溯的狀態(tài)，控制權(quán)交給“.*”，由“.*”讓出一個字符，也就是字符串末尾的“1”，再把控制權(quán)交給正則表達式的“A”，由“A”匹配“1”，匹配失?。恢貜鸵陨系倪^程繼續(xù)回溯，一直回溯到“A”，匹配成功。正則表達式的控制權(quán)傳遞給下一個“.*”。重復以上的過程，最終匹配成功[9?10]。

3 自動連接技術(shù)方案

3.1 規(guī)則庫模型構(gòu)建

首先基于典型設(shè)計方案定義好規(guī)則庫[11]，規(guī)則庫基于智能裝置間的信息流向進行構(gòu)建。每個設(shè)計方案的規(guī)則庫主要由電壓等級、典型間隔、間隔設(shè)備、信息流、回路規(guī)則表達式等部分構(gòu)成。圖2以實例展示了規(guī)則庫中所包含的電壓等級、典型間隔、間隔設(shè)備的層次關(guān)系。電壓等級以220 kV為例進行展示，典型間隔以線路間隔為例進行展示。

圖3定義了線路間隔設(shè)備間信息流向關(guān)系，信息流定義包含信息流標識、發(fā)送設(shè)備名稱、接收設(shè)備名稱、信息流描述。

基于信息流向關(guān)系，定義每個信息流中的回路規(guī)則表達式。規(guī)則表達式以正則表達式的形式定義，表2以信息流Cir_001進行示例。同時為了能夠應對不同設(shè)備廠家對虛端子的個性化定義，采用“|”進行兼容。

下面以具體示例描述信號的正則表達式規(guī)則定義過程。以合并單元發(fā)送的電流信號為例，不同的設(shè)備廠家對信號的定義如表3所示。

從表3可以看出，不同廠家對信號的描述含義相近但內(nèi)容卻各不相同。其中的核心詞分別為“電流”或“I”，“A”或“a”，“1”。按照上文中對正則表達式的定義原則，將該信號的正則表達式規(guī)則定義為：（電流.*A.*1）|（A.*電流.*1）|（Ia1），該規(guī)則能夠兼容所列6個廠家的不同定義，而且規(guī)則擴展、優(yōu)化非常靈活，可通過“|”進行追加，方便在工程實踐中不斷優(yōu)化規(guī)則庫，為規(guī)則庫準確率的不斷提升創(chuàng)造了條件。

以上便為設(shè)計方案規(guī)則庫的詳細構(gòu)建方法。實際構(gòu)建過程中會基于不同的規(guī)模及接線形式構(gòu)建出多種設(shè)計方案規(guī)則庫，使用時選擇適合的規(guī)則庫進行自動化連接[12?14]。

3.2 自動匹配過程

虛回路連接的過程，即完成不同裝置間輸入、輸出信號的配對，而自動化的依據(jù)便是設(shè)計方案規(guī)則庫。具體設(shè)計時，創(chuàng)建實際的電壓等級、間隔及間隔內(nèi)的設(shè)備，并收集設(shè)備廠家對設(shè)備虛端子進行定義的配置文件，依據(jù)配置文件為設(shè)備建立輸入、輸出虛端子。圖4為建立的220 kV線路保護的部分輸入信號和220 kV線路合并單元的部分輸出信號。從圖中可以看到，由于智能裝置的類型不同，且可能來自于不同的設(shè)備供應商，其虛端子的命名并不一致，所以并不能通過建立固定的配對規(guī)則來實現(xiàn)虛回路的自動連接，這是正則表達式發(fā)揮價值的關(guān)鍵所在。

完成這些設(shè)計內(nèi)容后，找到適合本設(shè)計工程的設(shè)計方案規(guī)則庫。通過規(guī)則庫中事先定義的規(guī)則能夠獲知，220 kV線路保護與220 kV線路合并單元之間存在一條信息流向關(guān)系，即：Cir_001 采樣信號，且方向為220 kV線路合并單元→220 kV線路保護，每個裝置都有輸入、輸出兩種類型的信號，確定信息流的方向，可以縮小待查找的虛端子的輸入、輸出類型范圍，只需要查找220 kV線路合并單元的輸出信號、220 kV線路保護的輸入信號即可。

從智能裝置虛回路規(guī)則庫中找到信息流“Cir_001”對應的配對規(guī)則，通過表2可知對應的規(guī)則共計14條，利用每一條規(guī)則從兩個智能裝置中分別匹配查找符合條件的虛端子，若兩端都匹配到相應的虛端子，則完成連接，進入下一條規(guī)則，重復以上步驟。查找及配對過程詳細描述如下：

找到第一條規(guī)則：發(fā)送端正則表達式“（電流.*A.*1）|（A.*電流.*1）|（Ia1）”；接收端正則表達式“（電流.*A.*1）|（A.*電流.*1）|（Ia1）”；兩側(cè)的正則表達式相同，正則表達式的定義要注意關(guān)鍵詞的提取。正則表達式定義過于粗略將導致不易匹配上唯一需要查找的虛端子，正則表達式定義的過于精確將導致適應性偏弱，不同廠家虛端子的細微變化都有可能導致匹配不上需要查找的虛端子。

此外，發(fā)送端通過正則表達式匹配220 kV線路合并單元的輸出虛端子，接收端通過正則表達式匹配220 kV線路保護的輸入虛端子。

最終通過正則表達式“（電流.*A.*1）”可以匹配到輸出虛端子“保護電流A相1”。

通過正則表達式“（A.*電流.*1）”可以匹配到輸入虛端子“保護A相電流1：Ia1”。成功示例如圖5所示。

收、發(fā)兩端都匹配到指定的信號后，完成信號的配對，并記錄，如表4所示。按照以上的步驟，逐條規(guī)則進行匹配，并逐一完成信號的配對，即可完成全站虛回路信號的連接。

4 工程驗證

為了驗證虛回路自動化連接方案的可行性，利用武漢化工220 kV變電站進行實驗驗證。武漢化工220 kV變電站220 kV部分終期為雙母線單分段接線，本期按雙母線運行，終期出線8回，本期出線4回，110 kV終、本期均采用雙母線接線，智能裝置及ICD文件來源于4個廠家。

實驗將分兩個場景進行驗證，分別是單間隔內(nèi)、跨間隔之間，其中單間隔內(nèi)選擇220 kV乙烯線線路間隔，跨間隔之間選擇220 kV乙烯線線路間隔、220 kV母線間隔之間。自動化連接的效果如表5，表6所示。

從表5、表6的實際工程測試數(shù)據(jù)可看出，利用改進后的規(guī)則庫進行虛回路自動連接，連接效果比較好，正確匹配率達到了100%，證實了該方法的有效性。

5 結(jié) 論

本文提出一種基于正則表達式進行虛端子查找、配對的方法，分析了工作原理及實驗過程。研究表明該方法在不依賴虛端子標準化的前提下，能夠適應不同廠家對虛端子的不同定義，很好地解決了虛回路設(shè)計工作量繁重的問題。該技術(shù)將在更多的工程中得到應用，基于此，后續(xù)將更加深入的研究應對不同工程的復雜場景。

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