基于人工智能的智能變電站圖模一體化自動配置研究現(xiàn)狀及技術(shù)原理研究

朱辰 劉文昕 王罡 孟令健

摘要：在智能變電站的集中建設(shè)及樞紐變電站智能化改造過程中，基于SCL語言的多種配置描述文件發(fā)揮著舉足輕重的作用，為此國內(nèi)外對于智能變電站圖模配置開展了大量研究。本文通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析比較，決定研究基于人工智能的智能變電站圖模一體化自動配置技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能變電站;圖模一體化;自動配置

引言

“十三五”規(guī)劃將我國智能電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)上升至國家戰(zhàn)略層面的高度，隨著電力系統(tǒng)邁入智能時代步伐的加快，智能變電站建設(shè)所涉及的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝，已經(jīng)成為推動智能技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。

2009年國網(wǎng)公司啟動智能變電站試點建設(shè)，2011年全面推廣建設(shè)智能變電站，2012年提出研究與建設(shè)新一代智能變電站。截至目前，共有智能站4900余座。智能變電站圍繞系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保等方向取得了一定成效。主要采用了合并單元、智能終端、交換機(jī)、智能匯控柜、一體化監(jiān)控等設(shè)備;取消了傳統(tǒng)的二次接線，用 SCD 文件（全站系統(tǒng)配置文件）決定設(shè)備間邏輯關(guān)系和數(shù)據(jù)流向;使用光纜，減少了電纜的使用。

1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國內(nèi)智能變電站虛端子連接工作主要依靠設(shè)計院人員手動完成，工作量大，時間長且容易出錯，對智能變電站的安全運行造成隱患。因此采用計算機(jī)自動連接智能變電站 IED 間的虛端子成為了當(dāng)前的研究方向。由于智能變電站內(nèi)的 IED 種類型號繁多，不同設(shè)備生產(chǎn)廠家對同一類型的虛端子表示形式不一，而且虛端子連接的規(guī)則十分復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的字符串匹配方法實現(xiàn)虛端子自動連接存在巨大的困難。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展和實際運行的智能變電站數(shù)量的增加，為使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)智能變電站虛端子連接規(guī)則創(chuàng)造了條件。國內(nèi)對智能變電站二次系統(tǒng)虛端子的連接方法進(jìn)行了大量的研究，根據(jù)具體實現(xiàn)方式主要分為三種：1、表格結(jié)合拖動的方法;2、基于圖形化模型的可視化設(shè)計方法;3、自動連接方法。

國內(nèi)學(xué)者針對SCD文件也開展了大量研究，主要包括：采用基于位置的文本比較算法查找SCD文件的變化內(nèi)容;綜合運用裝置過程層配置CRC碼在線管控、SCD文件虛回路配置信息比對和SCD文件虛回路可視化校驗等方法;利用二次回路文件比對生成差異文件。在運維過程中，過程層網(wǎng)絡(luò)基于VLAN劃分的配置需要運維人員根據(jù)SCD 文件手工配置，且變電站改擴(kuò)建后的配置仍需人工完成。

對于變電站圖紙的生成，國內(nèi)思源電氣公司的系統(tǒng)配置工具EASY50和南瑞繼保公司的SCL Configurator內(nèi)嵌了SSD生成工具，采用基于IEC61850的圖模一體化建模方法，一次設(shè)備模型及之間的拓?fù)溥B接關(guān)系根據(jù)繪制的主接線圖自動生成，全站只需維護(hù)一套圖形和一套變電站模型。此外，國內(nèi)部分廠家正在推廣和開發(fā)的基于AutoCAD的圖形化模型設(shè)計工具軟件，以AutoCAD二次開發(fā)、圖模一體化設(shè)計為手段，實現(xiàn)設(shè)計和配置的一體化。此實施方法，主要為設(shè)計單位提供符合其使用習(xí)慣的配套工具，突出設(shè)計單位的設(shè)計、集成、配置一體功能。但上述設(shè)計的軟件具有根據(jù)私有的數(shù)據(jù)庫文件自動出圖的功能，但完全依賴公開的規(guī)范文件，對SCD和SPCD文件進(jìn)行自動出圖尚沒有進(jìn)行研究。

2 國外研究現(xiàn)狀

相比于國內(nèi)在智能變電站方面火熱的研究與工程實踐，國外相關(guān)的研究發(fā)展相對滯后，國外針對智能變電站研究與工程實踐不多。

首先，國外智能變電站的虛連接沒有專門的設(shè)計單位，也沒有虛端子的概念。國外如法國等電力公司采用設(shè)備廠商成套設(shè)計模式，不需要額外的設(shè)計部門，其智能變電站SCD文檔的設(shè)計主要依靠廠商通過配置工具完成。其中較為著名的SCD 配置工具包括SCL Manager和Visual SCL for IEC 61850 等。國外SCD設(shè)計采用如下流程：首先由設(shè)備廠商使用設(shè)備配置工具生成設(shè)備的ICD文件;同時根據(jù)智能變電站主接線圖及功能配置，生成系統(tǒng)規(guī)格描述文件SSD;系統(tǒng)集成商從設(shè)備廠商獲得裝置的ICD文件，并導(dǎo)入到系統(tǒng)配置工具，完成所有裝置的實例配置和連接，得到全站配置文件SCD;設(shè)備廠商將配置好以后的SCD文件設(shè)備導(dǎo)入到設(shè)備配置工具中，生成裝置配置描述文件CID，并下載到裝置中，完成裝置配置。

此外，國外的設(shè)備廠商在智能變電站二次設(shè)備的虛連接和互操作上積累了大量經(jīng)驗。國際上的大型電力設(shè)備公司，如ABB、西門子等，作為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的制定者，早期就進(jìn)行了各個廠家設(shè)備間的互操作實驗，并且研制了配套設(shè)備，在實際現(xiàn)場中進(jìn)行了試用。例如，1998年-2000年，ABB、西門子和ALSTOM共同在德國完成了間隔層設(shè)備和主控站之間的互操作試驗。試驗中通過在以太網(wǎng)上實現(xiàn)IEC61850-8-1，ABB使用主控站完成了ABB、ALSTOM和西門子的設(shè)備間的相互連接。2001年ABB和西門子在加拿大進(jìn)行了使用GOOSE信號控制間層設(shè)備的試驗。試驗中西門子的保護(hù)將跳閘開入信號發(fā)送給ABB的斷路器模擬器，收到信號后ABB的斷路器模擬器進(jìn)行跳閘，同時向網(wǎng)絡(luò)廣播開關(guān)打開的 GOOSE信號，ABB保護(hù)接收信號后向斷路器發(fā)出重合命令。2002年1月，ABB和西門子在美國使用SV網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互操作試驗，同年9月，這兩家公司又實現(xiàn)了設(shè)備間的跳閘和采樣值互操作性，都取得了成功。目前，國外61850研究主要集中在61850體系下的通信性能和繼電保護(hù)可靠性、建模技術(shù)、二次系統(tǒng)設(shè)計和多廠商設(shè)備工程集成軟件應(yīng)用等方面。

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于智能變電站圖模配置的研究主要是通過繪制主接線圖形成SSD文件和通過SSD文件繪制主接線圖，對于一次、二次融合的應(yīng)用研究較少。在SCD配置過程中提出過間隔復(fù)制，批量復(fù)制，圖形化連接，表格連接等方面，并未曾提出過以建立模板庫的方式實現(xiàn)自動化配置SCD文件的方法。而物理回路的設(shè)計方式依然為手動方式設(shè)計，自動化程度不高。

因此，為了更加有效的提升變電站全景模式設(shè)計和校驗過程中的效率問題，本項目將基于人工智能技術(shù)對智能變電站圖模一體化配置開展深入研究。

2基于人工智能的智能變電站圖模一體化自動配置技術(shù)原理

本項目首先建立了虛端子連接模板庫，在邏輯回路模板庫研究的基礎(chǔ)上，引入RKR-GST算法和中文分詞技術(shù)解決模板自動創(chuàng)建及學(xué)習(xí)的問題，使模板庫具有人工智能的屬性，實現(xiàn)自動學(xué)習(xí)、自動整理和自動完善。其次，對虛端子連接模板庫進(jìn)行分類處理，通過解析變電站SSD文件獲取變電站的電壓等級和主接線方式，再匹配到合適的邏輯回路模板文件，實現(xiàn)對SCD文件虛回路的自動設(shè)計和校驗。進(jìn)一步地，在模板庫中創(chuàng)建物理間隔，存放通用物理設(shè)備，并根據(jù)各間隔設(shè)備的物理關(guān)系連接信息邏輯，在模板庫快速連接SPCD時，通過映射關(guān)系將模板庫中的設(shè)備映射到實際工程中，邏輯信息根據(jù)模板庫中物理端口所存在的信息同樣映射到實際工程端口中，實現(xiàn)快速設(shè)計SPCD文件。最后，開發(fā)SPCD文件和SCD文件生成設(shè)計軟件的私有數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能變電站自動出圖。

3結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于智能變電站圖模配置的研究主要是通過繪制主接線圖形成SSD文件和通過SSD文件繪制主接線圖，對于一次、二次融合的應(yīng)用研究較少。在SCD配置過程中提出過間隔復(fù)制，批量復(fù)制，圖形化連接，表格連接等方面，并未曾提出過以建立模板庫的方式實現(xiàn)自動化配置SCD文件的方法。而物理回路的設(shè)計方式依然為手動方式設(shè)計，自動化程度不高。因此，本文基于人工智能技術(shù)對智能變電站圖模一體化配置開展深入研究可以有效的提升變電站全景模式設(shè)計和校驗過程中的效率問題，降低智能變電站建設(shè)與設(shè)計成本，促進(jìn)智能變電站改造升級，并推動我國制造業(yè)的發(fā)展，能產(chǎn)生較高的社會效益，具有重要的應(yīng)用價值。

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