基于相似度匹配的智能站虛端子連接準確性判斷方法

戴志輝， 邱小強， 耿宏賢， 李金鑠， 方 偉

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

常規(guī)變電站二次系統(tǒng)中，各端子之間一一對應的關系靠電纜連接實現(xiàn)，導致二次電纜數(shù)量龐大。在智能站中，通信網絡傳輸?shù)臄?shù)字信號取代了傳統(tǒng)二次回路傳輸?shù)奈锢黼姎庑盘?，二次設備之間通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，光纖數(shù)量少，單根光纖傳輸多路數(shù)據(jù)，需通過虛端子保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性[1-4]。

目前，虛端子的連接工作主要由設計院或現(xiàn)場集成商完成。虛端子數(shù)量多、工作量繁重，各設備廠家對虛端子描述存在差異，若設計人員對虛端子的含義理解不夠清晰、憑經驗連接虛端子易導致虛端子連接錯誤。虛端子連接一旦出錯，會影響二次系統(tǒng)功能的實現(xiàn)[5-8]。

目前關于虛端子連接準確性的判斷方法研究很少，多數(shù)集中在虛端子自動連接技術方面，以提高虛回路配置效率[9-12]。如文獻[9]提出了一種根據(jù)特征字自動匹配的虛回路自動生成辦法；文獻[10-11]利用關鍵字符匹配實現(xiàn)虛回路的自動設計；文獻[12]提出一種基于距離權重向量優(yōu)化模型的虛端子自動連接方法。也有不少研究集中在虛回路的可視化和監(jiān)測方面[13-16]，如文獻[14]構建了虛回路綜合監(jiān)視技術體系；文獻[15]提出了一種基于綜合評價識別法的虛回路在線狀態(tài)監(jiān)測技術；文獻[16]基于短地址模型的虛回路監(jiān)視方案。但是，對于虛端子連接準確性判斷方法的研究很少，主要靠調試仿真的方法進行測試，文獻[17]提出了一種基于制造本文的通信規(guī)范MMS通信的跨間隔聯(lián)合測試方法，文獻[18]設計出了一種數(shù)據(jù)核對和開出傳動自動化驗證的二次仿真自動測試系統(tǒng)?，F(xiàn)場目前主要靠二次回路整體測試來檢驗虛端子連接是否正確。

為此，提出一種智能變電站虛端子連接準確性判斷方法。首先分析了輸入輸出虛端子在數(shù)據(jù)格式和中文描述上具有一定相似度，提出一種新的相似度計算方法，并搜索輸入輸出虛端子間的最大相似度，通過最大相似度匹配原則判斷輸入輸出虛端子連接的準確性。最后通過算例驗證了方法的有效性。

1 虛端子及其數(shù)據(jù)格式

在智能站二次系統(tǒng)中，一根光纖可傳輸多路數(shù)據(jù)，需借助虛端子保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊灰粚P系。虛端子不是真實存在的端子，是用來標識二次設備間的回路信號，是GOOSE和SV報文傳輸過程中的信號連接點，從信息傳輸角度來看包括輸入虛端子和輸出虛端子兩大類；而從報文類型來看，包括SV虛端子和GOOSE虛端子兩大類[19-20]。

以某合并單元和保護裝置為例，虛端子連接示意如圖1所示，合并單元和保護裝置通過一根光纖相連(圖中帶箭頭實線)，信息單向傳輸，以數(shù)據(jù)集形式發(fā)送，通過虛端子連接形成虛回路(圖中帶箭頭虛線)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一一對應。

圖1 虛端子連接示意圖Fig.1 Virtual terminal connection

IEC 61850是智能變電站二次設備之間的通信標準，為不同設備之間的互操作性提供了保障[19]。IEC 61850數(shù)據(jù)建模技術是面向對象的，其樹形的數(shù)據(jù)結構具有很強的層次化特點，從上到下的順序依次為：PD物理設備(physical device)、LD邏輯設備(logical device)、LN邏輯節(jié)點(logical nodes)、DO數(shù)據(jù)對象(data object)、DA數(shù)據(jù)屬性(data attribute)，這種數(shù)據(jù)結構中的每個對象在模型里都有唯一的數(shù)據(jù)索引[12]。IEC 61850標準規(guī)定的虛端子數(shù)據(jù)格式為：LD/LN.DO.(DA)，對應為邏輯設備/邏輯節(jié)點.數(shù)據(jù)對象.(數(shù)據(jù)屬性)。于SV虛端子而言，DA即數(shù)據(jù)屬性一項一般為空。因此，在IEC 61850標準下保證了虛端子在數(shù)據(jù)格式具有很大的相似性。

此外，各制作廠商在設計設備時，為方便達到各廠商設備的互操作性，讓設計人員更好地理解和區(qū)別虛端子，往往會在虛端子加上一小段中文描述作為“虛端子定義”。相同虛端子在定義上也有很大的相似性，如“電壓A采樣值1”和“(電壓 A)Ua”都含有“電壓”、“A”等關鍵字符。本文即利用輸入輸出虛端子在數(shù)據(jù)格式和中文描述的相似性，建立虛端子連接準確性的相似度評估模型，對虛端子連接準確性進行判斷。

2 基于相似度匹配的虛端子連接準確性判斷方法

對虛端子連接準確性判斷首先需要獲得輸入輸出虛端子的連接關系，根據(jù)虛端子的特點對相似度計算方法進行改進，并以最大相似度匹配為原則建立更精準的虛端子連接準確性評判方法。

2.1 虛端子連接關系

SCD文件為智能變電站配置文件，包含了全站配置信息，由5部分組成：Header(信息頭)，Substation(變電站描述)，IED(智能電子設備描述)，Communication(通信系統(tǒng)描述)和DataTypeTemplates(數(shù)據(jù)類型模板)。描述虛端子連接關系的Inputs部分則保存在IED下的LNode(邏輯節(jié)點)中，即裝置Inputs部分描述了裝置的采樣值或GOOSE連線，每個連線都包括了輸入輸出虛端子信號信息，它們的關系是一一對應的[19]。在實際數(shù)據(jù)傳輸過程中，采樣值或GOOSE以數(shù)據(jù)集形式發(fā)送，數(shù)據(jù)集中的FCDA(功能約束數(shù)據(jù)屬性)成員就是采樣值或GOOSE輸出虛端子。同理，輸入數(shù)據(jù)集的FCDA成員就是輸入虛端子，系統(tǒng)配置工具就是在相互通信的裝置輸出和輸入虛端子間作邏輯連線來完成虛端子的連接。因此，可通過SCD文件的解析來獲取虛端子連接關系，為虛端子連接準確性判斷提供判斷對象。

2.2 虛端子特點

目前，不同廠家在虛端子名稱和定義沒有完全統(tǒng)一，對同一虛端子的描述存在差異，甚至同一廠家由于設計人員不同，虛端子的描述也可能不同[5]。虛端子描述存在以下特點：

(1)虛端子的名稱和定義主要由字母和漢字構成，如虛端子“保護A相電壓Ua1”，這些字母和漢字是區(qū)別不同虛端子的關鍵依據(jù)，理解錯誤或不清都有可能導致虛端子連接錯誤，因此虛端子名稱和定義可看作一種由關鍵性的字符串組成的集合。

(2)連接正確的輸入輸出虛端子在虛端子名稱和定義上具有較高的相似度。這是因為虛端子名稱采用IEC 61850標準規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，在虛端子的定義上一般也含有“電壓”、“電流”等關鍵字符。

(3)對于相同虛端子，不同廠家或設計人員對其的描述有長短詳盡之分。如采樣值輸入虛端子“保護A相電流Ia1”和與其對應的采樣值輸出虛端子“保護Ia1”，對于字符串較短的虛端子，其含有的關鍵字符比重越大，設計人員對其含義的理解也更依賴每個關鍵字符。

(4)虛端子的名稱和定義中除了字母和漢字等，還有一些無實際意義的標點符號字符，如虛端子“(保護電流_A)Ia”，“(”、“)”、“_”等。

根據(jù)上述前兩個特點，虛端子的名稱和定義具有一定的相似度，可利用相似度來對虛端子連接準確性進行判斷，但后兩個特點會對影響相似度的準確性，因此提出一種改進的相似度判斷方法。

2.3 改進Dice距離相似度

Jaccard距離和Dice距離常用來描述兩個集合之間的相似度，如用于文本的相似度比較(字符串可以理解為一種集合)進行文本查重等。

Jaccard距離定義公式如式(1)所示。

J(A,B)=|A∩B|/|A∪B|

(1)

式(1)中，A和B表示兩個用于相似度計算的集合，在本文中對應輸入輸出虛端子的命名和定義字符集合。分子表示兩個集合的共有部分，分母表示兩個集合的并集，Jaccard距離表示兩個集合相同部分在兩個集合中所占的比重。

Dice距離定義公式如式(2)所示。

S(A,B)=2|A∩B|/(|A|+|B|)

(2)

式(2)利用2|A∪B|≥|A|+|B|對式(1)進行改進，因此有S(A,B)≥J(A,B)。

利用虛端子名稱和定義的相似性，對輸入輸出虛端子的連接準確性進行判斷。根據(jù)2.2節(jié)虛端子的特點，若直接用Jaccard距離和Dice距離對虛端子連接準確性進行判斷，會降低準確性。如一些無實際意義的字符和長短不同的虛端子描述都會增大式(1)和式(2)的分母，從而減小其Jaccard距離和Dice距離相似度計算結果。

為此，在Dice距離的基礎上進行改進，以適應虛端子的特點。由于描述字符長短不同，會造成2|A∩B|?|A|+|B|，使得計算的相似度偏低，影響虛端子連接準確性的判斷。描述字符越短，其關鍵字符比重越大，故利用|A|+|B|>2 min(|A|,|B|)對Dice距離進行改進，改進Dice距離如式(3)。

(3)

虛端子名稱和定義中含有無實際意義的標點符號字符，在相似度計算時會導致計算結果偏低，影響對虛端子連接準確性的判斷。故在相似度計算之前對虛端子進行預處理，去除無實際意義的標點符號字符，即在用公式(3)計算相似度之前，A和B應為去除無實際意義的輸入輸出虛端子字符串。去除無實際意義的標點符號字符，可借助MATLAB等軟件的字符操作庫函數(shù)實現(xiàn)。

2.4 基于相似度匹配的虛端子連接準確性判斷流程

提出的虛端子連接準確性判斷流程如圖2。

圖2 虛端子連接準確性判斷流程Fig.2 Accuracy judgment process of virtual terminal connection

其主要步驟如下：

(1)輸入虛端子關系表。虛端子關系表是指已連接的虛端子，包含輸入輸出虛端子的名稱和定義。虛端子關系表可以直接從設計院提供的虛端子聯(lián)系表中獲得，也可以利用廠家提供的SCD解析工具對SCD文件解析獲得。SCD文件中的Input節(jié)點描述了虛端子連接關系，每個連接關系都包括了輸入輸出虛端子信號信息，通過外部輸入信息(IED、LD、LN、DO和DA)和內部輸入信息(intAddr引用地址)可獲得IED之間的虛端子互聯(lián)關系，即輸入輸出虛端子連接關系[21]。

(2)虛端子預處理。在計算改進Dice距離之前，為提高輸入輸出虛端子在字符相似度的精度，需對輸入輸出虛端子進行預處理。借助MATLAB庫函數(shù)，如siletter、sisspace、isstrprop函數(shù)，對虛端子進行預處理操作：去除每個虛端子所包含的相同字符，如對于合并單元的虛端子名稱中都含有“MU”字符；去除虛端子中含義重復描述的字符，如虛端子“保護A相電流Ia1”，字符“A”和“a”意義相同，字符“電流”和“I”相同；去除虛端子中一些無實際意義的標點符號字符，如虛端子“(保護電流_A)Ia”中，去除“(”、“)”、“_”等無實際意義字符；對于一些非標點符號字符，如字母、漢字和數(shù)字等，一般具有實際意義，應予保留。

(3)計算輸入輸出虛端子的改進Dice距離：包含所有輸入輸出虛端子之間的改進Dice距離。若有N輸入虛端子和N個輸出虛端子，則每個虛端子(輸入或輸出虛端子)需計算其與所有虛端子的改進Dice距離，一共需要計算N×N個輸入輸出虛端子改進Dice距離。

(4)判斷是否為最大相似度匹配：判斷在所有輸入輸出虛端子的改進Dice距離中，連接的輸入輸出虛端子的改進Dice距離是否為最大。若連接好的輸入輸出虛端子改進Dice距離是該輸入虛端子與所有輸出虛端子的改進Dice距離中最大的，則判斷該對輸入輸出虛端子連接正確，否則判為連接錯誤。

3 算例分析

3.1 數(shù)據(jù)及平臺

參照某220 kV智能變電站中的線路間隔二次設備，其合并單元和保護裝置均為國電某廠設備。利用MATLAB編寫程序進行相似度計算。

3.2 虛端子連接準確性判斷

第一步：輸入虛端子關系表。

利用SCD解析工具解析SCD文件并導出合并單元和保護裝置虛端子表如表1所示，表1所示為已連接好的輸入輸出虛端子，含有虛端子名稱和定義。為驗證方法的有效性，對序號為1、2、5和13的輸入輸出虛端子進行錯誤連接。

表1 輸入輸出虛端子表

第二步：虛端子預處理。

參照2.3節(jié)虛端子預處理操作，利用MATLAB字符處理庫函數(shù)對虛端子的名稱和定義進行字符預處理，去除了每個虛端子所包含的相同字符，去除了虛端子中含義重復描述的字符，去除了虛端子中一些無實際意義的標點符號字符，最后對表1中虛端子預處理結果如表2所示。

表2 輸入輸出虛端子相似度

第三步：利用式(3)計算輸入輸出虛端子改進Dice距離，并判斷該連接的輸入輸出虛端子是否滿足最大相似度匹配原則。

為體現(xiàn)改進Dice距離的優(yōu)點，對比相似度計算的差異，利用式(1)、(2)同時計算Jaccard距離和Dice距離，結果如表2所示。可以看出，Jaccard距離、Dice距離和改進Dice距離計算的相似度依次增大，其中本文提出的改進Dice距離提高了準確性。這避免了虛端子名稱和定義上的長短詳盡差別導致的相似度下降問題，如表2中第3、7、9、11和14對輸入輸出虛端子在計算改進Dice距離的相似度達到1。

此算例中，部分輸入輸出虛端子之間的相似度很高，區(qū)別只在于相別和雙AD數(shù)據(jù)名，如表1中前12對虛端子，輸入虛端子靠字符“1”和“2”來區(qū)分雙AD數(shù)據(jù)順序，而輸入虛端子靠字符“Q”來區(qū)分雙AD數(shù)據(jù)順序。為提高虛端子連接準確性判斷方法的準確性，采取最大相似度匹配原則，以搜索出來的輸入輸出虛端子的最大相似度和連接的輸入輸出虛端子的相似度進行對比，若連接的輸入輸出虛端子的改進Dice距離最大，即輸入輸出虛端子連接正確。如表2中第1、2和13對輸入輸出虛端子在計算的相似度上都很高，但還可以搜索出更高相似度的輸入輸出虛端子，例如1號輸入虛端子和2號輸出虛端子改進Dice距離為1，因此判斷其連接錯誤。最終通過最大相似度匹配原則，找出了預設連接錯誤的第1、2、5和13對輸入輸出虛端子。

3.3 結果分析

本例中連接錯誤的虛端子均能被找出，驗證了方法的有效性。進一步分析可得：

(1)通過虛端子的名稱和定義的相似度計算，可在一定程度上判斷輸入輸出虛端子連接的準確性，連接正確的輸入輸出虛端子在虛端子名稱和定義的相似度上更高。

(2)為進一步提高虛端子連接準確性判斷精度，對虛端子中的名稱和定義進行了預處理，提高了輸入輸出虛端子的相似度精度。

(3)改進Dice距離提高了虛端子連接準確性判斷的準確性。相比于Jaccard距離和Dice距離，雖然所有的改進Dice距離相似度都相對變大了，但連接正確的虛端子在相似度上增幅更大。這是因為式(3)增加了輸入輸出虛端子在相同部分的比重，提高了連接正確虛端子的相似度計算的靈敏性。改進Dice距離有效提高了準確性，甚至部分連接正確的輸入輸出虛端子相似度達到1。

(4)最大匹配判別原則保證了虛端子判斷的準確性。部分連接正確的輸入輸出虛端子之間的相似度不能達到1。主要原因是對于相同含義的輸入輸出虛端子的描述不同，如第4、6、8、10和12對輸入輸出虛端子，但其仍然服從最大匹配判別原則，可正確判為虛端子連接正確。

智能變電站虛端子數(shù)量巨大，算例選用部分典型合并單元和保護裝置的虛端子進行分析；數(shù)量增多也是逐條尋找輸入輸出虛端子改進Dice距離中最大的進行比對，故虛端子數(shù)量不會影響本方法判斷的準確性。

4 結 論

IEC 61850保證了虛端子在數(shù)據(jù)格式具有很大的相似性，據(jù)此本文提出了一種基于相似度匹配的虛端子連接準確性判斷方法。首先對輸入輸出虛端子的命名和定義做預處理，然后利用改進Dice距離計算輸入輸出虛端子的相似度，通過搜索輸入輸出虛端子間的最大相似度，以此最大匹配相似度和連接的輸入輸出虛端子的相似度對比，即最大相似度匹配原則，判斷輸入輸出虛端子連接正確性。

提出的基于相似度匹配的虛端子連接準確性判斷方法具有有效性和通用性，實現(xiàn)簡單方便。算例驗證了方法的有效性。在虛端子連接設計、維護時，計算出連接虛端子的改進Dice距離，可找出相似度較低的、連接錯誤的虛端子，提高虛端子檢查效率，進而整體提高設計效率和質量。雖然各廠家的產品有差異，但在IEC 61850標準框架下，輸入輸出虛端子在數(shù)據(jù)格式上有約束規(guī)范，因此輸入輸出虛端子具有很大程度的相似性，保證了本方法的通用性。相比于依靠現(xiàn)場整組傳動試驗驗證虛端子連接正確性的方法，本方法實現(xiàn)起來更加簡單方便，減少了工作量。