智能变电站SCD智能比对软件的设计与实现

， ，，，沧杨，

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072； 2.常州铁道高等职业技术学校，江苏 常州 213011；3. 西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610041)

0 引 言

近几年来，智能变电站自动化系统逐步得到许多应用[1～7]。设备的设计方式已转变为以变电站配置描述(substation configuration description SCD)为主的配置方式，它向设备的设计、调试、运行维护提出了新的挑战。文献[5]提出了利用SCD生成远动系统装置定义的通用方法。文献[6]研究了从SCD向CIM/E模型转换的方案。文献[7]研制了基于IEC61850各种保护装置的在线协同测试系统。

传统保护装置以开入开出、交流输入端子到端子的电缆硬连接处理输入与输出信号，智能变电站通过网络通信传输GOOSE、SV等信号实现设备之间的联系。国内各生产厂家统一引入虚端子[8～9]，形成设备之间的虚连接，包括发送设备、发送端虚端子号、接收设备、接收端虚端子号等信息。目前设计院或集成商主要以虚端子表(Excel文件)设计GOOSE、SV输入虚端子，表达其原始的设计意图。生产厂家或集成商依照虚端子表文件，在SCD、IED Inputs ExtRef子元素中予以表达。

目前，由于设计院的虚端子表文件与生产厂家的SCD在虚端子配置上存在许多不一致性，影响了设备虚端子配置的正确性。因此需要设计一种SCD智能比对软件，将SCD与虚端子表文件中各虚端子信息进行一一比对，检查其正确性。

1 问题的提出

在SCD文档中，各厂家用IED、LN0 Inputs的多条ExtRef子元素描述其输入虚端子以及对应的内部虚端子号intAddr，用iedName表示发送设备编号，用6个子项daName、doName、ldIns、lnClass、lnInst、prefix联合表达发送虚端子号。1个虚连接例子如下。

"Vol" iedName= "MM1101A" intAddr="SVLD/SVINGGIO1.AInd1.instMag.i" ldInst="MU01" lnClass="TVTR" lnInst="1" prefix="MUA1"/>

......

目前各设计院的虚端子表文件格式与内容各不相同。一种常见的虚连接格式有接收端名称(中文)、接收端虚端子号、信息描述、对侧装置(中文)、对侧装置虚端子号等。从理论上讲，如果设计院定义了标准的虚端子规范，SCD严格按照设计院虚端子表来配置SCD的Inputs，就不存在一致性问题。但是事实上，有4种原因导致SCD与虚端子表Excel文件之间虚端子的确存在许多不一致地方，如下。

1)各设计院的虚端子表文件有各自的中文表述习惯与方式，表的各列含义不尽相同、不规范。

2)设计院设计人员缺乏对SCD知识的了解。设计院用接收设备、发送设备的中文名称分别表示接收与发送设备，而SCD的Inputs是用设备英文名称iedName表示发送设备。因此，虚端子表文件中接收与发送设备的中文名称与SCD的Inputs中发送设备英文名称，不是直接的一一对应关系，需要做映射。除了设备名，双方设计人员设计接收与发送虚端子号时不小心写错，就容易造成不一致。

3)设计院设计人员有时为了简洁描述，在Excel文件采用“适用于…”等简化字样，表示多个相似线路、变压器装置之间的相似虚端子内容。一种典型虚端子表文件的格式及其简化表达方式如表1所示。其中有两种简化表达，第1种表示西里线路合并单元 的GOOSE开入同样适用于热水塘、团结线路合并单元，SCD设计人员应根据这句话，复制生成热水塘、团结合并单元中相似的输入GOOSE虚端子，把接收设备、发送设备名中“西里”分别换成“热水塘”、“团结”，但虚端子号不需要变动。第2种简约表达说明主变压器相关虚连接适用于1号、2号主变压器，需要重复生成变压器1号、2号的相似虚连接，把其中“主变保护”分别替换成“1号主变压器保护”和“2号主变压器保护”字样。厂家设计人员需根据Excel的简化表达，配置SCD中相关设备的类似虚端子。

表1 一种典型的Exeel虚端子文件的格式及其简化表示方式

4)在虚端子表Excel文件中接收、发送设备(对侧装置)两列设备名均采用中文名称，由于习惯不同，设计院定义的设备中文名称与SCD中IED中文描述不完全一样，例如，Excel侧发送设备名为“110千伏西里线路智能终端”，SCD侧设备中文描述为“110 kV 西里线智能终端”，前者用千伏、线路，后者用kV、线，在“终端”后加了设备型号DBU814。虽然两种设备名是指同一个设备，但是造成两侧表达却不一致。

目前各厂家的SCD配置工具没有提供对SCD与虚端子表文件的智能自动比对功能。

2 SCD智能比对软件的工作原理

SCD智能比对软件先要分别形成SCD侧与Excel侧虚连接，再做一一比对，找出不一致地方。关键点有两个：1)需从SCD获取各虚连接、读取IED设备名描述desc，再读取Excel文件中接收端与发送端设备中文名称，把Excel侧设备中文名智能映射为SCD侧设备名描述，才能形成与SCD侧类似的Excel侧虚连接；2)在获得两侧虚连接后，进行正向与反向比对，找出两侧不一致及其细节，向双方人员指出错误，以便纠正。

这里研发的智能变电站SCD智能比对软件首先读取SCD，解析每个IED的设备编号、中文描述等属性，再沿某IED节点逐层遍历直到LN0的Inputs子节点，解析出其有效的虚连接，再搜索LN0与其它LN节点，找到各数据对象DOI，获得其属性desc作为发送虚端子号与内部虚端子号的信息描述，形成SCD侧虚连接，保存到SCD侧虚连接链表，并在界面上以列表显示这些SCD侧虚连接。

然后一次性读取多个虚端子表文件，解析其内容，获取原始虚连接记录，获得全站所有设备中文名称。再解读其中的简化表述，正确地扩展为虚连接。将Excel侧每个设备中文名称与SCD侧所有设备描述逐一进行比较，找到与其最匹配的那个SCD侧设备描述，建立Excel侧设备中文名称与SCD侧设备描述的映射表。

根据解读后的Excel虚连接和映射表，将Excel侧接收端与发送端设备的中文名称换成SCD侧设备描述，得到SCD侧该设备的编号，再加上Excel原有的接收端(发送端)虚端子号等，生成了比对用的Excel侧虚连接。

将每个SCD侧虚连接与Excel侧虚连接逐一做正向、反向比对，得到4种比对结果，即比对成功、SCD中有而Excel中没有虚连接、Excel中有而SCD中没有虚连接、只有接收端或发送端虚端子号没有匹配上虚连接，在界面上以表格分类显示它们。设计了形成比对报告模块，将4种比对结果、SCD中原始虚连接、Excel中原始虚连接等分别保存到比对报告Excel文件的各个工作表，以便查看与检查该次比对结果。当采用比对软件发现SCD与Excel虚端子表文件的不一致地方，修改和纠正SCD或Excel文件中错误，再做比对，循环检查直到完成。

SCD智能比对软件的流程图如图1所示。

图1 SCD智能比对软件的流程图

3 功能设计

SCD智能比对软件有5个子系统，分别是读取SCD及形成SCD虚连接、读取Excel文件与制作映射表、比对SCD与Excel两侧虚连接、分类显示比对结果、生成比对结果报告等。SCD智能比对软件的功能树如图2所示。

图2 SCD智能比对软件的功能树

读取SCD及形成SCD虚连接子系统实现：1)选取1个SCD文件，解析SCD得到各IED的设备编号、设备描述等属性、各虚端子号的信息描述；2)将解析后IED信息显示在界面上，能够查找某设备的基本信息；3)读取各设备Inputs中各虚连接，将它们显示在界面上，可排序，能够定位查看。

读取Excel文件与制作映射表子系统实现：1)一次性读取1个或多个Excel虚端子表文件，将它们显示在界面的表格中；2)解析Excel文件中那些简化表达的文字，解读与扩展，形成虚连接；3)从解析、解读的虚端子中接收端、发送端设备两列，提取该Excel文件中所有设备的中文名称，将每个依次与SCD侧IED设备描述一一智能比较，找到最接近的SCD侧设备描述，给出匹配度，形成两侧设备名映射表；4)形成和显示Excel侧虚连接。比对SCD与Excel两侧虚连接子系统是把SCD侧虚连接与Excel侧逐条做正向比对，找到与它匹配的虚连接，然后做反向比对，即将Excel侧与SCD侧虚连接比对，最后形成4种比对结果。

分类显示比对结果子系统实现以表格显示4种比对结果。对于只有接收端或发送端虚端子号没有匹配上的两侧虚连接，用不同背景色突出对照显示出两侧虚端子号不一致的细节，以便纠正。

生成比对结果报告子系统将4种比对结果、SCD侧虚连接、Excel中原始虚连接等6类结果输出到某比对报告文件(Excel文件)。

4 关键技术

4.1 解析SCD、形成虚连接及优化搜索

SCD属于xml文件，不易直接分析。需从SCD获取所有IED的设备名编号及其中文描述，获取各IED的Inputs中各虚端子。为了方便地浏览SCD各条虚连接的虚端子号、了解其含义、查找出错的虚连接，需给出每条SCD侧虚连接中每个接收虚端子号、发送端虚端子号的信息描述。

先遍历每个IED节点，得到设备编号及其描述，再由IED到LD逐层找到Inputs子节点，得到各虚端子信息，将其中6项子项组合成发送端虚端子号，保存到SCD侧虚连接链表。再读取各LN的各DOI子节点的属性desc，作为接收端或发送端虚端子号描述，保存到DOI的desc链表。对每个SCD虚连接的接收端与发送端虚端子号，遍历DOI的desc链表，查找相应虚端子号描述。

这里存在一个优化设计问题，因为查找目标虚端子号描述的次数非常多，比如某SCD有3 760条虚连接、139 437个数据对象DOI，就可能产生几千万次查找，非常消耗时间。查找虚端子描述的优化方法是在解析SCD文件时，获取每个IED节点后，马上针对该IED中各虚连接的接收端虚端子号，就在本IED的DOI遍历查找其描述。而发送端虚端子号描述只能等到全部IED遍历后才做查找。这样可在一定程度加快了查找各虚端子号描述的速度。

4.2 解读虚端子表Excel文件及其设计意图

读取与解析Excel虚端子文件包括一次性读取多个Excel文件、解析与解读虚端子、智能生成映射表、形成比对用Excel侧虚连接等子功能。

如前所述，设计院设计人员对多个相似设备具有相似虚端子的情况，采用简化表达。比如在一组GOOSE输入虚端子的上方，加上“220 kV晴朗线路测控装置(适用于220 kV晴朗、色尔古I、色尔古II线路测控装置)”等简化文字，程序就要解读此类文字，首先生成220 kV晴朗线路测控装置的GOOSE输入虚端子，然后再把其中“晴朗”替换为“色尔古I(II)”，为色尔古I、色尔古II线路测控装置新增相似GOOSE虚端子。

4.3 SCD与Excel两侧设备中文名智能匹配算法

SCD中虚连接包括发送端与接收端设备编号，Excel虚端子表文件包含发送端与接收端中文名称。需要先把Excel侧发送与接收端中文名称映射为SCD侧设备中文描述，建立Excel侧设备中文名称与SCD侧设备描述的映射表，进而把Excel侧设备中文名称映射为SCD侧设备编号，才能形成比对用Excel侧虚连接，进行两侧比对。

SCD与Excel两侧设备中文名称智能匹配是把某Excel侧设备中文名(含有中文、字母、数字)当作源串，把所有SCD侧设备描述当作目标串进行比较。采用2种方法融合匹配。算法1是对传统GST比对算法的改进，在计算匹配度时增大了较长“公共子串”所占权重，使其比较短“公共子串”更容易被匹配上，有效避免了传统GST算法存在的有较短“公共子串”时的匹配度可能比有较长“公共子串”大的问题。算法2先采用判断源串与目标串中每个字符是中文双字节字符还是字母或数字，再不管顺序找到两个串中相同字符个数，用它去除两个串中较短串长度，作为第1匹配度。再考虑源串和各目标串中数字(字母)出现的先后顺序，尤其是首数字与字母和末数字与字母是否相同。当发现源串与某目标串的数字或字母的顺序分别匹配上，增大辅助匹配度。将第1匹配度和辅助匹配度进行加权求值，得到两个字符串最后的匹配度。这样可得到源串与SCD侧所有设备描述的匹配度，将它们排序，匹配度最大的目标串为最终匹配上的SCD侧设备描述。

由于SCD与Excel设计人员在设备名称表述有一定差异，同一名称或关键词表达有所不同，比如Excel虚端子表文件使用“千伏”、“一”、“二”、“母差”分别与SCD中“kV”、“1”、“2”、“母线”是等价的。上述智能比较方法未必有效，因此增加了手工匹配策略，手工制作一些常见关键词等价替换关系，在字符串比较时将Excel侧设备中文名做关键词替换，帮助形成合适的两侧设备描述映射表。

多次实验表明本智能字符串自动比较方法与策略有较高的正确率，达到90%以上。匹配度数值能较真实反映源串与多个目标串的匹配程度。对匹配不准确的映射项允许在界面手工修正。

4.4 自动比对、分类显示比对结果

分别形成SCD侧与Excel侧虚连接后，自动地将两侧虚连接进行正向与反向比对。提供手工同步比对检查手段，即选中某条SCD虚连接时，在界面右侧可同步显示与之匹配的Excel侧虚连接，如果没有找到完全匹配，则在信息栏显示与SCD侧虚连接具有相同虚端子号的Excel侧相近虚连接。

形成4种比对结果，将它们在4个表格中分类成组表示。尤其是对于只有接收端或发送端虚端子号没有匹配上虚连接的比对结果，每组比对结果分成两行进行显示，分别表示SCD侧与Excel侧虚连接，对未匹配上虚端子号用不同背景色上下对照显示，以提醒操作者该错误的存在。

4.5 形成比对结果报告

除了在界面上显示比对结果，还能形成比对结果报告文件，把比对结果数据保存到一个比对结果Excel文件的多个工作表中，以便在比对过程中查找比对出错原因、形成最终的比对报告。实现方法是调用微软提供的访问Excel文件的OLE接口函数。一般采用向每个单元格写入数据方式，但该做法的效率很低。例如将几M的数据写入Excel文件时，往往需要十几分钟才能完成。这里采用内存拷贝方式，即先将比对结果数据写入一个字符串数组，再把该字符串以复制方式送入Excel工作表的目标区域，再调用Excel工作表的粘帖接口函数Paste，一次性写入Excel文件。现在实现了只需2分钟左右完成一次比对结果报告的形成。

5 软件的运行效果与分析

5.1 运行效果

设计的SCD智能比对软件实现了各子功能。比对结果的运行界面之一如图3所示。第4种比对结果每2行以不同背景颜色突出显示两侧只有接收端或发送端虚端子号不一致细节，如第1行SCD侧：PIO/DevGOIN1GGIO1.DPCS03. stVal，第2行Excel侧：PIO/DevIN1GGIO1. DPCS03.stVal。两侧的接收虚端子号不一致。

软件已在四川省多个变电站调试工作中得到运用，取得了良好的调试效果，发挥较大的作用。如果利用现有厂家SCD配置工具查找SCD侧虚端子、再人工查看Excel虚端子文件进行校核，几乎很难完成SCD文件与Excel虚端子表文件比对任务。因为现有SCD软件查找SCD侧虚端子的操作较繁琐，两侧虚端子信息的数量往往有几千条，靠人工比对需要很长时间，很容易发生漏判、误判，工作效率很低。系统能够准确比对、指出不一致、错误的细节，直到找出所有可能出错的地方。运用本软件对某变电站近3 000条虚连接的SCD比对与修改，只用了几天就完成一次性比对出300多条SCD与Excel虚端子表文件不一致与错误的地方。

图3 本软件中显示各比对结果的运行界面

5.2 比对出错的原因分析

通过多个智能变电站的许多次SCD比对调试，发现几类出错原因如下。

1)对于SCD中有而Excel中没有虚连接、Excel中有而SCD中没有虚连接情况，说明Excel虚端子文件或SCD侧有些虚端子不完整。

2)由于设计人员的粗心大意、笔误，会将Excel中设备名写错，比如设备名本应是“2号主变压器本体智能终端1”，误写成“1号变压器本体智能接口单元2”。把虚端子号写错或大小写不对，比如SCD侧接收端虚端子号为PI01/GOINGGIO2. SPCSO6.stVal，Excel侧却写成 PI01/GOINGGIO2. SPCSO1.stVal。

3)SCD与Excel两侧对虚端子号的引用路径、对各层数据属性的表达方式不一样导致两侧不一致，比如SCD侧：GO/BinInGGIO0.DPCSO2. stVal，而Excel侧：MU/GOI.BinInGGIO0.DPCSO2. stVal。

6 结 论

软件自2012年8月以来已经在多个智能变电站的调试中得到了成功运用，已经实现了对集成商的SCD与Excel虚端子表文件比对功能，通过智能中文字符串比较、自动比对两侧虚连接等工作，能够发现SCD与Excel两侧虚端子不一致地方与错误细节，大大提高了比对的效率和准确性，有力促进了智能变电站中SCD贯彻设计意图的检查与实施。

由于各设计院的Excel虚端子表文件格式不统一，给比对造成一些困难，解决此问题的最好方法是由SCD工具将SCD配置与虚端子设计一体化，用SCD工具直接配置Inputs各虚端子，不再从Excel虚端子表文件读取虚端子。而这项工作还在研发中，其完善还有个过程。因此在一段时间内，仍需由设计院用Excel虚端子表文件定义虚端子，因此仍有必要对SCD和Excel虚端子表文件进行智能自动化比对，检查两者一致性，保证设备的正常运行。

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