基于OCS图模的监控信号自动校核研究

李文伟

摘要：目前监控OCS平台中，依托于图模进行操作已经成为常态。相较传统监控点表，图模系统可更直观了解变电站运行状况，降低对监控人员的专业要求，降低操作复杂度，对电网运行起到积极作用。当前OCS图模由维护人员依据监控点表手工绘制，缺乏有效工具对图模正确性进行自动校核，本研究通过分析图模配置文件，找出量化判据，实现图模自动校核，并在測试数据中取得良好效果。

Abstract： At present， in OCS platform， it has become normal to operate on the basis of graphics. Compared with the traditional monitoring signal table， the graphic system can more intuitively understand the operation status of the substation， reduce the professional requirements of the monitoring personnel， reduce the complexity of operation， and play a positive role in management. But， the OCS schematic is drawn manually by maintenance personnel according to the monitoring signal table， and there is no tool to check the correctness of the schematic automatically yet. In this study， by analyzing the configuration file of the schematic， quantitative criteria are found to realize the automatic verification of the graphics， and good results are achieved in the test data.

关键词：OCS图模;监控点表;图模匹配

Key words： OCS schematic;monitor signal;graphic matching

中图分类号：TM734                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0232-04

0  引言

作为电力的控制中枢，主站监控中心对于电网安全稳定运行起到重要作用。OCS（电网运行监控系统）平台作为监控中心的重要组成部分，承载了监控中心大量工作。依托于OCS平台运行的常规业务包括：运行监控、操作下令、方式切换和系统维护等。目前，OCS平台已经完成从传统监控点表监控向电网图模监控的迁移。值班员工作时面对监控大屏，在一次接线图上直接读取某开关或母线运行状态，对一次设备进行远程操作已日渐平常。但随着系统内变电站数量增多，接入的整体点表数量成几何级增长[1]。目前，主站OCS平台内图模创建仍然由电网自动化专业人员在点表完成设计后人工绘制，并在变电站投产时通过人工比对点表来进行校核。目前IEC61850站内点表规模平均可达4000点以上，极易因人为疏忽造成图模与点表不匹配的情况发生。常常在变电站投产运行后，才发现问题而进行补救，存在漏洞。

由于技术原因，目前OCS平台尚无成熟方案对图模和点表进行自动校核。本研究通过利用图模文件中的图元字段信息，对信号描述和图元位置等进行量化分析。通过利用图模中包含的丰富信息：图元距离、上下层关系、元件类型等，以多维度数据来强化配对效果。将配对结果进行输出，以便其它功能调用。在测试数据集中进行验证时，通过人为引入错误值验证算法可靠性，达到满意效果。整理总结出一般化应用方案。

1  电力信息化

经过数十年的发展，我国电业运行水平已经有了突飞猛进的发展。随着二十世纪90年代开始推广的电网信息化改造，大量原来需要人员驻站值班的老旧站通过改扩建，均实现了变电站内监控信号远送。变电站的运行方式也从定期汇报、电话下令、值班人员本地操作的旧方式，升级为远方监控中心通过“四遥”信号（指电网运行的遥信、遥测、遥控、遥调四类信号）实时监控、直接下令、远方操作的新方式。大大降低变电站运行成本，提高变电站运行可靠率，简单来说，通过电网信息化，我国电业水平已经跃居世界先进前列。

1.1 调度OCS平台

随着电网规模快速扩大，变电站自动化程度迅速提高，原来一个地级县市电力公司的辖区也成倍增长。据资料统计，在我国二十世纪70年代，全国电力公司平均管辖变电站仅10余站，但在90年代末期，就已经达到百余站。如此快速的发展，对调度监控中心的运行管理水平要求也快速提高。迫切需要对监控中心进行改造升级，以便适应电网新发展[2]。

我国电业调度OCS平台共经历了四大时期：①单片机时代，20世纪70年代就已经有了调度自动化概念雏形，但限于当时技术所限制，大多数仅实现了信号的自动采集，通过使用MSC51，Z80等当时主流单片控制器实现了传统表计的读取;②EMS时代，随着电网规模提高，提出了EMS（能量管理系统）平台概念，中国电力科学研究院、南京自动化研究所和其它系统内研究单位在此概念下，探索研发一系列调度平台，其中SCADA（数据采集和监控系统）得到了长足发展;③集中监控时代，由于电子计算机技术发展，出现了一批基于RISC的高性能计算平台，基于这些嵌入式平台各厂家开发了丰富功能的分布式系统。这个时期，在高性能硬件的支持下，高级图形技术和数据库技术引入了电网监控系统，应用软件日益丰富;④D5000时代，在2003年8月，北美电网大面积停电事故给全世界电力行业敲响了警钟。我国电力企业，连同行业内各科研院所，于2004年开展了专项研究。于2008年汶川地震后从理论开始迅速转化为新一代调度控制系统研发，启动了我国电网智能化发展的战略。新一代调度平台支持搭建各类应用，如EMS、DMS（配电网管理系统）、WAMS（广域监测预警系统）等。此平台具备广度、深度两个方向的广泛适用性。（表1）

监控中心的网络拓扑分为生产大区与信息大区。在OCS平台上可同时进行生产监控信号远程浏览、操作，也可以进行增改与维护。

1.2 图模定义文件

基于D5000平台的图模子系统就是其重要组成部分。D5000平台图模采用ASCII编码的G文件和CIM/E文件进行描述[3]。G文件為图模交互标准文件，内部数据由XML结构组成，通过不同字段存储了包括UID、图元、位置、旋转、缩放、绑定信号、keyid等一系列内容，对G文本进行解析，可以还原D5000平台内实际一次接线图;CIM/E文件内是监控信号与图模关系描述文件，其内部将监控信号的点号同G文本中的keyid相结合，以便在D5000平台图模中正确反应变电站实际情况，让图动起来，具体关系见图1示例。

经上述关系匹配，提取OCS图模与监控点表中自动匹配所需数据来源。在两个文件中，通过不同字段存储分析所需信息，包括图元在一次接线图上的位置，信号描述信息等。表2中对分析所需字段进行了统计，并对字段内容进行简述。

1.3 电力IEC104报文

在电力行业，已经确定变电站与调度监控中心之间通过IEC104规约进行通信，并收到各厂家平台、设备的广泛支持。研究IEC104报文解析，为实现OCS图模与监控信号自动匹配是有意义的。目前IEC104经过迭代，存在多个版本，本研究基于IEC104/2002版本。

IEC104规约作为广泛应用的国际标准，继承了IEC101规约中ASDU（应用服务数据单元）的设计思想。通过将原基于低速串行介质的技术实现网络化升级，结合标准OSI网络通信模型形成的新一代规约。根据规约要求，IEC104工规定了5层的模型，分别为：①物理层;②链路层;③网络层;④传输层;⑤应用层。实际应用时的报文通过应用层中的ASDU与APDU（应用规约数据单元）实现数据交互。由于应用层下四层同标准网络TCP/IP通信相同，故不进行赘述[4]。

IEC104报文中，以68H作为帧起始标志，帧内参数包括主站地址、子站地址、点号，类型，取值，次序码，UTC时间、校验位。其中，以点号，类型，取值，UTC时间最为重要。点号即变电站内调度点表中点号，是标识通信帧最重要的关键点;其次，类型为解析提供依据，因为IEC104报文中对数据类型定义分为单点遥信、双点遥信、遥测、SOE、告警直传等类型，不同类型决定了后面数据区域的解析方法。所以正确解析类型也很重要。SOE事件报文中，会携带UTC事件，此时间为变电站设备发出的真值时间，应作为信号处理时的重要参考。最后，循环次序码作为IEC104规约的重要组成部分，保障了在网络通信不稳定时，通过次序码形成高效校验方案，确保变电站与监控中心间数据传输可靠。

2  自动匹配方案

实现OCS图模与监控点表之间的自动校核，难点在于如何在图模中确定图元的正确性，由于在一次接线图中，图元不仅仅包含监控信息的数据内容，更由于其在二维平面中的位置，决定了在图中是否正确。通过分析电力一次接线图的绘图规则，确定了三点规则：图元有效半径、描述相似度、类型关联度。

2.1 图元有效半径

一次接线图中，各设备的图元位置均有实际意义，如果任意对其进行摆放将造成错误，极易引起使用者对图模获取错误信息，导致运行决策失误的情况发生。通过引入图元有效半径的概念，将相关联的图元进行聚类，当对信号描述的语义关键字相近，但脱离图元有效半径的疑似错误图元可以进行匹配错误。

针对电网中常见的设备，方案对其图元有效半径定义如表3。

式（2）作为对指定图元与目标图元有效半径是否重叠的判据，可以方便的对一次接线图的每个图元进行遍历运算，得到各图元之间有效半径覆盖关系。

2.2 描述相似度

由节1.2描述，在图模的CIM/E文件内，存储有一次接线图内图元对应的信号描述字符串。根据监控中心自动化要求，此字段应同监控信号描述完全一致。随着调度点表编制日益规范，从这些描述中可以对图元实现解析，将描述内实义词进行自然语义匹配，计算出各图元的描述相似度，相似度高的图元应该位置更为接近，这样才符合图模中一般规律。

信号描述一般表示为：#3主变220kV侧203开关;#3主变220kV侧2031刀闸;#3主变10kV侧903开关A相电流。由这些描述可以看出，剔除非实义词后，对描述关键字进行提取，可以得到“#3号主变”、“220kV侧”、“开关”、“刀闸”等关键字段。定义描述相似度由如下公式来定量：

当描述中某关键字可以在实义词组内找到包含关系，则该关键字对描述相似度τ为正贡献，反之则无贡献。将描述同所有CIM/E文件内描述进行对比，可以得到相似度定量数组，对数组进行降序排列，则描述相似度高的信号在数组最前。

2.3 类型关联度

在一次接线图中，图元有确切的类型信息，对于开关、刀闸、地刀、高抵抗等，根据电网设备要求都有一定的次序，对于回路一次设备组合，肯定是由地刀、刀闸、开关、刀闸、地刀组成。对于变压器周围，肯定是由刀闸、高抗、变压器、低抗、刀闸组成。对于电网设备，具有典型的设计规程。所以通过对图元类型进行匹配，也可以得到关联度量化值。由此，可以设计类型关联规则，例如：刀闸图元周围，开关、地刀即为高关联度设备，而变压器，高抵抗等就是低关联度设备或者负关联度设备。将规则依据一次设备设计要求进一步细化，即可实现对一次接线图内图元类型关联度的量化。

通过对图元有效半径、描述关联度和类型关联度进行综合匹配，可以有效对一次接线图对应图模文件进行量化分析，适用于通过图模对监控信号实现自动校核。

3  方案实施验证

为保证客观性，对研究的OCS图模自动校核方案进行验证，设计为三个步骤进行：首先，从监控中心应用较长时间，实际运行多年的图模文件和信号点表入手，验证方案实际可行性，作为证真步骤来确保方案设计和方案实现不存在纰漏;其次，对一次接线图的图模文件进行人为篡改，造成较明显错误，通过研究方法对其进行自动校核，查看是否可以正确找到篡改点，作为证伪步骤来进一步证明方案可行性;最后，通过对监控中心刚设计的图模文件进行自动校核，通过尝试实施基于OCS图模的自动校核。

根据设计，首先进行步骤一。选用图模文件为某220kV变电站一次接线图。其中共有高压侧设备46个，低压侧设备83个。覆盖了220kV/110kV/35kV各电压等级。对OCS图模文件进行图元有效半径、描述关联度和类型关联度分析。三项关联度计算后，强匹配图元数量123个，弱匹配图元数量4个，疑似错误匹配图元2个。后经分析，错误匹配图元为：“#1主变调档值”和“#1主变油温”，由于一次接线图绘制时为了方便调度人员查看两台主变情况，将#1主变此参数放置于#2主变相似信号附近所致。

而后，对该图模文件中102回路设备进行人为修改，分别将“110kV备用一164开关”、“110kV备用一1642刀闸”的坐标打乱，将“110kV备用二162开关”的描述更改為“110kV备用二262开关”来模拟图模设计错误的情况。经过对OCS图模文件再次运行自动校核，三相关联度计算后，强匹配图元数量降为115个，弱匹配图元数量8个，疑似错误匹配图元6个。对输出结果进行查验，与证伪期望结果相同。

最后，应用方案对某待验收变电站的OCS图模文件与监控信号进行自动校核，未识别出待验收变电站OCS图模文件存在图元错误。基本满足研究期望效果。

由图2可知，方案基本满足研究要求。在验真环节，对实际应用的OCS图模进行自动校核，校核出2个错误图元。但经对图模文件进行核对，其按照方案规则确实属于错误情况，属于现场一次图编辑不规范所致。在后面的验伪环接，由于修改了3个图元，对结果产生了负面影响，弱匹配和错误匹配数量上升明显。在实际应用环节，取得满意效果。同时也对方案的计算量进行了统计，在相同计算机内，可以看到计算时间由信号数量决定，呈线性关系。对于相同数量信号，当错误图元数量增多时，计算时间会略微上涨，但影响甚微。

4  总结与展望

随着调度监控中心所管辖的变电站数量跨越式发展，主站侧D5000平台的图模规模也随之明显增长。由于电网一次接线图的复杂性制约，当前仍然需要通过中心自动化维护人员根据监控信号点表对图模进行手动绘制。受限于维护人员的责任心和专业知识，图模文件的正确性并无法得到有效保障。而随着OCS平台的迭代进化，监控中心运行值班人员已熟悉于通过一次接线图模对变电站运行状态进行监控与操作下令。当出现图模错误时，极易误导值班人员，对电网安全运行造成隐患。

本研究通过深入解析OCS平台图模G文件和CIM/E文件，找出了其同监控点号的关联字段，成功将G文件、CIM/E文件和监控点表三者实现逻辑关联。而后受自然语言处理的启发，针对一次接线图中的图元提出了有效半径、描述相似度和类型关联度三种可量化的判别依据。初步实现了基于OCS图模文件的信号自动校核方案，经过实验完成方案实施验证并取得良好效果。确认方案在主站图模自动校核中具备实用价值。

参考文献：

[1]修洪江.基于D5000平台的调控一体化智能防误系统的研究与应用[J].电工技术，2014（005）：58-60.

[2]王晓波，樊纪元，等.电力调度中心统一数据平台的设计[J].电力系统自动化，2006，30（22）：89-91.

[3]周博曦，孟昭勇，王志臣，等.一种基于CIM的一次接线图自动绘制系统的设计方法[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会，2011.

[4]韩小军，蔡东升，黄琦，等.基于IEC104远动规约的智能变电站辅助平台测试系统设计与实现[J].电测与仪表，2014（014）：104-109.