基于信息分类提取和语义强度分级的SCD正确性检查技术

王可，胡炎，高翔(.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海　0040； .上海毅昊自动化有限公司，上海　004)

0　引　言

随着国网公司智能电网战略的实施，我国已成为智能变电站投运数量最多的国家[1]。智能变电站的通信规范由IEC 61850规约给出[2]。其一次系统和二次系统信息均记录在变电站配置描述文件SCD (Substation Configuration Description)中，在当前大规模建设智能变电站的背景下，规范SCD文件对智能变电站的运行维护尤为重要。

目前已有利用XML的Schema模式技术依据IEC61850-6中的Schema规则对SCD进行语法的正确性检查[3]，但Schema模式关注的是XML文档的语法结构，对语义约束的表达能力不足。文献[4]提出了结合Schema语法约束和Schematron语义约束的检查方法，但依然停留在对SCD模型中单个元素和逻辑节点进行检查。在实际应用中，SCD的虚回路体系[5]检查是当前SCD正确性检查的重点。文献[6]提出了先检查虚回路连接的有效性，再检查虚回路的存在性的方法。但是其检查为开发软件实现，由于厂商实现差异等因素，导致其检查规则繁多复杂，程序难以维护。

Schema、Schematron等模式语言的优势在于规则的形式化和可读性高、灵活易维护；而开发软件优势在于程序可以读取SCD中的所有信息，不依赖于SCD模型的结构。针对上述特点，本文提出了结合程序提取信息和Schema描述规则的新型SCD正确性检查技术。

1　Schema模式技术

1.1　Schema的能力

XML Schema是一种在XML中创建模式定义的语言，其以xsd为文件的后缀名。SCD文件使用XML语言描述变电站的配置。Schema模式语言不仅能够规定XML文档的语法结构，而且可以通过一致性约束做到一定程度的语义检查。其使用的一致性约束有两种：(1) xs:unique，指定某个元素的值或属性在一定范围内的唯一性；(2)xs:key和xs:keyref，使用keyref的一组值或属性必须引用其对应的key这一组值或属性。在Schema 1.1版本中，W3C扩展了两项功能：assert(支持XPath的逻辑判断)和alternative(允许复杂类型根据属性改变元素类型)，强化了Schema模式文档本身的语义约束能力。

1.2　Schema的局限性

智能变电站中IED之间的连接关系、二次回路等信息是通过一个IED的FCDA表达输出，另一个IED的ExtRef表达输入来完成，而Schema只能描述单个元素的值或属性约束，无法直接描述连接关系或二次回路等间接信息的正确性定义，不能进行其正确性检查。

2　信息分类提取

SCD的描述方式决定了Schema不能直接约束连接关系等隐含信息。本文针对于此提出了分类信息提取的办法，即对SCD中的不同类型信息解耦并解析整合到一起，生成新的XML文件之后，针对新的XML文件用Schema描述检查规则。在整个过程中，信息提取程序只负责对信息按类型提取、翻译并整合到一起，对信息本身不作任何正误的判断，所有的正确性定义和检查规则均由Schema给出，即信息分类提取和正确性检查分离，利用Schema的可读性和灵活性来适应检查规则的多样性和变化，减少程序的维护。如表1所示。

表1　SCD信息分类提取程序

3　语义强度分级

信息的分类自动提取往往需要前置条件，如虚回路的提取以虚端子提取为前提，而虚端子提取又必须以IED的属性格式统一为前提。上述问题实际阐述了一个客观事实，即：SCD的语义检查中，语义是有强弱区分的。要想进行高语义强度的规则检查，需要SCD文件本身满足一些低语义强度的条件。另一方面，SCD作为智能变电站配置的唯一描述文件，其使用场景多种多样，而不同的应用场景对SCD的要求也是不相同的，因此SCD的正确性检查也必须能够适应不同应用场景的需要。

为了更好地对SCD文件的语义正确性进行检查，同时使得正确性检查能够适应不同程度的需求，本文提出了对SCD文件正确性定义进行语义强度分级，按分级逐级推进的检查方案，其分级满足以下两个性质：(1)所需信息越少的正确性定义，其语义强度越低；(2)高等级的正确性定义包含低等级正确性定义。本文提出的SCD正确性4等级定义如表2所示。

表2　4等级SCD正确性定义

4　技术方案

本文提出的SCD分类信息提取、语义强度分级的正确性检查技术方案有如下两个特点：

(1)信息均直接从原始SCD中提取；

(2)高等级的检查以低等级检查通过为前提。

其具体步骤如下：

步骤1：首先确定验证的语义强度等级i；

步骤2：令j=1，用SCL.xsd(IEC 61850-6给出)对原始SCD文件进行正确性检查，若不通过，返回错误信息；若通过，转步骤3；

步骤3：令j=j+1，用Level_j.py程序从原始SCD中提取所需信息，然后用Level_j.xsd进行正确性检查，若不通过，返回错误信息；若通过，判定j与i是否相等，若相等，检查结束；若不相等，转步骤3继续检查。

其具体流程如图1所示。

图1　4等级SCD正确性检查方案

5　算例分析

以扬州北变“220 kV线路保护的保护装置和智能终端二次系统虚回路”检查为例，具体说明上述SCD正确性检查方案流程，由于其检查涉及到SCD中的虚回路，所以明确其正确性检查最高等级为：Level_4。

第一步：首先对其进行Level_1检查，该等级检查SCD文件是否符合XML语法，是否按照IEC 61850-6规定的SCD描述语言SCL格式。直接加载其SCD文件YZB.scd和SCL.xsd检查即可，无须赘述。

第二步：Level_1检查通过后，开放Level_2检查。使用Level_2.py从YZB.scd中提取IED的属性信息生成YZB_level_2.xml，其在XMLSpy网格视图中的片段如图2所示。

图2　YZB_Level_2.xml结构

第三步：加载Level_2.xsd对YZB_Level_2.xml进行正确性检查，该等级可以检查IED的配置和属性格式。以任何IED的逻辑设备中，必须至少含有除LLN0和LPHD两个逻辑节点之外的一个逻辑节点规定为例。其在Schema模式中用xs:assert实现如下：

第四步：Level_2检查通过后，开放Level_3检查。使用Level_3.py从YZB.scd中提取IED中所有虚端子的信息，并整合生成YZB_level_3.xml，其输入虚端子和输出虚端子在XMLSpy网格视图中的片段如图3所示。

图3　YZB_Level_3.xml中的输入虚端子

其中MyDefIn为自定义的整合输入虚端子所有层次信息的综合属性,如图4所示。

图4　YZB_Level_3.xml中的输出虚端子

其中MyDefOut为自定义的整合输出虚端子所有层次信息的综合属性

第五步：加载Level_3.xsd对YZB_Level_3.xml进行正确性检查，该等级可以检查IED的虚端子配置。以“任一输入端子必须有对应输出端子”的规则为例，其使用xs:key和xs:keyref的表达为：

第六步：Level_3检查通过后，开放Level_4检查。使用Level_4.py从YZB.scd中提取每一个IED对应输入端的信息，组成全站的虚回路信息，以扬州北变中220 kV秦邮1线开关智能终端A：IL2212A的虚回路为例，其在XMLSPY网格视图中的片段如图5所示。

第七步：加载Level_4.xsd对YZB_Level_4.xml进行虚回路检查。该等级可以进行虚回路的配置检查。以“220 kV智能终端必须有一条A相跳闸回路”为例，其在Schema模式文档中用xs:assert的实现为：

图5　YZB_Level_4.xml中的虚回路

6　结束语

本文提出了基于信息分类提取和语义强度分级的SCD正确性检查方案，其主要有以下两个优势：

(1)对SCD模型文件中包含的大量耦合信息用程序进行分类解耦，解读整理后用Schema模式文档检查其正确性。将信息提取和正确性检查分离，充分利用Schema模式语言对检查规则的形式化能力，使得规则灵活易读；减少了开发程序的工作量和维护的难度。

(2)对SCD模型文件的正确性语义强度进行分级，根据每一等级检查的需要用前置程序提取SCD中的信息，并整合成该等级对应的XML文档供Schema检查。语义分级使SCD的各种正确性定义层次清晰，各等级检查前后呼应，逻辑清楚；同时，不同的SCD正确性检查等级可以适应不同应用场景对SCD的要求。

参考文献：

[1] 张沛超, 高翔. 智能变电站[J]. 电气技术, 2010,11(8): 4-10.

[2] 国家电网智能电网部. Q/GDW 383-2009智能变电站技术导则[S]. 北京：国家电网公司，2009.

[3] IEC. IEC 61850-6 Communication networks and systems in substations[S]. Geneva, Switzerland: IEC Publications, 2009.

[4] 梅德冬, 樊瑞, 周斌. IEC 61850模型信息的规则表达与校验研究[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(3): 131-136.

[5] 胡道徐, 沃建栋. 基于IEC 61850的智能变电站虚回路体系[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(17): 78-82.

[6] 吴恒福, 窦会光, 向前, 等. 基于设计规范的智能变电站SCD文件规范性检查[J]. 电网与清洁能源, 2015, 31(4): 84-88.