基于智能匹配的智能变电站虚回路自动连接技术

曾凡兴 史正阳 修黎明 鲁万新 罗志娟 康毅

摘 要： 针对虚回路数量较多、设计繁杂、手工链接、出错率高、效率低等诸多难题，重点研究了利用智能匹配技术进行虚回路自动连接的方法，提出了以构建基于正则表达式的典型设计方案规则为基础，开展虚回路自动设计的详细策略，最后通过工程实验验证了自动化连接的可行性、有效性，经过训练优化的规则库虚端子自动连接正确率达到100%。

关键词： 虚回路； 自动化设计； 智能变电站； 智能匹配； 自动连接； 正则表达式

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0146?05

Abstract： The design for virtual circuit has the problems of a large number of virtual circuits， miscellaneous design workload， manual link， high error rate and low efficiency. Therefore， the method using intelligent matching technology to automatically connect the virtual circuit is emphasically studied. The detailed design strategy of virtual circuit automatic design is proposed according to the typical design scheme rule based on regular expression. The feasibility and effectiveness of the automatic connection are verified with engineering experiments， and its corret rate can reach up to 100%.

Keywords： virtual circuit； automation design； smart substation； intelligent matching； automatic connection； regular expression

0 引 言

智能變电站合并单元、智能终端的应用实现了采样、跳闸信号的数字化。原本由电缆连接完成的二次回路改为光纤连接，而光纤中所承载的链路称为“虚回路”，每条“虚回路”的发送端和接收端信号称之为“虚端子”。常规变电站中的电缆连接通过装置背板上的端子进行连接，能够通过图纸直观表达；而虚回路为数字链接回路，虚端子是通过厂家提供的ICD文件（IED Capability Description）来描述，数量较多，难以通过图纸形式表达，目前主要以Excel表格形式展现。虽然国家电网公司出台了相关企业标准、通用设备等，但除保护类设备ICD文件相对标准外，其余如智能终端、测控装置等ICD文件各厂家编制原则、思路差异较大。对保护、测控等设备而言，智能变电站通过虚回路实现的功能与传统变电站通过电缆连接构成的二次回路实现的功能是没有差别的。依据这一思路，通过寻找合并单元、保护、智能终端等之间固化链接规则，研究一种虚回路的自动化连接方法，减少设计、厂家人员重复劳动，提高虚回路链接正确率、提高智能变电站建设效率。

1 国内外研究现状

文献[1?2]提出了一种虚端子的设计方法，能够将虚端子以可见的形态在图纸上进行表达，解决了数字回路无节点、无端子、无连线、设计难以表现的问题。文献[3]利用设备厂家的ICD文件直接开展设计，并借助软件让虚回路设计更加直观，纠错更加便利。以上文献均是在虚回路设计方法、虚回路表达方式等方向做出的探索，并未见实质的效率提升。文献[4]提出基于历史SCD模板的虚回路辅助生成方法，向虚回路自动化连接迈进了一步，基于关键字编码查找的方式进行端子匹配，但这种方式对标准规范的依赖性较大，且关键词匹配不支持复杂的逻辑，匹配的正确性得不到保证。

本文针对虚回路匹配工作繁重、容易配错等问题，提出一种适应性强的虚回路自动连接方法，利用正则表达式定义规则库。通过分析主流设备厂家的虚端子描述方式，定义能够兼容不同厂家虚端子的正则表达式，通过历史工程训练验证规则库，并反馈优化规则定义，最终应用到实际工程的虚端子连接中。实验验证了所提方案的可行性，经过训练优化的规则库虚端子自动连接正确率达到100%。

2 正则表达式原理

2.1 字符定义

正则表达式是对字符串操作的一种逻辑公式，用事先定义好的一些特殊字符组成的字符串，并以此检查一个字符串是否包含某种子串、将匹配的子串做替换、从某个字符串中取出符合某个条件的子串等。本文利用检查某个虚端子中是否包含提前定义的子串来确定该虚端子的意义。

正则表达式由普通字符、元字符组成，其中普通字符包括大小写的字母和数字，而元字符则具有特殊的含义[5]。元字符的不同组合规则具备不同的含义，表1列出用到的一些元字符及其简单描述。

2.2 匹配原理

匹配过程按照从表达式最左端第一个字符开始，从左到右依次一个字符进行匹配。当待匹配字符串中有字符成功匹配到正则表达式中字符，则从这个位置开始尝试正则表达式中的下一个字符进行匹配，如果匹配成功则继续从这个位置开始匹配正则表达式中下一个字符；如果匹配不成功，则“回溯”到第一次匹配的字符处重新从正则表达式中第一个字符开始匹配[6?8]。

以图1为例介绍匹配到指定内容的过程：

首先，由正则表达式中的字符“电”取得控制权，从源字符串的位置0开始匹配，由“电”来匹配“保”，匹配失败；继续尝试下一字符“护”，匹配失败；继续下一个字符“电”，匹配成功。

这样控制权由正则表达式中的“电”传递给字符“流”，由于字符“电”已被匹配，所以“流”从位置3开始匹配，匹配成功。

控制权由正则表达式的“流”传递给“.*”，由于“.*”是匹配优先量词，在可匹配可不匹配的情况下，优先尝试匹配，从位置4开始匹配，匹配成功，继续向右匹配直到结尾的“1”，匹配成功，由于此时已经匹配到字符串的结尾，所以“.*”匹配结束，将控制权交给正则表达式的“A”。

“A”取得控制权后，由于已经在字符串结束位置，匹配失败，向前查找可供回溯的状态，控制权交给“.*”，由“.*”让出一个字符，也就是字符串末尾的“1”，再把控制权交给正则表达式的“A”，由“A”匹配“1”，匹配失败；重复以上的过程继续回溯，一直回溯到“A”，匹配成功。正则表达式的控制权传递给下一个“.*”。重复以上的过程，最终匹配成功[9?10]。

3 自动连接技术方案

3.1 规则库模型构建

首先基于典型设计方案定义好规则库[11]，规则库基于智能装置间的信息流向进行构建。每个设计方案的规则库主要由电压等级、典型间隔、间隔设备、信息流、回路规则表达式等部分构成。图2以实例展示了规则库中所包含的电压等级、典型间隔、间隔设备的层次关系。电压等级以220 kV为例进行展示，典型间隔以线路间隔为例进行展示。

图3定义了线路间隔设备间信息流向关系，信息流定义包含信息流标识、发送设备名称、接收设备名称、信息流描述。

基于信息流向关系，定义每个信息流中的回路规则表达式。规则表达式以正则表达式的形式定义，表2以信息流Cir_001进行示例。同时为了能够应对不同设备厂家对虚端子的个性化定义，采用“|”进行兼容。

下面以具体示例描述信号的正则表达式规则定义过程。以合并单元发送的电流信号为例，不同的设备厂家对信号的定义如表3所示。

从表3可以看出，不同厂家对信号的描述含义相近但内容却各不相同。其中的核心词分别为“电流”或“I”，“A”或“a”，“1”。按照上文中对正则表达式的定义原则，将该信号的正则表达式规则定义为：（电流.*A.*1）|（A.*电流.*1）|（Ia1），该规则能够兼容所列6个厂家的不同定义，而且规则扩展、优化非常灵活，可通过“|”进行追加，方便在工程实践中不断优化规则库，为规则库准确率的不断提升创造了条件。

以上便为设计方案规则库的详细构建方法。实际构建过程中会基于不同的规模及接线形式构建出多种设计方案规则库，使用时选择适合的规则库进行自动化连接[12?14]。

3.2 自动匹配过程

虚回路连接的过程，即完成不同装置间输入、输出信号的配对，而自动化的依据便是设计方案规则库。具体设计时，创建实际的电压等级、间隔及间隔内的设备，并收集设备厂家对设备虚端子进行定义的配置文件，依据配置文件为设备建立输入、输出虚端子。图4为建立的220 kV线路保护的部分输入信号和220 kV线路合并单元的部分输出信号。从图中可以看到，由于智能装置的类型不同，且可能来自于不同的设备供应商，其虚端子的命名并不一致，所以并不能通过建立固定的配对规则来实现虚回路的自动连接，这是正则表达式发挥价值的关键所在。

完成这些设计内容后，找到适合本设计工程的设计方案规则库。通过规则库中事先定义的规则能够获知，220 kV线路保护与220 kV线路合并单元之间存在一条信息流向关系，即：Cir_001 采样信号，且方向为220 kV线路合并单元→220 kV线路保护，每个装置都有输入、输出两种类型的信号，确定信息流的方向，可以缩小待查找的虚端子的输入、输出类型范围，只需要查找220 kV线路合并单元的输出信号、220 kV线路保护的输入信号即可。

从智能装置虚回路规则库中找到信息流“Cir_001”对应的配对规则，通过表2可知对应的规则共计14条，利用每一条规则从两个智能装置中分别匹配查找符合条件的虚端子，若两端都匹配到相应的虚端子，则完成连接，进入下一条规则，重复以上步骤。查找及配对过程详细描述如下：

找到第一条规则：发送端正则表达式“（电流.*A.*1）|（A.*电流.*1）|（Ia1）”；接收端正则表达式“（电流.*A.*1）|（A.*电流.*1）|（Ia1）”；两侧的正则表达式相同，正则表达式的定义要注意关键词的提取。正则表达式定义过于粗略将导致不易匹配上唯一需要查找的虚端子，正则表达式定义的过于精确将导致适应性偏弱，不同厂家虚端子的细微变化都有可能导致匹配不上需要查找的虚端子。

此外，发送端通过正则表达式匹配220 kV线路合并单元的输出虚端子，接收端通過正则表达式匹配220 kV线路保护的输入虚端子。

最终通过正则表达式“（电流.*A.*1）”可以匹配到输出虚端子“保护电流A相1”。

通过正则表达式“（A.*电流.*1）”可以匹配到输入虚端子“保护A相电流1：Ia1”。成功示例如图5所示。

收、发两端都匹配到指定的信号后，完成信号的配对，并记录，如表4所示。按照以上的步骤，逐条规则进行匹配，并逐一完成信号的配对，即可完成全站虚回路信号的连接。

4 工程验证

为了验证虚回路自动化连接方案的可行性，利用武汉化工220 kV变电站进行实验验证。武汉化工220 kV变电站220 kV部分终期为双母线单分段接线，本期按双母线运行，终期出线8回，本期出线4回，110 kV终、本期均采用双母线接线，智能装置及ICD文件来源于4个厂家。

实验将分两个场景进行验证，分别是单间隔内、跨间隔之间，其中单间隔内选择220 kV乙烯线线路间隔，跨间隔之间选择220 kV乙烯线线路间隔、220 kV母线间隔之间。自动化连接的效果如表5，表6所示。

从表5、表6的实际工程测试数据可看出，利用改进后的规则库进行虚回路自动连接，连接效果比较好，正确匹配率达到了100%，证实了该方法的有效性。

5 结 论

本文提出一种基于正则表达式进行虚端子查找、配对的方法，分析了工作原理及实验过程。研究表明该方法在不依赖虚端子标准化的前提下，能够适应不同厂家对虚端子的不同定义，很好地解决了虚回路设计工作量繁重的问题。该技术将在更多的工程中得到应用，基于此，后续将更加深入的研究应对不同工程的复杂场景。

参考文献

[1] 杨旭方，李艳丽，王宁宁，等.智能变电站虚端子设计方法研究[J].电工技术，2015（10）：26?29.

YANG X F， LI Y L， WANG N N， et al. Study on virtual terminal design method of smart substation [J]. Electric engineering， 2015（10）： 26?29.

[2] 高亚栋，朱炳铨，李慧，等.数字化变电站的“虚端子”设计方法应用研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（5）：124?127.

GAO Yadong， ZHU Bingquan， LI Hui， et al. Application research on design method for ″virtual terminal″ of digital substation [J]. Power system protection and control， 2011， 39（5）： 124?127.

[3] 修黎明，高湛军，黄德斌，等.智能变电站二次系统设计方法研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（22）：124?128.

XIU Liming， GAO Zhanjun， HUANG Debin， et al. Secondary system design method for smart substation [J]. Power system protection and control， 2012， 40（22）： 124?128.

[4] 庄先涛.智能变电站虚端子设计关键技术的研究与开发[D].成都：西南交通大学，2015.

ZHUANG Xiantao. Research and development on key techniques of virtual terminal design in intelligent substation [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015.

[5] 杰佛瑞E.F.佛瑞德.精通正则表达式[M].余晟，译.北京：电子工业出版社，2012.

JEFFTRY E F F. Mastering regular expressions [M]. YU Sheng， translation. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012.

[6] SIDHU R， PRASANNA V K. Fast regular expression matching using EPGAs [C]// The 9th Annual IEEE Symposium on Field?Programmable Custom Computing Machines. Rohnert Park， California： IEEE， 2001： 227?238.

[7] 姚远，刘鹏，单征，等.面向存储的正则表达式匹配算法综述[J].计算机应用，2009，29（12）：3171?3173.

YAO Y， LIU P， SHAN Z， et al. Survey on storage?oriented regular expressions matching algorithms [J]. Journal of computer applications， 2009， 29（12）： 3171?3173.

[8] SONG T， ZHANG W， WANG D S， et al. A memory efficient multiple pattern matching architecture for network [C]// Proceedings of 2008 IEEE INFOCOM. USA： IEEE， 2008： 166?170.

[9] 张树壮，罗浩，方滨兴，等.一种面向网络安全檢测的高性能正则表达式匹配算法[J].计算机学报，2010，33（10）：1976?1986.

ZHANG Shuzhuang， LUO Hao， FANG Binxing， et al. An efficient regular expression matching algorithm for network security inspection [J]. Chinese journal of computers， 2010， 33（10）： 1976?1986.

[10] 丁麟轩，黄昆，张大方.基于并行字符索引的多步长正则表达式匹配算法[J].计算机研究与发展，2015，52（3）：681?690.

DING Linxuan， HUANG Kun， ZHANG Dafang. Multi?stride regular expression matching using parallel character index [J]. Journal of computer research and development， 2015， 52（3）： 681?690.

[11] 丁广鑫，蔡敬东，张强，等.国家电网公司输变电工程通用设计 110（66）?220 kV智能变电站施工图设计[M].北京：中国电力出版社，2013.

DING G X， CAI J D， ZHANG Q， et al. State Grid Company power transmission project general design： production drawing design of 110（66）?220 kV smart substation [M]. Beijing： China Electric Power Press， 2013.

[12] 邵翔宇，刘勤让，谭力波.基于规则模板的正则表达式分组算法[J].电子学报，2016，44 （1）：236?240.

SHAO Xiangyu， LIU Qinrang， TAN Libo. A regular expression grouping algorithm based on signature templates [J]. Acta electronica Sinica， 2016， 44（1）： 236?240.

[13] 黄志高，李妍，李腾，等.智能变电站SCD文件虚回路自动生成技术的设计和实现[J].电力系统保护与控制，2017，45（17）：106?111.

HUANG Zhigao， LI Yan， LI Teng， et al. Design and implementation of automatic generation technology of SCD file virtual circuit in smart substation [J]. Power system protection and control， 2017， 45（17）： 106?111.

[14] 刘颖.智能变电站全寿命周期“即插即用”技术体系的研究与应用[J].电力系统保护与控制，2015，43（22）：23?28.

LIU Ying. Research and application on the technology system of plug & play in the smart substation′s life cycle [J]. Power system protection and control， 2015， 43（22）： 23?28.

[15] 高东学，智全中，朱丽均，等.智能变电站保护配置方案研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（1）：68?71.

GAO Dongxue， ZHI Quanzhong， ZHU Lijun， et al. Configuration project of protect unit according to levels for smart substation [J]. Power system protection and control， 2012， 40（1）： 68?71.

[16] 陈文升，唐宏德.数字化变电站关键技术研究与工程实现[J].华东电力，2009，37（1）：124?128.

CHEN W S， TANG H D. Key technologies of digital substations and related engineering implementation [J]. East China electric power， 2009， 37（1）： 124?128.