CN113282614A - 一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法，属于智能变电站技术领域。通过kNN方法进行虚端子自动匹配的过程，具体包括以下研究步骤：（1）、生成匹配数据；（2）、获取样本数据；（3）、选择自动匹配结果；（4）计算自动匹配结果的匹配可信度。本发明是一种效率高、错误率低且通用性高的智能变电站二次侧设备间虚端子的自动连接方法，可对智能变电站虚端子进行智能识别及自动匹配连接；减少重复劳动，提高设计人员工作效率，同时提升连接准确性。

Description

一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法

技术领域

本发明涉及一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法，属于智能变电站技术领域。

背景技术

智能化变电站与传统变电站相比，全站所有装置的信息均为数字信息，保护及测控装置之间均采用光缆联系；二次微机装置之间无传统变电站的电缆连接，之间的联系采用DL/T860（IEC61850）规约进行通信，通过DL/T860建模，实现装置之间的信息交互、共享，以达到与传统变电站装置之间用电缆点对点连接的效果。对于继电保护设备来说，由于原来用于点对点连接的电缆取消了，但是所有需要实现的保护功能仍是必不可少的，保护设备之间、保护与测控等其他二次设备之间仍旧需要进行信息交互。而所有这些功能的实现、数据的传输等都是通过配置完善的虚端子实现的。

传统变电站通过从端子到端子的电缆连接实现保护装置之间的配合以及保护信号的出口，与传统变电站不同，智能变电站通过面向通用对象的变电站事件(GenericObject Oriented Substation Event，GOOSE)、釆样值(Sampled Value，SV)等网络，形成各设备的虚端子，并通过虚端子的相互连接，完成设备间的信息传递。目前主要采用虚端子表来描述智能变电站内各设备之间的虚端子连接，而现有虚端子表主要依靠人工完成，设计人员根据厂家提供的智能电子设备(IED)能力描述文件(IED Capability Description)得到设备的虚端子，然后通过手动方式产生虚端子表文件中的各虚连接。然而，这种设计方式存在工作量大、效率低且容易出错的问题。此外，当智能变电站需要进行调试或改扩建时，变更变电站模型文件会导致相关的虚连接全部被删除，设计人员需要重新关联虚端子，这会增加大量的重复性劳动。因此，需要研究虚端子自动连接方法，以便提高虚端子表设计的智能化程度以及设计的工作效率。

目前，中国虚端子连接的研究主要集中在开发智能变电站辅助设计工具上，现有技术通过辅助设计工具已经实现了虚端子的可视化，并在一定程度上提高了设计效率，但是这些辅助设计工具本质上还是通过设计人员手动完成虚端子的连接，实际效率的提升有限。现有技术还提出了基于关键字符匹配原理实现虚端子自动关联的方法，但其关键字符的选取还是需要通过人工观察完成，主观性较强，且通用性较差。基于此，另有现有技术考虑了不同厂商设计虚端子的格式差异，提出通过规范虚端子格式，进而通过关键字编码实现虚端子表自动生成的方法，但该方法要求虚端子描述与虚端子数据属性严格对应，与当前设备生产商的虚端子设计现状不符合。

简而言之，现有虚端子连接的方法主要包括以下问题：

1)人工连接虚端子的效率较低且时间长。根据已有的经验，一座中等规模的智能变电站的虚端子连接工作，通常需要花费设计人员一周的时间。当智能变电站需要进行调试或改扩建时，变更变电站模型文件会导致相关的虚连接全部被删除，设计人员需要重新关联虚端子，增加大量重复性劳动。

2)人工连接虚端子存在一定程度的错误。由于人工完成虚端子连接会受到设计人员疲惫和技能熟练度的影响，连接过程中可能会存在错误，后期需要花费较多人力物力于智能变电站现场调试中。

3)当前提出的基于关键字符的自动连接方法，需要通过人提供关键字，主观性高，且由于智能变电站通信规约对虚端子实现细节保留了一定的自由度，而变电站设备生产厂家不一，实际同样的虚端子可能会有不同的表示，因此，单纯采用关键字符匹配会有通用性差的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法，通过kNN方法进行虚端子自动匹配的过程，具体包括以下研究步骤：

（1）、生成匹配数据

对于任意待匹配的IED，可以知道与该IED项链的发送IED，假设待匹配IED是某220kV线路测控装置，可推断知道与该220kV线路测控装置项链的发送IED设备包括该线路的220kV线路智能终端和220kV线路合并单元；

（2）、获取样本数据

已知待匹配IED设备型号，可以通过已有的智能变电站SCD文件获得同种类型IED的虚连接样本数据（设包含的IED个数为NS),以IED个数为基本单元，用随机抽样的方法将其分为两个部分；

（3）、选择自动匹配结果

由于定义一个合适的虚连接距离的过程比较复杂，本研究将计算虚连接距离的方法单独讨论。暂且假设可以获得合适的虚连接距离，且对任意两个虚连接Li和Lj,它们的虚连接距离可以表示为d(Li，Lj)；

对于第i个输入虚端子，分别计算其虚端子组合Ai中第j个虚端子组合与匹配样本集元素AMatching中的第m个虚连接的虚连接距离，将得到的所有虚连接距离按照小到大排序，并取前k个；

（4）计算自动匹配结果的匹配可信度

对于第i个输入虚端子Tiin的自动匹配结果，假设其匹配的输出虚端子为Tout，其匹配可信度可以由公式求得，其中Pij为自动匹配结果的投票分数，Nsm为匹配样本集AMatching中的IED个数。

本发明技术方案的进一步改进为：步骤4中可信度的阈值选取考虑多方面的因素，可信度与之选区需要进行权衡，即在保证自动匹配结果精确度的前提下，选取较低的阈值。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明是一种效率高、错误率低且通用性高的智能变电站二次侧设备间虚端子的自动连接方法；采用该方法能够对智能变电站虚端子进行智能识别及自动匹配连接。采用该方法能够减少重复劳动，提高设计人员工作效率，同时提升连接准确性。

在该方法的实施中将用到大量的先进技术，包括建立IED功能二次设备关联模板库、研究IED配置逻辑信息里流、k近邻算法、基于权重限量优化的方法等，能够充分挖掘智能变电站特点与新型技术结合，可显著提升变电站设计人员工作效率及准确性，减少人员投入和费用开支，从而带来间接的经济、社会和环境效益。

附图说明

图1是本发明虚端子组合与虚连接样本的距离计算过程示意图；

图2是本发明k邻近算法的投票过程。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明是一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法，通过kNN方法进行虚端子自动匹配的过程，具体包括以下研究步骤：

（1）、生成匹配数据

对于任意待匹配的IED，可以知道与该IED项链的发送IED，假设待匹配IED是某220kV线路测控装置，可推断知道与该220kV线路测控装置项链的发送IED设备包括该线路的220kV线路智能终端和220kV线路合并单元；

（2）、获取样本数据

已知待匹配IED设备型号，可以通过已有的智能变电站SCD文件获得同种类型IED的虚连接样本数据（设包含的IED个数为NS),以IED个数为基本单元，用随机抽样的方法将其分为两个部分；

（3）、选择自动匹配结果

由于定义一个合适的虚连接距离的过程比较复杂，本研究将计算虚连接距离的方法单独讨论。暂且假设可以获得合适的虚连接距离，且对任意两个虚连接Li和Lj,它们的虚连接距离可以表示为d(Li，Lj)；

对于第i个输入虚端子，分别计算其虚端子组合Ai中第j个虚端子组合与匹配样本集元素AMatching中的第m个虚连接的虚连接距离，将得到的所有虚连接距离按照小到大排序，并取前k个；

（4）计算自动匹配结果的匹配可信度

对于第i个输入虚端子Tiin的自动匹配结果，假设其匹配的输出虚端子为Tout，其匹配可信度可以由公式求得，其中Pij为自动匹配结果的投票分数，Nsm为匹配样本集AMatching中的IED个数。其中可信度的阈值选取需要考虑多个方面的因素，因此，可信度与之选区需要进行权衡，即在保证自动匹配结果精确度的前提下，尽可能选取较低的阈值。

该方法的理论依据如下

1、基于电气间隔和IED功能的二次设备关联

二次设备间的关联关系是研究只能变电站虚端子连接的基础。随着只能变电站技术的发展和硬件技术的提高，只能变电站中的二次设备的数量和类型也越来越多，加上设备生产厂商不同导致的设备功能、型号的差异，只能变电站IED的连接变得十分复杂。

在IEC61850标准中对智能电子设备IED的定义如下：由一个或多个处理器组成，具有从外部源接收和传送数据或控制外部源的任何设备，即电子多功能仪表、微机保护、控制器，在特定环境下在接口所限定范围内能够执行一个或多个逻辑接点任务的实体。现有虚端子连接都是以IED作为基本单元考虑，因此需要对智能变电站现有的IED进行了解。目前智能变电站主要的IED依据功能主要分为线路保护IED、母线保护IED、母联保护IED、主变保护IED、合并单元IED、智能终端IED、合智一体化IED、测控装置IED、线路测控IED、保护测控一体化IED和多合一IED。

针对常规变电站自动化系统的通信协议在更新系统网络时需要重新设计的缺陷，IEC61850标准通过总结变电站运行的特点和要求，对变电站运行控制中的通信服务需求进行了归纳，设计了抽象的通信服务接口（Abstract Communication Service Interface,ACSI)。ACSI的特点是使用了面向对象方法设计接口，通信协议与具体的通信网络完全独立，可以根据实际情况和需求，通过通信服务映射到实际的通信网络及协议。这样的优点在于更新系统网络时，可以保留电力系统自动化功能有关的IEC61850数据建模和通信服务接口，仅需要更换相关的通讯网络映射，就可以实现通信协议的移植，有效节约了智能变电站自动化系统的更新成本和提高了更新效率。

2、基于k近邻学习的虚端子自动匹配方法

根据智能变电站IED的通信机制和信息模型，智能变电站虚端子的通信采用“一发多收”机制，而且对于两个相连的IED(发送IED和接收IED)之间的虚连接，完成接收IED的输入虚端子匹配，意味着发送IED对应的输出虚端子也完成了匹配。另一方面，智能变电站虚端子的连接是以IED作为基本单元，因此可以采取匹配所有IED输入虚端子的方法来完成整个变电站IED虚端子的连接。即在已知智能变电站的电压等级和主接线方式的情况下，智能变电站内二次设备关联模板库，因此整个智能变电站虚端子的连接工作可以按照间隔分解为若干个子问题——接收IED和与之相连的发送IED的虚端子连接问题。

k 近邻算法是解决此类问题中较为常见的监督学习的方法。该方法的核心思想是如果一个样本在特征空间中的k个最相邻的样本（近邻）中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别，并具有这个类别上样本的特性。针对发送IED和与之相连的接收IED的虚端子连接的问题，借鉴k近邻算法，利用已有智能变电站SCD文件中获取虚连接信息作为样本集，将接收IED的输入虚端子和与之相连的发送IED的输出虚端子的虚端子组合作为测试数据，通过计算测试数据与样本集的距离，再使用投票方法选取合适的虚端子组合作为自动匹配结果。

k近邻算法是一个简单有效的机器学习算法。它是“懒惰学习”的著名代表，即在训练阶段不对样本进行学习，等到收到测试数据后再进行处理。该方法的基本思路是通过计算测试数据和样本集的距离，找出与该测试数据最接近的k个样本，然后基于这k个样本的信息使用投票法对测试数据进行分类。这个方法有两个关键点：

（1）距离的计算方式

显然，采用不同的距离计算方法，得到的“近邻”可能会有明显的差别，导致分类结果产生巨大的差异。

(2)决策阶段k值的选取

假设选取的距离是恰当的，能够找到合适的k个近邻，然后可以根据这k 个邻通过投票法进行决策。决策过程如图2所示，设图中三角形样本为第1类，星形样本为第2类。当k取3时(即3NN),测试数据的前3近邻中，第一类和第二类样本个数的比值为2:1,则根据投票法，该测试数据被归为第1类：当k 取5时(5NN),测试数据的前5近邻中，第一类和第二类的样本个数的比值为 2:3,根据投票法，该测试数据被分为第2类：同理当k＝11时，第一类和第二类的比值为5:6,该测试数据被分为第2类。因此，k值的选取也会对分类结果产生很大的影响。具体如图2所示。

3、虚端子自动匹配过程

基于k近邻算法，利用已有智能变电站SCD文件中获取虚连接信息作为样本集，将接受IED的输入虚端子和与之相连的发送IED的输出虚端子的虚端子组合作为测试数据，通过计算测试数据与样本集的距离，再适用投票方法选取合适的虚端子组合作为自动匹配结果。同时研究使用kNN方法进行虚端子自动匹配结果的可信度计算方法，通过对可信度较低结果对人工检查虚端子自动连接结果提供指导。

IED虚连接距离权重向量计算研究

考虑到对于两个不同的虚连接，不同的属性距离对于虚连接相似的影响不同，结合同类IED设备的虚连接具有较大重复性的特点，通过对距离度量方法的借鉴，使用虚连接样本数据，构建虚连接距离权重向量优化模型，将待匹配IED的距离权重向量作为优化参数，设置恰当的目标函数并通过粒子群算法进行求解，得到符合待匹配IED特征的距离权重向量，用于计算该IED的虚连接距离。

基于权重向量优化的虚连接距离计算方法

智能变电站虚端子的连接是以IED作为基本单元，因此整个智能变电站虚端子的连接工作视为许多个发送IED与其接收IED组合间的虚端子相互连接问题。本研究提出使用kNN方法实现发送IED与其接收IED的虚端子匹配方法。该方法的一个关键点在于虚连接距离的选取。由于智能变电站的虚连接是由两部分组成：接收IED的输入虚端子和其发送IED的输出虚端子。根据IEC61850体系下智能变电站中虚端子的完整内容，包括三部分：中文描述、数据索引和IED名称。因而不同虚连接的距离可以视为对应输入、输出虚端子的组成部分存在不同程度上的差异。通过使用合适的距离度量描述这些多维属性的差异，可以区分不同类型的虚连接。

近年来，随着机器学习技术的迅猛发展，许多方法被提出来用于比较多维度数据的差异。距离度量学习通过样本学习出一个合适的距离度量，进而使用样本属性的距离度量去衡量多维度样本的差异。

借鉴距离度量学习的思想和方法，通过分析虚连接组成成分的特征，引入智能变电站的领域知识，根据特定类型的发送IED和接收IED组合的样本数据，构建了虚连接距离度量优化模型，通过求解模型计算得到虚连接距离的参数，实现了特定类型的发送IED和其接收IED组合中的虚连接的区分。

智能变电站虚端子连接问题可以划分为三个层次，依次是变电站层次、间隔层次、设备层次，相应的研究重点包括智能变电站二次设备间隔划分和设备配置、间隔相关二次设备关联关系、相连IED间虚端子连接方法。其中智能变电站的主接线方式、电压等级（包括各个一次设备的电压等级）和电气间隔可以由一次系统的电气主接线图获得，因此在研究智能变电站虚端子自动连接时，可以认为是已知的。

考虑其余影响因素，结合实际虚端子连接样本可知，当前虚端子自动连接的困难主要包括：

（1）同一类型的虚端子表示形式不一。当前标准并未对虚端子的格式做严格规范，导致不同设备生产厂家使用的虚端子存在差异。例如针对同一类型的虚端子，A厂家使用的虚端子为“220kV主变保护A丨保护 A 相电压采样值1丨IMUSV/UATVTR1.Voll.”,而B厂家使用的虚端子可能为“220kV主变保护A丨电压A相1丨MUSV/TVTR1.VoL.”两者存在较大差异，无法使用简单的字符串匹配的方法进行识别。

（2）智能变电站内的IED种类型号繁多。目前智能变电站设备的主要生产厂家包括国电南自、许继、南瑞、四方继保、长园深瑞等，不同厂家都有各自不同型号的 IED。随着智能变电站技术的发展，变电站内部的智能电子设备趋向于就地化、集成化，不断有的新的IED被研究产生。因此虚端子自动连接技术必须具有一定的鲁棒性和兼容性。

（3）IED间虚端子连接的规则十分复杂。智能变电站虚端子的连接涉及到二次设备的测量、保护、告警、控制以及其他辅助功能，包含大量的电力系统领域知识，无法通过简单的通过逻辑符号语言完成规则的提炼。

智能变电站二次侧设备间虚端子的自动连接方法，包括以下3个研究内容：

研究内容1：典型二次间隔相关设备的逻辑信息流图和二次设备关联模板库。

研究内容2：虚端子自动匹配过程。

研究内容3：虚连接样本属性距离的计算。

研究内容1：典型二次间隔相关设备的逻辑信息流图和二次设备关联模板库

根据IEC61850，只能变电站的结构可分为三个层次，分别为站控层、间隔层、过程层。其中间隔层的一次系统一句电压等级、主接线方式和一次设备类型，以断路器或电器元件（如住变压器、母线等）作为划分节点，通常主要被划分为线路间隔、母线间隔、主变间隔、母联（分段）间隔等。因此只能变电站二次系统IED的连接和配置与电气间隔密切相关。不同电压等级和主接线方式下IED配置数量如表1所示。

表1不同电压等级和母线线方式下IED配置原则

根据典型间隔的划分和表中配置原则，给出了常见的双母线接线的只能变电站的典型220kV二次间隔内IED的逻辑信息流图，标识间隔内IED和以及与间隔相连IED的GOOSE、SV新号的发送和接受关系，然后根据逻辑信息流图，获得标识IED间关联关系的二次设备关联模板库。

研究内容2：虚端子自动匹配过程

通过kNN方法进行虚端子自动匹配的过程，具体包括以下研究步骤：

（1）生成匹配数据

对于任意待匹配的IED，可以知道与该IED项链的发送IED，假设待匹配IED是某220kV线路测控装置，可推断知道与该220kV线路测控装置项链的发送IED设备包括该线路的220kV线路智能终端和220kV线路合并单元。

（2）获取样本数据

已知待匹配IED设备型号，可以通过已有的智能变电站SCD文件获得同种类型IED的虚连接样本数据（设包含的IED个数为NS),以IED个数为基本单元，用随机抽样的方法将其分为两个部分。

（3）选择自动匹配结果

由于定义一个合适的虚连接距离的过程比较复杂，本研究将计算虚连接距离的方法单独讨论。暂且假设可以获得合适的虚连接距离，且对任意两个虚连接Li和Lj,它们的虚连接距离可以表示为d(Li，Lj)。

对于第i个输入虚端子，分别计算其虚端子组合Ai中第j个虚端子组合与匹配样本集元素AMatching中的第m个虚连接的虚连接距离，将得到的所有虚连接距离按照小到大排序，并取前k个。虚端子组合与虚连接样本的距离计算过程示意图如图1所示。

（4）计算自动匹配结果的匹配可信度

对于第i个输入虚端子Tiin的自动匹配结果（假设其匹配的输出虚端子为Tout），其匹配可信度可以由公式求得，其中Pij为自动匹配结果的投票分数，Nsm为匹配样本集AMatching中的IED个数。其中可信度的阈值选取需要考虑多个方面的因素，因此，可信度与之选区需要进行权衡，即在保证自动匹配结果精确度的前提下，尽可能选取较低的阈值。

4.1.3 研究内容3：虚连接样本属性距离的计算

根据虚端子的格式和组成，可以知道虚端子的组成部分。虚端子的数据引用按照IEC61850分层信息模型可以粗略的分为四部分，包括：逻辑设备，逻辑节点，数据对象和数据描述。这四个部分语义主要通过英文字母体现，例如某个输入虚端子的数据引用为“PISV/SVINGGIO1.SvIn”，对于逻辑设备部分“PISV”，表示的含义为＂Protection currentIntensity Sample Value”，逻辑节点部分为＂SVINGGIO1",表示的含义为＂Sample ValueInput General Input Output”。因此可以按照语义组成单元的不同，区分重要的语义单元，分别计算属性距离。

本发明的方法具有广泛的市场前景，成果将有望广泛应用于变电站设计、运维、现场施工等多个环节，通过技术实现人工成本节流、回路准确性提高等效益，应用前景非常广阔。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法，其特征在于：通过kNN方法进行虚端子自动匹配的过程，具体包括以下研究步骤：

（1）、生成匹配数据

对于任意待匹配的IED，可以知道与该IED项链的发送IED，假设待匹配IED是某220kV线路测控装置，可推断知道与该220kV线路测控装置项链的发送IED设备包括该线路的220kV线路智能终端和220kV线路合并单元；

（2）、获取样本数据

已知待匹配IED设备型号，可以通过已有的智能变电站SCD文件获得同种类型IED的虚连接样本数据（设包含的IED个数为NS),以IED个数为基本单元，用随机抽样的方法将其分为两个部分；

（3）、选择自动匹配结果

由于定义一个合适的虚连接距离的过程比较复杂，本研究将计算虚连接距离的方法单独讨论；

暂且假设可以获得合适的虚连接距离，且对任意两个虚连接Li和Lj,它们的虚连接距离可以表示为d(Li，Lj)；

对于第i个输入虚端子，分别计算其虚端子组合Ai中第j个虚端子组合与匹配样本集元素AMatching中的第m个虚连接的虚连接距离，将得到的所有虚连接距离按照小到大排序，并取前k个；

（4）计算自动匹配结果的匹配可信度

对于第i个输入虚端子Tiin的自动匹配结果，假设其匹配的输出虚端子为Tout，其匹配可信度可以由公式求得，其中Pij为自动匹配结果的投票分数，Nsm为匹配样本集AMatching中的IED个数。

2.根据权利要求1所述的基于k近邻算法的虚端子自动匹配方法，其特征在于：步骤4中可信度的阈值选取考虑多方面的因素，可信度与之选区需要进行权衡，即在保证自动匹配结果精确度的前提下，选取较低的阈值。

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