【摘 要】隨著電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的安全監(jiān)控的要求越來越高，國內(nèi)電網(wǎng)調(diào)度中心普遍采用能量管理系統(tǒng)（EMS）高級(jí)應(yīng)用軟件對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行安全分析和輔助決策，取得了良好的應(yīng)用效果。但是海量的變電站信息量涌入各主站系統(tǒng)，同時(shí)無人值守綜合自動(dòng)化的改造，尤其是微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用，變電站的遙信信息相對(duì)以前則變化更為顯著，監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)變得十分困難。故障診斷專家系統(tǒng)的建立，通過保護(hù)信號(hào)命名的自然語法與圖形化的診斷規(guī)則平臺(tái)，為海量遙信信號(hào)建立快速的故障分析模式，不僅可以給調(diào)度運(yùn)行人員以警示作用，預(yù)防故障的產(chǎn)生還能夠消除電網(wǎng)瓦解隱患，縮短事故處理時(shí)間，變電站故障綜合分析專家系統(tǒng)能為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員處理設(shè)備異常和故障提供有利條件，對(duì)提高工作效率使電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著重要的意義和作用。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng) 變電站 故障診斷

一、引言

“調(diào)控一體化”是電網(wǎng)“大運(yùn)行”的重要組成部分，調(diào)度/集中監(jiān)控/變電站操作人員的技能水平直接關(guān)系電網(wǎng)安全，影響“調(diào)控一體化”工作能否順利開展。而隨著調(diào)控一體化建設(shè)的不斷推進(jìn)，海量的變電站信息量涌入各主站系統(tǒng)，同時(shí)無人值守綜合自動(dòng)化的改造，尤其是微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用，變電站的遙信信息相對(duì)以前則變化顯著。設(shè)備的位置信號(hào)、各裝置的保護(hù)信號(hào)、壓板信息乃至直流信號(hào)一個(gè)的無人值守站接收的遙信量愈千。因此，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控要求也日益精確，異常信息也日益增加。

根據(jù)上述情況，調(diào)控一體化下的調(diào)度人員和監(jiān)控人員對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控中，需要高度集中注意力，及時(shí)了解電網(wǎng)異常情況，掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。但是縱觀十多年來全國電網(wǎng)典型事故分析，由于變電站信號(hào)量多，又有大量的異常信號(hào)，而其中又有很多信號(hào)是無關(guān)緊要的，電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)又會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出大量的信號(hào)，不便于調(diào)度員的查看，以及對(duì)事故立即做出分析，并進(jìn)行處理。因此，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)在智能報(bào)警方面存在監(jiān)控程度低、制止事故手段比較落后等問題。

故障診斷專家系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)中發(fā)生故障后，可以讓運(yùn)行人員方便的查找、排序、歸類等操作，并提供靈活定制數(shù)據(jù)分類的工具，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套帶有圖形化配置功能的故障分析系統(tǒng)。

故障診斷專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別建模，解決了長(zhǎng)期以來由于保護(hù)設(shè)備的廠家很多、命名不同意等問題造成的保護(hù)設(shè)備建模工作難的問題。設(shè)了計(jì)一種語法分析算法對(duì)保護(hù)設(shè)備命名進(jìn)行統(tǒng)一歸納分類。

故障診斷專家系統(tǒng)的建立，不僅可以給調(diào)度運(yùn)行人員以警示作用，預(yù)防故障的產(chǎn)生還能夠消除電網(wǎng)瓦解隱患，縮短事故處理時(shí)間，變電站故障綜合分析專家系統(tǒng)能為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員處理設(shè)備異常和故障提供有利條件，對(duì)提高工作效率使電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著重要的意義和作用。

二、國內(nèi)外研究水平綜述

電力系統(tǒng)故障診斷一直是國內(nèi)外熱門的研究課題，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。故障診斷的目的是確定故障元件，以便對(duì)故障進(jìn)行處理、盡快恢復(fù)供電。目前，電力系統(tǒng)故障診斷主要方法有：專家系統(tǒng)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊推理法等。

（一）專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（Expert System）是廣泛應(yīng)用于故障診斷的一種方法。專家系統(tǒng)是建立在知識(shí)庫基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它擁有某個(gè)特定領(lǐng)域內(nèi)的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能模擬專家思維，運(yùn)行推理判斷，并在其相應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)給出結(jié)論。專家系統(tǒng)的主要特征是它存在一個(gè)存放專業(yè)知識(shí)的知識(shí)庫，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行推理。專家系統(tǒng)對(duì)知識(shí)的原始表示形式都是基于形式化的符號(hào)，因而所有原始表示知識(shí)都是顯式、描述性的表示。專家系統(tǒng)具有較強(qiáng)的邏輯推理和字符處理能力，比較適合電力系統(tǒng)。

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neutral Networks）是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型。在工程與學(xué)術(shù)界也常直接簡(jiǎn)稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運(yùn)算模型，由大量的節(jié)點(diǎn)（或稱神經(jīng)元）之間相互聯(lián)接構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一種特定的輸出函數(shù)，稱為激勵(lì)函數(shù)（activation function）。每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接都代表一個(gè)對(duì)于通過該連接信號(hào)的加權(quán)值，稱之為權(quán)重，這相當(dāng)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式，權(quán)重值和激勵(lì)函數(shù)的不同而不同。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都是對(duì)自然界某種算法或者函數(shù)的逼近，也可能是對(duì)一種邏輯策略的表達(dá)。

（三）模糊理論

模糊理論（Fuzzy Theory）是指用到了模糊集合的基本概念或連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論。它可分類為模糊數(shù)學(xué)，模糊系統(tǒng)，不確定性和信息，模糊決策這五個(gè)分支，它并不是完全獨(dú)立的，它們之間有緊密的聯(lián)系。例如，模糊控制就會(huì)用到模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯中的概念。從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)來看，模糊理論的應(yīng)用大部分集中在模糊系統(tǒng)上，尤其集中在模糊控制上。也有一些模糊專家系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療診斷和決策支持。由于模糊理論從理論和實(shí)踐的角度看仍然是新生事物，所以我們期望，隨著模糊領(lǐng)域的成熟，將會(huì)出現(xiàn)更多可靠的實(shí)際應(yīng)用。調(diào)控一體的故障診斷專家系統(tǒng)

三、業(yè)務(wù)功能

（一）保護(hù)設(shè)備的建模一直以來就有很大問題，主要是雖然基本設(shè)備命名可能相同，但是細(xì)節(jié)上和遙信信息的描述上會(huì)有很大的差異。所以在對(duì)保護(hù)設(shè)備的建模存在很多難點(diǎn)，基于上述原因，采用了多種方法綜合建模。利用基于自然語言算法的語法分析模塊，對(duì)不同廠家的保護(hù)設(shè)備命名進(jìn)行統(tǒng)一歸類。從而使保護(hù)設(shè)備建模成為可能；采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行建模。以便以后提供擴(kuò)展功能。

（二）由用戶對(duì)保護(hù)設(shè)備的告警進(jìn)行分類展示，以便用戶清晰的區(qū)分各種類型的告警，從而采取相應(yīng)的應(yīng)變措施；可以由用戶對(duì)告警的嚴(yán)重程度進(jìn)行設(shè)置，以便用戶根據(jù)嚴(yán)重程度安排工作。

（三）圖形化配置方式的故障判別規(guī)范平臺(tái)，簡(jiǎn)化用戶操作，使更多的專業(yè)人員可以參與到項(xiàng)目中來；通過對(duì)配置的模板化管理，使得相同類型的設(shè)備故障判別規(guī)范可以互相復(fù)制，減少了配置的時(shí)間。

（四）故障分析功能，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，對(duì)短時(shí)間內(nèi)的大量的故障信息及時(shí)存儲(chǔ)；通過高效的故障分析算法，迅速分析故障情況；提供故障回溯功能，用戶在空閑的時(shí)間，能夠調(diào)出故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析故障原因。

（五）全自動(dòng)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，記錄保護(hù)裝置和安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況，統(tǒng)計(jì)保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率、運(yùn)行率、誤動(dòng)率等；通過報(bào)表和數(shù)據(jù)組態(tài)工具，用戶可以根據(jù)自己的要求定制不同格式統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，為不同的調(diào)度決策部門提供多種格式的數(shù)據(jù)。

四、核心技術(shù)支持

（一）IEC61970-CIM標(biāo)準(zhǔn)的支持

在本項(xiàng)目中，需要完成電力系統(tǒng)模型的CIM/XML的導(dǎo)入導(dǎo)出。要實(shí)現(xiàn)從EMS系統(tǒng)中自動(dòng)導(dǎo)出符合IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的CIM模型，CIM模型中應(yīng)當(dāng)包括電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)和量測(cè)映射關(guān)系等。采用IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)EMS源數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出，采用全模型導(dǎo)出、部分模型導(dǎo)出和增量模型導(dǎo)出等導(dǎo)出方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)CIM標(biāo)準(zhǔn)的支持。

（二）保護(hù)設(shè)備建模

利用基于自然語言算法的語法分析模塊，對(duì)不同廠家的保護(hù)設(shè)備命名進(jìn)行統(tǒng)一歸類。從而使保護(hù)設(shè)備建模成為可能；采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保護(hù)設(shè)備進(jìn)行建模。以便以后提供擴(kuò)展功能。

（三）實(shí)時(shí)監(jiān)控

可以由用戶對(duì)保護(hù)設(shè)備的告警進(jìn)行分類展示，以便用戶清晰的區(qū)分各種類型的告警，從而采取相應(yīng)的應(yīng)變措施；可以由用戶對(duì)告警的嚴(yán)重程度進(jìn)行設(shè)置，以便用戶根據(jù)嚴(yán)重程度安排工作。

（四）故障判別規(guī)范設(shè)置

采用圖形化配置方式對(duì)故障判別規(guī)范設(shè)置，簡(jiǎn)化用戶操作，使更多的專業(yè)人員可以參與到項(xiàng)目中來；通過對(duì)配置的模板化管理，使得相同類型的設(shè)備故障判別規(guī)范可以互相復(fù)制，減少了配置的時(shí)間。

（五）故障分析

通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，對(duì)短時(shí)間內(nèi)的大量的故障信息及時(shí)存儲(chǔ)；通過高效的分析算法，迅速分析故障情況；提供回溯功能，用戶在空閑的時(shí)間，能夠調(diào)出故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析故障原因。

（六）統(tǒng)計(jì)報(bào)表

記錄保護(hù)裝置和安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況，統(tǒng)計(jì)保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率、運(yùn)行率、誤動(dòng)率等；通過報(bào)表和數(shù)據(jù)組態(tài)工具，用戶可以根據(jù)自己的要求定制不同格式統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，為不同的調(diào)度決策部門提供多種格式的數(shù)據(jù)。

五、理論研究步驟

（一）變電站通用認(rèn)知模型的概念

對(duì)電網(wǎng)的研究表明，很多設(shè)備對(duì)象在功能屬性和操作屬性方面存在類似性。這種類似性在電網(wǎng)的各個(gè)層次均有表現(xiàn)，例如全系統(tǒng)中某些變電站的接線方式和操作方式相同，一個(gè)變電站內(nèi)某些間隔中的所包含的設(shè)備相同等等。這種類似性已經(jīng)被人類專家所認(rèn)知，并將操作對(duì)象劃分為不同的類，一類操作對(duì)象包含若干具有相似屬性的實(shí)際對(duì)象。在認(rèn)知過程中，這種通過對(duì)相似性的抽象和概括，將研究對(duì)象分類的方法本質(zhì)上就是概念的建立。本文將通過這種方式建立的概念定義為操作對(duì)象原子。

操作對(duì)象原子：對(duì)電網(wǎng)操作對(duì)象的本質(zhì)屬性的描述。一個(gè)操作對(duì)象原子代表一類具有相似屬性的實(shí)際操作對(duì)象。它的建立主要遵循兩個(gè)因素：

1.對(duì)象在變電站中的功能相似性。

2.對(duì)象在變電站中操作方式相似性。

根據(jù)電網(wǎng)中所包括的操作對(duì)象的類型，在電網(wǎng)操作認(rèn)知模型中，共有如下六類操作對(duì)象原子：

（1）廠站原子：根據(jù)電網(wǎng)中電廠和變電站的相似性而建立，一個(gè)廠站原子代表一類功能或操作方式相似的廠站。

（2）廠站間隔原子：根據(jù)廠站內(nèi)電氣接線間隔的相似性而建立，一個(gè)廠站間隔原子代表一類在某些廠站中功能或操作方式相似的間隔。

（3）線路原子：根據(jù)電網(wǎng)中輸電線路的相似性而建立，一個(gè)線路原子代表一類功能或操作相似的輸電線。

（4）線路間隔原子：根據(jù)線路所連接的電氣接線間隔的相似性而建立，一個(gè)線路間隔原子代表一類在某些線路中功能或操作方式相似的間隔。

（5）一次設(shè)備原子：根據(jù)電氣間隔中的實(shí)際一次設(shè)備（如開關(guān)、刀閘和接地線等）的功能和操作相似性而劃分。

（6）二次設(shè)備原子：根據(jù)電氣間隔中的實(shí)際二次設(shè)備（包括繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置）的功能和操作相似性而劃分。

操作對(duì)象原子的類型只有六類，而每類中操作對(duì)象原子的數(shù)目沒有限制，可以根據(jù)需要來建立。建立和擴(kuò)展操作對(duì)象原子的過程體現(xiàn)了概念建立的過程，集中體現(xiàn)了專家系統(tǒng)的適應(yīng)性。同時(shí)操作對(duì)象原子具有層次性和繼承性。

3.原子的層次性

由于電網(wǎng)設(shè)備的連接具有層次性，不同類別的操作對(duì)象之間具有包含的層次關(guān)系，所以不同類別的操作對(duì)象原子也是具有層次性的。這種層次性可以用圖1來表示。

圖1 操作對(duì)象原子的層次性

Fig.1 Hierarchy of object atoms

這種層次性同時(shí)反映了電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，即線路所連接的電氣間隔、廠站內(nèi)所包含的電氣間隔以及間隔內(nèi)包含的一次設(shè)備和二次設(shè)備。

4.原子的繼承性

操作對(duì)象原子的提出反映了各個(gè)層次的電網(wǎng)操作對(duì)象的本質(zhì)屬性，一個(gè)操作對(duì)象原子代表了一類屬性相類似的對(duì)象。研究表明，相同類別的某些操作對(duì)象原子代表的屬性具有一定的共性，同時(shí)又各自具有特性。這種共性和特性可以用原子之間的繼承性來描述。

（二）變電站通用認(rèn)知模型的建立

在對(duì)變電站的實(shí)際設(shè)備的認(rèn)知過程中，首先，應(yīng)對(duì)各類操作對(duì)象，充分研究其功能屬性和操作屬性，在同類操作對(duì)象中尋找共性，明確特性；其次，對(duì)同類操作對(duì)象的相似性進(jìn)行抽象和概括，建立相應(yīng)的操作對(duì)象原子；最后，對(duì)實(shí)際的設(shè)備對(duì)象，例如線路、廠站、一次設(shè)備和二次設(shè)備，指定其所屬的原子。對(duì)于線路連接的電氣間隔，既要指定其所屬的線路間隔原子，也要指定其所屬的廠站間隔原子。電網(wǎng)操作認(rèn)知模型的建立過程如圖2所示。

一般情況下，抽象概括操作對(duì)象屬性的并建立操作對(duì)象原子并不是一次就可以完成的，而是隨著對(duì)電網(wǎng)研究的不斷深入，逐步完成的，這個(gè)過程和人類的螺旋式上升的認(rèn)知過程相似，圖3中的虛線就是這個(gè)過程的反映。變電站設(shè)備操作通用認(rèn)知模型中的原子表達(dá)了根據(jù)屬性進(jìn)行分類的概念，這種分類是動(dòng)態(tài)的、可自由擴(kuò)展的，不是先驗(yàn)的。原子本身也是認(rèn)知模型中的對(duì)象，它是認(rèn)知電網(wǎng)的結(jié)果。用戶可以根據(jù)需要自由地建立原子。由于這種模型反映了認(rèn)知過程中概念的提取和建立，因此更接近于人類專家的認(rèn)知方式，因而具有很好的適應(yīng)性和智能性。

圖2

（三）基于通用認(rèn)知模型的信號(hào)動(dòng)作引擎規(guī)則庫

在上述變電站通用認(rèn)知模型基礎(chǔ)上，可以建立集中監(jiān)控變電站的信號(hào)的動(dòng)作引擎規(guī)則如下：

1.動(dòng)作引擎：一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)受到其它一個(gè)或同時(shí)多個(gè)設(shè)備的影響，其它設(shè)備不同狀態(tài)的組合而引起這個(gè)設(shè)備的狀態(tài)變化。

2.動(dòng)作引擎規(guī)則：描述了對(duì)某個(gè)二次設(shè)備狀態(tài)產(chǎn)生影響的其它設(shè)備的集合。規(guī)則用產(chǎn)生式表達(dá)，它的條件是當(dāng)其它設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化后，引起規(guī)則主體設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生改變，結(jié)論是具體的狀態(tài)，為0或1等。其形式為如式（1）所示的四元組。

在建立信號(hào)的動(dòng)作引擎規(guī)則時(shí)，可以面向二設(shè)備原子來建立，也可以面向?qū)嶋H的二次設(shè)備來建立，其規(guī)則條件中引用對(duì)象既可以是一次或二次設(shè)備原子，也可以是一次或二次實(shí)際設(shè)備。而面向二次設(shè)備原子建立的規(guī)則是通用的規(guī)則，是對(duì)變電站信號(hào)的認(rèn)知結(jié)果，其可以適用于類似的多座變電站或設(shè)備。

六、結(jié)論

故障診斷專家系統(tǒng)將提供圖形化故障判別配置工具和模板配置功能；提供基于自然語法處理技術(shù)的保護(hù)自動(dòng)建模功能；提供自主開發(fā)的宏編譯器，支持C/S、B/S架構(gòu)的綜合發(fā)布和計(jì)算；提供自主研發(fā)圖數(shù)組態(tài)工具和報(bào)表體系（包含：Excel實(shí)用化報(bào)表工具）；提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)告警監(jiān)視平臺(tái)；提供故障回溯功能；提供高效的故障分析運(yùn)算功能。給調(diào)度運(yùn)行人員以警示作用，預(yù)防故障的產(chǎn)生還能夠消除電網(wǎng)瓦解隱患，縮短事故處理時(shí)間，變電站故障綜合分析專家系統(tǒng)能為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員處理設(shè)備異常和故障提供保障。