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        基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2016-12-05 05:13:52朱子坤李文朝陳槾露
        電子設(shè)計(jì)工程 2016年22期
        關(guān)鍵詞:電力設(shè)備故障診斷規(guī)則

        朱子坤,李文朝,王 飛,陳槾露

        (1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局 廣東 茂名525000;2.東方電子股份有限公司 山東 煙臺(tái)264000)

        基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        朱子坤1,李文朝1,王 飛2,陳槾露1

        (1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局 廣東 茂名525000;2.東方電子股份有限公司 山東 煙臺(tái)264000)

        為準(zhǔn)確及時(shí)獲取電網(wǎng)故障關(guān)鍵信息和提高電網(wǎng)智能故障診斷的實(shí)用化水平,提出一種基于特征映射的電力設(shè)備故障診斷方法,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種地區(qū)電網(wǎng)智能告警系統(tǒng)。某地區(qū)電網(wǎng)智能故障診斷專家系統(tǒng)的建設(shè)及示范應(yīng)用情況表明,此系統(tǒng)可定制、可復(fù)用,在電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視方面有良好的應(yīng)用前景。

        故障診斷;特征量;虛擬映射;邏輯表達(dá);專家系統(tǒng)

        近年來(lái),電網(wǎng)規(guī)模高速擴(kuò)展,電網(wǎng)運(yùn)行信息呈海量化的現(xiàn)象。一個(gè)地級(jí)電網(wǎng)調(diào)度主站,每天電網(wǎng)運(yùn)行信息量超過(guò)20 000條,臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣情況下,告警信息量甚至?xí)≡?0倍,為電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控帶來(lái)嚴(yán)重困難。為迅速獲取電網(wǎng)運(yùn)行故障信息以及電網(wǎng)設(shè)備異常信息,需引入智能技術(shù)手段。

        目前,智能故障分析的方法有基于信息分類的故障分析和基于信息描述的故障分析兩種。基于信息分類的故障分析,對(duì)不同類別的告警信息賦予不同的告警等級(jí),對(duì)不同等級(jí)或事故分窗口顯示,只提供信息篩選和分類手段,仍然依賴人工分析,不具備故障自動(dòng)診斷分析功能;基于信息描述的故障分析,通過(guò)告警信息中的關(guān)鍵字符信息建立推理規(guī)則,發(fā)生告警信息后,通過(guò)字符串匹配方式進(jìn)行故障分析,該方法往往由于告警信息描述不規(guī)范、規(guī)則依賴于程序,使得告警推理規(guī)則存在繁瑣復(fù)雜、有效性差、難以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展等問(wèn)題,無(wú)法滿足調(diào)度運(yùn)行需求。

        文中提出一種基于特征映射的電力設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng),即通過(guò)提取電網(wǎng)中設(shè)備運(yùn)行信息的特征量,運(yùn)用虛擬映射技術(shù)建立故障診斷專家系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)智能告警系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱“智能告警系統(tǒng)”),并在某地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)及示范應(yīng)用。

        1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

        該智能告警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)輸入來(lái)自3個(gè)子系統(tǒng),分別是 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控)、保信(保護(hù)信息及故障錄波系統(tǒng))和PAS(Power Advanced Software,電力高級(jí)應(yīng)用軟件)。3個(gè)子系統(tǒng)的告警信息經(jīng)智能告警服務(wù)器處理,產(chǎn)生告警分析結(jié)果。為符合運(yùn)行人員的監(jiān)控習(xí)慣,分析結(jié)果的展示嵌入SCADA子系統(tǒng),在SCADA的告警窗口展示。

        智能告警服務(wù)器加載規(guī)則配置器設(shè)置的規(guī)則,接收3個(gè)子系統(tǒng)的告警信息,基于規(guī)則完成推理分析。本質(zhì)上,智能告警系統(tǒng)是一個(gè)專家系統(tǒng),是一個(gè)具有大量的電力設(shè)備故障診斷知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)。

        圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

        2 專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

        基于特征映射技術(shù)的智能告警系統(tǒng)其分析對(duì)象是告警信息。告警信息反映的是電網(wǎng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。每個(gè)電力設(shè)備都被分解為一個(gè)或多個(gè)告警對(duì)象。當(dāng)電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化,就會(huì)基于其對(duì)應(yīng)的告警對(duì)象,生成告警信息,而告警信息包含有時(shí)間標(biāo)簽、告警對(duì)象和狀態(tài)描述等要素。因此,基于特征映射技術(shù)的電力設(shè)備故障診斷實(shí)現(xiàn)應(yīng)包括定義告警信息空間特征、定義告警信息故障屬性特征、建立基于特征映射專家?guī)?、推理機(jī)邏輯設(shè)計(jì)4個(gè)步驟。

        2.1告警信息的空間特征

        告警信息的空間特征定義包括設(shè)備空間定義和功能部件定義。

        告警信息的設(shè)備空間定義就是確定告警信息所屬的空間層次。告警信息是基于告警對(duì)象產(chǎn)生的,而告警對(duì)象來(lái)自于電力設(shè)備。通過(guò)“告警信息→告警對(duì)象→電力設(shè)備”這樣的路徑,能確定告警對(duì)象所述設(shè)備。

        告警信息的功能部件定義是確定告警信息的空間特征顆粒度大小的關(guān)鍵。功能部件顆粒度太大,故障診斷結(jié)果粗,難以確定詳細(xì)的故障點(diǎn);而顆粒度太小,則會(huì)導(dǎo)致告警信功能部件特征復(fù)雜,基于功能部件映射邏輯復(fù)雜,推理規(guī)則描述復(fù)雜。

        空間特征映射,就是把告警信息的空間特征映射到編碼的過(guò)程。通過(guò)“告警信息→告警對(duì)象→電力設(shè)備”(在主站側(cè)實(shí)現(xiàn))和“電力設(shè)備→編碼”(在變電站側(cè)已實(shí)現(xiàn)),就能實(shí)現(xiàn)“告警信息→編碼”,即完成告警信息的空間特征定義。

        2.2告警信息故障屬性特征

        故障診斷的關(guān)鍵步驟在于明確告警信息所表述的設(shè)備運(yùn)行故障信息,即明確告警信息的內(nèi)在屬性。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況,可將告警信息分為事故類告警信息和異常類告警信息。前者表示存在事故跳閘故障,主要是保護(hù)動(dòng)作告警信息;后者則表示設(shè)備運(yùn)行異常故障,主要為一般異常告警信息。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行故障特征,為電網(wǎng)運(yùn)行告警信息定義其故障屬性特征。

        2.3基于特征映射的專家?guī)?/p>

        建立基于特征映射的專家?guī)?,關(guān)鍵是把自然語(yǔ)言描述的規(guī)則轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的邏輯表達(dá)式。在告警信息定義完成后,可獲取電網(wǎng)運(yùn)行告警信息的空間屬性和信息屬性的特征信息,并通過(guò)虛擬映射邏輯,將特征信息量映射為數(shù)字量,結(jié)合告警信息屬性及告警對(duì)象空間特征,即可將專家?guī)斓耐评硪?guī)則映射為邏輯表達(dá)式。表達(dá)式的元素定義為(空間特征,故障屬性,狀態(tài)),其中空間特征即告警信息的空間層次和功能部件,采用窮舉法,為每個(gè)層次、部件定義編碼,在每個(gè)元素中占據(jù)2個(gè)字節(jié);故障屬性已定義編碼,在每個(gè)元素中占據(jù)4個(gè)字節(jié);狀態(tài)包括0或1,在每個(gè)元素中占據(jù)1個(gè)字節(jié)。對(duì)于異常類智能故障推理規(guī)則一般為單一推理,為實(shí)現(xiàn)延時(shí)或抖動(dòng)等智能故障診斷推理規(guī)則,還需加入計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器功能。

        示例1:事故跳閘類智能故障診斷推理規(guī)則:“110 kV××線兩側(cè)主保護(hù)動(dòng)作事故跳閘,重合成功?!?/p>

        自然語(yǔ)言描述的推理規(guī)則:

        ((110 kV線路間隔/保護(hù)裝置/110 kV線路保護(hù) 動(dòng)作)and(本間隔/開(kāi)關(guān) 分位)and(本間隔/保護(hù)裝置/重合閘動(dòng)作動(dòng)作)and(本間隔/開(kāi)關(guān) 合位))and((對(duì)側(cè)間隔/保護(hù)裝置/ 110 kV線路保護(hù) 動(dòng)作)and(對(duì)側(cè)間隔/開(kāi)關(guān) 分位)and(對(duì)側(cè)間隔/保護(hù)裝置/重合閘動(dòng)作動(dòng)作)and(對(duì)側(cè)間隔 開(kāi)關(guān)合位))

        對(duì)上述自然語(yǔ)言表述的推理規(guī)則,根據(jù)特征量映射后可建立如下信息匹配邏輯表達(dá)式:

        1)信息所屬間隔相同;

        2)信息所屬線路編碼相同,為EAF**(**為序列碼)

        3)信息廠站編碼分別為線路兩側(cè)廠站代碼;

        4)本側(cè):(4 000=1)&&(1 001=0)&&(4 007=1)&&(1 001=1)

        5)對(duì)側(cè):(4 000=1)&&(1 001=0)&&(4 007=1)&&(1 001=1)

        其中4 001為110 kV線路保護(hù)信息屬性映射編碼,4 007 為110 kV線路重合閘信息屬性映射編碼,1001為線路開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)映射編碼。

        示例2:設(shè)備異常類智能故障診斷推理規(guī)則:“直流系統(tǒng)母線接地故障”。

        自然語(yǔ)言描述的推理規(guī)則為:

        公用設(shè)施區(qū)/直流系統(tǒng)間隔/直流系統(tǒng)母線接地告警動(dòng)作

        基于特征量映射的邏輯表達(dá)式為:

        1)信息所屬?gòu)S站代碼相同,

        2)信息所屬間隔(設(shè)備容器)編碼,且為PDB**(**為序列碼);

        3)所屬設(shè)備編碼為BCB***;

        4)信息屬性編碼為:5 003=1

        其中5 003為直流系統(tǒng)母線接地告警信息屬性映射編碼。

        2.4推理機(jī)邏輯設(shè)計(jì)

        推理機(jī)程序流程如圖2所示。

        圖2 推理流程圖

        推理機(jī)處理系統(tǒng)接收的各種告警信息,先過(guò)濾檢修、調(diào)試信息,再根據(jù)告警等級(jí)進(jìn)一步過(guò)濾告警信息(濾除告警等級(jí)低的告警信息),然后捕捉推理機(jī)啟動(dòng)信號(hào),即保護(hù)動(dòng)作類或開(kāi)關(guān)變位類告警信息。當(dāng)推理機(jī)捕捉到一個(gè)啟動(dòng)信息,獲取告警信息對(duì)應(yīng)的空間特征,并把其空間特征作為基準(zhǔn)空間特征,分析啟動(dòng)信號(hào)前10秒后25秒(時(shí)間可配置)的所有告警信息,用匹配規(guī)則的方法來(lái)推理,診斷故障。如圖3的規(guī)則,設(shè)推理機(jī)捕獲 “10 kV線路保護(hù)動(dòng)作”,其間隔編碼為EAF05,那么,匹配規(guī)則時(shí),就是在設(shè)定時(shí)間段告警信息里,找間隔編碼也是EAF05,而故障屬性是6 005和1 001的告警信息,再匹配狀態(tài)值,能找到表達(dá)式里規(guī)定的各個(gè)元素,就推送結(jié)果;否則匹配失敗。

        圖3 規(guī)則編輯

        3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具選取

        該智能告警系統(tǒng)的軟件采用C++/JAVA編程,以QT作為界面開(kāi)發(fā)技術(shù),這樣開(kāi)發(fā)的智能告警系統(tǒng)能夠在各個(gè)平臺(tái)/操作系統(tǒng)上方便的移植。

        4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

        以下以某地區(qū)電網(wǎng)智能故障診斷專家系統(tǒng)的建設(shè),說(shuō)明基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

        4.1面向用戶的人機(jī)界面

        該地區(qū)智能告警系統(tǒng)目前配置故障診斷規(guī)則112條 (包括事故推理規(guī)則64條,設(shè)備異常推理規(guī)則48條)。用戶結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況,用自然語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障診斷規(guī)則的自定義,通過(guò)邏輯表達(dá)式的方式保存,由邏輯表達(dá)式實(shí)現(xiàn)規(guī)則和代碼的解耦。當(dāng)推理機(jī)接收到對(duì)應(yīng)告警信息時(shí),便自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)邏輯表達(dá)式,從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備故障診斷,并自動(dòng)生成推理報(bào)告。故障診斷的告警結(jié)論作為一條綜合告警信息在系統(tǒng)智能告警欄展示,并能調(diào)閱詳細(xì)告警信息。智能告警人機(jī)界面如圖4所示。

        圖4 結(jié)果展示

        4.2海量電網(wǎng)運(yùn)行信息的壓縮

        對(duì)于110 kV以上線路事故跳閘,通常會(huì)產(chǎn)生大量告警信息,相關(guān)告警信息數(shù)目甚至可以上百條,調(diào)度運(yùn)行人員難以在短時(shí)間內(nèi)獲取關(guān)鍵信息,定位電網(wǎng)故障。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用情況可知,經(jīng)過(guò)智能告警系統(tǒng)處理后,上送上百條相關(guān)實(shí)時(shí)告警的線路跳閘,只會(huì)生成一條告警結(jié)論。根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)日告警信息量抽樣統(tǒng)計(jì)分析可知,每日實(shí)時(shí)告警信息量大約為10 000-30 000條,而專家系統(tǒng)生成的告警結(jié)論僅有幾十條,如圖5所示。

        圖5 告警信息對(duì)比圖

        可見(jiàn),基于特征映射的故障診斷專家系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海量告警信息壓縮,監(jiān)控模式從基于告警對(duì)象監(jiān)控到基于事件監(jiān)控,大大減輕調(diào)度監(jiān)控人員的監(jiān)控工作量。

        4.3電網(wǎng)異常信息的準(zhǔn)確推理

        某地區(qū)故障診斷專家系統(tǒng),利用其規(guī)則面向用戶的特性,運(yùn)行期間不斷分析完善,事故推理正確率不斷提高,其中,4月事故推理正確率已達(dá)到100%。

        表1 推理正確率統(tǒng)計(jì)

        5 結(jié)束語(yǔ)

        基于特征映射的智能告警系統(tǒng),通過(guò)獲取電網(wǎng)運(yùn)行告警信息所屬調(diào)度對(duì)象的特征信息,包括空間位置特征量以及其所表征的調(diào)度對(duì)象內(nèi)在運(yùn)行狀態(tài),并建立這些特征信息的虛擬映射邏輯,將自然語(yǔ)言描述的推理規(guī)則映射為計(jì)算機(jī)邏輯表達(dá)式,提高計(jì)算機(jī)處理效率。其規(guī)則庫(kù)對(duì)用戶完全透明,面向用戶的智能故障診斷規(guī)則編輯,可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況隨時(shí)更新,為建立準(zhǔn)確的智能故障診斷推理邏輯提供精確的邏輯匹配規(guī)則,為智能故障診斷系統(tǒng)實(shí)用化運(yùn)行打下基礎(chǔ),提高調(diào)度系統(tǒng)智能化水平,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行故障信息的自診斷。

        該系統(tǒng)不依賴于告警信息描述,規(guī)則編輯簡(jiǎn)單,推理過(guò)程準(zhǔn)確,運(yùn)行效率高,可復(fù)制推廣應(yīng)用于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及配用電自動(dòng)化系統(tǒng)等各類電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。

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        Design of intelligent alarm system based on feature mapping

        ZHU Zi-kun1,LI Wen-chao1,WANG Fei2,CHEN Wan-lu1
        (1.Maoming Power Supply Bureau,Maoming 525000,China;2.Dongfang Electronics,Yantai 264000,China)

        In order to obtain the critical information of the power grid fault and improve the practical level of intelligent fault diagnosis,a new method for power equipment fault diagnosis based on feature mapping is proposed,which is designed and implemented.The constructionanddemonstrationofintelligentfaultdiagnosisexpertsystemforaregionalpowernetworkshowsthat thesystemcanbecustomizedandreused,andhasgoodapplicationprospectintheoperationandmonitoringofthepowernetwork.

        fault diagnosis;characteristic quantity;virtual mapping;logic expression;expert system

        TN99

        A

        1674-6236(2016)22-0100-04

        2015-11-18稿件編號(hào):201511178

        朱子坤(1977—),男,廣西靈山人,高級(jí)工程師。研究方向:電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

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