楊 子， 王海港， 劉路登， 陳天宇， 章 昊， 吳 迪

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，調度中心倒閘操作任務也日益繁重。只有通過不斷提升調控業(yè)務智能化水平，才能滿足當前電網(wǎng)調控專業(yè)工作的需要。目前，安徽電力調度控制中心的調控運行全業(yè)務協(xié)同管理平臺已初步建成，網(wǎng)絡化下令已進入正式運行階段，極大地減輕了調控人員的工作壓力[1]。雖然網(wǎng)絡化下令提高了工作效率，但其調度操作執(zhí)行環(huán)節(jié)的監(jiān)護仍由人工進行完成，智能化水平較低，同時，各地電力調度控制中心計劃進一步研發(fā)智能調控操作機器人，減輕調度運行人員的工作壓力，提高調度操作執(zhí)行環(huán)節(jié)的監(jiān)護與防誤水平，最大限度保障大電網(wǎng)的調度安全運行，實現(xiàn)智能人機交互中心、調度智能安全防誤中心等高級應用[2,3]。這一切工作的基石都離不開正確的電網(wǎng)設備狀態(tài)。

對于電網(wǎng)的設備狀態(tài)，當前學者研究主要集中于一、二次設備運行狀態(tài)風險的評估與預測[4,5]。電網(wǎng)公司各職能部門對于運行中的設備的側重點不同。對于設備狀態(tài)的監(jiān)測目前主要依靠于遙信遙測的采集數(shù)據(jù)，多利用自動化支持的D5000系統(tǒng)。由于部分場站較為老舊，D5000系統(tǒng)遙信、遙測設備狀態(tài)信息準確性不高，但由于設備狀態(tài)的準確對于調度操作的初始狀態(tài)有重要意義，調度臺運行并維護一個實時、準確、獨立于D5000系統(tǒng)的設備狀態(tài)庫對于倒閘操作、一鍵成票、智能操作防誤等應用具有重要意義。

有限狀態(tài)機(Finite State Machine, FSM)是為研究有限內存的計算過程和某些編程語言而抽象出的一種計算模型，其可作為基于事件的控制邏輯建模的標準工具[6-9]。將電網(wǎng)中線路、主變、母線、開關、閘刀和二次設備組合為一個系統(tǒng)集合，將檢修、運行、冷備用、熱備用、跳閘、信號、停用等作為設備表征的有限狀態(tài)機的狀態(tài)，在網(wǎng)絡化下令、事故異常匯報、口令操作等環(huán)節(jié)，應用有限狀態(tài)機技術，通過有限個狀態(tài)集合中的狀態(tài)之間的切換，實時維護設備狀態(tài)庫，當前的各地電網(wǎng)尚未出現(xiàn)類似原理的設備狀態(tài)庫。基于有限狀態(tài)機的設備狀態(tài)庫嚴格遵守狀態(tài)轉移函數(shù)，具有強邏輯，可簡稱邏輯庫。狀態(tài)庫與D5000系統(tǒng)的設備庫(儀器量測結果，簡稱傳感庫)進行實時校核，互相比對，提高了冗余性，實現(xiàn)設備狀態(tài)庫的實時準確，可提高電網(wǎng)安全運行水平。

1 電網(wǎng)設備狀態(tài)庫

1.1 電網(wǎng)設備狀態(tài)特點

電網(wǎng)的電力設備主要為供電設備，包含輸電、配電、變電等。如果按照在運行中所起的作用不同，也可以分為電氣一次設備和電氣二次設備。明確電網(wǎng)設備的狀態(tài)，是一切工作的基石，在日常調度運行工作的各個方面都起到了非常重要的作用。對于設備的狀態(tài)，在管轄范圍內需要采用有效的檢測手段和分析技術，及時、準確的掌握設備運行狀態(tài)，保證電力設備的安全、可靠和經(jīng)濟運行。

對于電力調度領域，主要關注電力設備當前的狀態(tài)是否準確，以及操作之后設備處于什么狀態(tài)。這對于調度一鍵托管操作是關鍵一步，即是要進行設備狀態(tài)的安全校核。電網(wǎng)設備狀態(tài)具備這樣的特點：

(1)電網(wǎng)具有有限個設備，每個設備均具備有限的狀態(tài)；

(2)每時每刻電網(wǎng)只能處于一個狀態(tài)中；

(3)電網(wǎng)設備狀態(tài)可以具有多種傳感手段進行感知，如電壓電流、攝像頭圖像處理等。

設備當前狀態(tài)主要的數(shù)據(jù)來源，一是D5000系統(tǒng)(或調控云)，二是通過調度電話核對現(xiàn)場。以上方法能保證絕大多數(shù)場景的應用，但是對于一鍵成票、智能操作防誤等高級應用仍不具備支撐作用。

1.2 有限狀態(tài)機的原理

有限狀態(tài)自動機(Finite State Machine, FSM)是為研究有限內存的計算過程和某些編程語言而抽象出的一種計算模型，其可作為基于事件的控制邏輯建模的標準工具[6-9]。有限狀態(tài)機是指在系統(tǒng)中有可數(shù)的狀態(tài)，某些事件發(fā)生時系統(tǒng)從一個狀態(tài)轉換到另一個狀態(tài)，又稱為事件驅動系統(tǒng)。有限狀態(tài)機五元表達式一般為[10]：

M=(K,Σ,f,S,Z)

(1)

其中:

(1)K是一個有窮集，它的每個元素稱為一個狀態(tài)；

(2)Σ是一個有窮字母表，它的每個元素稱為一個輸入符號，所以也稱Σ為輸入符號表。一個簡單的例子，假設我們的開關或刀閘有合上，斷開兩個狀態(tài)(以0，1代替，彼此互斥)，那么以這兩個狀態(tài)為M的輸入集合Σ={0,1}。

(3)f是轉換函數(shù)，是K×Σ→K上的映像。例如，f(ki,a)=kj;(ki∈K,kj∈K)，就意味著，當前狀態(tài)為ki、輸入字符為a時，將轉換到下一狀態(tài)kj,把kj稱作ki的一個后繼狀態(tài)。

(4)S∈K，是唯一的一個初態(tài)。FSM通常有一個固定的初始狀態(tài)(不需要任何輸入，狀態(tài)機默認處于的狀態(tài))。

(5)Z?K，是一個終態(tài)集，終態(tài)也稱可接受狀態(tài)或結束狀態(tài)，也是狀態(tài)機K的子集，也有可能為空集(即整個狀態(tài)機沒有結束狀態(tài))。

1.3 應用與分析

電力系統(tǒng)的設備狀態(tài)具有離散特征的動態(tài)行為，有限狀態(tài)機原理提供了一種有效的建模思路。

基于有限狀態(tài)機的設備狀態(tài)庫可以形成獨立于D5000系統(tǒng)的一套設備庫。以單條線路為例，任何一個時刻僅僅存在一種狀態(tài)(運行、熱備用、冷備用、檢修)，狀態(tài)有限并且是離散的。假設把開關與刀閘的狀態(tài)以0和1表示，0表示斷開，1表示合上。如果該變電站為雙母線運行方式，則在單側的變電站內，則該線路包含7個開關或刀閘，分別是本側開關、線路側刀閘、Ⅰ母線側刀閘、Ⅱ母線側刀閘、開關母線側地刀、開關線路側地刀、線路地刀。如表1所示，為線路設備不同狀態(tài)時對應的各開關與刀閘的狀態(tài)。其他設備狀態(tài)邏輯同理。

表1 線路設備狀態(tài)的邏輯(本側變電站為雙母線接線方式)

調度操作系統(tǒng)應每次在“調度下令”和“調度收令”之前進行設備狀態(tài)核對。

(1)先將調令拆解為“設備ID、初始狀態(tài)、終止狀態(tài)”；

(2)“調度下令”之前，判斷D5000系統(tǒng)和設備狀態(tài)庫中的設備狀態(tài)跟下令操作前的初始狀態(tài)是否一致；

(3)“調度收令”之前，判斷D5000系統(tǒng)和設備狀態(tài)庫中的設備狀態(tài)跟現(xiàn)場匯報后的終止狀態(tài)是否一致。

(4)如有一個不一致則不能下令，彈出告警框，提示調度員?！罢{度下令”之前還需校核是否滿足五防的防誤要求。同一并行號的調度指令，如涉及單個設備連續(xù)操作多次，如對線路沖擊送電，只校核設備的最終狀態(tài)。

設備狀態(tài)庫的建設，有助于后期的調控操作機器人對新設備啟動方案內容進行智能識別、分析，實現(xiàn)調控操作智能成票，自動網(wǎng)絡下令等全過程多維度防誤，提高電網(wǎng)安全運行水平。

2 基于有限狀態(tài)機的設備狀態(tài)庫搭建

2.1 部署位置

安徽電力調度控制中心將設備狀態(tài)庫部署在安全Ⅲ區(qū)(管理信息區(qū))。

2.2 功能設計

安徽電力調度控制中心建設的設備狀態(tài)庫主要包括以下功能：

(1)實時準確設備狀態(tài)庫。設備狀態(tài)庫中的設備并不需要像D5000系統(tǒng)一樣進行圖模展示，可以以表格匯總，能明確其當前狀態(tài)即可。

(2)設備狀態(tài)庫實時校驗。設備狀態(tài)庫需要時刻與D5000系統(tǒng)中狀態(tài)信息比對，刷新頻率需要按照從生產(chǎn)Ⅰ區(qū)獲取數(shù)據(jù)的情況來考慮。

(3)設備狀態(tài)庫異常告警。設備狀態(tài)庫與D5000系統(tǒng)比對，如出現(xiàn)不一致的地方，顯示異常并提示相關信息。

(4)設備狀態(tài)庫智能修正。如果是設備狀態(tài)庫有誤，則提示人工進行審核并維護其變更為正確的設備狀態(tài)，或由語音助手語音外呼智能修正。

(5)設備狀態(tài)庫中任一設備的狀態(tài)變更軌跡記錄。需要對于設備狀態(tài)變更軌跡進行記錄，其記錄主要源于正常計劃檢修、事故異常、新上設備等事件。對于設備操作的掌握將會更加全面直觀，有利于分析設備的相關數(shù)據(jù)，為安排下一步的檢修工作提供決策輔助。

2.3 整體框架

將電網(wǎng)中線路、主變、母線、開關、閘刀為一個系統(tǒng)集合，將檢修、運行、冷備用、熱備用、跳閘、信號、停用等作為設備表征的有限狀態(tài)機的狀態(tài)，其整體框架如圖1所示。首先將D5000實時遙信遙測數(shù)據(jù)通過E文件轉換一次性導入設備狀態(tài)庫，作為設備狀態(tài)庫的初始庫。然后在此基礎上，與省調網(wǎng)絡化下令系統(tǒng)、調度日志系統(tǒng)、狀態(tài)實時比對系統(tǒng)等均做好接口管理，通過狀態(tài)變更使其獨立于D5000運行。同時也對拓撲防誤、語音識別防誤系統(tǒng)、線性規(guī)劃平臺等高級應用系統(tǒng)開放數(shù)據(jù)。

圖1 設備狀態(tài)庫的整體框架

2.4 輸入事件

電網(wǎng)采用了“統(tǒng)一調度，分級管理”的調度原則，使得電網(wǎng)調度各業(yè)務的統(tǒng)一管理和組織更加便捷清晰。在設備狀態(tài)變更的過程中，會嚴格執(zhí)行調令，如省調對地調下調令、省調對直調廠站下有關線路、開關、變壓器、母線等設備的調令時，地調、直調場站都會及時準確的操作完成，并按照調度聯(lián)系制度及時回令，匯報操作結束。此時設備狀態(tài)發(fā)生變更，根據(jù)錄音電話與調度日志均可以找到相應的設備狀態(tài)變更記錄?？梢宰鳛樵O備狀態(tài)庫的變更觸發(fā)源。如圖2所示，調度網(wǎng)絡化下令階段，當回令人姓名與時間均已確認則此時該條調令已執(zhí)行完畢。設備狀態(tài)庫可以從操作指令票中進行讀取，并更改庫內狀態(tài)。

圖2 調度網(wǎng)絡化下令階段

當電網(wǎng)出現(xiàn)了異常與事故時，此時根據(jù)聯(lián)系匯報制度，相關單位必須在規(guī)定時間內及時匯報給上級部門，并完成調度日志中的“事故異?！庇涗洝４藭r實際的電網(wǎng)設備已經(jīng)發(fā)生了變化，多為設備跳閘，重合成功或重合不成三跳。如圖3所示，為合肥地區(qū)220 kV某變電站發(fā)生了母線跳閘時的調度日志記錄。此時有220 kV線路及主變發(fā)生跳閘，設備狀態(tài)庫根據(jù)調度日志的“事故異?！毙畔?，更改庫內狀態(tài)。

圖3 發(fā)生事故時的調度日志記錄

當電網(wǎng)出現(xiàn)了緊急情況時，此時已經(jīng)來不及擬寫操作指令票，必須立刻進行處理，盡速消除電網(wǎng)缺陷，避免造成更大的損害。當班調度員需要根據(jù)實際情況下達口令，臨時調整電網(wǎng)方式。此時設備狀態(tài)庫也會根據(jù)日志記錄或者語音識別轉寫的操作指令進行更改。如圖4所示，為語音識別轉寫的口令操作，拉開某變電站某某開關。

圖4 語音識別轉寫的口令操作

電網(wǎng)設備眾多，部分設備委托給下級調度操作管理。當下級調度申請操作，本級調度進行許可。然后下級調度下令現(xiàn)場操作，再由下級調度向本級調度回令。此時電網(wǎng)設備狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生變化，設備狀態(tài)庫可以根據(jù)日志記錄或者語音識別轉寫的操作許可內容進行更改。如圖5所示，為語音識別轉寫的許可操作。

2.5 狀態(tài)轉移圖

設備狀態(tài)庫細化到開關、刀閘、地刀等開關設備。如果出現(xiàn)上述事件，首先將事件關聯(lián)設備進行分解，分解到開關、刀閘層級，然后根據(jù)事件類型對各開關或刀閘設備進行狀態(tài)轉移。此狀態(tài)機中，開關或刀閘只存在“合上”與“斷開”兩種狀態(tài)。任何時候只會處于其中一個狀態(tài)?！皠幼鳌币坏﹫?zhí)行完畢就結束了，而“狀態(tài)”是相對穩(wěn)定的，如果沒有外部條件的觸發(fā)，一個狀態(tài)會一直持續(xù)下去。A類事件表示，從狀態(tài)“合上”跳轉“斷開”時要執(zhí)行的所有動作的有序集。B類事件同理。其狀態(tài)轉移圖如圖6所示。

圖6 開關或刀閘的狀態(tài)轉移圖

根據(jù)文獻[7]，本文采用混聯(lián)結構的方式。設備狀態(tài)庫的決策系統(tǒng)如圖7所示。根據(jù)不同的狀態(tài)變化場景，首先查找到相關設備，如找不到相關設備則退出；如果匹配到相關設備，從初始狀態(tài)變?yōu)榻K止狀態(tài)，并及時進行狀態(tài)校驗。

圖7 設備狀態(tài)庫的決策圖

3 設備狀態(tài)庫應用展示

3.1 綜合查詢

設備狀態(tài)庫信息是為了和D5000系統(tǒng)臺賬實時比對，并不要求對設備及其信息成圖化，可作為只讀模式，當前模式不可編輯，支持綜合查詢功能。如圖8所示，為全網(wǎng)管轄設備的狀態(tài)查詢界面(局部)。可展示皖北、皖中、皖南變電站、各地市變電站信息等。

圖8 全網(wǎng)管轄設備的狀態(tài)查詢界面(局部)

查詢界面按電網(wǎng)分區(qū)、電壓等級、地理位置、變電站名稱等分類。如果點開“線路”，“母線”會關聯(lián)相關的設備。點開“設備”之后，設備狀態(tài)庫會顯示其設備狀態(tài)，例如運行、檢修、冷備用、熱備用、合位、分位等狀態(tài)信息。

3.2 狀態(tài)庫比對結果

當前設備狀態(tài)庫按照5分鐘一次對全網(wǎng)設備比對一次，檢查兩個庫里面的設備數(shù)量和類別是否有不同。如出現(xiàn)觸發(fā)事件則立刻變更設備狀態(tài)庫狀態(tài)并再次與D5000系統(tǒng)比對。

將設備庫中線路、主變、母線、開關、閘刀設備與D5000系統(tǒng)比對出現(xiàn)不一致時，提取出來，在此展示，此模塊只顯示狀態(tài)比對不一致的設備及數(shù)量。如果出現(xiàn)庫內設備狀態(tài)與D5000系統(tǒng)比對結果不一致，彈小窗口提示。例如圖9所示的是孟樓變設備狀態(tài)庫比對界面?？梢钥吹酱藭r部分開關狀態(tài)與D5000系統(tǒng)量測數(shù)據(jù)比對不一致，需要核查。

圖9 孟樓變狀態(tài)庫比對結果界面

3.3 設備狀態(tài)庫維護

如果發(fā)現(xiàn)狀態(tài)庫比對模塊出現(xiàn)不一致，則需要去核查設備狀態(tài)不一致的原因，通過調度電話與廠站現(xiàn)場取得聯(lián)系，進行設備狀態(tài)的人工核實或者語音外呼智能核對。分三種處理方式：如果D5000系統(tǒng)數(shù)據(jù)有誤，通知自動化運維更正；如果是設備狀態(tài)庫有誤，需要變更其為正確狀態(tài)；如果D5000系統(tǒng)與設備狀態(tài)庫都錯了，則將其均更正為正確狀態(tài)。

設備狀態(tài)庫需要變更時，需要調度員或管理員輸入密碼、賬號，才能變更庫內設備狀態(tài)，并記錄下變更的審核理由。圖10所示的是設備狀態(tài)庫需要變更時的維護界面。

圖10 設備狀態(tài)庫維護界面

在此還設置了語音外呼智能核對，利用語音助手自動核對現(xiàn)場設備狀態(tài)，得到初步的結論，同時語音助手彈出相關的信息框，供調度員審批后一鍵錄入。此功能限制有特定聲紋的調度員進行操作。

3.4 設備狀態(tài)庫變更軌跡

可以瀏覽設備的狀態(tài)變更的一切軌跡。提供設備狀態(tài)變更的全軌跡，包括全部信息：變更人(單位、姓名)，變更事由(計劃工作、事故異常等)，變更時間。如圖11所示，為設備狀態(tài)變更軌跡展示。如果某些設備未到檢修期卻頻繁需要變更操作，需要考慮此處的電網(wǎng)方式安排與設備檢修狀況，為系統(tǒng)方式的檢修安排提供參考。

圖11 設備狀態(tài)庫中變更軌跡展示

3.5 預處理

省調下達的某些調令為綜合令，可能會涉及多個設備狀態(tài)，還沒收令前，D5000系統(tǒng)量測庫其實已經(jīng)改變狀態(tài)，例如“將220 kV某線路及兩側開關、某變母聯(lián)2700開關及220 kV Ⅰ母線由運行轉檢修”，這項操作涉及設備較多，當現(xiàn)場操作進行時，如果進行實時比對，則設備狀態(tài)庫會出現(xiàn)大量的不一致。此時需要設備狀態(tài)庫檢測到狀態(tài)不一致之后，還可以根據(jù)當前是否有電氣操作進行預處理、預判斷，如果識別出該設備目前有相關調令操作時，將等待調度日志以及網(wǎng)絡化/電話回令之后，再由實時比對結果進行提示。

4 結語

(1)目前安徽電力調度控制中心目前已完成了220 kV主網(wǎng)設備狀態(tài)庫，對于二次設備尚未接入；

(2)設備狀態(tài)庫需要及時擴充與實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的相關調度術語以及其引起的設備狀態(tài)改變，例如充電運行轉檢修、機組并網(wǎng)等；

(3)涉及閘刀的地刀這一類，個別老變電站遙信遙測數(shù)據(jù)不全面，在D5000系統(tǒng)中沒有其狀態(tài)，那么設備狀態(tài)庫試運行之后，則以設備狀態(tài)庫狀態(tài)為準；

(4)在實際應用中發(fā)現(xiàn)語音轉寫具有統(tǒng)計學的特點，存在轉寫不準確的情況。此時，根據(jù)設備狀態(tài)庫與D5000系統(tǒng)的一致性，可以對語音識別起到一個反向的校核。因此，設備狀態(tài)庫對于語音轉寫等高級應用也是一種輔助的防誤手段。

安徽電力調度控制中心建設的設備狀態(tài)庫從電網(wǎng)調度控制運行的實際需求出發(fā)，解決了電網(wǎng)設備初始狀態(tài)難以確認的難題?；谟邢逘顟B(tài)機的設備狀態(tài)庫具備強邏輯，同時該設備狀態(tài)庫具備與D5000系統(tǒng)量測數(shù)據(jù)庫互相比對的能力，改善了兩個數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的準確度，使得安徽電網(wǎng)的安全水平獲得進一步提高，并為高級應用的開發(fā)打下了堅實的基礎。