顧發(fā)英，羅 旋，賀增良

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.國能大渡河流域生產(chǎn)指揮中心， 四川 成都 610041)

0 引 言

隨著水電站建設速度加快，運行壓力增大，運行人員減少，水電站設備一鍵順控的發(fā)展將逐步取代人工操作成為主流。傳統(tǒng)的水電站操作票存在管理難度大、出票慢、出票錯誤多等問題。在操作票系統(tǒng)中加入程序化操作，將極大地提升水電站線路停送電、母線停送電、主變停送電等操作的執(zhí)行效率。

水電站的運行過程由相關(guān)設備的多個協(xié)同過程組成，其組成結(jié)構(gòu)復雜，倒閘操作工作量大。一鍵順控是電力系統(tǒng)可實現(xiàn)自動倒閘操作的一種方式[1-2]，具有智能化、便捷性、高效率的特點，可實現(xiàn)電力設備運行過程中的自動判斷、防誤動作智能校驗以及結(jié)果判斷等所有過程。一鍵順控執(zhí)行過程中，順控操作票的準確順序是決定該執(zhí)行過程的重要部分[3-5]。為加速水電站設備倒閘操作的智能化建設進程，極大程度降低人員工作量，一鍵順控成為當下水電站調(diào)度運行的主要研究方向。

目前，智能化擬票技術(shù)研究較多，如范堃[6]和陳威[7]等針對一鍵順控擬票實施研究，依據(jù)固定程序執(zhí)行設備的狀態(tài)檢查以及遠程的遙控操作，可保障操作票內(nèi)容具有較高的正確性以及完整性，實現(xiàn)一鍵順控的高效操作，改善操作人員由于對設備了解程度較差以及操作人員自身素質(zhì)造成對設備操控正確性、安全性的影響。

但是水電站運行壓力不斷提升，設備操控中間環(huán)節(jié)愈加復雜，為進一步提升一鍵順控的操作性能，研究基于機器學習與專家規(guī)則庫的水電站設備一鍵順控方法，將機器學習技術(shù)與專家規(guī)則庫結(jié)合，實現(xiàn)水電站設備的一鍵順控，對于水電站調(diào)度操作執(zhí)行效率的提升具有重要意義。

1 基于機器學習與專家規(guī)則庫的水電站設備一鍵順控

基于機器學習與專家規(guī)則庫的水電站設備一鍵順控方法總體流程如圖1所示。

圖1 水電站設備一鍵順控流程

由圖1可以看出，利用水電站監(jiān)控數(shù)據(jù)中包含的水電站水輪機、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、變壓器等設備之間的間距與設備之間的合解環(huán)接線方式建立水電站設備拓撲關(guān)系模型。依據(jù)所建立的水電站設備拓撲關(guān)系模型中的設備間隔合解環(huán)接線方式建立專家規(guī)則庫，專家規(guī)則庫主要包括成票規(guī)則專家?guī)炫c安全規(guī)則專家?guī)?。接收水電站調(diào)度中心所下發(fā)的操作票任務后，利用機器學習的隱馬爾可夫模型提取操作票內(nèi)容，從專家規(guī)則庫調(diào)用設備類型和設備描述字段形成設備信息[8]，依據(jù)設備狀態(tài)變化以及設備操作原則，利用專家規(guī)則庫搜尋差別項，建立一鍵順控操作票生成模型。生成一鍵順控操作票后，通過IEC104協(xié)議將順控指令發(fā)送給水電站監(jiān)控系統(tǒng)，進行水電站設備一鍵順控。

IEC 60870-5-104協(xié)議簡稱IEC104協(xié)議，可實現(xiàn)水電站通信的良好保護。將IEC104協(xié)議應用于水電站設備一鍵順控中，利用網(wǎng)絡通信通道所具有的傳輸能力，實現(xiàn)一鍵順控操作票的高效傳輸。IEC104協(xié)議應用于水電站設備一鍵順控時，將主站和分子站分別設置為客戶端和服務端[9]。采用104規(guī)約通信同計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，主站端具有自動判斷與處理數(shù)據(jù)信息的特點，將水電站監(jiān)控系統(tǒng)端設置為主站，操作票系統(tǒng)端作為子站。多子站同時訪問時，利用IP地址、端口以及MAC地址劃分安全級別，存在重復IP(Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)地址時，禁止執(zhí)行此控制命令。

1.1 水電站設備拓撲關(guān)系建模

拓撲關(guān)系模型體現(xiàn)了水電站設備間的物理連接關(guān)系。水電站涵蓋眾多設備，研究將眾多設備轉(zhuǎn)化為具有拓撲關(guān)系的數(shù)據(jù)模型。

將水電站設備排圖方法應用于設備拓撲矢量圖設計中，解析水電站設備拓撲關(guān)系模型文件[10]，利用模型文件中不同設備圖元明確不同設備在水電站內(nèi)的顯示格式以及位置坐標，確定水電站不同設備所代表圖元的連接順序，利用眾多設備連接關(guān)系生成水電站的主節(jié)點圖，避免采用人工畫圖以及關(guān)聯(lián)設備模型等存在工作量過大缺陷的方式。

采用網(wǎng)絡拓撲分析方法建立水電站設備拓撲關(guān)系模型，實現(xiàn)海量設備節(jié)點的存儲。水電站設備拓撲關(guān)系分析是將水電站內(nèi)的眾多開關(guān)建立節(jié)點集合，依據(jù)拓撲網(wǎng)絡中的母線、線路、變壓器等支路的連接關(guān)系，和點和點間的關(guān)系建立電氣網(wǎng)絡拓撲圖。

節(jié)點與節(jié)點關(guān)系屬性描述為：利用點表示水電站內(nèi)機組、開關(guān)、變壓器、刀閘、電抗器等設備實體；利用拓撲關(guān)系模型中的邊表示不同水電站設備間所存在的關(guān)系，模型中的拓撲關(guān)系存在方向性。水電站設備A與設備B為單向連通或雙向連通時，分別用A→B與A?B表示。通過屬性體現(xiàn)水電站設備實體點和設備關(guān)系的屬性，水電站設備的配置信息、設備名稱等屬性均可以動態(tài)設置。

建立拓撲關(guān)系的水電站設備依據(jù)設備狀態(tài)可分為不同節(jié)點。最終的水電站設備拓撲關(guān)系如圖2所示。

圖2 水電站設備拓撲關(guān)系

利用圖2拓撲關(guān)系表示設備與設備間的聯(lián)系，采用以上描述規(guī)則體現(xiàn)水電站中全部設備的連接關(guān)系，利用節(jié)點與關(guān)系的屬性描述全部設備信息，將各拓撲結(jié)構(gòu)間具有的屬性存儲于圖形數(shù)據(jù)庫中，水電站設備更新時，利用圖形數(shù)據(jù)庫中的圖形內(nèi)容實現(xiàn)拓撲關(guān)系模型的實時更新。

1.2 專家規(guī)則庫建立

建立包含成票規(guī)則庫與安全規(guī)則庫的專家規(guī)則庫。成票規(guī)則庫包含調(diào)度規(guī)程、設備狀態(tài)轉(zhuǎn)換、倒閘操作、操作指令[11]，依據(jù)設備操作規(guī)則建立成票規(guī)則庫。利用關(guān)聯(lián)規(guī)則方法挖掘水電站操作規(guī)程、電網(wǎng)操作規(guī)程以及電網(wǎng)調(diào)度規(guī)則建立安全規(guī)則庫。

1.2.1 成票規(guī)則庫

成票規(guī)則庫是生成操作任務的重要依據(jù)。操作票操作任務由操作對象目標設備狀態(tài)與源設備狀態(tài)確定。操作任務中關(guān)聯(lián)的一次設備由水電站運行方式確定，利用設備狀態(tài)以及任務類型組成的集合表示一次設備。分解設備利用操作任務的目標狀態(tài)篩選，利用完成篩選的分解設備建立擬票規(guī)則。規(guī)則庫內(nèi)所生成的規(guī)則越多，操作票出票準確率越高。

設定建立成票規(guī)則庫的規(guī)則如下：

(1)一次設備操作規(guī)則。如可將水電站內(nèi)變壓器與線路停送電設置為水電站一次設備操作規(guī)則。線路停送電位置位于變電段與發(fā)電端間時，將解合環(huán)與停送電分別設置于發(fā)電端側(cè)與變電端側(cè)；停送電位置位于發(fā)電端與發(fā)電端間以及變電端與變電端間時，將解合環(huán)與停送電分別設置于短路容量小以及大的位置。變壓器停送電時，需閉合中性點接地閘刀。

(2)二次設備操作規(guī)則。二次壓板的投退是水電站二次設備的主要操作規(guī)則。利用二次檢修安措規(guī)則庫識別水電站二次設備關(guān)聯(lián)域、檢修域和影響域，明確二次設備序列。

成票規(guī)則庫的操作規(guī)則為：線路停送電規(guī)則中，線路送電時，可以閉合母線側(cè)隔離刀閘、閉合線路側(cè)隔離刀閘、閉合斷路器；線路停電時，可以拉開斷路器、拉開線路側(cè)隔離刀閘、拉開母線側(cè)隔離刀閘。變壓器停送電規(guī)則中，變壓器停、送電時，操作負荷側(cè)、電源測；高低壓側(cè)存在電源停電時，低壓側(cè)解列，高壓側(cè)停電；高低壓側(cè)存在電源送電時，高壓側(cè)充電，低壓側(cè)并列；環(huán)網(wǎng)運行時變壓器時，需要選取正確的充電端。

1.2.2 安全規(guī)則庫

建立包含設備狀態(tài)實時校核、拓撲邏輯的電氣防誤、歷史票關(guān)聯(lián)校核、票面術(shù)語規(guī)范性校核等水電站設備的安全校核規(guī)則[12]。依據(jù)水電站各設備的操作任務以及設備及其相關(guān)設備狀態(tài)，匹配操作規(guī)則庫獲取操作序列，生成操作票。

1.3 一鍵順控操作票生成模型

利用隱馬爾可夫模型提取操作票內(nèi)容，建立一鍵順控操作票生成模型。利用水電站監(jiān)控系統(tǒng)的設備實時狀態(tài)以及電氣設備拓撲關(guān)系模型，調(diào)度中心下發(fā)調(diào)度命令后，利用機器學習的隱馬爾可夫模型從專家規(guī)則庫中調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的解析[13]，依據(jù)專家規(guī)則庫生成智能成票模型，實現(xiàn)與規(guī)程相關(guān)的操作票的自動生成。

利用隱馬爾可夫模型實現(xiàn)智能生成操作票以及水電站設備一鍵順控，充分考慮水電站各設備的交互方式，建立水電站與生產(chǎn)指揮中心協(xié)同操作的一鍵順控模式。

1.3.1 中文分詞

操作票內(nèi)容的精準識別需將中文分詞作為依據(jù)，中文分詞的精度可提升操作票文本分詞的精準性，中文分詞需重視未登錄詞的精準劃分。

利用字的序列標準表示中文分詞的序列標準是由字構(gòu)詞的中文分詞方法的重點[14]，可改善未登錄詞的處理情況。字的詞位依據(jù)詞語中字的位置分為S、B、M、E4種，其中S與B分別表示詞語、詞首，M與E分別表示詞中與詞尾。

當中文語句中包含字數(shù)為n時，分詞原理利用以下公式表示

P({x1，y1，…，xn，yn})=

(1)

式中，yk∈{S，B，M，E}表示詞位為k時的詞位，利用n與j上下文的字設置為操作票的詞位特征。利用隱馬爾可夫模型通過由字構(gòu)詞方式建立中文分詞，字和文本分別對應觀測值和觀察序列，將中文語句與觀察序列對應。式(1)的n與j均取值為0時，上一個字的詞位決定了當前字的詞位，此時利用隱馬爾可夫模型可完成由字構(gòu)詞的分詞。

1.3.2 詞性標注

中文分詞的輸出設置為詞性標注的輸入，將所標注的詞性作為隱馬爾可夫模型的輸入。利用隱馬爾可夫模型實現(xiàn)操作票的詞性標注[15]，將操作票中的詞語和文本分別作為觀測值和觀測序列。用{s1，s2，s3，s4，s5，s6}={v，n，ns，p，d，w}表示隱馬爾可夫模型詞性標注時的狀態(tài)空間，全部詞語所建立的無重復集合，利用觀測空間{o1，o2，…，oM}表示。

通過隱馬爾可夫模型完成操作票的中文分詞以及詞性標注，生成水電站設備一鍵順控操作票，并形成一鍵順控模式，即：

(1)將設備操作指令通過104協(xié)議方式傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)當監(jiān)控系統(tǒng)方接收到設備操作指令時，監(jiān)控系統(tǒng)解析設備操作指令并在其系統(tǒng)設備圖形展示界面，將相關(guān)設備圖元設置為一鍵順控操作。

(3)操作人員可對該設備進行相應的分合閘操作，根據(jù)設備的一鍵順控操作情況執(zhí)行設備的遠程操作。

2 實例測試分析

選取瀑布溝水電站作為研究對象，利用Matlab仿真軟件測試所研究基于機器學習與專家規(guī)則庫的水電站設備一鍵順控方法對于水電站設備的一鍵順控有效性。瀑布溝水電站包含水輪機6臺、發(fā)電機6臺，高壓變壓器6臺，母線2個，開關(guān)24個，連接節(jié)點148個，將上述信息相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在自身數(shù)據(jù)庫中，當源端數(shù)據(jù)更新時，操作票系統(tǒng)自動同步最新數(shù)據(jù)。

以斷路器(開關(guān))類為例，其對應的CIM/E(電網(wǎng)物理模型描述與交換規(guī)范)文件如圖3所示。其中，斷路器類對象表包括(mRID、name等)11個域，其中既包含描述基本特性的屬性(mRID，nam等)、描述拓撲的屬性(I_node)，也包含描述關(guān)聯(lián)的屬性(VoltageLevel和Substatio等)。

圖3 斷路器(開關(guān))類CIM/E文件

根據(jù)圖3定義，從CIM/E文件可直接抽取出區(qū)域、基準電壓、廠站、電壓等級、母線段、同步發(fā)電機、交流線路、交流線段、交流線端點、換流器、負荷、變壓器、變壓器繞組、間隔等16類物理節(jié)點的數(shù)據(jù)集，每類節(jié)點的數(shù)據(jù)集對應一類數(shù)據(jù)塊。依次掃描CIM/文件所有對象，可按引用屬性類別形成所有表示各類連接關(guān)系的節(jié)點對，并將節(jié)點對按連接關(guān)系存儲為拓撲連接數(shù)據(jù)集。

根據(jù)智能變電站順控技術(shù)導則，理論上可以實現(xiàn)基于調(diào)控中心的全網(wǎng)斷路器順控，但是由于斷路器開、合均需要時間，每次斷路器動作狀態(tài)都要傳回調(diào)度側(cè)，然后再決定下一步的操作，一是增加了通信傳輸時間和通信延時，二是嚴重依賴于廣域通信網(wǎng)的通信可靠性。因此，本文只考慮合解環(huán)斷路器均在同一變電站或開閉所的場景來擬定操作工作票，下達到合解環(huán)斷路器所在的變電站或開閉所，執(zhí)行所有的合解環(huán)操作。這種合、解環(huán)組的2進線斷路器首先可以實現(xiàn)該站安全、可靠的合解環(huán)操作，一旦一個斷路器解環(huán)失敗，也可通過另一斷路器實現(xiàn)補救性解環(huán)。水電站合、解環(huán)組的2進線斷路器操作窗口的斷路器觸頭狀態(tài)如表1所示。

表1 2進線斷路器狀態(tài)

28 ms以內(nèi)，在表1所示的水電站合、解環(huán)組的2進線斷路器操作窗口中，分析三相電流與斷路器運行結(jié)果如圖4所示。

圖4 電流與斷路器運行結(jié)果

圖4仿真結(jié)果可以看出，采用本文方法所建立水電站設備拓撲關(guān)系模型的仿真結(jié)果與實測結(jié)果極為吻合，驗證所建立水電站設備拓撲關(guān)系模型具有較高的有效性。所建立水電站設備拓撲關(guān)系模型的斷路器可實現(xiàn)有效運行，仿真結(jié)果的輸出電流持續(xù)時間與仿真持續(xù)時間相差較小。

不同操作間隔下，以該水電站的某個“${廠站名稱}${設備編號}號主變停電”順控任務為測試對象，其測試結(jié)果如圖5所示。在發(fā)送對時報文后，如果主站超過一定時間沒有下發(fā)報文或子站也沒有上送任何報文，則為一個周期，一個數(shù)值點表示一個啟動周期，沒有數(shù)值點就表示沒有啟動、不是完整的啟動周期，啟動周期越少，啟動時間越快，且在限時速下的啟動時間越少，模型應用效率越高。

由圖5實驗結(jié)果可以看出，在不同的操作間隔下，本文方法所建立的水電站設備拓撲關(guān)系模型可以應對多種操作過程，且在同一操作時間下，都只有一個啟動周期，可以驗證所建立拓撲關(guān)聯(lián)關(guān)系模型具有較高的有效性。

圖5 三相合環(huán)電流值

設置參與測試的水電站設備為5～25個時，篩選相聯(lián)通設備與停電范圍監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

由圖6實驗結(jié)果可以看出，不同設備數(shù)量時，本文方法監(jiān)測停電范圍所需時間均低于10 ms，且伴隨數(shù)據(jù)量的增加，停電范圍監(jiān)測結(jié)果未存在增長情況。本文方法在設備數(shù)量有所增加時，篩選相聯(lián)通設備與停電范圍監(jiān)測時間均在10 s之內(nèi)，可保持較高的響應速度，為操作票的高效生成提供基礎。所研究方法利用較小的拓撲關(guān)系生成時間，降低操作票的擬票時間，通過成票術(shù)語的規(guī)范化降低操作票生成時的運行負擔，降低由于操作票誤生成造成的安全風險。

圖6 不同數(shù)量設備監(jiān)測結(jié)果

采用本文方法生成一鍵順控操作票命令以及執(zhí)行結(jié)果如表2所示。

表2 一鍵順控操作票生成以及執(zhí)行結(jié)果

從表2實驗結(jié)果可以看出，所研究方法可依據(jù)水電站實際運行情況，快速生成操作票，實現(xiàn)不同設備控制操作的一鍵順控，并且可依據(jù)操作票中的命令術(shù)語，成功執(zhí)行，這是因為本文方法結(jié)合專家規(guī)則庫與機器學習方法，依據(jù)水電站設備運行的實際情況快速生成了任務執(zhí)行命令，可以有效降低水電站工作人員的工作量，避免水電站設備管控過程中存在誤操作情況，提升水電站運行的經(jīng)濟效益。

在完成接線圖制作、專家?guī)熹浫?、防誤規(guī)則等的編寫工作后，分析后續(xù)流程控制效果，對比人工方式控制和順控過程，統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

圖7 一鍵順控與手工方式對比

由圖7對比結(jié)果可以看出，采用手工方式進行一次接線圖制作需要9 min以上，從圖7開列操作票對比結(jié)果可以看出，管理人員最終獲取復雜倒閘操作的操作票所需時間需要10 min以上，而本文方法僅需45 s，可有效降低水電站工作人員的工作量，提升開票效率，進而提升水電站運行的自動化水平。

3 結(jié) 論

水電站已趨于智能化以及自動化，操作票自動生成是一鍵順控的重要部分，利用機器學習技術(shù)自動生成操作票一鍵順控，實現(xiàn)水電站高效管理，節(jié)省人力資源，降低水電站的誤操作，令水電站智能、安全與高效的運行。利用隱馬爾可夫模型與專家規(guī)則庫實現(xiàn)智能化提取操作票內(nèi)容。所研究方法可提升水電站的順控效率，具有較高的通用性，可應用于不同規(guī)模的水電站中，提升操作票的操作效果，具有較高的可靠性以及實用性。