關(guān)鍵詞：變電站；防誤閉鎖；智能校驗(yàn)；專家系統(tǒng)；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0166-04

變電站的倒閘操作直接關(guān)系到整個(gè)變電站的運(yùn)行安全。然而由于變電站的倒閘操作較為復(fù)雜，包含復(fù)雜多樣的操作條目，導(dǎo)致倒閘操作非常容易出錯(cuò)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，變電站倒閘操作逐漸趨于智能化和自動(dòng)化，為提高變電站倒閘效果，提出一種基于高階樸素Bayes算法的變電站順控倒閘操作防誤閉鎖方法，保證了變電站的安全運(yùn)行[1]；提出一種變電站運(yùn)行管理系統(tǒng)二次防誤閉鎖自動(dòng)控制方法[2]；通過(guò)論述二分之三接線、雙母線雙分段接線和單母線接線的典型防誤閉鎖邏輯，對(duì)特高壓和超高壓變電站防誤閉鎖自動(dòng)化操作進(jìn)行了研究[3]。通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置開(kāi)始進(jìn)入自動(dòng)化階段，但現(xiàn)有方法的自動(dòng)化程度仍有待進(jìn)一步提高[4]。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種全新的變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置，通過(guò)構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)和可用于整個(gè)智能校驗(yàn)裝置的知識(shí)庫(kù)，并集成倒閘操作票生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站防誤閉鎖智能檢驗(yàn)。

1總體框架

防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置的目的是為了避免變電站進(jìn)行倒閘操作時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作的問(wèn)題[5]。目前，變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置通常由倒閘操作票生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)組成[6]。由于上述2個(gè)系統(tǒng)為相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，不能發(fā)揮自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，且在設(shè)計(jì)上存在冗余，導(dǎo)致智能校驗(yàn)裝置無(wú)法通過(guò)主控室進(jìn)行操作。因此，有必要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高的防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置。本研究通過(guò)分析上述2個(gè)系統(tǒng)的互通性，設(shè)計(jì)了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)，以使2個(gè)系統(tǒng)緊密結(jié)合。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖操作信號(hào)控制，還構(gòu)建一個(gè)可用于整個(gè)變電站操作票生成和識(shí)別的知識(shí)庫(kù)[7]。最終，得到所設(shè)計(jì)的整個(gè)防誤操作閉鎖智能校驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)出票結(jié)果不匹配時(shí)，可能存在死循環(huán)。其原因是所設(shè)計(jì)的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)需要大量樣本進(jìn)行訓(xùn)練，而系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)量較少。因此，存在2個(gè)系統(tǒng)操作票不匹配的問(wèn)題[8-9]。為解決該問(wèn)題，本研究設(shè)置循環(huán)次數(shù)上限為10次，若循環(huán)10次未得到統(tǒng)一出票結(jié)果，則以操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)出票結(jié)果為最終結(jié)果，并通過(guò)人工檢驗(yàn)決定是否執(zhí)行該操作。

2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本研究所設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)是針對(duì)防誤操作閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，通過(guò)利用專家系統(tǒng)對(duì)操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)生成的倒閘操作票可靠性進(jìn)行分析驗(yàn)證，并記錄動(dòng)作鎖具順序和操作人員存在的錯(cuò)誤操作，可實(shí)現(xiàn)防誤操作閉鎖[10-11]。通過(guò)分析變電站系統(tǒng)開(kāi)關(guān)列表及其獲取拓?fù)湫畔⒌墓?jié)點(diǎn)，本研究擬采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建專家系統(tǒng)，并通過(guò)將開(kāi)關(guān)列表和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入推理機(jī)，在推理機(jī)中對(duì)該信息與知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，生成倒閘操作邏輯。專家系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

基于上述分析可知，推理機(jī)在專家系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此本研究重點(diǎn)對(duì)推理機(jī)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。首先構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前最常用的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要由輸入層、輸出層、卷積層、池化層組成[12-13]。其中，卷積層負(fù)責(zé)提取輸入信息特征，池化層負(fù)責(zé)降低特征維度。

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，假設(shè)一次系統(tǒng)包含n個(gè)電氣元件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)可得到其鄰接矩陣，并根據(jù)鄰接矩陣，確定卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向，進(jìn)而得到操作結(jié)果[18]。通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，可得到用于第一次操作的所有元件。然后基于得到的元件重新生成鄰接矩陣，并重復(fù)上述操作。由此可確定所有電氣元件均能遍歷搜索。

此外，為避免卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算過(guò)程中因違規(guī)問(wèn)題放棄計(jì)算，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)陷入局部收斂，研究引入規(guī)則檢測(cè)記錄2個(gè)元件之間的切換關(guān)系。推理機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

2.2知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)分析防誤操作閉鎖系統(tǒng)操作邏輯可知，變電站的一次系統(tǒng)拓?fù)渑c知識(shí)庫(kù)內(nèi)容緊密相關(guān)。因此，本研究通過(guò)分析變電站一次系統(tǒng)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及變電站涉及的設(shè)備知識(shí)信息、票面生成信息和操作知識(shí)信息，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?gòu)建知識(shí)庫(kù)。

定義變電站一次設(shè)備包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地裝置三類開(kāi)關(guān)，包括母線節(jié)點(diǎn)、接地節(jié)點(diǎn)、出線節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)，并將母線、主變壓器等設(shè)備均視為節(jié)點(diǎn)，同時(shí)認(rèn)為聯(lián)絡(luò)線只有一個(gè)接地支路[19]。由此可建立三類開(kāi)關(guān)與知識(shí)庫(kù)概念的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可構(gòu)建知識(shí)庫(kù)。

知識(shí)庫(kù)中，根據(jù)知識(shí)的規(guī)則類型可分為控制規(guī)則和領(lǐng)域規(guī)則。其中，控制模塊執(zhí)行的順序規(guī)則屬于控制規(guī)則，領(lǐng)域模塊通過(guò)拓?fù)浞治龅拈]鎖邏輯內(nèi)容的規(guī)則屬于領(lǐng)域規(guī)則。在領(lǐng)域規(guī)則中，為確定執(zhí)行順序，需設(shè)定執(zhí)行等級(jí)并按等級(jí)高低順序執(zhí)行。所設(shè)計(jì)的知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

知識(shí)庫(kù)中雖然包含各種各樣的操作項(xiàng)目，但這些操作項(xiàng)目都是由一系列簡(jiǎn)單操作任務(wù)排列組合形成，且具有一定的重復(fù)性。因此，可采用層次清晰簡(jiǎn)潔、推理速度快，且能反映求解問(wèn)題因果關(guān)系的規(guī)則組模式表示并實(shí)現(xiàn)。規(guī)則組模式即“規(guī)則架+規(guī)則體”的模式[20]。其中，規(guī)則架即參加推理的框架，包含多個(gè)前提和結(jié)論，具體示例如：IF運(yùn)行狀態(tài)、檢修狀態(tài)、隔離開(kāi)關(guān)等。規(guī)則體即求解問(wèn)題的知識(shí)，具體示例如：THEN斷路器在分閘位置∧隔離開(kāi)關(guān)在合閘位置等。

3應(yīng)用與分析

3.1應(yīng)用平臺(tái)簡(jiǎn)介

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置在變電站中的應(yīng)用效果，以某220kV智能變電站工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)所設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行了檢驗(yàn)。該智能變電站工程項(xiàng)目主控制室和配電室采用裝配式建筑施工設(shè)計(jì)，依據(jù)模塊化和集成化設(shè)計(jì)理念布置保護(hù)控制系統(tǒng)。該智能變電站220kV采用雙母線主接線，110kV采用單母三分段接線，10kV采用單母分段接線，一次設(shè)備分別為HGIS、GIS和室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備。

考慮到該智能變電站連接元件較多，研究給出了其中部分元件鄰接矩陣，如式（3）：

3.2應(yīng)用結(jié)果分析

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置的有效性和正確性，根據(jù)不同的操作項(xiàng)目設(shè)置操作票任務(wù)，利用所設(shè)計(jì)的智能校驗(yàn)裝置獲取操作票，并將其實(shí)際變電站倒閘實(shí)際操作票進(jìn)行對(duì)比，得到操作票如表1。

通過(guò)人工檢驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)的變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置得到的操作票是正確的。由此說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置具有高度的正確性。

為進(jìn)一步分析所設(shè)計(jì)的變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置的優(yōu)越性，研究對(duì)比了所設(shè)計(jì)防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置和現(xiàn)有防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，所設(shè)計(jì)的防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置通過(guò)使用專家系統(tǒng)和統(tǒng)一的知識(shí)庫(kù)，有效集成了操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)，同時(shí)收集了錯(cuò)誤的倒閘操作，相較于現(xiàn)有防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置，具有更好的兼容性和更高的自動(dòng)化程度。但由于專家系統(tǒng)是基于深度學(xué)習(xí)的智能系統(tǒng)，需要大量的學(xué)習(xí)樣本，因此在訓(xùn)練初期存在訓(xùn)練速度慢的問(wèn)題，導(dǎo)致專家系統(tǒng)分析倒閘操作票需要運(yùn)行多次。為解決該問(wèn)題，可嘗試在知識(shí)庫(kù)中預(yù)先記錄一些確定的倒閘操作流程，加快深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)和可用于整個(gè)裝置的知識(shí)庫(kù)，并集成現(xiàn)有的倒閘操作票生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)，增強(qiáng)了防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了變電站防誤閉鎖智能校驗(yàn)。通過(guò)在某220kV智能變電站上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置的有效性和正確性，可自動(dòng)生成操作票，并能將錯(cuò)誤的操作票補(bǔ)充到知識(shí)庫(kù)中，具有良好的適應(yīng)性。相較于現(xiàn)有防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置，所設(shè)計(jì)的防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置具有更好的兼容性和更高的自動(dòng)化程度。但由于所設(shè)計(jì)的防誤閉鎖智能校驗(yàn)裝置中引入了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的樣本，因此，還存在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練初期存在訓(xùn)練速度慢，專家系統(tǒng)分析倒閘操作票需要運(yùn)行多次的問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，后續(xù)將嘗試在知識(shí)庫(kù)中預(yù)先記錄一些確定的倒閘操作流程，加快深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。