基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的設(shè)計

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264000）

基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的設(shè)計

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264000）

為準(zhǔn)確及時獲取電網(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)計和實現(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，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。一個地級電網(wǎng)調(diào)度主站，每天電網(wǎng)運(yùn)行信息量超過20 000條，臺風(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，對不同類別的告警信息賦予不同的告警等級，對不同等級或事故分窗口顯示，只提供信息篩選和分類手段，仍然依賴人工分析，不具備故障自動診斷分析功能；基于信息描述的故障分析，通過告警信息中的關(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)展等問題，無法滿足調(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)計和實現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)智能告警系統(tǒng)（下文簡稱“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

該智能告警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)輸入來自3個子系統(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，電力高級應(yīng)用軟件）。3個子系統(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)是一個專家系統(tǒng)，是一個具有大量的電力設(shè)備故障診斷知識與經(jīng)驗的程序系統(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)。每個電力設(shè)備都被分解為一個或多個告警對象。當(dāng)電網(wǎng)自動化系統(tǒng)檢測到某個電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，就會基于其對應(yīng)的告警對象，生成告警信息，而告警信息包含有時間標(biāo)簽、告警對象和狀態(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4個步驟。

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象產(chǎn)生的，而告警對象來自于電力設(shè)備。通過“告警信息→告警對象→電力設(shè)備”這樣的路徑，能確定告警對象所述設(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；而顆粒度太小，則會導(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程。通過“告警信息→告警對象→電力設(shè)備”（在主站側(cè)實現(xiàn)）和“電力設(shè)備→編碼”（在變電站側(cè)已實現(xiàn)），就能實現(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)鍵是把自然語言描述的規(guī)則轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠識別的邏輯表達(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，為每個層次、部件定義編碼，在每個元素中占據(jù)2個字節(jié)；故障屬性已定義編碼，在每個元素中占據(jù)4個字節(jié)；狀態(tài)包括0或1，在每個元素中占據(jù)1個字節(jié)。對于異常類智能故障推理規(guī)則一般為單一推理，為實現(xiàn)延時或抖動等智能故障診斷推理規(guī)則，還需加入計時器或計數(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)動作事故跳閘，重合成功。”

自然語言描述的推理規(guī)則：

（（110 kV線路間隔/保護(hù)裝置/110 kV線路保護(hù) 動作）and（本間隔/開關(guān) 分位）and（本間隔/保護(hù)裝置/重合閘動作動作）and（本間隔/開關(guān) 合位））and（（對側(cè)間隔/保護(hù)裝置/ 110 kV線路保護(hù) 動作）and（對側(cè)間隔/開關(guān) 分位）and（對側(cè)間隔/保護(hù)裝置/重合閘動作動作）and（對側(cè)間隔 開關(guān)合位））

對上述自然語言表述的推理規(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)母線接地告警動作

基于特征量映射的邏輯表達(dá)式為：

1）信息所屬廠站代碼相同，

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

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，先過濾檢修、調(diào)試信息，再根據(jù)告警等級進(jìn)一步過濾告警信息（濾除告警等級低的告警信息），然后捕捉推理機(jī)啟動信號，即保護(hù)動作類或開關(guān)變位類告警信息。當(dāng)推理機(jī)捕捉到一個啟動信息，獲取告警信息對應(yīng)的空間特征，并把其空間特征作為基準(zhǔn)空間特征，分析啟動信號前10秒后25秒（時間可配置）的所有告警信息，用匹配規(guī)則的方法來推理，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)動作”，其間隔編碼為EAF05，那么，匹配規(guī)則時，就是在設(shè)定時間段告警信息里，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)開發(fā)平臺與工具選取

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

4　實驗應(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)行的實際情況，用自然語言實現(xiàn)電網(wǎng)故障診斷規(guī)則的自定義，通過邏輯表達(dá)式的方式保存，由邏輯表達(dá)式實現(xiàn)規(guī)則和代碼的解耦。當(dāng)推理機(jī)接收到對應(yīng)告警信息時，便自動匹配對應(yīng)邏輯表達(dá)式，從而實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備故障診斷，并自動生成推理報告。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

對于110 kV以上線路事故跳閘，通常會產(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)過智能告警系統(tǒng)處理后，上送上百條相關(guān)實時告警的線路跳閘，只會生成一條告警結(jié)論。根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)日告警信息量抽樣統(tǒng)計分析可知，每日實時告警信息量大約為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　告警信息對比圖

可見，基于特征映射的故障診斷專家系統(tǒng)可實現(xiàn)海量告警信息壓縮，監(jiān)控模式從基于告警對象監(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

5　結(jié)束語

基于特征映射的智能告警系統(tǒng)，通過獲取電網(wǎng)運(yùn)行告警信息所屬調(diào)度對象的特征信息，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，將自然語言描述的推理規(guī)則映射為計算機(jī)邏輯表達(dá)式，提高計算機(jī)處理效率。其規(guī)則庫對用戶完全透明，面向用戶的智能故障診斷規(guī)則編輯，可根據(jù)實際運(yùn)行情況隨時更新，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)實用化運(yùn)行打下基礎(chǔ)，提高調(diào)度系統(tǒng)智能化水平，實現(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)則編輯簡單，推理過程準(zhǔn)確，運(yùn)行效率高，可復(fù)制推廣應(yīng)用于調(diào)度自動化系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)及配用電自動化系統(tǒng)等各類電網(wǎng)自動化系統(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：201511178

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