基于多源數(shù)據(jù)及模糊匹配的安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)智能巡檢系統(tǒng)

張海寧， 周忠寧， 馮佳男，祁 忠， 楊 毅

(1. 國(guó)家能源電力控制保護(hù)研發(fā)中心(南京南瑞繼保電氣有限公司), 江蘇 南京 211102；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

基于多源數(shù)據(jù)及模糊匹配的安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)智能巡檢系統(tǒng)

張海寧1， 周忠寧1， 馮佳男1，祁 忠1， 楊 毅2

(1. 國(guó)家能源電力控制保護(hù)研發(fā)中心(南京南瑞繼保電氣有限公司), 江蘇 南京 211102；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

針對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)來自多個(gè)源頭、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員日常巡檢工作量大、人工核查出錯(cuò)率高的問題，研究了一種模糊匹配技術(shù)，模糊匹配多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)并導(dǎo)入為基準(zhǔn)值，定時(shí)巡檢與基準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)巡檢周期內(nèi)的巡檢信息進(jìn)行自動(dòng)整理、智能分析，形成多種巡檢報(bào)告并以Web方式展示。該技術(shù)具有匹配速度快，準(zhǔn)確率高，混淆率低的特點(diǎn)，在廣東電網(wǎng)獲得了成功應(yīng)用，有效替代了運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置的日常巡檢、定檢及年檢等工作，減少了人為參與，降低了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員核對(duì)的工作量及人工核查出錯(cuò)率，提高了工作效率。

基準(zhǔn)值;多源數(shù)據(jù);模糊匹配;智能巡檢;巡檢報(bào)告

0 引言

電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)的不斷發(fā)展提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，安全穩(wěn)定控制裝置已成為電力系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中不可缺少的第二、三道防線。安全穩(wěn)定控制裝置的運(yùn)行管理至關(guān)重要，是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因數(shù)[1]。

通過定期或不定期巡檢掌握電網(wǎng)安穩(wěn)裝置的運(yùn)行工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置缺陷隱患，采取有效措施確保安穩(wěn)裝置的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。目前巡檢工作主要采取運(yùn)維人員到變電站現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢的方式，巡檢內(nèi)容包括檢查安穩(wěn)裝置的當(dāng)前運(yùn)行定值是否與定值單一致，安穩(wěn)裝置有無異常告警信號(hào)，壓板投退是否符合調(diào)度命令要求以及統(tǒng)計(jì)裝置動(dòng)作情況等。人工巡檢有工作量大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量分散、管理成本高等不足[2-4]。因此迫切需要一種智能巡檢系統(tǒng)輔助運(yùn)維人員開展電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置日常巡檢、定檢及年檢等工作，盡量減少人為參與，降低運(yùn)維人員核對(duì)工作量及人工核查出錯(cuò)率，提高工作效率[5]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于多源數(shù)據(jù)及模糊匹配的安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)智能巡檢系統(tǒng)如圖1所示，主站設(shè)于電力公司調(diào)度中心或繼保處辦公室，安自裝置分別設(shè)于每個(gè)變電站中，主站和各安自裝置間通過電力數(shù)據(jù)網(wǎng)或?qū)＞€電話網(wǎng)連通。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Diagram of system structure

根據(jù)全國(guó)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體框架及其核心思想，整個(gè)電力二次系統(tǒng)分為2個(gè)大區(qū)和4個(gè)安全工作區(qū)。生產(chǎn)控制大區(qū)包括安全區(qū)Ⅰ(實(shí)時(shí)控制區(qū))和安全區(qū)Ⅱ(非控制生產(chǎn)區(qū))；管理信息大區(qū)包括安全區(qū)Ⅲ(生產(chǎn)管理區(qū))和安全區(qū)Ⅳ(管理信息區(qū))。為強(qiáng)化安全區(qū)之間的隔離，采用不同強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備(如硬件防火墻及正向、反向電力專用安全隔離裝置等)，使各安全區(qū)中的業(yè)務(wù)系統(tǒng)得到有效的保護(hù)[6]。

如圖1所示，智能巡檢系統(tǒng)的巡檢功能在安全區(qū)Ⅱ，Web服務(wù)器在安全區(qū)Ⅲ，智能巡檢系統(tǒng)與Web服務(wù)器間采用正向隔離裝置隔離，數(shù)據(jù)單向流動(dòng)，從物理上保證了系統(tǒng)安全。同時(shí)多種數(shù)據(jù)源的定值單可以通過反向隔離裝置傳送到安全Ⅱ區(qū)。

根據(jù)電力系統(tǒng)特有的對(duì)象層次關(guān)系和字符串特征，系統(tǒng)使用智能模糊匹配技術(shù)將來自能量管理系統(tǒng)(EMS)、保信系統(tǒng)、安自系統(tǒng)等多種源頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能匹配，對(duì)安自裝置運(yùn)行狀態(tài)量和EMS電氣量動(dòng)態(tài)設(shè)置基準(zhǔn)值，在巡檢周期內(nèi)對(duì)信息進(jìn)行自動(dòng)整理和智能分析，形成巡檢報(bào)告。通過報(bào)告中的異常告警信息、動(dòng)作/啟動(dòng)信息、開入狀態(tài)、模擬量采樣值、壓板投退狀態(tài)、定值、錄波數(shù)據(jù)等詳細(xì)信息，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為日常巡檢、專業(yè)巡檢提供報(bào)告支撐，最終通過網(wǎng)頁(yè)(Web)方式展示巡檢結(jié)果。

2 系統(tǒng)功能

在變電站層次，數(shù)據(jù)來自多個(gè)源頭，包括遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、向量采集單元、保護(hù)裝置、穩(wěn)控裝置等，各數(shù)據(jù)來源都有各自的數(shù)據(jù)模型，各數(shù)據(jù)模型由不同的部門分別維護(hù)，不利于數(shù)據(jù)共享和融合。

在主站層次，EMS、保信系統(tǒng)、安自系統(tǒng)、廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)(WAMS)等也各自維護(hù)數(shù)據(jù)模型，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模型，各系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估時(shí)選用的模型、數(shù)據(jù)來源及評(píng)價(jià)指標(biāo)差別較大。因此建立統(tǒng)一狀態(tài)評(píng)估模型，需要基于模糊智能匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)模型自動(dòng)匹配，從而最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。

以定值單為例，如圖2所示，定值單具有多個(gè)來源，包括當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)值、保信系統(tǒng)導(dǎo)出定值單、安自系統(tǒng)定值單、RelayCAC(一種整定軟件)定值。

圖2 工作原理Fig.2 Diagram of working principle

智能巡檢系統(tǒng)將多源數(shù)據(jù)獲得的數(shù)據(jù)模型和安穩(wěn)主站數(shù)據(jù)模型進(jìn)行智能匹配，并自動(dòng)定期導(dǎo)入智能巡檢系統(tǒng)中，保存為基準(zhǔn)定值。采用自動(dòng)周期或手動(dòng)觸發(fā)召喚目標(biāo)保護(hù)裝置的當(dāng)前狀態(tài)量，與基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，輸出核對(duì)結(jié)果并可方便查詢核對(duì)結(jié)果，生成核對(duì)報(bào)表、數(shù)據(jù)不一致告警，對(duì)異常狀態(tài)及時(shí)采取有效措施，保證電網(wǎng)安全。

3 模糊匹配

安穩(wěn)模型一般以地區(qū)—廠站—一次設(shè)備—裝置—狀態(tài)量作為匹配對(duì)象，對(duì)象之間有嚴(yán)格的層次關(guān)系和明顯的特征字符串。比如地區(qū)中往往含有“XX市”、“XX城區(qū)”、“XX地區(qū)”、“XX區(qū)”等特征字符串；廠站中含有“XX變”、“XX站”、“XX廠”、“XX電廠”等特征字符串；一次設(shè)備含有“XX線”、“XX回”、“XX變”、“XX母”等特征字符串。由于人工因素影響，同一條線路在不同的數(shù)據(jù)模型中被命名為不同的線路，例如“金圍Ⅱ回”、“金圍Ⅱ回”、“金圍2回”和“金圍Ⅱ線”表示同一條線路。

傳統(tǒng)算法未考慮字符串的嚴(yán)格數(shù)據(jù)層次關(guān)系、也未利用電力系統(tǒng)中的多源數(shù)據(jù)模型的特征字符串的特點(diǎn)，效率較低。本系統(tǒng)采用模糊匹配方法，首先設(shè)定數(shù)據(jù)的層次，包括地區(qū)、廠站、一次設(shè)備、裝置和狀態(tài)量等。再設(shè)立數(shù)據(jù)字典，每個(gè)層次的數(shù)據(jù)有不同的容易混淆的詞語(yǔ)。例如對(duì)于線路，將“線”和“回”統(tǒng)一替換為“線路”，“Ⅱ”和“Ⅱ”和“二”統(tǒng)一替換為“2”，“kv”和“kV”和“千伏”統(tǒng)一為“KV”。然后根據(jù)不同層次的特征字符串?dāng)?shù)據(jù)，設(shè)定不同的權(quán)重。

如式(1)相似度計(jì)算公式所示，定義X為當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)，Y為多源系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)。式中：Ri為特征值；K(Ri)為特征值的權(quán)重指數(shù)；f(Ri,X,Y)為根據(jù)Ri特征值計(jì)算的X和Y的相似度；Sim(X,Y)為X和Y的相似度，是各特征值的相似度乘以權(quán)重指數(shù)的總和。

(1)

圖3 模糊匹配過程Fig.3 Diagram of fuzzy matching process

如圖3所示，智能模糊匹配時(shí)，按照地區(qū)—廠站—一次設(shè)備—裝置—狀態(tài)量層次逐級(jí)進(jìn)行匹配，然后根據(jù)每一層次查找數(shù)據(jù)字典，替換易混淆字符，對(duì)于匹配的字符串按照正向最大匹配算法進(jìn)行分詞操作，逐層抽取關(guān)鍵字作為特征值建立Trie搜索樹。對(duì)每個(gè)特征字符串進(jìn)行相似度計(jì)算，每種特征值都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的權(quán)重指數(shù)，對(duì)各特征值的相似值求和[7-10]。相似度可以調(diào)節(jié)，一般相似度達(dá)到0.9即認(rèn)為匹配結(jié)果可行。部分字符串還需要進(jìn)行逆序搜索比對(duì)，例如“110 kV”和“220 kV”中“kV”之前的字符進(jìn)行逆序搜索，換算成數(shù)字后進(jìn)行比對(duì)，數(shù)字相等時(shí)可以增加其相似度。

模糊匹配包括兩個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)字典[11]查詢，量化模糊知識(shí)，通過自學(xué)或人工方式將相似度高的特征加入規(guī)則庫(kù)，以相對(duì)精確的數(shù)據(jù)表示[12]，通過模糊匹配關(guān)鍵字作為特征值來查找相似詞目，得到相應(yīng)信息；二是編輯時(shí)對(duì)拼錯(cuò)詞進(jìn)行校對(duì)，通過查找相似的一系列可選的詞匯供用戶改正[13]，對(duì)容易混淆的字符串按預(yù)處理規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)替換。與其他匹配方法相比，該方法具有匹配速度快，準(zhǔn)確率高，混淆率低的特點(diǎn)。在東莞電網(wǎng)中，對(duì)85個(gè)變電站的EMS、保信系統(tǒng)和安穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行智能匹配，所需時(shí)間只要213 s，匹配正確率達(dá)到98.3%，大大減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人工匹配工作量。

4 巡檢結(jié)果Web展示

隨著Internet /intranet技術(shù)的普遍應(yīng)用,各種應(yīng)用系統(tǒng)都朝著基于Web的方向發(fā)展。針對(duì)管理信息量大、類型多等特點(diǎn)及建立網(wǎng)絡(luò)化管理信息系統(tǒng)的必要性，提出了以瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成的基于Web的管理信息系統(tǒng)[14]?；赪eb 技術(shù)的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式可有效克服 客戶端/服務(wù)器(C/S)模式的缺點(diǎn)，可在企業(yè)網(wǎng)上運(yùn)行接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)異地和遠(yuǎn)程訪問。B/S是一種全新的體系結(jié)構(gòu)，解決了跨平臺(tái)問題，通過瀏覽器可訪問幾個(gè)應(yīng)用平臺(tái)，形成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模式。B/S是一種瘦客戶機(jī)模式，其特點(diǎn)包括易于維護(hù)管理，開發(fā)效率高、周期短，無需開發(fā)客戶端軟件，具有平臺(tái)無關(guān)化和開放性。

巡檢系統(tǒng)的Web展示主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)的巡檢報(bào)告進(jìn)行查詢管理的功能，包括查詢特定保護(hù)動(dòng)作和異常告警信息，并對(duì)開入量巡檢和定值巡檢的結(jié)果提供統(tǒng)一的查詢終端，支持查詢結(jié)果的保存打印等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)采用模糊匹配技術(shù)將多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)匹配起來形成基準(zhǔn)值，并定時(shí)巡檢和進(jìn)行基準(zhǔn)值比對(duì)，有效替代了運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置的日常巡檢、定檢及年檢等工作。通過自動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能巡檢的檢查項(xiàng)目，減少了人為參與，降低了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員工作量和人工核查出錯(cuò)率，提高了工作效率。通過設(shè)備狀態(tài)巡檢，及時(shí)掌握設(shè)備危險(xiǎn)點(diǎn)及老化趨勢(shì)，盡量使設(shè)備在故障前被檢修，以提高設(shè)備可靠性及保障電網(wǎng)安全。

該安穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)智能巡檢系統(tǒng)在廣東電網(wǎng)投入運(yùn)行后，運(yùn)行穩(wěn)定，具有安全可靠、維護(hù)方便、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小、可維護(hù)性強(qiáng)、Web展示靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

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張海寧

張海寧(1977—)，男，湖北荊門人，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)與繼電保護(hù)與錄波管理系統(tǒng)和變電站監(jiān)控系統(tǒng)研究(E-mail:dahaining@163.com)；

周忠寧(1970—)，男，江蘇興化人，本科，工程師，從事電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)；

馮佳男(1985—)，男，江蘇鹽城人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)監(jiān)控工作；

祁 忠(1977—)，男，江蘇張家港人，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)監(jiān)控與保護(hù)信息系統(tǒng)研究；

楊 毅(1983—)，男，江蘇鹽城人，博士，高級(jí)工程師，從事智能變電站二次系統(tǒng)及信息安全、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)試驗(yàn)研究(E-mail:13770568351@163.com)。

(編輯陳 娜)

IntelligentInspectionSystemBasedonMulti-sourceDataandFuzzyMatchingforPowerSecurityandStabilityState

ZHANG Haining1, ZHOU Zhongning1, FENG Jianan1, QI Zhong1，YANG Yi2

(1. National Energy Power Control and Protection Research and Development Center(Nanjing NR Electric Co., Ltd.), Nanjing 211102, China； 2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China )

To solve the problem of power system data coming from multiple sources, huge amount of on-site operation and maintenance workload and high manual verification error rate, a fuzzy matching technique is introduced, which fuzzy matching variety sources of data as a reference value for comparison. Regular inspection value is compared with reference value, inspection information is automatically sorted and intelligently analyzed. A variety of inspection reports are produced and displayed by Web. This technique has been successfully applied in Guangdong Power Grid with the characteristics of fast matching speed, high accuracy and low confusion rate. It can effectively replace the regular, daily and annual inspection of operation and maintenance personnel to power grid safety and stability devices, which can reduce human participation, workload of manual verification and error rate and improve work efficiency.

reference value; multi source data; fuzzy matching; intelligent inspection system; inspection report

TM73

A

2096-3203(2017)06-0096-04

2017-07-08；

2017-08-24

國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(61602251)