基于模糊綜合評判的智能變電站告警系統(tǒng)研究

張向東，許磊，王祥哲，魏佛送，陳大川，崔秀陽

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東濟(jì)寧 272000；2.山東網(wǎng)聰信息科技有限公司，山東濟(jì)南 250000）

建設(shè)以智能變電站為核心的智能電網(wǎng)，是我國電網(wǎng)未來發(fā)展的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的變電站相比，智能變電站不僅具有電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、測量功能以及對一次設(shè)備保護(hù)、控制功能，同時通過對二次設(shè)備等全站進(jìn)行統(tǒng)一建模的方式，可實現(xiàn)在線監(jiān)測、自動調(diào)節(jié)、故障分析等高級功能[1]。

目前，對智能變電站系統(tǒng)化監(jiān)測分析的研究逐漸增多，單一的增加采集數(shù)據(jù)已不能滿足智能化的需求，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，增強(qiáng)告警系統(tǒng)的可靠性，為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供簡潔明了的告警信息，成為智能化變電站研究的一大熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]將智能化的自適應(yīng)故障解搜索算法引入智能變電站告警系統(tǒng)中，不僅可以適應(yīng)不同的問題規(guī)模，還明顯提高了故障分析的速度。文獻(xiàn)[3]設(shè)計的檢修分析系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)可綜合評價當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并提供合理的檢修方案。文獻(xiàn)[4]則提出了基于模型驅(qū)動模式的設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了分層分布式的智能告警高級應(yīng)用總體架構(gòu)，實踐證明其具有良好的告警效果。隨著智能算法的廣泛應(yīng)用，智能變電站的監(jiān)控系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展，但目前告警系統(tǒng)仍存在著一系列的問題，不能夠滿足實際應(yīng)用的需求，如：智能變電站的信息量巨大，在提供豐富信息的同時，會帶來過多的冗余信息，增大現(xiàn)場人員的工作量，導(dǎo)致其可能忽略一些關(guān)鍵的故障信息，使故障不能得到及時的檢修處理，嚴(yán)重時可能引起大的停電事故；基于專家系統(tǒng)診斷的知識庫不完善，導(dǎo)致故障分析不準(zhǔn)確，同樣會帶給現(xiàn)場工作人員一定的工作負(fù)擔(dān)[1]。

針對智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)目前存在的問題，本文中設(shè)計了智能變電站高可視化分析平臺，在此對其組成及應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹，重點(diǎn)分析其告警系統(tǒng)的實現(xiàn)方案：采用模糊綜合評判的方法，對變電站內(nèi)的故障異常信息進(jìn)行嚴(yán)重程度劃分，從而實現(xiàn)智能變電站的“智能化告警”。該告警系統(tǒng)的設(shè)計可以提高現(xiàn)場人員的工作效率，為智能變電站的可靠安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 智能變電站高可視化分析平臺

智能變電站高可視化分析平臺是通過對SCD（Science Citation Database）文件的解析進(jìn)行圖形高可視化處理，進(jìn)而實現(xiàn)直觀的全站高可視化分析。其主要構(gòu)成如圖1所示，該平臺主界面由網(wǎng)絡(luò)連接圖和邏輯連接圖構(gòu)成，可進(jìn)行可視化方式查看、分析全站/單個間隔內(nèi)的IED（Explosive Devices）網(wǎng)絡(luò)連接情況、虛通道、虛端子連接情況等，使得調(diào)測、分析過程更加簡單快捷。其中網(wǎng)絡(luò)連接圖可對SCD文件內(nèi)定義的各IED的網(wǎng)絡(luò)連接狀況、IED設(shè)備當(dāng)前的告警數(shù)量和級別、IED設(shè)備的當(dāng)前流量進(jìn)行展示，同時可以對IED設(shè)備進(jìn)行事件關(guān)聯(lián)分析以及查看關(guān)聯(lián)事件記錄管理。邏輯連接圖則可以對SCD文件內(nèi)定義的各IED的邏輯連接狀況、數(shù)據(jù)集乃至虛端子之間的邏輯連接、告警數(shù)量進(jìn)行展示，同時可以對間隔和IED定位。整個平臺可以通過圖元的放大、縮小、還原以及拖拽、篩選等功能，進(jìn)行簡潔明了的信息展示。

智能變電站高可視化平臺不僅能夠?qū)ψ冸娬救皵?shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄、在線發(fā)現(xiàn)二次系統(tǒng)的配置錯誤、報文異常、IED裝置及網(wǎng)絡(luò)異常，及在全站數(shù)以萬計龐雜的虛端子/虛通道中迅速確定出異常連接，同時可對獲取的信息進(jìn)行智能化分析，最終通過高可視化的方式對故障、異常信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位和告警展示出來（見圖2），提高了二次系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，真正實現(xiàn)了智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的智能化。

圖1 智能變電站高可視化分析平臺構(gòu)成圖Fig.1 The structure diagram of the intelligent substation high visualization analysis platform

圖2 高可視化平臺界面展示Fig.2 The exhibition of the intelligent substation high visualization analysis platform

2 高可視化平臺的告警系統(tǒng)

2.1 告警系統(tǒng)的作用

智能變電站是對站內(nèi)實施全景數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和記錄，因此采集到的信息同傳統(tǒng)變電站相比明顯增多，一旦變電站發(fā)生故障，獲取的告警信息也隨之增加，若不對其進(jìn)行處理，可能會導(dǎo)致現(xiàn)場運(yùn)維人員無法對故障及時判別處理，甚至?xí)殡S著嚴(yán)重事故的發(fā)生。針對該問題，智能變電站采用智能化的告警系統(tǒng)，對采集的站內(nèi)信息進(jìn)行合理的篩選處理，采用智能算法對故障信息進(jìn)行快速判別，對保護(hù)動作進(jìn)行分析，為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供準(zhǔn)確的故障評價結(jié)果，從而提高智能變電站的安全可靠運(yùn)行。

2.2 告警系統(tǒng)的構(gòu)成

告警系統(tǒng)通常分為信息采集、信息篩選、故障分析、故障展示等部分。其中信息采集是通過智能變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取變電站網(wǎng)絡(luò)狀況、一二次設(shè)備運(yùn)行狀況、以及其聯(lián)動關(guān)系等重要信息；對信息間時間間隔較大的信息、非故障類的信息以及非保護(hù)動作的信息進(jìn)行篩選，從而降低信息的冗余度；采用專家系統(tǒng)[10]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]等智能算法，根據(jù)現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行非監(jiān)督式的學(xué)習(xí)，進(jìn)而實現(xiàn)對篩選后的信息進(jìn)行故障分析診斷；最后將分析的結(jié)果通過文件、報表、圖示等方式展現(xiàn)出來，現(xiàn)場運(yùn)維人員可根據(jù)故障分析結(jié)果及時地進(jìn)行故障檢修處理[2]。常見告警系統(tǒng)的流程如圖3所示。

圖3 告警系統(tǒng)工作流程Fig.3 The work progress of the warning system

3 基于模糊綜合評判的告警系統(tǒng)

在智能變電站高可視化分析平臺中，告警系統(tǒng)引入了模糊綜合評判的方法。模糊綜合評判理論[5]是對受多種因素影響的事物作出全面評價的有效的決策手段，可充分描述具有模糊變化規(guī)律的物理現(xiàn)象[6-7]。

3.1 模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型

模糊綜合評判決策是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論，綜合多種影響因素，可對事物進(jìn)行全面綜合且有效的評價[8]。

3.2 模糊綜合評判在告警系統(tǒng)中的應(yīng)用

1）建立因素集：U={u1,u2,…,un}，分別表示故障告警事件、異常告警事件、GOOSE告警事件、SMV告警事件、開關(guān)刀閘狀態(tài)等。

2）建立評判集：V={v1,v2,…,vm}，將告警事件的級別劃分為一級告警、二級告警、三級告警以及正常。

3）建立模糊評判矩陣Rf：由于對告警事件嚴(yán)重程度的劃分是模糊的，因此其告警事件并不是隸屬于某個等級，可能隸屬于2個甚至多個情況。隸屬度函數(shù)的種類較多，本文采用三角形和梯形組合的函數(shù)[9]，建立各告警事件對應(yīng)不同告警級別的隸屬函數(shù)，如圖4所示。

圖4 告警級別隸屬度函數(shù)Fig.4 The membership functions of the warning level

各告警級別隸屬度計算如下：

①正常：

③二級告警：

④一級告警：

最終確定模糊判斷矩陣R：

4）綜合評判：對于權(quán)重A=(a1,a2,…,an)，取maxmin合成算法，即模型M=(∧,∨)計算，可得綜合評判C=A°R∈δ(V)，即對告警事件進(jìn)行評判，最終評判結(jié)果可能是正常、一級告警、二級告警或三級告警。

表1 告警狀態(tài)及相應(yīng)的運(yùn)維檢修策略Table 1 Alarm status and the corresponding operational maintenance strategy

將模糊綜合評判應(yīng)用于告警系統(tǒng)中，見表1，對告警事件進(jìn)行嚴(yán)重程度劃分，并通過的紅、黃、藍(lán)種顏色分別表示告警級別的一級、二級、三級告警，現(xiàn)場運(yùn)維人員可根據(jù)告警指示燈顯示的情況采取檢修措施，同時告警系統(tǒng)中提供具體的告警事件供檢修人員分析，如圖5所示。

圖5 高可視化平臺的告警指示燈展示Fig.5 The exhibition of the warning indicator light for the high visualization platform

4 結(jié)論

1）智能變電站高可視化分析平臺由網(wǎng)絡(luò)連接圖和邏輯連接圖構(gòu)成，可進(jìn)行可視化方式查看、分析全站的IED、虛通道、虛端子連接情況等，在對變電站全景數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄的同時，可對獲取的信息進(jìn)行智能化分析，最終通過高可視化的方式對故障、異常信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位和告警展示出來，提高了二次系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2）告警系統(tǒng)是高可視化分析平臺的重要組成部分，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對故障信息的快速判別，對保護(hù)動合理分析，為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供準(zhǔn)確的故障評價結(jié)果。

3）基于模糊綜合評判的告警系統(tǒng)，可根據(jù)告警事件的級別進(jìn)行劃分，通過簡潔明了的方式為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供可靠的告警信息，提高了運(yùn)維人員工作效率，真正實現(xiàn)了告警系統(tǒng)的智能化。

[1] 程智.智能變電站智能告警技術(shù)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[2]陳宏輝，田華.基于智能變電站的智能告警系統(tǒng)技術(shù)研究[J].廣東電力，2012（10）：38-40. CHEN Honghui，TIAN Hua.Study of Smart Warning System Technology Based on Smart Substations[J]. Guangdong Electric Power.2012（10）：38-40.

[3]熊華強(qiáng)，萬勇，桂小智，杜科，葉飛.智能變電站SCD文件可視化管理和分析決策系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力自動化設(shè)備，2015，05：166-171.20 XIONG Huaqiang，WAN Yong，GUI Xiaozhi，DU Ke，YE Fei.Design and implementation of visual management and analytical decision system for smart substation SCD files[J].Electric Power Automation Equipment.2015，05：166-171.20

[4]許祖鋒.基于模型驅(qū)動的變電站智能告警應(yīng)用軟件研究與設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[5]謝季堅，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

[6]廖瑞金，王謙，駱?biāo)技?，?基于模糊綜合評判的電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)評估模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2008（3）：70-75. LIAO Ruijin，WANG Qian，LUO Sijia，et al.Conditionassessment model for power transformer in service based on fuzzy synthetic evaluation[J].Automation of Electric Power Systems，2008（3）：70-75.

[7] 滿若巖，付忠廣.基于模糊綜合評判的火電廠狀態(tài)評估[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2009（5）：5-10. MAN Ruoyan，F(xiàn)U Zhongguang.Condition Assessment of Fossil-fired Power Plant Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation[J].Proceedings of the CSEE，2009（5）：5-10.

[8]楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005.

[9]董玉林.組合電器局部放電特征提取與放電嚴(yán)重程度評估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[10]楊皓然，劉琦，鄭連清.變電站智能告警專家系統(tǒng)設(shè)計[J].電力科學(xué)與工程，2010，05：7-10.

YANG Haoran，LIU Qi，ZHENG Lianqing.Design of Intelligent Alarm System for Substation[J].Electric Power Science and Engineering 2010，05：7-10.