智能變電站的智能告警驗收系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

鄭格玲

(國網(wǎng)陜西省電力公司 經(jīng)濟技術研究院， 西安 710075)

0 引言

在智能變電站中，智能告警屬于一項基礎高級應用，以構建故障信息邏輯和推理模型，利用專家系統(tǒng)[8-10]等人工智能分析方法，針對電網(wǎng)故障，以此提高變電站故障診斷的準確性和故障排除的及時性。但是，就實際的運行效果而言，智能告警的實用性并不是很高。首先，調控中心和變電站端都分別實現(xiàn)了智能告警，此模式存在一定的不足，即功能反反復復，導致人力和物力嚴重浪費，而且調控中心進行智能告警分析的時候，依舊需要處理龐大的數(shù)據(jù)信息，從而直接增加了調控中心通信和運行維護的工作量，變電站實時推理工作沒有充分發(fā)揮作用，以及變電站端量測局部冗余度和敏捷度相對較高[11]的優(yōu)勢尚未得以充分發(fā)揮。其次，推理分析過程主要是依靠專家系統(tǒng)。在專家系統(tǒng)中，知識數(shù)量和質量在很大程度上決定著專家系統(tǒng)的水平，而且知識庫在經(jīng)歷精簡時，難度相對較大。在建立專家知識庫的時候，周期和難度都是主要難題，而且很難滿足電網(wǎng)運行的具體特性。智能告警系統(tǒng)實現(xiàn)相對繁雜，不同的廠家，模型命名也大相徑庭，難以自動映射變電站的業(yè)務模型，需要人工配置，而且其可重用性比較低，這就在很大程度上影響了應用效率和水平。據(jù)此，設計基于智能變電站[12,13]的智能告警驗收系統(tǒng)。

1 智能告警驗收系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)流程設計

智能告警系統(tǒng)中，對所有告警信息進行了過濾和分類處理，通過電流測量值，獲取設備的具體帶電狀態(tài)，通過告警信息和設備帶電狀態(tài)，進一步推理故障，自動報告變電站故障，并提出有效的應對策略。具體的系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.2 信息預處理服務設計

智能變電站告警驗收系統(tǒng)所接收的信息，主要是自動化系統(tǒng)所收集的，其中信息并沒有經(jīng)過加工，其中存在噪聲和錯誤信息。如果大量數(shù)據(jù)信息被直接輸入專家系統(tǒng)，就會加大推理工作量，從而影響最終結果的準確性。因此，在輸入專家系統(tǒng)之前，需要預處理告警信息。在接收的信息內，包含事故總信號或者告警信息的時候，及時啟動告警預處理服務，以站控層遙測信息為載體，獲得斷路器電流值的相關信息。把斷路器節(jié)點的電流值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡輸入節(jié)點值，在輸出之后，所得到的就是修正之后的斷路器帶電狀態(tài)，可以以“0和1”來表示。具體智能告警信息預處理服務流程如圖2所示。

圖1 智能告警系統(tǒng)整體流程圖

圖2 告警信息預處理服務流程圖

告警信息預處理服務的BP神經(jīng)網(wǎng)絡處理流程，具體如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡處理流程圖

系統(tǒng)在拓撲分析時，需要利用斷路器的帶電狀態(tài)。在告警系統(tǒng)啟動之后，預處理服務會實時獲取斷路器電流值，并按照既定順序輸入到網(wǎng)絡輸入端，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法，計算電流值，其權值和閥值會提前計算，儲存于文件，經(jīng)過輸出端獲得的帶電狀態(tài)，以0、1表示。

1.3 專家系統(tǒng)結構

1.3.1 系統(tǒng)結構模型

專家系統(tǒng)具有其自身的獨特優(yōu)勢，即盡管信息不完整，依舊可以保證結論的合理性，可以解決無法構建數(shù)學模型，主要依賴經(jīng)驗和知識的難題。通過生成故障元和實例，構建故障集知識庫，在推理事故時，把邏輯時序告警信號，以含時序和不含時序的特征信號為推理機制的推理判斷依據(jù)，通過定義1、2級決策推理方法，啟動推理機，合理選擇方法，判斷故障性質，促使其盡快推理，實現(xiàn)相同根源事故告警信號的全面融合[5]。其中，專家系統(tǒng)主要包含知識庫與推理機，具體如圖4所示。

圖4 專家系統(tǒng)結構

1.3.2 基于專家經(jīng)驗的知識庫

據(jù)相關文獻綜述，變電站常見故障告警信號大約有90種，幾乎覆蓋了所有信息。而故障影響因素各式各樣，其彼此密切相關。由于故障相關性，將其劃分為單一故障與組合故障。為了整合復雜的事故，需要組織知識庫結構，以單一故障為單位進行劃分，變電站事故集劃分成為多個故障元，通過構建具備因果和邏輯關系的故障元之間的聯(lián)系，描述變電站故障，以此將變電站事故集描述成若干單一故障之間的聯(lián)系。

1.3.3 單一事件的知識表示

變電站故障的類型劃分主要體現(xiàn)的是涵蓋范圍從大到小，不斷細化的形勢。通過梳理和整合故障集，按照包含關系逐漸細化，具體過程如圖5所示。

已經(jīng)劃分的故障元，通過經(jīng)驗豐富的員工構建告警信號數(shù)據(jù)鏈，存放到知識庫，以此進行推理機檢索，以故障發(fā)展時序信號正向排序。而為了提高知識檢索的容錯能力，數(shù)據(jù)鏈的信號應來于現(xiàn)場，并盡量覆蓋故障樣本空間。

1.3.4 組合故障的知識表示

在故障元的內部，沒有清除故障，就會導致事故轉移，即通過聯(lián)絡信息，從單一故障元擴展到多個故障元，構成組合故障。由于斷路器拒動，導致組合故障發(fā)生，具體如圖6所示。

圖5 變電站單一故障

圖6 斷路器拒動引起的組合故障

220 kV以下的母線尚未配置，失靈保護的網(wǎng)絡，在失靈時，會越級跳閘，從變壓器后備保護第1時限跳開分段/母聯(lián)斷路器，第2時限跳開變壓器進線開關。

1.3.5 面向對象知識庫模型

故障元與故障元聯(lián)絡需要數(shù)據(jù)結構進行描述，變電站單一故障同時具備共性和個性，且具有面向對象性。在分類時，針對各種元件類型重復定位位置，促使其產(chǎn)生耦合性，通過UML語言定義的面向對象建模，可以解決這一難題。模型具體如圖7所示。

圖7 面向對象知識庫模型

主要是用來描述保護元件變壓器類、母線類、輸電線路類的共性的父類，即保護元件類，其提供共享對象相似性一種抽象方式。故障元通過一對多關聯(lián)，描述保護元件類，并描述可有故障類和告警信號數(shù)據(jù)鏈，通過聲明，變電站故障類型那個作為故障元實例。對多個故障元組成的組合故障，通過構建故障元和故障聯(lián)絡間的關聯(lián)關系，描述彼此之間的聯(lián)絡，知識庫容器類可以包含變電站的單一故障和組合故障實例。通過知識庫模型，集合知識、規(guī)則、經(jīng)驗等，構成專家系統(tǒng)知識庫，以此管理知識之間的關聯(lián)性，并以面向對象的方法，便于系統(tǒng)修正知識的準確性，擴展知識的總量。

1.3.6 專家系統(tǒng)分析和推理

(1) 1級故障推理

一類故障一般具備一些特定告警信號，需要通過判斷是否存在這些特征的信號和信號出現(xiàn)的次數(shù)，據(jù)此，診斷事故根源。此推理方法因為單純利用統(tǒng)計信號，在判斷時比較模糊，會出現(xiàn)錯誤，但是比較而言，其具有一定的優(yōu)勢，即高效和容易實現(xiàn)，比較適合告警信號比較少的故障元診斷。1級故障推理算法的實現(xiàn)，需要先整理和提取故障特征信號，制定判斷規(guī)則，并檢索觸發(fā)的1個故障元特征告警信號和出現(xiàn)幾率，判斷是否符合相關規(guī)則。

(2) 2級故障推理

在1級基礎上，2級故障推理繼續(xù)探索證據(jù)，判別故障部位，以此保證診斷結果的準確性。2級推理需要積極關注告警信號的時序信息，在更具依據(jù)的支持下，判斷結果的準確性。特征信號分布的告警信息數(shù)據(jù)鏈，接收的特征告警信號會遵守時間的先后順序，如圖8所示對于其中的其他告警信號，可以先評審，判斷其事都屬于同一故障信號，是則忽略，不是則可能發(fā)生了另一故障元事故。

瞬時接地故障

永久性接地故障

圖8 按時序排列的告警信息數(shù)據(jù)鏈

對事故特性進行綜合考慮，在運用時，1級決策融合證據(jù)不足，推理可以從2級開始，直到找出事故根源[4]。

1.4 人機交互界面功能設計

智能告警驗收系統(tǒng)人機交互界面所具備的功能。首先，顯示變電站的主接線圖，查詢并修改操作斷路器與一次設備的具體連接情況。其次，展示并清除告警系統(tǒng)中的站控層信息，在信息窗口顯示的是時序信息，根據(jù)設備列表，按照分類查詢。再次，自動提示告警信息，顯示、清除系統(tǒng)推理的所有告警信息，并根據(jù)故障推理分析結果，給予有效的建議。然后，在知識庫信息表維護窗口，顯示告警信息知識庫的所有信息，以及處理措施的相關規(guī)定，還可以適當添加、修改。最后，管理用戶，在界面下，可以修改登錄密碼，添加用戶。[3]

2 變電站集中監(jiān)控信息驗收裝置AXY-MSAD16

2.1 功能介紹

變電站集中監(jiān)控信息驗收裝置，主要功能[14]：主站適配；遠動適配；模擬主站；支持多路同時驗收；人機交互界面；自動生成驗收報告。

2.2 部署方案

在信息驗收時，將裝置對接到遠動后端交換機上，在主站驗收時，對接到主站前置交換機上。

2.3 利用裝置規(guī)范驗收過程

規(guī)范各部門職責→規(guī)范監(jiān)控信息表→規(guī)范驗收流程→規(guī)范驗收記錄。[15-16]

2.4 裝置在變電站驗收中的應用

(1) 根據(jù)電壓不同，驗收時間不同，110kV變電站正常驗收時間為20-30d，裝置驗收的有效時間為55h，大約7d，其大大節(jié)約了時間，由此可見，使用此驗收裝置，能夠明顯提高效率和水平。[17]

(2) 利用鏈路連通前的時間，及時解決驗收中的問題。

(3) 和變電站后臺同時就地驗收，鏈路連通之后，監(jiān)控再一次驗收，只需要利用遠動模擬進行操作，只需要花費2-3d時間，效率提高了大約5倍。

(4) 點表就地修改，并導出，以此有效節(jié)省協(xié)調時間。

(5) 使用驗收裝置，規(guī)范驗收流程，一次性驗收，發(fā)現(xiàn)問題集中解決。

3 總結

總之，深入開發(fā)智能告警系統(tǒng)，是提高變電站自動化水平的必然要求，是減輕監(jiān)控工作人員勞動量，確保電力系統(tǒng)運行安全性與可靠性的重要途徑。通過探究告警信息與故障間的關系，劃分故障與異常情況，整改以專家系統(tǒng)為基礎的智能告警推理策略，并在此基礎上，對信息預處理、推理分析、界面等部分進行了設計。同時，利用監(jiān)控信息驗收裝置AXY-MSAD16，在很大程度上提高了驗收效率和水平，并縮短了驗收時間，明確了各個部門的具體職責，從而明顯提高了變電站集中監(jiān)控信息驗收工作質量。這一裝置直接改變了既有的調試驗收工作模式，進一步實現(xiàn)了便捷化、規(guī)范化、智能化目標。