基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的智能變電站檢修測(cè)試安措自動(dòng)生成方法研究

楊向飛，趙子涵，鄭 中，向 博，吳躍康

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041;2.電子科技大學(xué) 電力系統(tǒng)廣域測(cè)量與控制四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

0 引 言

變電站是電網(wǎng)體系中的一個(gè)關(guān)鍵樞紐環(huán)節(jié)[1]。隨著智能變電站的逐年推廣和投運(yùn)，對(duì)智能站定期進(jìn)行檢修測(cè)試成為了電網(wǎng)公司的一項(xiàng)重要任務(wù)，由此，在檢修測(cè)試變電站相關(guān)設(shè)備的工作過程時(shí)對(duì)于變電站內(nèi)的其他關(guān)聯(lián)設(shè)備的安全問題，也是檢修人員在進(jìn)行作業(yè)時(shí)必須考慮的一個(gè)重要方面。從現(xiàn)階段變電站檢修工作人員制定安措票方式總結(jié)，可以將工作方法分成兩種：第一種是作業(yè)人員憑借過往經(jīng)驗(yàn)及其專業(yè)能力來制定安措；第二種是基于事先編制的典型檢修測(cè)試安措票對(duì)應(yīng)待檢修對(duì)象，采用一致性套用的原則制定檢修安措票，即相同對(duì)象則使用同一張過往安措票，當(dāng)待作業(yè)設(shè)備的檢修測(cè)試條件與過往已制定的存在差異時(shí)，此時(shí)仍由作業(yè)人員依照檢修規(guī)定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更改，制定新的安措票。

上述第一種方法中，所編寫安措票的完整性對(duì)檢修測(cè)試專業(yè)人員專業(yè)素質(zhì)有強(qiáng)大的依賴性，這完全依賴于專業(yè)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)，不同操作人員專業(yè)水平的不同會(huì)直接影響安措票安措措施的完整性。第二種方法制定的安措票缺乏靈活性，不具備可移植性，當(dāng)檢修對(duì)象某些檢修測(cè)試條件發(fā)生變化時(shí)，仍需技術(shù)人員臨時(shí)添加安措項(xiàng)，在一定程度上來說依然需要依賴于專業(yè)人員的檢修測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，這兩種開票方法對(duì)于檢修結(jié)果的正確性來說均具有一定的誤差風(fēng)險(xiǎn)。

智能變電站有明確的安全機(jī)制，電力部門根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)制定了保證檢修安全的具體措施，本文試圖以此為基礎(chǔ)，研究一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的安措自動(dòng)生成方法。本方法提出利用檢修邊界的概念實(shí)現(xiàn)智能變電站安措自動(dòng)生成方法，該方法在專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合模式下生成智能變電站檢修安措[2]，能夠最大程度保證生成安措的正確性。

1 概念提出

1.1 專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

專家系統(tǒng)在多個(gè)行業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用，其通過替代人類專家大腦的思想活動(dòng)及問題解決方法，能夠類似專家活動(dòng)對(duì)問題進(jìn)行處理與判斷。而專家系統(tǒng)中能夠類似專家一樣處理對(duì)應(yīng)活動(dòng)的的基礎(chǔ)則是將豐富的專家知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中[3-4]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠類似生物神經(jīng)的神經(jīng)元進(jìn)行自學(xué)習(xí)過程，通過給定輸入及對(duì)應(yīng)支路相關(guān)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得出最終學(xué)習(xí)的結(jié)果[5- 6]。

本文采用專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合模式，充分利用兩者優(yōu)勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大程度保證生成安措正確性。

如圖1所示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)混合模式下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 混合模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 檢修測(cè)試相關(guān)概念

1）檢修測(cè)試設(shè)備

在制定檢修計(jì)劃最終實(shí)施作業(yè)的電氣設(shè)備。

2）陪停設(shè)備

在檢修測(cè)試工作中，對(duì)于某個(gè)設(shè)備按照規(guī)定計(jì)劃實(shí)施方案進(jìn)行時(shí)，其方案實(shí)施時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果可能對(duì)站內(nèi)其他的正常運(yùn)行設(shè)備功能產(chǎn)生影響，進(jìn)而出現(xiàn)非預(yù)期結(jié)果，造成更加嚴(yán)重的后果，為了保證變電站能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對(duì)可能會(huì)在對(duì)設(shè)備檢修時(shí)誤動(dòng)或引起故障的其他設(shè)備進(jìn)行退出。并且在工作過程中，此類設(shè)備需一直保持退出狀態(tài)，不得在此類設(shè)備上進(jìn)行工作。

3）關(guān)聯(lián)運(yùn)行設(shè)備

上述1）和2）中兩種類型設(shè)備間，存在輸入輸出傳輸數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、可能會(huì)受到如2）類設(shè)備在進(jìn)行檢修時(shí)造成的本設(shè)備功能影響的設(shè)備。因此，可根據(jù)前面描述將此類設(shè)備歸為兩類：與檢修二次設(shè)備存在信息互操作的以及與需陪停的二次設(shè)備存在信息互操作的運(yùn)行設(shè)備。由2）類和3）類描述兩類設(shè)備可構(gòu)成“關(guān)聯(lián)運(yùn)行設(shè)備組”。

4）檢修測(cè)試邊界

1）類與3）類所述設(shè)備之間存在的輸入輸出數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)的邊界。檢修測(cè)試安全措施作用于“檢修測(cè)試邊界”上的信息交互點(diǎn)。

2 混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

知識(shí)庫(kù)是根據(jù)專家對(duì)二次設(shè)備的信號(hào)傳輸及互連關(guān)系，對(duì)二次設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系及信號(hào)傳輸關(guān)系進(jìn)行梳理，總結(jié)專家經(jīng)驗(yàn)而建立的庫(kù)[7- 8]。

本文通過分析智能變電站結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，依據(jù)從業(yè)人員多年工作經(jīng)驗(yàn)及規(guī)定的技術(shù)知識(shí)，總結(jié)出站內(nèi)各設(shè)備間以及一、二次設(shè)備間的復(fù)雜的邏輯及輸入輸出數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型；并且通過對(duì)一些變電站相關(guān)文件如系統(tǒng)配置文件（system specification description，SSD）、變電站配置文件（substation configuration description，SCD）的解析，分析文件內(nèi)部?jī)?nèi)容可總結(jié)出站內(nèi)設(shè)備配置信息、接線形式及交互關(guān)系等內(nèi)容，得出一個(gè)面向設(shè)備的庫(kù)。

知識(shí)庫(kù)中建立了線路、變壓器、母聯(lián)、母線保護(hù)裝置以及變電站監(jiān)控主機(jī)功能關(guān)聯(lián)模型。本文以線路保護(hù)裝置功能關(guān)聯(lián)模型為例展示所建知識(shí)庫(kù)內(nèi)容。線路關(guān)聯(lián)模型中包含與線路相關(guān)的變電站裝置設(shè)備，其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系如同圖2所示。

通過圖2可知，當(dāng)線路保護(hù)裝置檢測(cè)故障發(fā)生，即向與其有信息交互的裝置發(fā)送相關(guān)信息，驅(qū)動(dòng)/通知相關(guān)設(shè)備動(dòng)作。根據(jù)圖中關(guān)聯(lián)關(guān)系，可為檢修測(cè)試邊界劃分及相關(guān)設(shè)備分類、安措制定提供基礎(chǔ)。如線路保護(hù)裝置需進(jìn)行檢修測(cè)試，則線路合并單元、線路與母線間連接交換機(jī)、線路與監(jiān)控后臺(tái)間連接交換機(jī)、線路智能終端都需納入陪停設(shè)備[9]。

圖2 線路保護(hù)裝置功能關(guān)聯(lián)模型示意圖

2.2 推理機(jī)

根據(jù)1.2節(jié)1）類設(shè)備描述，以及國(guó)網(wǎng)公司發(fā)布的調(diào)繼〔2015〕92號(hào)《智能變電站繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置現(xiàn)場(chǎng)檢修安全措施指導(dǎo)意見》（文中簡(jiǎn)稱“意見”）對(duì)于變電站站內(nèi)裝置的樣例原則[10]，結(jié)合1.2節(jié)1）和2）所述兩類設(shè)備間輸入輸出交互關(guān)系，利用如圖3所示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行推理計(jì)算，根據(jù)各路徑權(quán)重及對(duì)應(yīng)函數(shù)對(duì)給定設(shè)備類型參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算學(xué)習(xí)，最終得出對(duì)應(yīng)結(jié)果，即對(duì)應(yīng)設(shè)備的檢修安措。通過計(jì)算可生成含有地刀、開關(guān)、電子式電流互感器、電子式電壓互感器、主變、母線等主要一次設(shè)備和諸如合并單元、保測(cè)一體、保護(hù)、測(cè)控、過程層交換機(jī)、智能終端、合智一體等主要二次設(shè)備[11]。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)

通過對(duì)給定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算學(xué)習(xí)，最終可得出對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行檢修前的檢修安措，其結(jié)果可歸納為圖4所示。

圖4 設(shè)備檢修安措結(jié)果邏輯圖

根據(jù)2.1節(jié)所建立的各站內(nèi)設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系模型及圖3設(shè)備檢修安措推理過程，即可劃分出1.2節(jié)2）、3）類與4）類設(shè)備間檢修邊界，如圖5所示。

圖5 檢修邊界及設(shè)備類別劃分

表1列出的是檢修測(cè)試某220 kV線路間隔中A套合并單元時(shí)需要進(jìn)行陪停的設(shè)備。

表1 220 kV線路間隔合并單元A套檢修測(cè)試

圖5所示已將檢修測(cè)試邊界及設(shè)備分類劃分完成，再根據(jù)圖3所示推理過程，即可對(duì)特定設(shè)備檢修進(jìn)行推導(dǎo)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)檢修測(cè)試安措。如圖2所示線路保護(hù)裝置檢修時(shí)，可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)檢修安措如表2所示。

表2 線路保護(hù)裝置檢修測(cè)試安措

2.3 通用規(guī)則模型

基于“意見”所述原則和案例整理，可將現(xiàn)場(chǎng)檢修安措規(guī)則主要分為兩部分——通用以及特殊規(guī)則。通用部分顧名思義具體較好的通用性，電力系統(tǒng)十分龐大，接線方式各有不同，相同等級(jí)變電站也略有不同，因此通用部分更加適宜此種情況。而變電站電壓等級(jí)也有好幾種，相同等級(jí)變電站存在差異，不同電壓等級(jí)更是如此，特殊部分則是為此提出，為用戶提供可擴(kuò)展功能。

建立通用規(guī)則模型的目的是為建立正確的安措提供幫助。需要建立的通用性規(guī)則模型包括：建立檢修邊界的規(guī)則、對(duì)于站內(nèi)設(shè)備根據(jù)相關(guān)特性及功能分類的規(guī)則、針對(duì)檢修設(shè)備所制定的計(jì)劃的執(zhí)行順序及相應(yīng)的計(jì)劃過濾規(guī)則、相同類型設(shè)備間輸入輸出數(shù)據(jù)交互完整性及展示順序規(guī)則。

圖6所示為通用性規(guī)則模型，是推理機(jī)中所述設(shè)備安措可被選的要求，即在符合通用性規(guī)則的前提下，才可自動(dòng)生成正確的檢修安措票。

自動(dòng)生成安措流程如圖7所示。

圖6 通用性規(guī)則模型

圖7 自動(dòng)生成安措流程

3 自動(dòng)生成安措實(shí)例

以資鐵220 kV新一代智能變電站的220 kV線路保護(hù)A套檢修為例說明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的安措自動(dòng)生成過程，實(shí)例界面如圖8所示。

圖8 檢修安全幫助模塊操作界面

1） 檢修安措界面

本文以該智能站內(nèi)220 KV某條線路保護(hù)裝置為研究對(duì)象，當(dāng)選中二次設(shè)備中的某保護(hù)裝置時(shí)，在檢修設(shè)備列表、陪停設(shè)備列表以及關(guān)聯(lián)設(shè)備列表中均出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)設(shè)備。然后點(diǎn)擊生成作業(yè)，即可看到檢修安措信息框彈出的檢修安措，如圖9所示。

在自動(dòng)生成的檢修安措中，按照檢修設(shè)備、與檢修設(shè)備有關(guān)聯(lián)關(guān)系的運(yùn)行設(shè)備、陪停設(shè)備3種類型分類，生成的檢修安措中，會(huì)顯示當(dāng)前運(yùn)行下需要執(zhí)行的安措條例。利用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文實(shí)時(shí)獲取并刷新每一步安措的當(dāng)前狀態(tài)，服務(wù)于后續(xù)監(jiān)督安措執(zhí)行情況。

圖9 檢修安全界面

2） 圖形化展示

圖8中界面右下角有“實(shí)時(shí)驗(yàn)證”控件，可通過該控件，切換到安措的實(shí)時(shí)驗(yàn)證界面。本文提出的基于專家系統(tǒng)的安措核較方法及所建立的軟件系統(tǒng)可以將待檢修裝置的安措及對(duì)應(yīng)檢修邊界直接圖形化呈現(xiàn)，將抽象的邏輯模型轉(zhuǎn)換成圖像模型。與此同時(shí)，左邊的圖像模型所展示的檢修邊界展示的安措信息會(huì)與右側(cè)文字顯示的檢修安措具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即左側(cè)檢修裝置變化或者發(fā)生其他安措變化時(shí)，右側(cè)對(duì)應(yīng)顯示內(nèi)容將跟隨發(fā)生變化。通過此種方式可讓檢修操作者根據(jù)圖像直觀的對(duì)所制定的安措合理性進(jìn)行判斷，并且可以根據(jù)狀態(tài)信息查看安措是否執(zhí)行，檢修作業(yè)圖形化展示及監(jiān)督執(zhí)行界面如圖10所示。

圖10 檢修作業(yè)圖形化展示及監(jiān)督執(zhí)行界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的安全措施自動(dòng)生成方法，能夠自動(dòng)生成檢修測(cè)試設(shè)備所需安全措施，并與檢修測(cè)試工作人員開具的安措票進(jìn)行對(duì)比分析，通過此種方式來降低因?yàn)闄z修測(cè)試工作者的不正確制定安措而帶來的設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本方法是基于智能變電站檢修測(cè)試安全原則以及在電力部門規(guī)定的在保證安全檢修測(cè)試的原則上建立的，在確定檢修設(shè)備以后，利用知識(shí)庫(kù)中設(shè)備間互連關(guān)系，采用推理技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地得出陪停/退出設(shè)備，制定出明確、安全的檢修測(cè)試安全措施，可以降低因變電站維護(hù)人員誤操作以及安措制定不當(dāng)造成的其他設(shè)備誤操作或檢修事故的發(fā)生。