基于可配置規(guī)則的變電站監(jiān)控故障分析系統(tǒng)

付 豪，俞一峰，紀(jì) 陵，黃志華

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)按照全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化和信息共享標(biāo)準(zhǔn)化的基本要求，通過(guò)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)全站信息的統(tǒng)一接入、存儲(chǔ)和展示，實(shí)現(xiàn)操作與控制、運(yùn)行監(jiān)視、綜合信息分析、智能告警和運(yùn)行管理等功能[1]。一體化監(jiān)控系統(tǒng)縱向貫通調(diào)度、生產(chǎn)等主站系統(tǒng)，橫向聯(lián)通變電站內(nèi)各自動(dòng)化設(shè)備，處于整個(gè)智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的核心部分[2-3]。在一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能體系中，智能告警是其高級(jí)應(yīng)用的重要組成部分，它可以有效消除無(wú)效告警，減少丟失重要告警的可能，減輕運(yùn)行人員的監(jiān)控負(fù)擔(dān)，幫助運(yùn)行人員及時(shí)對(duì)故障做出判斷并采取正確的處理措施。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司技術(shù)規(guī)范，智能告警的分析和處理除了告警抑制、告警屏蔽、誤報(bào)和漏報(bào)幾種形式之外，還有一類很重要的形式即故障推理和關(guān)聯(lián)性分析[4-5]。故障推理和關(guān)聯(lián)分析對(duì)于智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)有著重要意義，特別是在“大運(yùn)行、大檢修”背景下，基于調(diào)控一體化，主站端的信號(hào)監(jiān)控?cái)?shù)量大，值班員負(fù)擔(dān)重，在發(fā)生異常和故障時(shí)，上送的信息量大，故障判斷難度大[6-7]。而故障推理的應(yīng)用，綜合利用各類數(shù)據(jù)源的告警信息以及電網(wǎng)模型和數(shù)據(jù)，通過(guò)單一事件和關(guān)聯(lián)事件推理得出綜合告警事件和報(bào)告，并以直觀、形象的方式進(jìn)行綜合展示，實(shí)現(xiàn)告警信息的智能化處理，能夠快速定位故障，在電網(wǎng)故障智能診斷、二次系統(tǒng)狀態(tài)智能診斷、電源系統(tǒng)智能告警、智能輔助控制、通信異常判別和全景化變電站巡檢等場(chǎng)景中，都能為各業(yè)務(wù)人員提供高效、直觀的綜合性告警信息和輔助決策依據(jù)[8]。

目前的故障推理分析系統(tǒng)，多以固定規(guī)則庫(kù)和對(duì)應(yīng)推理機(jī)程序?yàn)閷?shí)現(xiàn)故障推理的方式。該方式下推理機(jī)的程序根據(jù)現(xiàn)有規(guī)則庫(kù)的規(guī)則設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，靈活性和可擴(kuò)展性不足；而故障推理的規(guī)則是不斷增加的，這時(shí)故障推理分析系統(tǒng)就往往需要修改程序，并進(jìn)行回歸測(cè)試。本文提出一種基于元模板和可配規(guī)則的變電站監(jiān)控故障分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)把故障推理的觸發(fā)規(guī)則、邏輯運(yùn)算規(guī)則、參與量推理?xiàng)l件規(guī)則進(jìn)行模板化和模塊化，由元規(guī)則可以靈活地組建一個(gè)個(gè)具體的故障推理規(guī)則。該系統(tǒng)中推理規(guī)則儲(chǔ)存于配置文件之中，通過(guò)配置文件和配置工具軟件，將新增信息增量式導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而可以靈活地增加推理規(guī)則和故障推理實(shí)例，并且不用修改程序，即可實(shí)現(xiàn)故障推理功能。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

故障分析系統(tǒng)部署于變電站一體化監(jiān)控平臺(tái)之上，系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)即來(lái)源于監(jiān)控平臺(tái)采集的變電站運(yùn)行和維護(hù)所需一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電氣運(yùn)行環(huán)境和大氣環(huán)境等數(shù)據(jù)，包括但不限于測(cè)控、保護(hù)、PMU（相量測(cè)量裝置）、計(jì)量、一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[9-10]。故障分析系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，它主要由故障推理服務(wù)程序、故障推理邏輯動(dòng)態(tài)庫(kù)、告警信息和簡(jiǎn)報(bào)展示程序、配置工具程序、推理規(guī)則配置文件、監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、配置數(shù)據(jù)庫(kù)這幾個(gè)主要部分組成。其中，故障推理服務(wù)程序和故障推理邏輯動(dòng)態(tài)庫(kù)是系統(tǒng)的核心組成部分。服務(wù)程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)流程、邏輯的處理，該程序負(fù)責(zé)加載故障推理實(shí)例信息、讀取并緩存相關(guān)參與量信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、得到并存儲(chǔ)故障推理結(jié)果以及日志記錄等。故障推理邏輯動(dòng)態(tài)庫(kù)的主要功能包括讀取并加載配置庫(kù)中的故障推理規(guī)則，并實(shí)現(xiàn)每種故障推理規(guī)則的運(yùn)算邏輯，提供故障推理的接口，該接口可實(shí)現(xiàn)主程序把實(shí)例化的故障推理內(nèi)容傳遞給動(dòng)態(tài)庫(kù)，返回結(jié)果為故障推理結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)整體框架

由圖1 可知，整個(gè)流程是從推理規(guī)則配置文件的制作開(kāi)始的，并通過(guò)配置工具將推理規(guī)則和故障推理實(shí)例導(dǎo)入監(jiān)控平臺(tái)的配置數(shù)據(jù)庫(kù)中。啟動(dòng)一體化監(jiān)控平臺(tái)的相關(guān)程序、組件以及故障推理服務(wù)程序，這時(shí)服務(wù)程序、故障推理邏輯動(dòng)態(tài)庫(kù)分別會(huì)對(duì)配置庫(kù)的故障推理實(shí)例信息以及故障推理規(guī)則信息進(jìn)行加載。當(dāng)有故障推理的啟動(dòng)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，故障推理服務(wù)程序會(huì)進(jìn)行邏輯推理并得出故障推理結(jié)果，通知告警展示程序，最終由告警展示程序進(jìn)行推理結(jié)果和告警簡(jiǎn)報(bào)的展示。

對(duì)于新推理規(guī)則的增加，該系統(tǒng)的更新邏輯是： 首先，通過(guò)配置工具對(duì)故障規(guī)則配置文件進(jìn)行修改和配置，進(jìn)行相關(guān)實(shí)例化故障推理實(shí)例的配置，并通過(guò)配置工具將相關(guān)新推理規(guī)則信息導(dǎo)入配置數(shù)據(jù)庫(kù)中；其次，根據(jù)公司一體化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的功能，配置數(shù)據(jù)庫(kù)將其“增量式”的提交并通知實(shí)時(shí)庫(kù)，重啟故障推理服務(wù)程序即可實(shí)現(xiàn)新推理規(guī)則和實(shí)例的正常使用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 關(guān)鍵算法

根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，需要把邏輯運(yùn)算規(guī)則、參與量推理?xiàng)l件規(guī)則進(jìn)行模板化和模塊化設(shè)計(jì)，使之成為元模板，從而通過(guò)這些元模板可以組成不同的故障推理規(guī)則。

故障推理判據(jù)的形式如表1 所示，它由一個(gè)個(gè)具體的參與量（即故障推理?xiàng)l件規(guī)則）和邏輯運(yùn)算符號(hào)組成邏輯表達(dá)式，根據(jù)表達(dá)式的邏輯得到推理結(jié)果。故障推理的參與量信號(hào)涵蓋廣泛，包括失靈保護(hù)動(dòng)作、差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、跳閘動(dòng)作、重合閘動(dòng)作、過(guò)流保護(hù)、零序保護(hù)、相間距離保護(hù)、接地距離保護(hù)、保護(hù)永跳、開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)、斷路器分合閘狀態(tài)、三相不一致信號(hào)、復(fù)歸信號(hào)、通信中斷、電壓值、電流值、有功功率、無(wú)功功率和設(shè)備異常信號(hào)等，概括起來(lái)，可以分為布爾量和浮點(diǎn)數(shù)2 類，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量和模擬量。而各個(gè)參與量間的邏輯關(guān)系主要由“與”邏輯和“或”邏輯組成，可以含有子邏輯。同時(shí)，很重要的一點(diǎn)是，各個(gè)參與量之間在推理判據(jù)中有時(shí)是有時(shí)序要求的[11]，如表1 中的第二條邏輯表達(dá)式中，就有“線路保護(hù)各相跳閘動(dòng)作信號(hào)或保護(hù)永跳信號(hào)，動(dòng)作時(shí)間要在重合閘整組復(fù)歸時(shí)間之外”這樣的要求。

表1 故障推理判據(jù)舉例

根據(jù)本小節(jié)分析，推理邏輯運(yùn)算規(guī)則有“與”邏輯（AND 邏輯）和“或”邏輯（OR 邏輯）2 種。AND邏輯的規(guī)則為： 參與條件全為“真”時(shí)，滿足AND邏輯的條件；AND 邏輯包含的各個(gè)子條件之間能夠設(shè)置時(shí)序條件；對(duì)于AND 邏輯本身，作為上一級(jí)運(yùn)算的參與條件時(shí)，以參與量中最晚發(fā)生的條件的時(shí)間來(lái)作為判斷時(shí)序的依據(jù)。OR 邏輯的規(guī)則為： 只要有一個(gè)條件滿足，即滿足條件。因此，當(dāng)遇到第一個(gè)滿足條件時(shí)，程序即會(huì)完成本次邏輯的判斷，后續(xù)條件無(wú)需再判斷。所以，對(duì)于OR 邏輯內(nèi)部的各個(gè)條件，不應(yīng)設(shè)置時(shí)序條件。此外，邏輯運(yùn)算規(guī)則可以設(shè)置時(shí)間約束模式和時(shí)間約束值，對(duì)于相互之間的時(shí)間差也有要求的參與量，如A 和B 2 個(gè)參與量，要求B 必須在A 之后5 s 內(nèi)出現(xiàn)，可以把A 和B 作為一個(gè)子運(yùn)算邏輯，進(jìn)行時(shí)間約束設(shè)置。

參與量推理?xiàng)l件的規(guī)則如表2 所示，主要有大于條件、等于條件、小于條件、不等于條件、變化等于條件、寫(xiě)等于條件和不寫(xiě)條件，共7 種規(guī)則。

根據(jù)本小節(jié)的邏輯運(yùn)算規(guī)則、參與量推理?xiàng)l件規(guī)則的設(shè)計(jì)，最終得到故障推理的算法邏輯流程，如圖2 所示。

2.2 配置文件設(shè)計(jì)

配置文件的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。通過(guò)配置文件，能夠?qū)⒐收贤评硪?guī)則按照約定的格式進(jìn)行儲(chǔ)存；同樣地，配置工具也是通過(guò)讀取和解析配置文件內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)表信息的交互，從而最終實(shí)現(xiàn)程序能夠加載故障推理規(guī)則的內(nèi)容。因此，配置文件需要具備通用性好、結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容簡(jiǎn)練、可擴(kuò)展性強(qiáng)和便于解析等特點(diǎn)。該系統(tǒng)采用XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）文件格式對(duì)推理規(guī)則配置文件進(jìn)行設(shè)計(jì)。XML 是標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的一個(gè)子集，是從比標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言更加古老的語(yǔ)言中派生出來(lái)的，用來(lái)描述數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)化工作由萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟負(fù)責(zé)。XML 的主要目的是定義使用標(biāo)簽來(lái)表示數(shù)據(jù)的標(biāo)記語(yǔ)言的語(yǔ)法[12-13]。XML 對(duì)數(shù)據(jù)賦予上下文相關(guān)功能，它繼承了標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的大部分功能，卻使用了并不復(fù)雜的技術(shù)。XML 格式具有以下特點(diǎn)： 規(guī)則簡(jiǎn)單，容易理解，結(jié)構(gòu)上也較好操作，便于程序解析，且沒(méi)有與任何編程語(yǔ)言綁定，通用性強(qiáng)[14]；提供了一種描述事物的方法，這種方法能夠表述列表、樹(shù)等常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性好；用純文本保存結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，可自由定義屬性和層次關(guān)系，通過(guò)給各種事物加標(biāo)簽，能夠達(dá)到完整地表述事物屬性的目的[15-33]。所以，XML 文件非常符合該系統(tǒng)配置文件的要求。

表2 參與量推理?xiàng)l件規(guī)則

圖2 故障推理的算法邏輯流程

配置文件的推理規(guī)則設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)簽，每個(gè)這種標(biāo)簽的對(duì)象表示一條推理規(guī)則，它具有RuleNum，Description，Trigger，Logic 和Advice 共5個(gè)子標(biāo)簽。RuleNum 表示當(dāng)前推理規(guī)則的序號(hào)，它具有唯一性，是推理規(guī)則的標(biāo)識(shí)，一旦確定，不能輕易改動(dòng)，描述文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)和更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息都依賴該標(biāo)識(shí)；Description 表示當(dāng)前推理規(guī)則的中文描述，即該推理規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)名稱，也即推理結(jié)果；Trigger 表示該推理規(guī)則的觸發(fā)規(guī)則，只有滿足該觸發(fā)規(guī)則時(shí)推理才會(huì)啟動(dòng)；Logic表示故障推理規(guī)則的判斷邏輯；Advice 表示該推理規(guī)則的處理意見(jiàn)。

觸發(fā)規(guī)則標(biāo)簽的子標(biāo)簽記錄了觸發(fā)規(guī)則判斷時(shí)所需的要素，如表3 所示。推理規(guī)則判斷邏輯通過(guò)該元素的屬性來(lái)標(biāo)識(shí)邏輯判斷時(shí)所需的要素，如表4 所示。這里的ConstraintMode 和TCVal 2 個(gè)屬性即為2.1 小節(jié)中描述的對(duì)于參與量之間有時(shí)序要求，也即通過(guò)這2 個(gè)屬性進(jìn)行設(shè)置時(shí)間差的要求。而參與量間的時(shí)序則是通過(guò)該標(biāo)簽的needOrder 屬性，以及它所包含的各個(gè)參數(shù)量的時(shí)序號(hào)屬性來(lái)設(shè)置實(shí)現(xiàn)的。

表3 觸發(fā)規(guī)則標(biāo)簽的子標(biāo)簽

配置文件通過(guò)推理規(guī)則判斷邏輯的子標(biāo)簽Element 來(lái)表示該判斷邏輯的參與條件。Element標(biāo)簽通過(guò)其子標(biāo)簽來(lái)標(biāo)識(shí)參與量條件是否滿足判斷時(shí)所需的要素，具體包括了以下8 個(gè)要素： 參與條件的空間屬性（即推理規(guī)則適應(yīng)對(duì)象，如線路、變壓器、母線等）、參與條件的標(biāo)準(zhǔn)名稱、參與條件的標(biāo)準(zhǔn)值的類型、參與條件的標(biāo)準(zhǔn)值、浮點(diǎn)值的判相等因子（實(shí)際值和觸發(fā)值之差在該范圍內(nèi)，則判為相等）、參與條件需滿足的次數(shù)值、該參與條件的比較方式（根據(jù)2.1 小節(jié)的描述，比較方式有大于、等于、小于、不等于、變化等于、寫(xiě)等于、不寫(xiě)）、該參與條件的時(shí)間序列編號(hào)。

表4 規(guī)則判斷邏輯標(biāo)簽的屬性

3 應(yīng)用舉例

將該故障分析系統(tǒng)部署在某電力公司的變電站監(jiān)控系統(tǒng)上，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。選取一個(gè)故障推理規(guī)則，以線路瞬時(shí)性A 相接地故障為例（線路瞬時(shí)性A 相接地故障的觸發(fā)規(guī)則是保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)動(dòng)作，其參與量信號(hào)包括了對(duì)應(yīng)保護(hù)裝置的A 相跳閘動(dòng)作、接地距離Ⅰ段動(dòng)作、重合閘動(dòng)作以及對(duì)應(yīng)測(cè)控裝置A 相斷路器位置信號(hào)的狀態(tài)），其故障分析判據(jù)如表5 所示。

表5 線路瞬時(shí)性A 相接地故障的判據(jù)

將表5 中的判據(jù)通過(guò)配置工具增加至推理規(guī)則配置文件中，并選擇一個(gè)具體的線路間隔（選擇266 全德Ⅱ線間隔），以該推理規(guī)則配置一條具體的故障推理實(shí)例。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)配置工具，將推理規(guī)則和故障推理實(shí)例內(nèi)容增量式導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。啟動(dòng)故障推理服務(wù)程序、監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)程序以及裝置信號(hào)模擬器，對(duì)該故障進(jìn)行模擬，測(cè)試故障推理服務(wù)程序是否能得出正確的推理結(jié)果，以及能否通知智能告警顯示程序，對(duì)推理結(jié)果進(jìn)行正確的顯示。經(jīng)測(cè)試，從智能告警顯示窗口中可以看到程序正確判斷并得出了“266 全德Ⅱ線間隔線路瞬時(shí)性A相接地故障”；從故障簡(jiǎn)報(bào)顯示窗口，能看到各個(gè)參與量信號(hào)的發(fā)生時(shí)間與規(guī)則的時(shí)序一致。

4 結(jié)語(yǔ)

故障推理分析是變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用的重要組成部分，它可以有效消除無(wú)效告警，減少丟失重要告警的可能，減輕運(yùn)行人員的監(jiān)控負(fù)擔(dān)，幫助運(yùn)行人員及時(shí)對(duì)故障做出判斷并采取正確的處理措施。本文提出了一種基于元模板和可配規(guī)則的變電站監(jiān)控故障分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)把故障推理的觸發(fā)規(guī)則、邏輯運(yùn)算規(guī)則和參與量推理?xiàng)l件規(guī)則進(jìn)行模板化；由元規(guī)則可以靈活地搭建故障推理規(guī)則，從而可以靈活地增加推理規(guī)則和故障推理實(shí)例。通過(guò)“線路瞬時(shí)性A 相接地故障”的具體實(shí)例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，將該規(guī)則通過(guò)配置文件增量式添加至數(shù)據(jù)庫(kù)，并創(chuàng)建了相關(guān)的實(shí)例，模擬該故障，得到了正確的推理結(jié)果，并生成了對(duì)應(yīng)的故障簡(jiǎn)報(bào)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。在實(shí)際工況下，變電站現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在諸如上送信息時(shí)標(biāo)不準(zhǔn)確等各種狀況，從而導(dǎo)致故障推理出現(xiàn)偏差。目前針對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展了一些模糊推理的設(shè)計(jì)，嘗試實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景針對(duì)性強(qiáng)、覆蓋性廣的模糊推理功能，作為當(dāng)前故障分析系統(tǒng)的有力輔助，將是下一步研究工作的重點(diǎn)方向之一。