基于知識表達(dá)的電網(wǎng)故障智能容錯診斷技術(shù)

閔鑫，夏成軍，黎翔，管霖，徐堯燚，王一葦

(1. 華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局電力調(diào)度控制中心(系統(tǒng)運行部)，廣東 廣州 510620)

0 引 言

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，大量遙測、遙信告警信息上傳到調(diào)度中心。調(diào)度員需要根據(jù)這些信息判斷故障情況，進(jìn)而決定事故處理方案。嚴(yán)重故障引起的告警信息往往來自不同電壓等級的關(guān)聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)，消息數(shù)量較大，特別在涉及多個廠站的設(shè)備失壓或開關(guān)動作時。因此依靠計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)實現(xiàn)對電網(wǎng)故障的自動診斷是目前智能電網(wǎng)的重要發(fā)展趨勢之一[1-2]。

電網(wǎng)故障自動診斷的主要技術(shù)方法包括基于規(guī)則的專家系統(tǒng)[3-5]、解析模型法[6-8]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[9-10]、Petri網(wǎng)[11-13]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]等。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)方法將保護(hù)與故障設(shè)備的關(guān)系表示成規(guī)則，通過推理獲得故障原因，這種方法判斷過程清晰，可解釋性強(qiáng)，但其規(guī)則的描述能力有限且往往和程序高度耦合，其通用性和可維護(hù)性較差；基于解析模型的方法將診斷問題轉(zhuǎn)化成優(yōu)化問題求解，通過尋找目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解找出最符合告警信息的故障假說，該方法不僅有著嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯基礎(chǔ)，還能很好應(yīng)對不確定的故障信息，但是完備的數(shù)學(xué)模型往往維數(shù)過高且模型中的相關(guān)權(quán)重基于主觀設(shè)置，診斷的效率性和準(zhǔn)確性無法保證；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，將相關(guān)保護(hù)及開關(guān)動作信息作為輸入，故障原因作為輸出，通過故障樣本訓(xùn)練出特定區(qū)域電網(wǎng)的診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，避免了對故障診斷知識的顯性表達(dá)，對誤報的故障信息有著很好的容錯性，但解釋性差且在大規(guī)模電網(wǎng)下訓(xùn)練效果難以保證；Petri網(wǎng)技術(shù)通過將設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系，保護(hù)斷路器和故障設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示成有向圖的形式，根據(jù)故障信息初始化Petri網(wǎng)狀態(tài)，通過對應(yīng)矩陣的推理，最終獲得穩(wěn)定狀態(tài)下的故障診斷結(jié)果，但在不同的區(qū)域電網(wǎng)下需要分別建模，建模和維護(hù)工作量大，在復(fù)雜關(guān)系下推理效率不佳。

綜上，目前的故障自動診斷技術(shù)存在兩個難點：①反映故障判斷邏輯的診斷模型的通用性和可維護(hù)性不足，且大多方法僅考慮保護(hù)和一次設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對作用于電網(wǎng)穩(wěn)定和負(fù)荷恢復(fù)的自動裝置的動作情況未考慮在內(nèi)，這樣無法重現(xiàn)事故演化的完整過程，影響判斷準(zhǔn)確性；②事故判斷的信息源往往存在誤報或未報的情況，實際的一二次設(shè)備也有拒動和誤動的可能，這種包含不確定因素的故障情況需要在事故自動診斷中得到考慮。針對以上兩點，本文以傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)，首先根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)和故障后各自的功能特點定義了一種能充分描述故障狀態(tài)的故障診斷知識表示模型，使得故障診斷規(guī)則和推理程序完全解耦，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)不同故障類型下設(shè)備間的動作邏輯梳理出故障發(fā)展邏輯鏈，通過將實際信息與故障假說推理結(jié)果的比對確認(rèn)事故鏈和上報報文的準(zhǔn)確性，并通過概率計算獲得最佳故障診斷結(jié)果。

1 電網(wǎng)實體及其關(guān)系的知識表示模型

電網(wǎng)故障發(fā)生時，相關(guān)一二次設(shè)備在一定的動作邏輯下實現(xiàn)故障的隔離和恢復(fù)，這些動作信息構(gòu)成了故障診斷的源信息，故障診斷即是實現(xiàn)從源信息到故障設(shè)備的映射，因此在實現(xiàn)故障診斷時就需要以某種方式對這其中涉及的知識進(jìn)行表達(dá)，包括設(shè)備間拓?fù)潢P(guān)系，故障設(shè)備與保護(hù)的關(guān)系，保護(hù)與出口開關(guān)的關(guān)系，保護(hù)與保護(hù)間的配合關(guān)系，以及電網(wǎng)中相關(guān)自動裝置的動作邏輯等，只有充分準(zhǔn)確地表示出這些邏輯關(guān)系才能完整描述整個事故演化過程，實現(xiàn)故障診斷。本文首先根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備對象在故障情況下的操作特征和功能特性進(jìn)行對象類別的抽象劃分，然后結(jié)合這些對象類間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和功能屬性的定義形成故障診斷的本體表示，最后通過電網(wǎng)對象的實例化自頂向下逐步生成故障診斷的知識圖譜。

1.1 電網(wǎng)實體概念層次劃分

電網(wǎng)發(fā)生故障時，一次設(shè)備的電氣量發(fā)生突變，二次設(shè)備檢測到相關(guān)運行參數(shù)的變化，觸發(fā)動作并控制開關(guān)變位實現(xiàn)故障設(shè)備的隔離和失壓負(fù)荷的恢復(fù)?；谶@一過程中不同設(shè)備對象的功能和操作特性，本文將相關(guān)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行類別層次的劃分，具體類別劃分如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)設(shè)備類型劃分

如圖1所示，將一次設(shè)備劃分為開關(guān)設(shè)備和功能設(shè)備，開關(guān)設(shè)備是實現(xiàn)電網(wǎng)運行方式變化的承擔(dān)者，也是故障處理措施的操作對象，這里根據(jù)對故障電流的開斷能力分為斷路器類和刀閘類。功能設(shè)備是電網(wǎng)運行的功能實現(xiàn)主體，這些設(shè)備的運行參數(shù)是電網(wǎng)運行狀況的表征，但其本身不具備改變運行狀態(tài)的能力，本文主要考慮母線、主變和線路三類設(shè)備。對于二次設(shè)備這里主要分為自動裝置和保護(hù)兩大類：自動裝置是故障后維持系統(tǒng)穩(wěn)定和恢復(fù)失壓負(fù)荷的控制裝置，包括備自投和重合閘等，它們在故障后可能控制相關(guān)開關(guān)動作改變系統(tǒng)狀態(tài)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定；保護(hù)是故障發(fā)生時隔離故障設(shè)備的控制裝置，根據(jù)保護(hù)觸發(fā)原理的不同分為距離保護(hù)、差動保護(hù)和過流保護(hù)等。

1.2 設(shè)備類屬性及關(guān)系的定義

上文中定義的電網(wǎng)設(shè)備間存在著復(fù)雜緊密的關(guān)聯(lián)，為重現(xiàn)事故發(fā)展過程，就必須對設(shè)備間關(guān)系和動作狀態(tài)信息進(jìn)行表示。因此在上文劃分的設(shè)備類別的基礎(chǔ)上，本文對各個對象類別的屬性和它們之間的關(guān)系進(jìn)行約束定義，其中對象屬性的定義格式為<對象，屬性，屬性值>，具體屬性定義如表1所示。

表1 對象屬性定義

對象間關(guān)系的表示格式定義為<關(guān)系主體，關(guān)系，關(guān)系客體>, 具體約束如圖2所示。每類關(guān)系以一條指向線段表示，從關(guān)系主體指向關(guān)系客體，例如關(guān)聯(lián)母線從備自投類指向功能設(shè)備類，代表此關(guān)系的關(guān)系主體約束為備自投類設(shè)備，關(guān)系客體約束為功能設(shè)備類設(shè)備，具體含義為備自投設(shè)備與其保護(hù)的母線設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖2 對象關(guān)系約束

綜上即為事故診斷知識表示模型的基本定義，此模型根據(jù)電網(wǎng)事故后設(shè)備的功能特性和操作特性抽象出相關(guān)設(shè)備類型及對應(yīng)屬性。綜合考慮了故障后參與響應(yīng)的所有一二次設(shè)備，并將各設(shè)備間的拓?fù)渎?lián)系和邏輯動作聯(lián)系通過對應(yīng)的關(guān)系加以定義，這使得其對故障情況有著充分的描述能力，且在增加新設(shè)備或改變設(shè)備間關(guān)聯(lián)關(guān)系后，可輕易修改。

2 考慮不確定性的事故鏈推理

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)在發(fā)生電網(wǎng)故障時會根據(jù)電網(wǎng)中一二次設(shè)備的動作情況，將故障遙信、遙測信息上報到調(diào)度中心，通常調(diào)度員根據(jù)這些事件信息間的關(guān)聯(lián)性對故障原因作出推斷，但在實際中由于信息通道的干擾或相關(guān)設(shè)備的故障會出現(xiàn)報警報文的誤報、未報以及一二次設(shè)備的拒動、誤動的情況，這種不確定情況下的故障判斷將變得十分困難。為解決該問題，以故障診斷知識表示模型為基礎(chǔ)，以故障情況下的設(shè)備動作邏輯為依據(jù)，從假設(shè)故障源出發(fā)，通過對事故發(fā)展過程的假設(shè)推理以及與實際報文信息的比對校核，篩選事故原因，校核相關(guān)信息的正確性。

2.1 事故鏈推理的基本原理

故障發(fā)生后，根據(jù)模型中定義的對象類對故障范圍內(nèi)的設(shè)備及相互間關(guān)系進(jìn)行實例化，生成診斷事實庫，并解析SCADA系統(tǒng)上報的遙信信息獲得反映相關(guān)設(shè)備狀態(tài)變化和動作情況的設(shè)備屬性，以此作為推理結(jié)果的校核依據(jù)。最后根據(jù)故障隔離范圍和二次設(shè)備動作情況生成初始故障假設(shè)集合，初始故障類型分為三類：①一次設(shè)備故障，對應(yīng)故障范圍內(nèi)的失壓設(shè)備；②保護(hù)誤動作，對應(yīng)動作的保護(hù)設(shè)備；③開關(guān)誤動作，對應(yīng)無保護(hù)動作的故障情況。故障診斷時以初始故障設(shè)備為起點，結(jié)合事實庫和設(shè)備動作邏輯對事故鏈進(jìn)行逐步假設(shè)推理，通過將每步推理結(jié)果與遙信上報的設(shè)備狀態(tài)或動作信息進(jìn)行比對，判斷相關(guān)假設(shè)和報文信息的正確性，最終獲得診斷結(jié)果。以保護(hù)、備自投和重合閘動作邏輯為例，相關(guān)邏輯描述如圖3～圖5所示，通過窮舉二次設(shè)備和開關(guān)的正常和故障狀態(tài)，給出所有可能的故障發(fā)展情況。為提高診斷的效率，這里僅考慮雙重故障以內(nèi)的設(shè)備動作邏輯，對于三重以上的故障情況在實際電網(wǎng)中發(fā)生概率極低且會大大增加判斷的邏輯復(fù)雜度和不確定性，因此不作考慮。圖中中括號內(nèi)字段為設(shè)備功能假設(shè)，大括號內(nèi)字段為已確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)事實。

以上述邏輯為依據(jù)，為實現(xiàn)事故鏈的實際推理，本文利用謂詞邏輯對相關(guān)知識進(jìn)行形式化表達(dá)，即根據(jù)謂詞邏輯的語義語法，將知識表示模型中定義的設(shè)備類型、設(shè)備屬性及設(shè)備關(guān)系全部以對應(yīng)的謂詞符號進(jìn)行表示。對于設(shè)備間的邏輯動作關(guān)系，則以產(chǎn)生式規(guī)則的IF…THEN…形式進(jìn)行表示。以線路主保護(hù)動作邏輯為例，其對應(yīng)描述如表2所示。

圖3 保護(hù)動作邏輯

圖4 重合閘動作邏輯

圖5 備自投動作邏輯

表2 事故鏈推理實例

表2中的事實和假設(shè)滿足了相關(guān)規(guī)則的前件，便可推理出相關(guān)保護(hù)動作的結(jié)論。將推理結(jié)果與報文的信息進(jìn)行比對，若兩者一致則確認(rèn)假設(shè)正確，將假設(shè)和結(jié)論添加入推理事實中繼續(xù)推理，如果兩者不一致，則有三種情況：假設(shè)錯誤，報文信息誤報和設(shè)備誤動。為確定原因設(shè)定校核規(guī)則如下：

(1) 若待確認(rèn)報文信息為二次設(shè)備動作信息，且告警信息中包含對應(yīng)開關(guān)動作信息，則確認(rèn)報文為正確上報，否則判為報文。

(2) 若待確認(rèn)報文信息為開關(guān)動作信息，因開關(guān)動作后相關(guān)設(shè)備狀態(tài)必定改變，可根據(jù)對應(yīng)設(shè)備狀態(tài)判斷實際動作情況。

(3) 若設(shè)備動作報文信息未包含于邏輯鏈中，但經(jīng)規(guī)則(1)、(2)判定報文正確上報，則判斷為設(shè)備誤動作。

綜上，事故鏈推理具體流程如圖6所示。

圖6 事故鏈推理流程

2.2 推理結(jié)果的選擇

通過事故診斷推理可能獲得多條滿足邏輯約束的事故鏈，但由于故障發(fā)生概率往往有很大不同，還需通過對每一條事故鏈發(fā)生概率的計算，選擇最有可能的故障原因作為診斷結(jié)果。根據(jù)分析，故障類別統(tǒng)計如下：①開關(guān)故障(拒動、誤動);②保護(hù)故障(拒動、誤動);③備自投故障(拒動、誤動); ④重合閘故障?，F(xiàn)假設(shè)上述各類故障的發(fā)生概率分別為Pa、Pb、Pc、Pd事故鏈中包含對應(yīng)故障設(shè)備的數(shù)目分別為na、nb、nc、nd，則事故鏈發(fā)生概率Pchain的計算公式為：

(1)

由于Pi的值均比較小，為便于計算比較，對式(1)等號兩邊取對數(shù)，再取反后得似然概率值。

(2)

Echain=-lnPchain

(3)

事故鏈似然概率Echain取值最小的事故鏈發(fā)生概率最大，作為故障診斷結(jié)果的輸出。

3 應(yīng)用實例與分析

為證明上述診斷原理的有效性，以某110 kV城市電網(wǎng)為例對故障診斷流程進(jìn)行驗證。如圖7所示，聚浦乙線123開關(guān)配置了距離三段式保護(hù)，零序四段式保護(hù)和自動重合閘。三枝站和南浦站的主變均配置差動主保護(hù)、瓦斯保護(hù)和后備保護(hù)，同時各廠站10 kV母線側(cè)均設(shè)有母聯(lián)備自投。

圖7 電網(wǎng)故障區(qū)域拓?fù)鋱D

在故障發(fā)生后，SCADA系統(tǒng)收到故障報警信息見表3。

表3 故障告警報文

根據(jù)故障后失壓范圍，確定可能發(fā)生故障的一次設(shè)備有聚浦乙線、三枝站#2主變和南浦站#2主變。由這些設(shè)備構(gòu)成初始故障假設(shè)集合并分別進(jìn)行故障鏈的推理，事故鏈推理結(jié)果如表4所示。

如表4所示，由診斷推理獲得可能事故鏈有兩條：對于事故鏈1，未涵蓋南浦站#1主變變高過流保護(hù)動作信息，判斷該保護(hù)信息誤報；對于事故鏈2，除了南浦站#1主變變高過流保護(hù)報文信息誤報，三枝站的差動保護(hù)動作信息也未涵蓋在事故鏈內(nèi)，根據(jù)校核規(guī)則，判斷保護(hù)誤動作且變高開關(guān)拒動。

最后對兩條事故鏈中故障設(shè)備進(jìn)行概率比對。相關(guān)故障概率如下：保護(hù)拒動概率為0.15%，誤動概率為0.18%，開關(guān)拒動概率為0.002 5%，開關(guān)誤動概率為0.001%[15];兩條事故鏈概率統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表4 故障鏈推理結(jié)果

表5 事故鏈似然概率值

由計算結(jié)果可知：事故鏈1似然概率小于事故鏈2；事故鏈1發(fā)生概率大于事故鏈2。故判斷結(jié)果未事故鏈1，即三枝站主變保護(hù)動作，開關(guān)102拒動，由遠(yuǎn)后備保護(hù)聚浦乙線距離Ⅱ段保護(hù)動作切除故障。判斷結(jié)果與人工識別結(jié)果一致，驗證了方法有效性。

4 結(jié)束語

本文建立了故障診斷的知識表示模型，通過對設(shè)備類型、設(shè)備屬性和設(shè)備關(guān)系的定義為故障診斷中故障特征和推理邏輯的描述提供了一種基于一階謂詞邏輯的知識表達(dá)方法。在此基礎(chǔ)上將故障后設(shè)備動作邏輯關(guān)系表示成推理規(guī)則，從假設(shè)故障設(shè)備出發(fā)進(jìn)行事故鏈的正向推理和報文信息的校核，判斷出故障情況下的誤報、未報信息和誤動和拒動設(shè)備，不僅實現(xiàn)不確定情況下的事故診斷，還能很好地反映出故障發(fā)展演化過程，為故障范圍內(nèi)的設(shè)備動作情況給出相應(yīng)解釋。最后以實際電網(wǎng)故障案例驗證了診斷方法的有效性。