一種變電站防誤閉鎖智能校驗裝置設(shè)計

關(guān)鍵詞：變電站；防誤閉鎖；智能校驗；專家系統(tǒng)；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0166-04

變電站的倒閘操作直接關(guān)系到整個變電站的運行安全。然而由于變電站的倒閘操作較為復(fù)雜，包含復(fù)雜多樣的操作條目，導(dǎo)致倒閘操作非常容易出錯。近年來，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，變電站倒閘操作逐漸趨于智能化和自動化，為提高變電站倒閘效果，提出一種基于高階樸素Bayes算法的變電站順控倒閘操作防誤閉鎖方法，保證了變電站的安全運行[1]；提出一種變電站運行管理系統(tǒng)二次防誤閉鎖自動控制方法[2]；通過論述二分之三接線、雙母線雙分段接線和單母線接線的典型防誤閉鎖邏輯，對特高壓和超高壓變電站防誤閉鎖自動化操作進(jìn)行了研究[3]。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，變電站防誤閉鎖智能校驗裝置開始進(jìn)入自動化階段，但現(xiàn)有方法的自動化程度仍有待進(jìn)一步提高[4]。為此，本研究設(shè)計了一種全新的變電站防誤閉鎖智能校驗裝置，通過構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)和可用于整個智能校驗裝置的知識庫，并集成倒閘操作票生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電站防誤閉鎖智能檢驗。

1總體框架

防誤閉鎖智能校驗裝置的目的是為了避免變電站進(jìn)行倒閘操作時出現(xiàn)錯誤操作的問題[5]。目前，變電站防誤閉鎖智能校驗裝置通常由倒閘操作票生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)組成[6]。由于上述2個系統(tǒng)為相互獨立設(shè)計，不能發(fā)揮自動化的優(yōu)勢，且在設(shè)計上存在冗余，導(dǎo)致智能校驗裝置無法通過主控室進(jìn)行操作。因此，有必要設(shè)計一種自動化程度高的防誤閉鎖智能校驗裝置。本研究通過分析上述2個系統(tǒng)的互通性，設(shè)計了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)，以使2個系統(tǒng)緊密結(jié)合。同時，為實現(xiàn)防誤閉鎖操作信號控制，還構(gòu)建一個可用于整個變電站操作票生成和識別的知識庫[7]。最終，得到所設(shè)計的整個防誤操作閉鎖智能校驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)操作票自動生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)出票結(jié)果不匹配時，可能存在死循環(huán)。其原因是所設(shè)計的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)需要大量樣本進(jìn)行訓(xùn)練，而系統(tǒng)開始運行時數(shù)據(jù)量較少。因此，存在2個系統(tǒng)操作票不匹配的問題[8-9]。為解決該問題，本研究設(shè)置循環(huán)次數(shù)上限為10次，若循環(huán)10次未得到統(tǒng)一出票結(jié)果，則以操作票自動生成系統(tǒng)出票結(jié)果為最終結(jié)果，并通過人工檢驗決定是否執(zhí)行該操作。

2設(shè)計與實現(xiàn)

2.1專家系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本研究所設(shè)計的專家系統(tǒng)是針對防誤操作閉鎖系統(tǒng)設(shè)計的，通過利用專家系統(tǒng)對操作票自動生成系統(tǒng)生成的倒閘操作票可靠性進(jìn)行分析驗證，并記錄動作鎖具順序和操作人員存在的錯誤操作，可實現(xiàn)防誤操作閉鎖[10-11]。通過分析變電站系統(tǒng)開關(guān)列表及其獲取拓?fù)湫畔⒌墓?jié)點，本研究擬采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建專家系統(tǒng)，并通過將開關(guān)列表和節(jié)點導(dǎo)入推理機，在推理機中對該信息與知識庫中的知識和經(jīng)驗進(jìn)行分析，生成倒閘操作邏輯。專家系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖2所示。

基于上述分析可知，推理機在專家系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此本研究重點對推理機進(jìn)行了實現(xiàn)。首先構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前最常用的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要由輸入層、輸出層、卷積層、池化層組成[12-13]。其中，卷積層負(fù)責(zé)提取輸入信息特征，池化層負(fù)責(zé)降低特征維度。

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，假設(shè)一次系統(tǒng)包含n個電氣元件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)可得到其鄰接矩陣，并根據(jù)鄰接矩陣，確定卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向，進(jìn)而得到操作結(jié)果[18]。通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，可得到用于第一次操作的所有元件。然后基于得到的元件重新生成鄰接矩陣，并重復(fù)上述操作。由此可確定所有電氣元件均能遍歷搜索。

此外，為避免卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算過程中因違規(guī)問題放棄計算，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)陷入局部收斂，研究引入規(guī)則檢測記錄2個元件之間的切換關(guān)系。推理機的具體實現(xiàn)過程如圖4所示。

2.2知識庫設(shè)計與實現(xiàn)

通過分析防誤操作閉鎖系統(tǒng)操作邏輯可知，變電站的一次系統(tǒng)拓?fù)渑c知識庫內(nèi)容緊密相關(guān)。因此，本研究通過分析變電站一次系統(tǒng)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及變電站涉及的設(shè)備知識信息、票面生成信息和操作知識信息，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?gòu)建知識庫。

定義變電站一次設(shè)備包括斷路器、隔離開關(guān)、接地裝置三類開關(guān)，包括母線節(jié)點、接地節(jié)點、出線節(jié)點等節(jié)點，并將母線、主變壓器等設(shè)備均視為節(jié)點，同時認(rèn)為聯(lián)絡(luò)線只有一個接地支路[19]。由此可建立三類開關(guān)與知識庫概念的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可構(gòu)建知識庫。

知識庫中，根據(jù)知識的規(guī)則類型可分為控制規(guī)則和領(lǐng)域規(guī)則。其中，控制模塊執(zhí)行的順序規(guī)則屬于控制規(guī)則，領(lǐng)域模塊通過拓?fù)浞治龅拈]鎖邏輯內(nèi)容的規(guī)則屬于領(lǐng)域規(guī)則。在領(lǐng)域規(guī)則中，為確定執(zhí)行順序，需設(shè)定執(zhí)行等級并按等級高低順序執(zhí)行。所設(shè)計的知識庫的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

知識庫中雖然包含各種各樣的操作項目，但這些操作項目都是由一系列簡單操作任務(wù)排列組合形成，且具有一定的重復(fù)性。因此，可采用層次清晰簡潔、推理速度快，且能反映求解問題因果關(guān)系的規(guī)則組模式表示并實現(xiàn)。規(guī)則組模式即“規(guī)則架+規(guī)則體”的模式[20]。其中，規(guī)則架即參加推理的框架，包含多個前提和結(jié)論，具體示例如：IF運行狀態(tài)、檢修狀態(tài)、隔離開關(guān)等。規(guī)則體即求解問題的知識，具體示例如：THEN斷路器在分閘位置∧隔離開關(guān)在合閘位置等。

3應(yīng)用與分析

3.1應(yīng)用平臺簡介

為驗證所設(shè)計的變電站防誤閉鎖智能校驗裝置在變電站中的應(yīng)用效果，以某220kV智能變電站工程項目為研究對象，對所設(shè)計裝置進(jìn)行了檢驗。該智能變電站工程項目主控制室和配電室采用裝配式建筑施工設(shè)計，依據(jù)模塊化和集成化設(shè)計理念布置保護控制系統(tǒng)。該智能變電站220kV采用雙母線主接線，110kV采用單母三分段接線，10kV采用單母分段接線，一次設(shè)備分別為HGIS、GIS和室內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備。

考慮到該智能變電站連接元件較多，研究給出了其中部分元件鄰接矩陣，如式（3）：

3.2應(yīng)用結(jié)果分析

為檢驗所設(shè)計的變電站防誤閉鎖智能校驗裝置的有效性和正確性，根據(jù)不同的操作項目設(shè)置操作票任務(wù)，利用所設(shè)計的智能校驗裝置獲取操作票，并將其實際變電站倒閘實際操作票進(jìn)行對比，得到操作票如表1。

通過人工檢驗可知，所設(shè)計的變電站防誤閉鎖智能校驗裝置得到的操作票是正確的。由此說明，所設(shè)計的變電站防誤閉鎖智能校驗裝置具有高度的正確性。

為進(jìn)一步分析所設(shè)計的變電站防誤閉鎖智能校驗裝置的優(yōu)越性，研究對比了所設(shè)計防誤閉鎖智能校驗裝置和現(xiàn)有防誤閉鎖智能校驗裝置的優(yōu)勢與缺點，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，所設(shè)計的防誤閉鎖智能校驗裝置通過使用專家系統(tǒng)和統(tǒng)一的知識庫，有效集成了操作票自動生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)，同時收集了錯誤的倒閘操作，相較于現(xiàn)有防誤閉鎖智能校驗裝置，具有更好的兼容性和更高的自動化程度。但由于專家系統(tǒng)是基于深度學(xué)習(xí)的智能系統(tǒng)，需要大量的學(xué)習(xí)樣本，因此在訓(xùn)練初期存在訓(xùn)練速度慢的問題，導(dǎo)致專家系統(tǒng)分析倒閘操作票需要運行多次。為解決該問題，可嘗試在知識庫中預(yù)先記錄一些確定的倒閘操作流程，加快深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

4結(jié)語

通過構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)和可用于整個裝置的知識庫，并集成現(xiàn)有的倒閘操作票生成系統(tǒng)和防誤操作閉鎖系統(tǒng)，增強了防誤閉鎖智能校驗裝置的自動化程度，實現(xiàn)了變電站防誤閉鎖智能校驗。通過在某220kV智能變電站上進(jìn)行仿真驗證，證明了所設(shè)計的防誤閉鎖智能校驗裝置的有效性和正確性，可自動生成操作票，并能將錯誤的操作票補充到知識庫中，具有良好的適應(yīng)性。相較于現(xiàn)有防誤閉鎖智能校驗裝置，所設(shè)計的防誤閉鎖智能校驗裝置具有更好的兼容性和更高的自動化程度。但由于所設(shè)計的防誤閉鎖智能校驗裝置中引入了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的樣本，因此，還存在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練初期存在訓(xùn)練速度慢，專家系統(tǒng)分析倒閘操作票需要運行多次的問題。為解決該問題，后續(xù)將嘗試在知識庫中預(yù)先記錄一些確定的倒閘操作流程，加快深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。