基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的設計

朱子坤，李文朝，王 飛，陳槾露

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司茂名供電局 廣東 茂名525000；2.東方電子股份有限公司 山東 煙臺264000）

基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的設計

朱子坤1，李文朝1，王 飛2，陳槾露1

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司茂名供電局 廣東 茂名525000；2.東方電子股份有限公司 山東 煙臺264000）

為準確及時獲取電網(wǎng)故障關鍵信息和提高電網(wǎng)智能故障診斷的實用化水平，提出一種基于特征映射的電力設備故障診斷方法，設計和實現(xiàn)了一種地區(qū)電網(wǎng)智能告警系統(tǒng)。某地區(qū)電網(wǎng)智能故障診斷專家系統(tǒng)的建設及示范應用情況表明，此系統(tǒng)可定制、可復用，在電網(wǎng)運行監(jiān)視方面有良好的應用前景。

故障診斷；特征量；虛擬映射；邏輯表達；專家系統(tǒng)

近年來，電網(wǎng)規(guī)模高速擴展，電網(wǎng)運行信息呈海量化的現(xiàn)象。一個地級電網(wǎng)調(diào)度主站，每天電網(wǎng)運行信息量超過20 000條，臺風等惡劣天氣情況下，告警信息量甚至會劇增10倍，為電網(wǎng)運行監(jiān)控帶來嚴重困難。為迅速獲取電網(wǎng)運行故障信息以及電網(wǎng)設備異常信息，需引入智能技術手段。

目前，智能故障分析的方法有基于信息分類的故障分析和基于信息描述的故障分析兩種。基于信息分類的故障分析，對不同類別的告警信息賦予不同的告警等級，對不同等級或事故分窗口顯示，只提供信息篩選和分類手段，仍然依賴人工分析，不具備故障自動診斷分析功能；基于信息描述的故障分析，通過告警信息中的關鍵字符信息建立推理規(guī)則，發(fā)生告警信息后，通過字符串匹配方式進行故障分析，該方法往往由于告警信息描述不規(guī)范、規(guī)則依賴于程序，使得告警推理規(guī)則存在繁瑣復雜、有效性差、難以適應電網(wǎng)發(fā)展等問題，無法滿足調(diào)度運行需求。

文中提出一種基于特征映射的電力設備故障診斷專家系統(tǒng)，即通過提取電網(wǎng)中設備運行信息的特征量，運用虛擬映射技術建立故障診斷專家系統(tǒng)。在此基礎上，設計和實現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)智能告警系統(tǒng)（下文簡稱“智能告警系統(tǒng)”），并在某地區(qū)電網(wǎng)進行建設及示范應用。

1　系統(tǒng)功能設計

該智能告警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)輸入來自3個子系統(tǒng)，分別是 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）、保信（保護信息及故障錄波系統(tǒng)）和PAS（Power Advanced Software，電力高級應用軟件）。3個子系統(tǒng)的告警信息經(jīng)智能告警服務器處理，產(chǎn)生告警分析結(jié)果。為符合運行人員的監(jiān)控習慣，分析結(jié)果的展示嵌入SCADA子系統(tǒng)，在SCADA的告警窗口展示。

智能告警服務器加載規(guī)則配置器設置的規(guī)則，接收3個子系統(tǒng)的告警信息，基于規(guī)則完成推理分析。本質(zhì)上，智能告警系統(tǒng)是一個專家系統(tǒng)，是一個具有大量的電力設備故障診斷知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　專家系統(tǒng)實現(xiàn)方法

基于特征映射技術的智能告警系統(tǒng)其分析對象是告警信息。告警信息反映的是電網(wǎng)中設備的運行狀態(tài)。每個電力設備都被分解為一個或多個告警對象。當電網(wǎng)自動化系統(tǒng)檢測到某個電力設備的運行狀態(tài)發(fā)生變化，就會基于其對應的告警對象，生成告警信息，而告警信息包含有時間標簽、告警對象和狀態(tài)描述等要素。因此，基于特征映射技術的電力設備故障診斷實現(xiàn)應包括定義告警信息空間特征、定義告警信息故障屬性特征、建立基于特征映射專家?guī)臁⑼评頇C邏輯設計4個步驟。

2.1告警信息的空間特征

告警信息的空間特征定義包括設備空間定義和功能部件定義。

告警信息的設備空間定義就是確定告警信息所屬的空間層次。告警信息是基于告警對象產(chǎn)生的，而告警對象來自于電力設備。通過“告警信息→告警對象→電力設備”這樣的路徑，能確定告警對象所述設備。

告警信息的功能部件定義是確定告警信息的空間特征顆粒度大小的關鍵。功能部件顆粒度太大，故障診斷結(jié)果粗，難以確定詳細的故障點；而顆粒度太小，則會導致告警信功能部件特征復雜，基于功能部件映射邏輯復雜，推理規(guī)則描述復雜。

空間特征映射，就是把告警信息的空間特征映射到編碼的過程。通過“告警信息→告警對象→電力設備”（在主站側(cè)實現(xiàn)）和“電力設備→編碼”（在變電站側(cè)已實現(xiàn)），就能實現(xiàn)“告警信息→編碼”，即完成告警信息的空間特征定義。

2.2告警信息故障屬性特征

故障診斷的關鍵步驟在于明確告警信息所表述的設備運行故障信息，即明確告警信息的內(nèi)在屬性。根據(jù)電網(wǎng)運行情況，可將告警信息分為事故類告警信息和異常類告警信息。前者表示存在事故跳閘故障，主要是保護動作告警信息；后者則表示設備運行異常故障，主要為一般異常告警信息。根據(jù)電網(wǎng)運行故障特征，為電網(wǎng)運行告警信息定義其故障屬性特征。

2.3基于特征映射的專家?guī)?/p>

建立基于特征映射的專家?guī)欤P鍵是把自然語言描述的規(guī)則轉(zhuǎn)化為計算機能夠識別的邏輯表達式。在告警信息定義完成后，可獲取電網(wǎng)運行告警信息的空間屬性和信息屬性的特征信息，并通過虛擬映射邏輯，將特征信息量映射為數(shù)字量，結(jié)合告警信息屬性及告警對象空間特征，即可將專家?guī)斓耐评硪?guī)則映射為邏輯表達式。表達式的元素定義為（空間特征，故障屬性，狀態(tài)），其中空間特征即告警信息的空間層次和功能部件，采用窮舉法，為每個層次、部件定義編碼，在每個元素中占據(jù)2個字節(jié)；故障屬性已定義編碼，在每個元素中占據(jù)4個字節(jié)；狀態(tài)包括0或1，在每個元素中占據(jù)1個字節(jié)。對于異常類智能故障推理規(guī)則一般為單一推理，為實現(xiàn)延時或抖動等智能故障診斷推理規(guī)則，還需加入計時器或計數(shù)器功能。

示例1：事故跳閘類智能故障診斷推理規(guī)則：“110 kV××線兩側(cè)主保護動作事故跳閘，重合成功。”

自然語言描述的推理規(guī)則：

（（110 kV線路間隔/保護裝置/110 kV線路保護 動作）and（本間隔/開關 分位）and（本間隔/保護裝置/重合閘動作動作）and（本間隔/開關 合位））and（（對側(cè)間隔/保護裝置/ 110 kV線路保護 動作）and（對側(cè)間隔/開關 分位）and（對側(cè)間隔/保護裝置/重合閘動作動作）and（對側(cè)間隔 開關合位））

對上述自然語言表述的推理規(guī)則，根據(jù)特征量映射后可建立如下信息匹配邏輯表達式：

1）信息所屬間隔相同；

2）信息所屬線路編碼相同，為EAF**（**為序列碼）

3）信息廠站編碼分別為線路兩側(cè)廠站代碼；

4）本側(cè)：（4 000=1）&&（1 001=0）&&（4 007=1）&&（1 001=1）

5）對側(cè)：（4 000=1）&&（1 001=0）&&（4 007=1）&&（1 001=1）

其中4 001為110 kV線路保護信息屬性映射編碼，4 007 為110 kV線路重合閘信息屬性映射編碼，1001為線路開關位置狀態(tài)映射編碼。

示例2：設備異常類智能故障診斷推理規(guī)則：“直流系統(tǒng)母線接地故障”。

自然語言描述的推理規(guī)則為:

公用設施區(qū)/直流系統(tǒng)間隔/直流系統(tǒng)母線接地告警動作

基于特征量映射的邏輯表達式為：

1）信息所屬廠站代碼相同，

2）信息所屬間隔（設備容器）編碼，且為PDB**（**為序列碼）；

3）所屬設備編碼為BCB***；

4）信息屬性編碼為：5 003=1

其中5 003為直流系統(tǒng)母線接地告警信息屬性映射編碼。

2.4推理機邏輯設計

推理機程序流程如圖2所示。

圖2　推理流程圖

推理機處理系統(tǒng)接收的各種告警信息，先過濾檢修、調(diào)試信息，再根據(jù)告警等級進一步過濾告警信息（濾除告警等級低的告警信息），然后捕捉推理機啟動信號，即保護動作類或開關變位類告警信息。當推理機捕捉到一個啟動信息，獲取告警信息對應的空間特征，并把其空間特征作為基準空間特征，分析啟動信號前10秒后25秒（時間可配置）的所有告警信息，用匹配規(guī)則的方法來推理，診斷故障。如圖3的規(guī)則，設推理機捕獲 “10 kV線路保護動作”，其間隔編碼為EAF05，那么，匹配規(guī)則時，就是在設定時間段告警信息里，找間隔編碼也是EAF05，而故障屬性是6 005和1 001的告警信息，再匹配狀態(tài)值，能找到表達式里規(guī)定的各個元素，就推送結(jié)果；否則匹配失敗。

圖3　規(guī)則編輯

3　系統(tǒng)開發(fā)平臺與工具選取

該智能告警系統(tǒng)的軟件采用C++/JAVA編程，以QT作為界面開發(fā)技術，這樣開發(fā)的智能告警系統(tǒng)能夠在各個平臺/操作系統(tǒng)上方便的移植。

4　實驗應用

以下以某地區(qū)電網(wǎng)智能故障診斷專家系統(tǒng)的建設，說明基于特征映射的智能告警系統(tǒng)的應用情況。

4.1面向用戶的人機界面

該地區(qū)智能告警系統(tǒng)目前配置故障診斷規(guī)則112條 （包括事故推理規(guī)則64條，設備異常推理規(guī)則48條）。用戶結(jié)合電網(wǎng)運行的實際情況，用自然語言實現(xiàn)電網(wǎng)故障診斷規(guī)則的自定義，通過邏輯表達式的方式保存，由邏輯表達式實現(xiàn)規(guī)則和代碼的解耦。當推理機接收到對應告警信息時，便自動匹配對應邏輯表達式，從而實現(xiàn)電網(wǎng)設備故障診斷，并自動生成推理報告。故障診斷的告警結(jié)論作為一條綜合告警信息在系統(tǒng)智能告警欄展示，并能調(diào)閱詳細告警信息。智能告警人機界面如圖4所示。

圖4　結(jié)果展示

4.2海量電網(wǎng)運行信息的壓縮

對于110 kV以上線路事故跳閘，通常會產(chǎn)生大量告警信息，相關告警信息數(shù)目甚至可以上百條，調(diào)度運行人員難以在短時間內(nèi)獲取關鍵信息，定位電網(wǎng)故障。根據(jù)系統(tǒng)的應用情況可知，經(jīng)過智能告警系統(tǒng)處理后，上送上百條相關實時告警的線路跳閘，只會生成一條告警結(jié)論。根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)日告警信息量抽樣統(tǒng)計分析可知，每日實時告警信息量大約為10 000-30 000條，而專家系統(tǒng)生成的告警結(jié)論僅有幾十條，如圖5所示。

圖5　告警信息對比圖

可見，基于特征映射的故障診斷專家系統(tǒng)可實現(xiàn)海量告警信息壓縮，監(jiān)控模式從基于告警對象監(jiān)控到基于事件監(jiān)控，大大減輕調(diào)度監(jiān)控人員的監(jiān)控工作量。

4.3電網(wǎng)異常信息的準確推理

某地區(qū)故障診斷專家系統(tǒng)，利用其規(guī)則面向用戶的特性，運行期間不斷分析完善，事故推理正確率不斷提高，其中，4月事故推理正確率已達到100%。

表1　推理正確率統(tǒng)計

5　結(jié)束語

基于特征映射的智能告警系統(tǒng)，通過獲取電網(wǎng)運行告警信息所屬調(diào)度對象的特征信息，包括空間位置特征量以及其所表征的調(diào)度對象內(nèi)在運行狀態(tài)，并建立這些特征信息的虛擬映射邏輯，將自然語言描述的推理規(guī)則映射為計算機邏輯表達式，提高計算機處理效率。其規(guī)則庫對用戶完全透明，面向用戶的智能故障診斷規(guī)則編輯，可根據(jù)實際運行情況隨時更新，為建立準確的智能故障診斷推理邏輯提供精確的邏輯匹配規(guī)則，為智能故障診斷系統(tǒng)實用化運行打下基礎，提高調(diào)度系統(tǒng)智能化水平，實現(xiàn)電網(wǎng)運行故障信息的自診斷。

該系統(tǒng)不依賴于告警信息描述，規(guī)則編輯簡單，推理過程準確，運行效率高，可復制推廣應用于調(diào)度自動化系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)及配用電自動化系統(tǒng)等各類電網(wǎng)自動化系統(tǒng)。

[1]劉飛.基于人工智能的電力系統(tǒng)報警處理方法[D].天津：天津大學，2005.

[2]劉世欣.基于故障樹的變電設備故障診斷專家系統(tǒng)[D].北京：華北電力大學，2007.

[3]喬飛.具有可變規(guī)則的專家系統(tǒng)在電力輸電線路故障診斷與監(jiān)測中的應用研究[D].南京：南京理工大學，2008.

[4]胡文平.基于智能信息融合的電力設備故障診斷新技術研究[D].武漢:華中科技大學，2005.

[5]彭飄.基于根本原因法的智能變電站故障診斷模型的研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[6]秦倩.基于故障錄波數(shù)據(jù)的繼電保護動作特性分析系統(tǒng)[D].長沙：湖南大學，2014.

[7]許祖豐.基于驅(qū)動模型的變電站智能告警應用軟件研究與設計[D].南京理工大學，2014.

[8]劉友波等.電力系統(tǒng)連鎖分析故障和應用[J].電力系統(tǒng)保護與制，2013，41（10）:149-153.

[9]趙偉.地區(qū)電網(wǎng)故障診斷與報警分析的研究[D].北京：中國電力科學研究院，2005.

[10]林斌.產(chǎn)生式規(guī)則在電力設備故障診斷中的應用[D].重慶：重慶大學，2005.

[11]林劍.變電站故障信息分析系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[12]方為洲.電力主設備在線檢測系統(tǒng)及故障診斷方法的研究[D].南京：東南大學，2007.

[13]胡卓鴻.利用SCADA及故障信息系統(tǒng)智能判別電網(wǎng)故障[J].江西電力職業(yè)技術學院學報，2009，22（1）:35-38.

[14]楊洪耕.地區(qū)電網(wǎng)智能告警系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，23（2）:106-109.

[15]姬書軍.變電站智能告警專家系統(tǒng)研究 [J].華東電力，2011，39（5）:773-775.

[16]王強.青島電網(wǎng)智能告警專家系統(tǒng)應用分析[J].能源技術經(jīng)濟，2011，23（5）:14-17.

[17]侯方迪.調(diào)控一體化電網(wǎng)綜合智能告警技術的應用 [J].浙江電力，2013（12）:71-72.

Design of intelligent alarm system based on feature mapping

ZHU Zi-kun1，LI Wen-chao1，WANG Fei2，CHEN Wan-lu1
（1.Maoming Power Supply Bureau，Maoming 525000，China；2.Dongfang Electronics，Yantai 264000，China）

In order to obtain the critical information of the power grid fault and improve the practical level of intelligent fault diagnosis，a new method for power equipment fault diagnosis based on feature mapping is proposed，which is designed and implemented.The constructionanddemonstrationofintelligentfaultdiagnosisexpertsystemforaregionalpowernetworkshowsthat thesystemcanbecustomizedandreused，andhasgoodapplicationprospectintheoperationandmonitoringofthepowernetwork.

fault diagnosis；characteristic quantity；virtual mapping；logic expression；expert system

TN99

A

1674－6236（2016）22-0100-04

2015-11-18稿件編號：201511178

朱子坤（1977—），男，廣西靈山人，高級工程師。研究方向：電力系統(tǒng)運行與控制。