基于本體增強(qiáng)語(yǔ)義規(guī)則的復(fù)雜配電網(wǎng)安全作業(yè)控制研究與實(shí)現(xiàn)

顧建煒 張 鵬 秦 奮 洪建兵 黃衛(wèi)升

1(國(guó)網(wǎng)杭州供電公司 浙江 杭州 310016) 2(國(guó)網(wǎng)杭州市余杭區(qū)供電有限公司 浙江 杭州 311100) 3(珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司 廣東 珠海 519000)

0 引 言

當(dāng)前配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)一般依托關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建信息源，采用自定義腳本表達(dá)各種復(fù)雜的防誤邏輯規(guī)則，然后采用高級(jí)編程語(yǔ)言對(duì)防誤邏輯規(guī)則進(jìn)行解析。不同廠家的配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)所選取的數(shù)據(jù)庫(kù)、構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型、編寫的防誤邏輯規(guī)則腳本都各不相同。其中，防誤邏輯規(guī)則腳本普遍存在著編寫復(fù)雜、排查錯(cuò)誤困難、各廠家邏輯表達(dá)不統(tǒng)一等問(wèn)題[1]。各廠家的防誤邏輯基本靠手動(dòng)錄入，其正確性依靠專責(zé)人員人為主觀檢查。基于OWL構(gòu)建配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體可以解決知識(shí)源共享的問(wèn)題。用語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言SWRL(Semantic Web Rule Language)描述防誤邏輯規(guī)則可以解決不同廠家防誤邏輯規(guī)則表達(dá)不統(tǒng)一的問(wèn)題。另外，使用SWRL描述防誤邏輯規(guī)則把五防邏輯規(guī)則編寫和編程人員進(jìn)行了分離。

本文首先闡述了配電網(wǎng)安全作業(yè)知識(shí)體系；然后提出了基于OWL和SWRL的配電網(wǎng)安全作業(yè)系統(tǒng)防誤推理框架；接下來(lái)建立了配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體，并基于該領(lǐng)域本體建立了配網(wǎng)安全防誤SWRL推理規(guī)則；最后整合SWRL推理規(guī)則與Racer推理機(jī)進(jìn)行推理，驗(yàn)證了基于OWL和SWRL進(jìn)行電力安全防誤推理方法的有效性與正確性。本文基于SWRL提出面向電力安全的語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言e-SWRL，它集成了通用的電力安全防誤規(guī)則。

1 配電網(wǎng)安全作業(yè)知識(shí)體系

配電網(wǎng)安全作業(yè)知識(shí)體系從四個(gè)方面進(jìn)行闡述：電氣防誤規(guī)則、電力系統(tǒng)設(shè)備、場(chǎng)景、崗位職責(zé)。電力系統(tǒng)設(shè)備包括電力系統(tǒng)一次、二次設(shè)備。場(chǎng)景指操作場(chǎng)景，一般是調(diào)度操作場(chǎng)景或倒閘操作場(chǎng)景。崗位職責(zé)是指只有被授權(quán)的在崗人員才能進(jìn)行操作。電氣防誤規(guī)則即電氣五防[2]規(guī)則。電氣五防是指為確保人身和設(shè)備安全，在變電站、發(fā)電廠倒閘操作中防止發(fā)生的五種誤操作的簡(jiǎn)稱。電氣五防描述為：防止誤分、誤合斷路器；防止帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)或手車觸頭；防止帶電掛(合)接地線(接地刀閘)；防止帶接地線(接地刀閘)合斷路器(隔離開關(guān))；防止誤入帶電間隔。

為防止電氣誤操作，需要由崗位專責(zé)人員在嚴(yán)格遵守安全生產(chǎn)守則的前提下進(jìn)行電力調(diào)度或電氣倒閘操作。在生產(chǎn)環(huán)境中引入配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)可以避免各種人為因素導(dǎo)致的電氣誤操作。配電網(wǎng)安全作業(yè)知識(shí)體系如圖1描述，其中電力防誤規(guī)則是基礎(chǔ)和難點(diǎn)。

圖1 配電網(wǎng)安全作業(yè)知識(shí)體系

2 配電網(wǎng)安全作業(yè)系統(tǒng)防誤推理框架

本文設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)防誤推理框架采用分層結(jié)構(gòu)。其中位于最底層的是信息源，系統(tǒng)的信息源來(lái)自IEC61968標(biāo)準(zhǔn)體系和配電網(wǎng)安全防誤標(biāo)準(zhǔn)體系。知識(shí)層是對(duì)信息源的抽象，轉(zhuǎn)換層把SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)換成Racer推理機(jī)能識(shí)別的格式，Racer推理機(jī)給出推理結(jié)論。用戶層把Racer推理機(jī)給出的推理結(jié)論解析成用戶能看懂的形式傳送給用戶。

事實(shí)庫(kù)中的事實(shí)來(lái)源于三個(gè)方面的信息：設(shè)備信息、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息及CIM模型靜態(tài)描述信息(設(shè)備對(duì)象、拓?fù)溥B接關(guān)系等)。SWRL規(guī)則知識(shí)庫(kù)即電力系統(tǒng)防誤規(guī)則庫(kù)。

基于OWL和SWRL的配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)防誤推理框架，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)防誤推理框架

3 配電網(wǎng)安全作業(yè)系統(tǒng)防誤推理建模

3.1 配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體的構(gòu)建

本體(Ontology)最早是哲學(xué)上的一個(gè)概念。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，本體[3-6]是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說(shuō)明，它涵蓋四方面的內(nèi)容：概念模型、形式化、共享、明確。本體有5個(gè)建模原語(yǔ)：類、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例[7]。

Web本體描述語(yǔ)言O(shè)WL[8-9](Web Ontology Language)，是W3C推薦的標(biāo)準(zhǔn)本體描述語(yǔ)言。它基于XML并在RDF/RDFS的基礎(chǔ)上通過(guò)擴(kuò)充更多建模原語(yǔ)進(jìn)行描述[9]。OWL采用面向?qū)ο蟮姆绞絹?lái)描述領(lǐng)域知識(shí)，通過(guò)類和屬性描述對(duì)象，通過(guò)公理描述類和屬性的特征和關(guān)系。

Protégé[10]是國(guó)內(nèi)外本體研究機(jī)構(gòu)的首選工具，本文建模使用Protégé工具進(jìn)行，建模描述輸出也與Protégé的語(yǔ)法一致。

構(gòu)建本體的方法有多種，具有代表性的有骨架法、TOVE法、IDEF5法、METHONTOLOGY法、七步法、循環(huán)獲取法等。本文采取七步法。七步法[11]是一種比較通用的構(gòu)建領(lǐng)域本體的方法。其七個(gè)步驟分別是：

(1) 確定本體的專業(yè)領(lǐng)域；

(2) 考察復(fù)用現(xiàn)有本體的可能性；

(3) 列出本體中的重要術(shù)語(yǔ)；

(4) 定義類和類的等級(jí)體系；

(5) 定義類的屬性；

(6) 定義屬性的取值范圍；

(7) 依據(jù)概念創(chuàng)建實(shí)例。

根據(jù)七步法，確定本文構(gòu)建本體的專業(yè)領(lǐng)域?yàn)榕潆娋W(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域。該領(lǐng)域以電力系統(tǒng)設(shè)備和電力防誤規(guī)則為核心，電力防誤規(guī)則圍繞電力系統(tǒng)設(shè)備展開，電力系統(tǒng)設(shè)備建模以CIM模型為指導(dǎo)，本文構(gòu)建配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體時(shí)參考了CIM模型。

3.1.1配網(wǎng)安全作業(yè)術(shù)語(yǔ)定義

配電網(wǎng)安全作業(yè)有一些基本狀態(tài)定義，如設(shè)備合分狀態(tài)，拓?fù)鋶u或設(shè)備的帶電狀態(tài)、接地狀態(tài)、是否帶負(fù)荷，操作是否允許等。根據(jù)七步法第3步，模型對(duì)配電網(wǎng)安全作業(yè)使用到的基本概念進(jìn)行提煉總結(jié)，形成配網(wǎng)安全作業(yè)術(shù)語(yǔ)表，見表1。

表1 配網(wǎng)安全作業(yè)術(shù)語(yǔ)表

3.1.2配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體類/屬性建模

根據(jù)七步法，本體建模需要考察復(fù)用現(xiàn)有本體的可能性。本文在創(chuàng)建類和屬性時(shí)參考了IEC61968/61970 CIM模型。IEC61970 CIM模型中，核心包是基礎(chǔ)，電線包描述了電力系統(tǒng)一次設(shè)備信息，拓?fù)浒枋隽穗娏ο到y(tǒng)一次設(shè)備之間的拓?fù)溥B接關(guān)系。IEC61968 CIM模型擴(kuò)展了IEC61970 CIM模型，以滿足配網(wǎng)的需求。如果沒(méi)有特別說(shuō)明，本文提到的CIM模型，包括了IEC61968標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于配網(wǎng)的擴(kuò)展部分。

配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體參考CIM模型定義了以下類：基礎(chǔ)類IdentifiedObject；核心包下面的電力系統(tǒng)資源類PowerSystemResource、設(shè)備類Equipment、導(dǎo)電設(shè)備類CondutingEquipment、設(shè)備容器類EquipmentContainer、端子類Terminal、連接點(diǎn)類ConnectivityNode、連接點(diǎn)容器類ConnectivityNodeContainer；電線包下面的開關(guān)刀閘類Switch、開關(guān)類Breaker、刀閘類DisConnector、接地刀閘類GroundDisConnector、保護(hù)開關(guān)類ProtectedSwitch；拓?fù)浒旅娴耐負(fù)涔?jié)點(diǎn)類TopologicalNode、拓?fù)鋶u類TopologicalIsland；電力系統(tǒng)資產(chǎn)類Asset、資產(chǎn)容器類AssetContainer，密封類Seal。通過(guò)Protégé軟件搭建系統(tǒng)平臺(tái)，生成配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體模型描述見圖3。

圖3 知識(shí)庫(kù)本體模型

屬性用于斷言關(guān)于類成員的一般事實(shí)以及關(guān)于個(gè)體的具體事實(shí)，即作為概念與概念、概念與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系描述因子。屬性與其子屬性之間具有繼承效果。屬性的域描述了該屬性的主體可以是哪些類或類的實(shí)例，而屬性的取值范圍則描述了該屬性的客體可以是哪些類或?qū)嵗１疚慕⒌闹饕獙傩匀绫?所示。

表2 配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體屬性表

核心類/屬性描述見表3。表中通過(guò)Classes列和SubClassOf列表達(dá)出了類的層次關(guān)系，子類會(huì)繼承父類的屬性。以Switch為例，它繼承自類ConductingEquipment，它具備屬性isFromState exactly 1 SwitchState(有且只有一個(gè)起始開合狀態(tài))，它具備父類ConductingEquipment的關(guān)系include some Terminal(包含若干端子)和included exactly 1 TopologicalIsland(屬于且僅屬于一個(gè)拓?fù)鋶u)和isOneSideIncluded exactly 2 TopologicalIsland(單邊被2個(gè)拓?fù)鋶u包含)。

表3 配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體類/屬性表

3.2 基于e-SWRL的電力安全防誤操作推理

OWL的推理能力僅限于基于類的推理，若知識(shí)不能以類的方式表達(dá)，OWL的推理能力明顯不足。

SWRL擴(kuò)展了OWL的公理集，它可以彌補(bǔ)OWL推理能力不足的缺陷。因此可以選擇使用OWL建立本體模型，再結(jié)合SWRL完善其推理能力。

e-SWRL是本文提出的面向電力安全的語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言，它基于SWRL并集成了電力防誤操作規(guī)則。

本節(jié)提煉出了電氣五防五種經(jīng)典誤操作的推理規(guī)則，并以“帶接地送電”為例描述推理過(guò)程。

3.2.1e-SWRL五防推理規(guī)則

電氣經(jīng)典誤操作在e-SWRL推理規(guī)則包中核心的有以下5條：

e-Rule1對(duì)應(yīng)場(chǎng)景：防止誤分合斷路器(負(fù)荷開關(guān))，即合環(huán)、解環(huán)、并列或解列的情況。推理表達(dá)式為：

ProtectedSwitch(?e)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?e,?t1)∧

isOneSideIncluded(?e,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Power)→

(CanOperate(?e,Warning)。

e-Rule2對(duì)應(yīng)場(chǎng)景：防止帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)或手車觸頭，即拉合隔離開關(guān)時(shí)，禁止造成電源和負(fù)荷設(shè)備連接在一起，或?qū)㈦娫春拓?fù)荷設(shè)備分開。推理表達(dá)式為：

Disconnector(?d)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?d,?t1)∧

isOneSideIncluded(?d,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?d,Forbid)。

e-Rule3對(duì)應(yīng)場(chǎng)景：防止帶電掛(合)接地線(接地刀閘)，即拉合隔離開關(guān)時(shí)，禁止造成電源和負(fù)荷設(shè)備連接在一起，或?qū)㈦娫春拓?fù)荷設(shè)備分開。推理表達(dá)式為：

GroundDisconnector(?g)∧isFromState(?g,State_0)∧

isToState(?g,State_1)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?g,?t1)∧

isOneSideIncluded(?g,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?g,Forbid)。

e-Rule4對(duì)應(yīng)場(chǎng)景：防止帶接地線(接地刀閘)送電(合隔離開關(guān))，即送電時(shí)禁止合上保護(hù)開關(guān)，造成電源和接地點(diǎn)連接在一起。推理表達(dá)式為：

ProtectedSwitch(?e)∧isFromState(?e,State_0)∧

isToState(?e,State_1)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?e,?t1)∧

isOneSideIncluded(?e,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?e,Forbid)。

e-Rule5對(duì)應(yīng)場(chǎng)景：防止誤入帶電間隔，即設(shè)備容器內(nèi)的設(shè)備有電網(wǎng)門，則禁止打開網(wǎng)門。推理表達(dá)式為：

Seal(?s)∧isFromState(?e,Locked)∧

isToState(?e,Open)∧AssetContainer(?a)∧

include(?a,?s)∧Asset(?x)∧include(?a,?x)∧

ConductingEquipment(?c)∧include(?x,?c)∧

TopologicIsland(?t1)∧included(?c,?t1)∧

hasPowerState(?t1,Power)(CanOperate(?s,Forbid)。

3.2.2“帶接地送電”SWRL推理規(guī)則解析

給線路送電一般是通過(guò)將變電站或開閉所的線路間隔轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)來(lái)完成，在操作之前母線是帶電的，如果此時(shí)線路上有檢修接地點(diǎn)，在合上線路斷路器時(shí)，將會(huì)造成母線上的電壓連接到線路的接地點(diǎn)，造成接地短路。在配網(wǎng)安全作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行拉合開關(guān)操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行分析判斷，如果符合帶接地送電的模型，則給出不能進(jìn)行此操作的提示。帶接地送電建模本體關(guān)系圖如圖4所示。ProtectedSwitch對(duì)象兩側(cè)分別關(guān)聯(lián)兩個(gè)不同的拓?fù)鋶u(TopologicIsland)，其中一個(gè)拓?fù)鋶u為帶電狀態(tài)(Power)，另一個(gè)拓?fù)鋶u為接地狀態(tài)(Ground)，ProtectedSwitch對(duì)象狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從State_0到State_1,即拉合操作，推理結(jié)論是Forbid，即禁止這種狀態(tài)下進(jìn)行拉合操作。

圖4 帶接地送電建模本體關(guān)系圖

帶接地送電規(guī)則用SWRL規(guī)則描述如下：

ProtectedSwitch(?e)∧isFromState(?e,State_0)

∧isToState(?e,State_1)∧TopologicIsland(?t1)

∧TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?e,?t1)

∧isOneSideIncluded(?e,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)

∧hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?e,Forbid)

對(duì)規(guī)則解析如下：ProtectedSwitch(?e)表示e是ProtectedSwitch的一個(gè)實(shí)例;isFromState(?e,State_0)表示e當(dāng)前狀態(tài)為0;isToState(?e,State_1)表示e要變位為1;TopologicIsland(?t1)表示t1是一個(gè)TopologicIsland實(shí)例;TopologicIsland(?t2)，表示t2是一個(gè)TopologicIsland實(shí)例;isOneSideIncluded(?e,?t1)表示e的一側(cè)關(guān)聯(lián)拓?fù)鋶ut1;isOneSideIncluded(?e,?t2)表示e的一側(cè)關(guān)聯(lián)拓?fù)鋶ut2;differentfrom(?t1,?t2)表示t1和t2是不同的實(shí)例；hasPowerState(?t1,Power)表示t1當(dāng)前是的狀態(tài)是帶電狀態(tài)；hasGroupState(?t2,Gound)表示t2的當(dāng)前狀態(tài)是接地狀態(tài)；CanOperate(?e,Forbid)表示推出的結(jié)論是不能對(duì)e進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作。翻譯成人類語(yǔ)言即：當(dāng)拉合開關(guān)時(shí)，如果開關(guān)所在拓?fù)鋶u一側(cè)處于帶電狀態(tài)，另一側(cè)處于接地狀態(tài)，這時(shí)不允許進(jìn)行拉合操作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)圖5所示接線圖,由于接地刀閘9036處于閉合狀態(tài)，拉合612開關(guān)進(jìn)行送電，會(huì)導(dǎo)致短路，因此操作是不允許的。系統(tǒng)從事實(shí)庫(kù)獲取的狀態(tài)信息見表4,Racer推理結(jié)果見表5。

圖5 接線圖實(shí)例

表4 設(shè)備狀態(tài)信息表

表5 推理結(jié)果表

可見，基于OWL和e-SWRL的配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)其推理結(jié)果和傳統(tǒng)的五防系統(tǒng)判斷結(jié)果一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于OWL+e-SWRL的配電網(wǎng)安全作業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力安全規(guī)則與實(shí)現(xiàn)邏輯的分離。

本體的核心功能是知識(shí)共享，通過(guò)減少概念和術(shù)語(yǔ)上的歧義，使得來(lái)自不同背景、持不同觀點(diǎn)和目的的人員之間交流成為可能，并保持語(yǔ)義上的一致性。鑒于CIM RDF構(gòu)建OWL的本體具有通用性和復(fù)用性，在任何一個(gè)防誤信息系統(tǒng)都可復(fù)用，從而解決了不同防誤信息系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的不兼容問(wèn)題。

SWRL語(yǔ)言的規(guī)范性，使得防誤邏輯也可以得到標(biāo)準(zhǔn)一致的表達(dá)。e-SWRL具有強(qiáng)推理性，它集成了電力安全防誤操作領(lǐng)域的推理規(guī)則和推理方法，使得電力安全規(guī)則及其邏輯推理不必再完全依賴開發(fā)人員。隨著安全知識(shí)發(fā)展，如有新的安全規(guī)則或本體需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)充，只需按照規(guī)范修改規(guī)則庫(kù)，而不再依賴程序開發(fā)人員編碼。

本文建立的配網(wǎng)安全作業(yè)領(lǐng)域本體需要進(jìn)一步細(xì)化，目前e-SWRL只實(shí)現(xiàn)了電力安全操作防誤規(guī)則，可以擴(kuò)充電力安全領(lǐng)域其它推理因子，使其更具完備性和實(shí)用性。