基于有限狀態機的變電站倒閘操作票生成方法

馮子文，朱永利

（華北電力大學控制與計算機工程學院，河北省 保定市 071003）

0 引言

在電力系統中，變電站作為一個非常重要的部分，具有不可或缺的作用，在對變電站設備檢修或電力系統運行方式進行調整時，需編寫倒閘操作票。變電站倒閘操作票是操作人員安全進行倒閘操作的依據，是變電站運行管理的重要方式，同時也是對相關工作人員及電氣設備的安全保障。在工作人員對操作票進行一系列審核并確定沒有任何錯誤以后，操作人員才能進行相關操作。正確的操作票是保證變電站倒閘操作的基礎，誤操作造成人身傷亡或系統事故的案例屢見不鮮[1]。目前，操作票的編寫主要是由人工以手寫的方式完成，一方面是為了使操作人員熟悉對設備的操作，另一方面是從安全角度考慮，保障出票的正確性。但是，由于編寫人員的技術水平、經驗知識差異性很大，再加上變電站結構的復雜性，不僅有一次設備的操作，還有二次設備保護裝置，要開出繁瑣且準確的操作票具有一定的難度。另外，由于寫票人員難免存在疏忽，且目前大量無人值守變電站的倒閘操作是由一個操作大隊負責完成，到了春秋檢修季節，寫票的任務非常集中。因此，研究操作票的自動生成方法非常必要。

變電站操作票開票方法主要分為2類：典型操作票開票[2]和智能系統開票[3-5]。典型操作票是事先寫好并存儲在計算機中，如不同線路的斷路器檢修時的操作票僅替換斷路器編號即可，這種方法相比于手工開票在效率上有很大的提升，但是由于調用典型票不具有智能性，當電網結構發生變化或進行復雜操作時，典型操作票就不再適用了。智能系統開票根據變電站一次系統的特點和操作任務自動生成操作票，不僅可以在很大程度上擺脫人為因素的干預，而且能夠簡化開票流程，實現一鍵式操作，使工作人員可以快速、準確地開出操作票，這樣也大大減輕了工作人員的壓力。因此，與典型操作票開票系統相比，使用智能系統進行開票更適用。雖然很多地方擁有自動開票系統，但是由于系統本身的限制，不足以保證開票的正確性，如很多地方使用的“五防”開票系統需要操作人員按照提示人工選擇開票步驟，并且出票內容一般只涉及一次設備的操作，幾乎沒有涉及二次設備操作，形成的不是完整的操作票。變電站的倒閘操作基本上都是一次設備與二次設備的配合，因此，“五防”開票系統開出的操作票具有不完整性和風險性。

針對以上問題，本文研究了一種基于有限狀態機(finite state machine，FSM)的變電站倒閘操作票智能生成方法，該方法不僅能夠實現一鍵式智能開票，簡化了開票流程，還引入了對二次設備的操作，使編寫的操作票更加完整。

1 變電站操作設備與狀態分析

倒閘操作即電氣設備狀態之間的轉換[6]。電力系統中的設備一般具有4種狀態：運行、熱備用、冷備用、檢修。一般情況下，運行狀態即開關、刀閘處于合位，接地刀閘處于開位，保護投入；熱備用狀態即開關處于開位，刀閘處于合位，接地刀閘處于開位，保護投入；冷備用狀態即開關、刀閘處于開位，接地刀閘處于開位，保護投入；檢修狀態即開關、刀閘處于開位，接地刀閘處于合位，保護退出。只有相鄰狀態之間可以進行轉換，不能跨狀態操作，即狀態操作具有順序性，某種設備狀態的變化會使關聯設備的狀態發生相應的變化，即狀態操作具有關聯性。通過對斷路器、隔離開關、接地刀閘等一次設備的操作，以及控制和信號裝置、繼電保護及自動裝置、直流電源設備等二次設備的操作，完成電氣設備的狀態轉換(即運行方式的改變)，如圖1所示。

圖1 倒閘操作狀態轉換Fig.1 Switching operation state transition

在操作票生成過程中，每個電氣設備在進行狀態轉換時都滿足操作約束條件。如：停、送電操作時，先停負荷側，后停電源側，送電時，順序與之相反。對于二次設備，如對主變進行停電操作時，需合上相應的中性點隔離開關，在合上開關前必須先投入零序過流壓板。雙母線進行倒母線操作時，在斷開母聯開關控制電源前，必須先投入母線互聯壓板；對線路、母線進行充電時，在合上開關前必須投入充電功能壓板。因此，對于操作票中的每一個操作設備，都有對應的防誤操作邏輯，即操作內容之間都有先后操作順序。在倒閘操作過程中，當設備事件的約束條件滿足要求時將進行狀態轉換，在可操作設備集合中的相關設備事件都完成轉換，即滿足倒閘操作狀態轉換的條件時，可實現由現狀態到次狀態的轉換。

2 基于FSM的生成方法

2.1 操作任務解析

變電站倒閘操作的主要內容是對電氣設備進行有序操作。因此，通過對操作任務進行解析來提取設備信息是倒閘操作的前提條件。本文通過對操作任務進行決策分類，再結合一次主接線圖提取電氣設備信息。

自然語言處理中的中文分詞算法是文本處理的一項重要技術[7-12]。使用中文分詞算法對操作任務進行分詞操作，得到各類屬性值，如操作對象屬性、狀態屬性、操作任務類型屬性等。本文采用Python的第三方詞庫(jieba分詞詞庫)進行分詞操作。由于操作任務術語具有很高的專業性，為了能夠使分詞達到一個很好的效果，需設置自定義詞典進行分詞，通過對比其內置詞典使準確性更高，對比結果表1所示。

表1 操作任務分詞結果對比Tab.1 Comparison of operation task word segmentation results

采用圖數據庫將變電站一次主接線圖進行表示和存儲[13]。通過解析結果得到各類屬性值，再利用基于間隔模型[14]的思想對設備節點進行搜索，從而提取出相關設備信息，如圖2所示。

圖2 設備信息提取Fig.2 Equipment information extraction

2.2 FSM

FSM又稱有限狀態自動機，是表示有限個狀態及這些狀態間的轉移、動作等行為的數學模型[15]。FSM易編寫、運行效率高的特點使其在計算機、通信、工業設計、數字邏輯設計等領域被廣泛應用[16-22]。FSM可用一個五元組M表示，即

式中：S為有限狀態集合；C為輸入事件的集合；T為狀態轉移函數；S0為初始狀態；Sn為目標狀態。

為了更加直觀地描述上述模型，通過狀態轉移圖的形式進行表達，如圖3所示。

圖3 狀態轉移示意圖Fig.3 Schematic diagram of state transition

狀態轉移由轉移函數T確定，與當前狀態和輸入事件決定，函數T可記為

式中：Si和Si+1表示2個相鄰狀態，且Si,Si+1∈S，Li表示從Si轉移到Si+1需滿足的條件，即Si在Li的觸發條件下轉移到Si+1。同理，Si+1在Li+1的觸發條件下轉移到Si，可記為T(Si+1,Li+1)=Si。

2.3 模型映射關系建立

根據變電站結構特點，FSM可直觀、準確地描述倒閘操作的規劃流程，建立變電站倒閘操作與FSM的映射關系，如表2所示。

表2 變電站倒閘操作與FSM的映射關系Tab.2 Mapping relationship between substation switching operation and FSM

在變電站倒閘操作過程中，觸發狀態轉換的條件是關于一次設備和二次設備的操作事件，對于每一個操作事件，其本質是對相應設備進行操作，如一次設備中拉開或者合上斷路器、隔離開關、接地倒閘等，二次設備中斷開或者合上空氣開關、保護的投退等。因此，變電站倒閘操作可以細化為電氣設備狀態改變的操作。建立電氣設備事件與FSM的映射關系，如表3所示。

表3 電氣設備事件與FSM的映射關系Tab.3 Mapping relationship between electrical equipment events and FSM

2.4 模型求解

基于FSM的變電站倒閘操作票生成模型的求解思路是：從初始狀態S0開始，通過狀態轉移函數進行轉移，當轉移至目標狀態Sn時，模型求解完成。具體步驟如下：

1）通過解析操作任務，獲取倒閘操作初始狀態S0、目標狀態Sn，提取可操作設備集C。

2）以C中每一個操作設備事件作為狀態，以倒閘操作初始狀態作為初始輸入信號，之后以集合M作為輸入信號。

3）驅動FSM，根據設備狀態轉移函數T對設備狀態進行轉移，將轉移后的設備事件添加到集合M，集合M中的設備事件將作為其他設備轉換的輸入信號，返回步驟2）。

4）當狀態轉移至目標狀態時，終止FSM運行。

5）將集合M中的設備事件通過輸出函數進行規范化輸出，完成設備操作序列生成。

在操作票生成內容上，本文將其分成了2部分，如圖4所示：一部分是操作事實內容，即集合M；另一部分為確認事實內容。操作事實描述了一次和二次設備操作；確認事實是對操作設備狀態的確認檢查。因此，輸出函數就是將集合M中的每一條操作事實進行確認，然后輸出，這樣就形成了完整的操作票內容。操作序列生成的整個流程如圖5所示。

圖4 操作票內容組成Fig.4 Composition of operation ticket

圖5 操作序列生成流程圖Fig.5 Flow chart of operation sequence generation

3 算例

以某地區220 kV變電站為例，給定3種不同類型的操作任務，進行基于FSM的變電站倒閘操作票智能生成方法驗證。

3.1 220 kV城布牽線251線路及斷路器由運行轉檢修

通過操作任務解析得到電氣屬性值。狀態屬性值：初始狀態為運行；目標狀態為檢修。操作票類型為線路操作(251線路)；操作對象為251線路、251斷路器；電壓等級為220 kV。根據操作規范及約束條件，251線路操作各設備從初始狀態到目標狀態中的開、合狀態如表4所示。

表4 251線路操作各設備開、合狀態Tab.4 Opening and closing status of each equipment for the 251 line operation

在狀態轉換過程中，通過比較相鄰狀態下各電氣設備所處狀態是否一致，判斷該設備是否需要進行狀態轉換。若設備所處狀態一致，跳過該設備的狀態轉換；若設備所處狀態不一致，對該設備進行狀態轉換。

根據模型求解算法，運行過程如下：

S0=“運行”，Sn=“檢修”

L1(251斷路器)：

T(合上,S0,拉開)，M={L1}。

T(運行,L1)=S1，S1=“熱備用”，S1≠Sn。

L2(2516隔離開關)：

T(合上,S1,拉開)，M={L1,L2}。

L3(2511隔離開關)：

T(合上,L2,拉開)，M={L1,L2,L3}。

T(S1,(L2,L3))=S2，S2=“冷備用”，S2≠Sn。

L4(251線路電壓互感器二次空氣開關)：

T(合上,S2,斷開)，M={L1,L2,L3,L4}。

L5(25127接地刀閘)：

T(拉開,L4,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5}。

L6(25167接地刀閘)：

T(拉開,L5,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6}。

L7(251617接地刀閘)：

T(拉開,L6,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7}。

L8(251城布牽線CSC電流差動保護)：

T(投入,L7,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8}。

L9(251城布牽線RCS電流差動保護)：

T(投入,L8,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9}。

T(S2,(L4,L5,L6,L7,L8,L9))=S3，S3=“檢修”，S3=Sn，FSM終止運行。

將M中設備事件通過輸出函數規范化輸出，完成設備操作序列生成，實現操作票自動生成。

3.2 220 kV 219電壓互感器由運行轉檢修

通過解析操作任務，得到各類屬性值。狀態屬性值：初始狀態為運行；目標狀態為檢修。操作票類型為電壓互感器(potential transformer，PT)操作；操作對象為219電壓互感器；電壓等級為220 kV。根據操作規范及約束條件，219電壓互感器操作各設備從初始狀態到目標狀態中的開、合狀態如表5所示。

表5 219電壓互感器操作各設備開、合狀態Tab.5 Opening and closing status of each equipment for the 219 PT operation

根據模型求解算法，狀態函數運行過程如下：

S0=“運行”，Sn=“檢修”

L1(219電壓互感器二次計量空氣開關)：

T(合上,S0,斷開)，M={L1}。

L2(219電壓互感器二次保護空氣開關)：

T(合上,L1,斷開)，M={L1,L2}。

L3(219電壓互感器二次測量空氣開關)：

T(合上,L2,斷開)，M={L1,L2,L3}。

L4(219隔離開關)：

T(合上,L3,拉開)，M={L1,L2,L3,L4}，

T(S0,(L1,L2,L3,L4))=S1，S1=“冷備用”，S1≠Sn。

L5(2197接地刀閘)：

T(拉開,S1,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5}，

T(S1,L5)=S2，S2=“檢修”，S2=Sn，FSM終止運行。

3.3 1號主變由運行轉檢修

解析操作任務，得到各類屬性值。狀態屬性值：初始狀態為運行；目標狀態為檢修。操作票類型為主變操作；操作對象為1號主變。根據操作規范及約束條件，1號主變操作各設備從初始狀態到目標狀態中的開、合狀態如表6所示。

表6 1號主變操作各設備開、合狀態Tab.6 Opening and closing status of each equipment for No.1 main transformer operation

根據模型求解算法，狀態函數運行過程如下：

S0=“運行”，Sn=“檢修”

L1(220 kV零序過流投入壓板)：

T(退出,S0,投入)，M={L1}。

L2(中性點220隔離開關)：

T(拉開,L1,合上)，M={L1,L2}。

L3(中性點120隔離開關)：

T(拉開,L2,合上)，M={L1,L2,L3}。

L4(220 kV間隙保護投入壓板)：

T(投入,L3,退出)，M={L1,L2,L3,L4}。

L5(901斷路器)：

T(合上,L4,拉開)，M={L1,L2,L3,L4,L5}。

L6(101斷路器)：

T(合上,L5,拉開)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6}。

L7(201斷路器)：

T(合上,L6,拉開)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7}。

L4(220 kV間隙保護投入壓板)：

T(退出,L7,投入)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4}。

L8(中性點210隔離開關)：

T(合上,L4,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8}。

L9(中性點110隔離開關)：

T(合上,L9,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9}。

L1(220 kV零序過流投入壓板)：

T(投入,S0,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1}，

T(S0,(L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9))=S1，S1=“熱備用”，S1≠Sn。

L10(1016隔離開關)：

T(合上,S1,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10}。

L11(1011隔離開關)：

T(合上,L10,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11}。

L12(2016隔離開關)：

T(合上,L11,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12}。

L13(2011隔離開關)：

T(合上,L12,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13}。

T(S1,(L10,L11,L12,L13))=S2，S2=“冷備用”，S2≠Sn。

L14(201617接地刀閘)：

T(拉開,S2,合上)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14}。

L15(101617接地刀閘)：

T(拉開,L14,合上)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14,L15}。

L16(跳閘壓板)：

T(投入,L15,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14,L15,L16}。

L17(失靈壓板)：

T(投入,L16,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14,L15,L16,L17}。

T(S2,(L14,L15,L16,L17))=S3，S3=“檢修”，S3=Sn，FSM終止運行。

該模型使用Python語言進行開發，開發環境采用Pycharm2020，程序運行結果如表7—9所示。

表7 251線路操作程序運行結果Tab.7 Program operation results of the 251 line

表8 219電壓互感器操作程序運行結果Tab.8 Program operation results of the 219 PT

表9 1號主變操作程序運行結果Tab.9 Program operation results of No.1 main transformer

4 結論

為了提高變電站倒閘操作票自動生成系統的智能性和實用性，研究了基于FSM的操作票智能生成方法。通過分析倒閘操作過程，利用電氣設備與FSM的映射關系，建立了直觀、清晰的操作票生成模型。采用Python進行開發，搭建了模型，并通過該模型進行求解，實現了操作票自動生成，智能性有很大提升。以某地區220 kV變電站為例，驗證了方法的正確性和實用性，結果表明：該方法能夠實現對主變停送電操作票、出線停送電操作票、電壓互感器停送電操作票進行自動生成。下一步，將研究倒母線操作票、站用變停送電操作票等其他類型操作票的自動生成，進一步提高該方法的使用范圍。