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2010 年 第 4 卷 增刊 1 南 方 电 网 技 术 技术论坛二等奖论文 2010 Vol 4 Supplement 1 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Articles of 2nd Grade Award in Forum 文章编号 1674 0629 2010 S1 0013 05 中图分类号 TM734 文献标志码 A 云南电网调度操作安全风险防控辅助决策系统设计 高明 1 陈珂宁2 李文云1 吴文传2 谢一工1 尹成全1 1 云南电力调度中心 昆明 650011 2 清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室 北京 100084 摘要 鉴于传统智能操作票可用性低的问题 文章提出了一种以操作系列智能校核为核心的操作安全风险防控系统 包 括系统结构及关键技术 该系统把 PAS 功能模块 诸如拓扑分析 潮流和安全分析等 集成到操作票开票过程中 形 成如下完整的图上生成解决方案 操作序列 安全校核 规程校核 翻译成操作指令票 自动模拟 风险评估 辅助决 策与可视化展示 还提出了实施规程校核的关键技术 诸如指纹识别技术 知识库及其驱动引擎 并通过总结云南电网 相关调度规程形成一套知识规则 实现了调度操作的智能校核 关键词 调度操作 预防控制 指纹识别 知识库 The Design of Operational Security Preventive Control and Decision Making System for Yunnan Power Grid GAO Ming1 CHEN Kening2 LI Yunwen1 WU Wenchuan2 XIE Yigong1 YIN Chengquan1 1 Yunnan Electric Power Dispatching Center Kunming 650011 China 2 State Key Laboratory of Power Systems Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China Abstract Facing the issue of weak feasibility of the traditional operation ticket this paper proposes an operational security preventive control and decision making system including its configuration and key technology In this system the fundamental functions of PAS such as topology analysis power flow and security analysis are integrated into the procedure of operation tickets making resulting graphically in a complete solution as following from operation sequence to security checking to regulation checking to operation tickets translation to automatically simulating to security assessment to risk decision making and visualized display The key technologies to implement regulation checking are also proposed such as fingerprint identification technology knowledge base and its infer engine and a group of knowledge regulation is set up through summing up correlative regulations of dispatching operation of Yunnan Power Grid and thus the intellective checking of dispatching operation is able to realize Key words dispatching operation preventive control fingerprint identification knowledge base 国内 20 世纪 80 年代开始进行发电厂 变电站 和电网的操作票专家系统的研究 在理论上和实践 上均取得了很多成果 1 9 但目前看来 真正具有通 用性和可适应性的专家系统 并没有得到完全的推 广和应用 本文的研究以智能操作票为核心 将操作票的 开票过程与 PAS 软件功能统一到一个工作流程中 并运用可视化手段将调度操作风险进行直观与形象 的展示 形成一个完整的图上生成解决方案 1 系统整体设计 调度操作安全风险防控软件框架如图 1 所示 系统以操作票智能校核系统为核心 融合快速的安 全分析软件 实现了图上开票 预演和校核 安全 分析和可视化表达的完整功能 该系统利用拓扑分 析和潮流计算实现对每步操作的安全性校核 然后 利用专家知识库和推理机对操作序列进行调度规程 的校核 软件自动实现对操作票的预演 形成操作 后的模拟电网潮流分布 自动进行 N 1 安全校 核以发现安全隐患 2 系统主要功能 2 1 知识库系统维护 系统提供了一体化的图形界面 供用户建立电 网通用认知模型以及在这些模型基础上建立和维护 专家系统中的规则 具体工具主要包括 通用认知 模型建模工具 调度运行规则维护工具 设备操作 规则维护工具 14 南方电网技术 第 4 卷 2 2 图上生成操作序列功能 该功能是指调度员利用图形 主接线图 进行 电网设备状态设置 操作序列的生成等功能 主要 有电网设备状态设置和操作序列生成操作 2 3 操作系列预演与智能校核功能 该功能主要包括 1 操作系列预演 对编写好的电网操作系列 以图形化的方式进行预演 同时进行操作规程和电 网运行方式的校验 2 通过基于拓扑与潮流的操作票安全校核 对操作进行约束与报警 3 基于知识库的操作票智能校核 根据知识 库中的规则约束 利用推理机自动对每个操作进行 校核 如存在违反约束的情况 产生报警并给出违 反约束的内容 4 操作票人工审核功能 5 对于通过校核的操作票 通过操作票预演 形成了操作后的电网运行方式 针对该方式 采用 快速的静态安全分析算法给出安全水平的评估 6 对通过安全校核和规则校核的操作系列生 成规范的操作票 2 4 操作票打印与管理 除了需要提供操作票打印功能外 还需体统操 作票管理功能 可以对编制好的操作票以及执行完 成的操作票进行管理 对操作票进行查询 统计等 2 5 三维可视化 采用三维可视化技术对操作后的电网安全水平 进行展示 2 6 WEB 发布系统 操作票的 Web 发布 MIS 网或远程网的用 户经授权可以通过浏览器查看调度操作票专家系统 中已经执行的操作票 统计数据的 Web 发布 MIS 网或远程网的 用户经授权可以通过浏览器查询各种和操作票有关 的统计数据 3 电网操作票智能校核系统关键技术 操作票自动校验系统的主要目的就是利用计算 机来协助调度员工作 电网结构的多样性和时变性 以及电网运行方式的多样性 是研制操作语句自动 校验系统的主要难题 3 1 术语解释 3 1 1 操作语句 根据下达的调度任务 由调度员下达的操作命 令 它也是操作票中的操作步骤 是操作票的基本 组成单元 它包括一次操作语句 二次操作语句等 3 1 2 操作序列 是指为完成调度任务所需要执行的基本操作步 骤的集合 它较之于操作语句更为底层 操作票中 的操作步骤 操作语句 可以分解为更细化的操作 序列 也有操作语句和操作序列完全对应的情况 所以操作序列与操作票中步骤的关系 是由具体到 抽象的关系 3 1 3 底层规则 即针对操作序列所提的规则 用来完成两件事 一是保证该组对应于某抽象操作语句的操作序列操 作正确 包括顺序 缺漏等 二是由这些操作序列 能够抽象出对应的操作语句 3 1 4 操作对象 将电网中的各种对象分类 定义为操作对象 图 1 系统软件框架 增刊 1 高明 等 云南电网调度操作安全风险防控辅助决策系统设计 15 电网中的操作对象按大类可分为 厂站 线路 间 隔以及最终在操作票中描述的设备等 5 类 3 1 5 原子 文献 9 指出 很多操作对象在功能属性和操作 属性方面存在类似性 这种类似性在电网的各个层 次均有表现 并已被人类专家所认知 并将操作对 象划分为不同的类 一类操作对象包含若干具有相 似属性的对象 这种分类实际上反映了对电网操作 的认知结果 在认知过程中 通过对相似性的抽象 和概括 将研究对象分类的方法本质上就是概念的 建立 文献 9 据此将通过这种方式建立的概念定义 为操作对象原子 Atom 并为本文所借鉴 针对 操作语句的规则即附着于原子上 3 1 6 高层规则 高层规则即为保证操作正确 除去底层规则外 还需要的规则 它是针对于操作语句的规则 亦即 操作对象原子所附带的规则 高层规则维护了一张正确的操作票生成前所需 要执行的操作语句及其顺序 它是正确完成调度任 务的主要保障 高层规则结合操作对象 以操作语 句执行的 前提 是否满足的方式校验操作语句是 否缺漏 操作顺序是否颠倒 高层规则分为约束规则与告警规则两大类 约 束规则是指无论如何不能违反的规则 告警规则是 弹出一个提醒 未必是错误的操作 只是用来提醒 调度员 调度员判断后可继续操作 3 1 7 拓扑信息 所有的规则都是建立在已知对象的拓扑信息的 基础上的 原子规则不针对特定的厂站 特定的情 况 总体来说其具有一般性 具有一般性的规则要 适应特定的厂站和调度令 即需要有拓扑信息支持 拓扑信息体现在很多方面 系统从 EMS 数据库 中读取拓扑信息 对于一个调度任务 所涉及的具 体厂站 接线 设备 都可以从拓扑信息得知 有 了这些即可约束以下进行的操作是否处于该拓扑范 围 以及选用何种原子的规则进行校核等等 3 1 8 头尾校验 原子规则解决的是操作语句顺序及缺漏的问 题 但是没有关注调度任务和操作语句的对应性 也没有关注该调度任务是否已经执行彻底 而 头 尾校验 就是为了实现这两个校验功能而设立的 所谓头校验 是检查操作语句是否对应了调度任务 所谓尾校验 是检查该调度任务下的操作是否已经 执行彻底 3 2 专家系统设计 3 2 1 使用指纹识别技术的一次操作底层规则 由于底层规则面向的是某一段操作序列 而对 于一个操作语句来说 其对应的操作序列是相对固 定的 这样底层的规则就能被简单地固化入程序 若将设备开关位的状态用 0 1 来描述 那么对于某 一个操作单元 例如线路 母线 主变等 某一个 操作语句所对应的该操作单元内设备状态的变化是 可以确定顺序的 且相关的变化序列所代表的操作 语句也是唯一的 总体看来 可以从正确的操作序 列中提取一系列的特征码 并将这些特征码作为识 别某一个操作序列的 指纹 是否正确 称这项技 术为 使用指纹识别技术的一次操作底层规则 执行人员执行的操作形成操作序列 为了实现 后续的自动化处理 要求执行人员人为给操作序列 分段 每一段的操作序列应该对应一个操作语句 这种对应关系也是固化的 底层规则首先保证了每一段操作序列的顺序正 确及无缺漏 同时也保证了该段操作序列能实际对 应于一个操作语句 底层规则若都正确 则其余的 校核工作由高层规则在操作语句的层面进行校核 举例如图 2 所示 该条线路上两侧分别有 A B 断路器 各自断路器分别有 a1 a2 b1 b2 隔离 开关 假设 A 侧为大电源侧 B 侧为小电源侧 图 2 是一段简化的线路单元 其由运行转检修 操作序列如表 1 所示 其中 origin 为初始运行态 1 对应关合 0 对应开断 下同 图 2 底层规则举例图 表 1 中 a 为第一步有效操作 操作员必须人 为在 a 操作后给一个分段提示 因为 a 操作步骤即 代表一个操作语句 若把该每一行状态位组合称作 该线路的状态组合 则 a 步将 B 位改变 从 1 改 变为 0 这个过程底层规则将其固化为 断开 B 断 路器 操作语句 同理 进行 b 操作以后 也必须 给一个分段 该过程底层规则将其固化为 断开 A 断路器 操作语句 进行 c 操作和 d 操作两步操作后 操作员应人 为给一个分段 即 c 和 d 处于同一个操作序列段中 16 南方电网技术 第 4 卷 将 a1 位和 a2 位改变 均由 1 变为 0 底层规则将 其识别为 A 断路器由热备用转冷备用 而这个操 作序列段中 底层规则还限制了其顺序 即只能是 a2 位先变 0 再 a1 位变 0 否则即出错 若是线路 由检修转运行命令 则该操作序列段可能为将 a1 位 先变 1 再将 a2 位变 1 则识别为 A 断路器由冷 备用转热备用 同时还固化了其顺序 若出现了 a1 位变 1 a2 位变 0 的操作序列且处于同一分段中 底层规则找不到操作序列 操作语句的对应关 系 也将报错 这体现了底层规则的识别性和顺序 性的两个层面 最后一个分段 e 和 f 和上一个分段 是同理的 表 1 一次操作底层规则指纹识别码举例 操作序列 a1 A a2 b1 B b2 origin 1 1 1 1 1 1 a 1 1 1 1 0 1 b 1 0 1 1 0 1 c 1 0 0 1 0 1 d 0 0 0 1 0 1 e 0 0 0 0 0 1 f 0 0 0 0 0 0 至此 底层规则的工作过程已完成 同时也形 成了较为抽象的操作语句 断开 B 断路器 断开 A 断路器 A 断路器由热备转冷备 B 断路器 由热备转冷备 等的操作语句 操作语句的层面 由高层规则来校核 底层操作与抽象出的操作语句 是分别利用底层与高层规则同时进行校验的 3 2 2 二次操作底层规则 因为二次操作也设立了操作对象原子 故不将 二次操作绑定在一次操作上 而将它们一视同仁 传统上二次操作不具有操作序列的表达 这里要求 同样为二次操作设置状态位 如表 2 所示 表 2 二次操作底层规则指纹识别码 二次操作状态位 a1 A a0 a2 b1 B b0 b2 表 2 中 除了已提到的 2 个断路器 4 个隔离 开关状态位外 两侧断路器还各自有一个失灵保护 状态位 投入时置 1 退出时置 0 这样二次操作也 同样能反映到操作序列上来 进而反映到高层规则 的操作语句中 二次操作的底层规则和一次的没有 差别 这里分开来讲 只是为了引入二次操作序列 状态位 当然二次操作不只有失灵保护 这里只是 举个简单的例子用以说明 状态的位需要在运行校 核前确定完整 3 2 3 高层规则设计 高层规则主要是针对由操作序列抽象出的操作 语句的顺序及缺漏的校核 操作语句包括对于一次 操作对象 二次操作和一些落实项的操作 保证这 些操作语句的顺序及缺漏的规则主要存在为原子规 则的形式 即校核某一条操作语句时 找到对应的 原子及其附带的规则 从而核实该操作前必须完成 的操作是否已经执行 进而逐步往下 除此之外 头尾规则分别校核了改组操作是否对应了调度任 务 及操作过程有无执行完全 整个高层校核过程 离不开拓扑信息的支持 原子规则在拓扑信息的支 持下 在模拟设备状态库中检验操作前提是否满足 高层校验整体流程如图 3 所示 高层具体校验流程 如图 4 所示 图 3 高层校验整体流程图 图 4 高层校验具体流程图 增刊 1 高明 等 云南电网调度操作安全风险防控辅助决策系统设计 17 3 3 两种操作过程校核方案 校核操作过程总体说来有出两种方案 第一种 方案是假设调度人员已经预先开出了操作票 程序 根据该预开的模拟操作票 结合相关原子规则及头 尾校验等 对其进行校核 如果正确 则可下发操 作票进行操作 如果错误则检查重开 第二种方案 是由较底层开始 即先以底层规则校核操作序列 由操作序列抽象出的操作语句再由高层规则进行校 核 两层校核同步执行 直至最后正确时开出操作 票 第二种方案虽规则模式较第一种更为复杂 但 校核更为完备 且在模拟开票过程中即同时进行底 层和高层的校核 优点较多 故优选此种方案 3 4 云南电网调度操作知识库初步设计 3 4 1 原子及规则设计 原子结构简示及说明 原子的结构由 原子 操作 前提原子 操作 等组成 限于篇幅 下面将 仅给出一个基于部分主要操作票实例所涉及的操作 对象而总结出的原子结构示例如表 3 所示 表 3 原子结构示例 原子为 500 kV 母线 3 2 接线 前提原子 操作 操作 前提原子 操作 由运行转热备用 边侧母线断路器重 合闸 若不与变压器相连 已改为单重后重合方 式 约束 500 kV 变电站安稳 装置 已执行 告警 由热备用转冷备用 断路器 已处于热备用 约束 由冷备用转热备用 断路器 已处于冷备用 约束 由热备用转运行 断路器 已处于热备用 约束 由冷备用转检修 断路器失灵保护 已退出 约束 由检修转冷备用 落实项 检查 告警 3 4 2 头尾校验规则 头尾校验规则的结构及示例见表 4 表 4 头尾校验规则示例 调度任务 头校验规则 尾校验规则 220 kV 线 路 由 运 行 转检修 220 kV 线路断路器断 开 解环 相对小电源 侧 约束 合上 220 kV 线路接地开 关后两侧接地开关均已合 上 约束 4 可视化技术的应用 为了能使调度员更及时 更清晰的辨别出在调 度操作中的运行分先 将可视化技术应用在本系统 中是非常必要的 可视化可以对整个开票过程的安全校核进行直 观展示 以便调度员迅速识别对调度操作过程中的 电网的安全情况有一个整体和宏观的把握 本文针 对与安全相关的数据 提出了多种各有特点的表达 方式 在人机界面中 可以在这几种可视化表达方 式和传统的二维主接线图显示方