李功新，周文俊，林靜懷，江修波

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350000；3.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350116）

0 引言

在國網(wǎng)“大運(yùn)行”、“大檢修”體系建設(shè)背景下，為滿足變電站遠(yuǎn)方遙控操作進(jìn)一步深化的要求，調(diào)控中心在滿足原有無人值班/集中監(jiān)控技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，要求進(jìn)一步提升相關(guān)的技術(shù)支撐能力，構(gòu)建調(diào)控與防誤一體化智能操作管理系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)具備完善的遠(yuǎn)方遙控防誤閉鎖功能，滿足遠(yuǎn)方遙控操作到冷備用狀態(tài)的防誤要求。按照“大運(yùn)行”、“大檢修”體系建設(shè)要求，調(diào)控中心需完成設(shè)備冷備用操作功能，需建設(shè)智能化的調(diào)度指令票、監(jiān)控操作票及主子站防誤功能模塊。

綜上，調(diào)控操作與防誤一體化系統(tǒng)在現(xiàn)有調(diào)控中心D5000系統(tǒng)I區(qū)基礎(chǔ)平臺上，應(yīng)用D5000基礎(chǔ)平臺的消息/服務(wù)總線機(jī)制、一體化圖庫模機(jī)制擴(kuò)展相關(guān)軟件功能，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令票生成與管理、遙控操作票生成與管理、電網(wǎng)及設(shè)備數(shù)據(jù)辨識、安全校核以及外圍系統(tǒng)接口等模塊的研究與開發(fā)，具有重要的研究意義以及工程實(shí)用價值。

基于D5000平臺的一體化設(shè)計具有如下優(yōu)勢：

a.完全共享D5000基礎(chǔ)平臺的模型、圖形、數(shù)據(jù)斷面，實(shí)現(xiàn)圖形、模型、數(shù)據(jù)的源端維護(hù)，確保信息的一致性；

b.實(shí)現(xiàn)D5000調(diào)控操作、智能防誤應(yīng)用、調(diào)度員潮流計算的閉環(huán)聯(lián)動，滿足調(diào)控應(yīng)用橫向集成的要求；

c.實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令票與監(jiān)控操作票的一體化設(shè)計及擬票、下令、遙控操作的流程化和一體化管理。

為適應(yīng)“大運(yùn)行”、“大檢修”體系深度磨合提升的要求、充分發(fā)揮D5000系統(tǒng)平臺一體化的優(yōu)勢，調(diào)控操作與防誤一體化系統(tǒng)集成變電站集中監(jiān)控應(yīng)用、智能操作票應(yīng)用、智能防誤應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一/二次設(shè)備遠(yuǎn)方操作一體化、調(diào)度指令票與監(jiān)控操作票一體化、遠(yuǎn)方操作與防誤校核一體化的全過程閉環(huán)管理。本文以其中的一體化智能操作票應(yīng)用以及智能防誤應(yīng)用為主要對象，研究菱形思維模型的智能操作票推演技術(shù)及全網(wǎng)防誤校核中的智能拓?fù)浞治鏊惴ā?/p>

目前，國內(nèi)學(xué)者對智能操作票和防誤校核應(yīng)用進(jìn)行了一些研究，典型的有：基于操作任務(wù)規(guī)則樹的概念實(shí)現(xiàn)自動開票，將設(shè)備操作約束表示成邏輯表達(dá)式[1]；采用分類分層的思想對操作規(guī)則進(jìn)行描述，并研究自動推理成票機(jī)制以及潮流計算與分析等靜態(tài)安全校核技術(shù)[2]；基于調(diào)度自動化系統(tǒng)平臺開發(fā)具備強(qiáng)大圖形功能的操作票管理系統(tǒng)，通過與EMS/SCADA系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時開票功能[3]；在電網(wǎng)調(diào)度操作票系統(tǒng)中引入網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的思想，根據(jù)操作任務(wù)推理生成專家語言描述的操作任務(wù)序列，再根據(jù)指令轉(zhuǎn)換知識庫進(jìn)行調(diào)度指令推理[4]；利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴?，對變電站一次設(shè)備的帶電態(tài)、停電態(tài)與接地態(tài)進(jìn)行實(shí)時計算，基于三態(tài)拓?fù)淠Ｐ图八惴▉韺?shí)現(xiàn)設(shè)備的防誤操作判斷[5]；基于集控型防誤操作系統(tǒng)提出的智能防誤一體化操作票系統(tǒng)，采用微拓?fù)浞椒▽?shí)現(xiàn)智能防誤校核[6]；文獻(xiàn)[7-10]主要針對智能拓?fù)浞勒`的算法及其具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。以上研究基本實(shí)現(xiàn)了操作票自動生成和拓?fù)浞勒`校核功能，但不能普遍適用于各地電網(wǎng)接線模式和運(yùn)行規(guī)則的變化，且維護(hù)工作量較大。

可拓學(xué)理論是我國學(xué)者蔡文等于20世紀(jì)80年代初創(chuàng)立的以物元和可拓集合為理論基礎(chǔ)，研究事物的可拓性以及變換的規(guī)律與方法，用以解決現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜、矛盾問題的學(xué)科?？赏貙W(xué)采用形式化的工具，以質(zhì)變和量變互變的觀點(diǎn)來描述問題，并從定性和定量角度研究解決矛盾問題的規(guī)律和方法?？赏乩碚撘曰ㄎ镌⑹略完P(guān)系元）[11]作為表示信息（簡稱信息元）和知識的邏輯細(xì)胞，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如智能算法[12]、變壓器本體絕緣狀態(tài)評估[13]、電能質(zhì)量綜合評估[14]以及化工園區(qū)應(yīng)急能力評價[15]等。目前只有少量文獻(xiàn)體現(xiàn)可拓學(xué)理論在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，且尚沒有可拓學(xué)理論在電力調(diào)控領(lǐng)域的智能成票系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

本文以調(diào)控操作與防誤一體化系統(tǒng)中的智能操作票以及智能防誤為主要研究對象，首次研究了可拓理論在電力調(diào)控操作領(lǐng)域的應(yīng)用，建立電力調(diào)控操作與防誤本體知識庫，提出了基于菱形思維模型的智能操作票推演技術(shù)，并研究了智能拓?fù)浞勒`校核實(shí)現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的使用規(guī)則模版配置或程序推理方法實(shí)現(xiàn)的操作票技術(shù)相比，使用可拓推演技術(shù)可以解決不同地區(qū)、不同應(yīng)用下的電網(wǎng)調(diào)度操作票的多樣性和差異性問題，具有較強(qiáng)的普適性。

1 一體化平臺的總體框架

智能調(diào)控操作與防誤一體化系統(tǒng)（以下簡稱一體化系統(tǒng)）面向電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)度操作，提供智能化的擬票操作和防誤規(guī)則判斷。D5000平臺應(yīng)用組件化技術(shù)對接口的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝，對外提供開放的標(biāo)準(zhǔn)接口。本文的一體化系統(tǒng)基于D5000平臺，以IEC61970標(biāo)準(zhǔn)CIM數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)圖形描述規(guī)范（G語言）文件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控、操作票以及防誤應(yīng)用之間的圖模一體化功能；其完全共享調(diào)控技術(shù)支持系統(tǒng)的SCADA數(shù)據(jù)、模型及圖形，基于一體化電網(wǎng)的一次和二次模型，融合操作防誤模型，實(shí)現(xiàn)軟件資源的合理配置和高效利用，提升系統(tǒng)安全性和可靠性。此外，在主子站防誤通信領(lǐng)域，目前尚未頒布通用的通信協(xié)議規(guī)范。本文的一體化系統(tǒng)基于IEC104規(guī)約擴(kuò)展制定了防誤主子站通信規(guī)范，調(diào)度端與各子站間采用統(tǒng)一的規(guī)約進(jìn)行防誤數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了防誤規(guī)則的源端維護(hù)，減少了維護(hù)工作量。一體化系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 一體化平臺的總體框架Fig.1 Overall framework of integrated platform

圖1中，核心層是D5000基礎(chǔ)平臺，它包含數(shù)據(jù)管理（實(shí)時庫、實(shí)時圖形、關(guān)系數(shù)據(jù)庫）、消息總線、服務(wù)總線3個層次。系統(tǒng)通過服務(wù)總線提供基礎(chǔ)服務(wù)、公共服務(wù)、數(shù)據(jù)采集與交換服務(wù)以及調(diào)控防誤服務(wù)等功能；在平臺內(nèi)部，各服務(wù)接口通過消息總線讀取/發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)、圖模數(shù)據(jù)等，并進(jìn)行信息傳輸與交換。基礎(chǔ)平臺采用面向服務(wù)的軟件體系架構(gòu)（SOA），能較好地滿足系統(tǒng)集成和應(yīng)用不斷發(fā)展的需要。

SOA的核心是服務(wù)，服務(wù)主要通過消息的傳遞進(jìn)行交互。構(gòu)建服務(wù)的關(guān)鍵步驟是通過適配器將現(xiàn)有應(yīng)用功能封裝實(shí)現(xiàn)為服務(wù)，并基于標(biāo)準(zhǔn)流程將應(yīng)用系統(tǒng)掛接在D5000系統(tǒng)平臺服務(wù)總線上，從而實(shí)現(xiàn)軟件資產(chǎn)的重用[16]。具體應(yīng)用中，一體化系統(tǒng)采用CIM及其消息機(jī)制。IEC61970標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了企業(yè)電網(wǎng)應(yīng)用的多種分布式組件，可用于構(gòu)建一體化平臺的接口參考模型（IRM）[17-18]。一體化系統(tǒng)使用IRM對業(yè)務(wù)功能進(jìn)行詳細(xì)的劃分，派生出業(yè)務(wù)子功能對應(yīng)的抽象組件，針對業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行服務(wù)粒度的劃分。

實(shí)現(xiàn)SOA的技術(shù)有Corba、基于簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）的Web Service等。在基于D5000平臺的一體化系統(tǒng)中，采用可適應(yīng)通信環(huán)境（ACE）及基于ACE實(shí)現(xiàn)的對象請求代理（TAO）作為Corba的實(shí)現(xiàn)平臺。ACE/TAO是基于Corba標(biāo)準(zhǔn)的中間件平臺，具有跨操作系統(tǒng)、跨編程語言及跨硬件平臺的特性。

2 一體化調(diào)控操作關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于物元可拓的智能推演

目前國內(nèi)的智能操作票大多基于專家系統(tǒng)推理來實(shí)現(xiàn)，基本分為任務(wù)推理型、模塊推理型、拓?fù)渫评硇?種。隨著技術(shù)的深入、現(xiàn)場應(yīng)用的成熟和用戶需求的增加，智能指令/操作票系統(tǒng)面臨著更多復(fù)雜矛盾的問題。本文首次對可拓理論在智能操作票領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出了基于菱形思維模型的智能操作票推演技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了操作票的智能推理。

知識基元是可拓知識庫最基本的邏輯細(xì)胞，可拓理論采用物元、事元以及關(guān)系元來描述一般邏輯與規(guī)律。

電力知識基元可表示為：

其中，c和u構(gòu)成有序二元組M=（c，u），表示物N的一個特征。例如：R=（1號線路，目標(biāo)運(yùn)行方式，旁路替代）表示一個知識基元。由物N及多個特征Mi=（ci，ui）構(gòu)成的物元稱為多維物元。物是隨時間t變化的，其動態(tài)物元 R（t）=（N（t），c，u（t））。

實(shí)例對象N是一個廣義的概念，可以是面向?qū)ο笳Z言中任意類化的具體對象實(shí)例，可以是物、事、關(guān)系等；特征類型指各類概念的名稱表示，概念的名稱在知識庫系統(tǒng)中是可交互的、共用的；特征值是某特征類型中的值空間中的某個值。

一般而言，事物擁有多個特征，如事物N用n個特征 c1、c2、…、cn及其量值 u1、u2、…、un描述，則物元可表示為：

本文基于可拓物元理論和菱形思維模型，采用發(fā)散-收斂法實(shí)現(xiàn)智能成票的規(guī)則推演機(jī)制。物元可拓的發(fā)散分析表述了事物向外拓展的可能性，以基元中任意1個或2個要素為中心向外拓展，獲取同物（或事、關(guān)系）同征、同征同值、同物（或事、關(guān)系）同值可拓線，A-|B表示由A拓展出B。

根據(jù)“一對象多征”的發(fā)散性，從一個基元出發(fā)，拓展出多個同對象基元，且同對象基元集一定是非空集合，即：

同時，從一個基元出發(fā)，可以拓展出多個同對象同值的基元，即：

根據(jù)“一征多對象”的發(fā)散性，從一個基元出發(fā)，拓展出多個同征基元，且同征基元集一定非空，即：

當(dāng)我接收到這樣的提問時，我是非常高興的！因?yàn)檫@是非常寶貴的點(diǎn)動成線的備考思維！于是我及時給予了肯定并解釋道：就老師自己所獲得的做題情境及體悟而言，我認(rèn)為，只要出題人的設(shè)問源自閱讀文本，你就可以考慮用這種方式。當(dāng)然“設(shè)問源自閱讀文本”是一句廢話，但我還是要提，以示強(qiáng)調(diào)。

除此之外，從一個基元可以拓展出多個同對象、同特征的基元，或者說，在不同的參數(shù)下，同一對象關(guān)于同一特征的取值可以有多個，即：

本文研究的系統(tǒng)智能操作票應(yīng)用建立在基于可拓原理的電力領(lǐng)域知識庫之上，其建模方法如圖2所示。

圖2 電力領(lǐng)域知識庫結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of knowledge base structurefor electric power field

電力本體知識概念的建立主要包含以下幾個部分。

a.概念類：容器類型、設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)類型、設(shè)備量測類型、設(shè)備信號類型、操作類型、術(shù)語類型、拓?fù)錉顟B(tài)類型、運(yùn)行方式類型、關(guān)系類型、功能類型、指令類型、任務(wù)類型、告警類型、步驟類型等。

b.各概念之間關(guān)系：子類關(guān)系、成員關(guān)系、功能相符關(guān)系、功能相似關(guān)系、前導(dǎo)與后繼關(guān)系。

c.各實(shí)例靜態(tài)屬性：名稱、別名、簡稱、設(shè)備類型等。

d.各實(shí)例動態(tài)屬性：運(yùn)行狀態(tài)、拓?fù)錉顟B(tài)、運(yùn)行方式等。

e.實(shí)例與實(shí)例間關(guān)系：包含、包含于、運(yùn)行于、被操作、連接于、連通于、具有屬性等。

f.基礎(chǔ)函數(shù)庫：各類查詢函數(shù)、判別函數(shù)、排序函數(shù)、處理函數(shù)、輸出函數(shù)等。

電力調(diào)控領(lǐng)域知識庫在基礎(chǔ)本體知識庫基礎(chǔ)之上，結(jié)合相關(guān)的業(yè)務(wù)知識單元，如調(diào)度業(yè)務(wù)單元、監(jiān)控業(yè)務(wù)單元等，通過系統(tǒng)可形成特有的知識基元表達(dá)，并進(jìn)行相應(yīng)的組合，形成所需的組合知識單元，為各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供知識服務(wù)和邏輯推理服務(wù)。基于可拓原理的智能成票技術(shù)根據(jù)人類慣用的思維模式，將問題的理解與求解過程以物元形式表示為多級菱形推演過程，如圖3所示。

圖3 多級菱形思維模型Fig.3 Multi-level rhombus-thinking model

圖3中，n＞m，p＞m，p＞k，R 為目標(biāo)物元，上述模型中｛R1，R2，…，Rn｝為進(jìn)行發(fā)散思維的方案物元集。

結(jié)合具體問題的需要以及條件，根據(jù)物元的可拓方法進(jìn)行發(fā)散，在此基礎(chǔ)上，利用發(fā)散樹、分合鏈、相關(guān)網(wǎng)、共軛對或綜合其中若干方法進(jìn)行發(fā)散，通過可拓物元的置換、擴(kuò)縮、分解、增刪變換進(jìn)行過濾選擇。收斂的過程為：

在智能成票過程中，采用菱形思維模型，首先根據(jù)操作任務(wù)中的可拓性發(fā)散出多個相關(guān)設(shè)備的多種操作組合，調(diào)度員設(shè)置了設(shè)備的相關(guān)方式后，系統(tǒng)將自動對相關(guān)方式進(jìn)行篩選，比如線路開關(guān)當(dāng)前為檢修狀態(tài)，調(diào)度員設(shè)置開關(guān)的目標(biāo)狀態(tài)為運(yùn)行，則將在系統(tǒng)內(nèi)部自動篩選掉轉(zhuǎn)冷備用、轉(zhuǎn)檢修的操作；篩選后，如果仍存在不確定因素，則再通過交互方式進(jìn)行篩選，如雙母開關(guān)由冷備用轉(zhuǎn)為熱備用時，需要選擇目的母線等，最終求解得到滿意的智能成票結(jié)果。

以福建電網(wǎng)廈泉I路運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修為例，泉州變側(cè)為帶出線刀閘3/2接線方式，開關(guān)5021、5022均處于運(yùn)行狀態(tài)；廈門變側(cè)為無出線刀閘3/2接線方式，開關(guān)5041、5042均處運(yùn)行狀態(tài)。

操作目的：電網(wǎng)廈泉I路轉(zhuǎn)檢修，開關(guān)5021、5022恢復(fù)運(yùn)行。

基于可拓物元理論，采用菱形思維模型的智能成票推演過程如圖4所示。

實(shí)際操作中，選擇設(shè)備和操作任務(wù)后，系統(tǒng)將自動篩選出與該操作任務(wù)相關(guān)的操作設(shè)備，并發(fā)散出對應(yīng)的操作過程。廈泉I路的泉州變側(cè)帶有線刀，所以其操作目標(biāo)有轉(zhuǎn)運(yùn)行、轉(zhuǎn)熱備用、轉(zhuǎn)冷備用和轉(zhuǎn)檢修4項(xiàng)；廈門變側(cè)不帶線刀，其操作目標(biāo)將進(jìn)行過濾，目標(biāo)結(jié)果為轉(zhuǎn)冷備用和轉(zhuǎn)檢修2項(xiàng)。

在設(shè)定相關(guān)的操作目標(biāo)后，選擇線路操作側(cè)順序，系統(tǒng)將根據(jù)操作目標(biāo)對操作過程進(jìn)行過濾，并得到準(zhǔn)確的操作票分項(xiàng)信息。

采用可拓物元理論和菱形思維模型，智能操作票應(yīng)用能適應(yīng)接線類型改變、電網(wǎng)擴(kuò)容以及運(yùn)行方式的變化，同時具備解決成票規(guī)則、調(diào)度規(guī)程的變化以及新問題的可拓展能力。

圖4 智能成票過程Fig.4 Intelligent generation of operation orders

2.2 防誤校驗(yàn)算法分析

防誤應(yīng)用的主要功能是為調(diào)控應(yīng)用以及OMS（位于安全三區(qū)）等提供各種調(diào)度操作防誤模型的邏輯判斷。拓?fù)浞勒`較多地使用路徑搜索算法來實(shí)現(xiàn)各類防誤判斷規(guī)則。如當(dāng)雙母線路開關(guān)由Ⅰ母運(yùn)行轉(zhuǎn)至Ⅱ母運(yùn)行時，應(yīng)判斷Ⅱ母隔離開關(guān)兩側(cè)是否等電位（可以轉(zhuǎn)換成Ⅰ母隔離刀閘與Ⅱ母隔離刀閘之間是否存在無阻抗環(huán)路來判斷）；當(dāng)合上分段（或母聯(lián)）開關(guān)時，應(yīng)判斷是否會形成電磁合環(huán)；當(dāng)并列運(yùn)行的一臺變壓器停電時，應(yīng)判斷另一臺變壓器是否會過載等。

防誤應(yīng)用通過D5000服務(wù)總線獲取調(diào)控系統(tǒng)的CIM數(shù)據(jù)，應(yīng)用拓?fù)浞勒`方法來實(shí)現(xiàn)防誤服務(wù)。智能拓?fù)浞勒`使用的典型算法有設(shè)備支路的最短路徑搜索算法以及環(huán)路搜索算法，后者是重點(diǎn)。防誤應(yīng)用提供基于消息驅(qū)動的ChangeRunModel服務(wù)；消息載荷的內(nèi)容含有斷路器的CimID、初始運(yùn)行狀態(tài)（在Ⅰ母運(yùn)行）、目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)（在Ⅱ母運(yùn)行）。

在ChangeRunModel服務(wù)的實(shí)現(xiàn)中，環(huán)路搜索算法是關(guān)鍵。本文提出的簡單無向圖環(huán)路搜索算法能計算出經(jīng)過給定頂點(diǎn)的所有環(huán)路，且效率較高。實(shí)現(xiàn)過程采用以下4個數(shù)組：visited表示訪問過的節(jié)點(diǎn)；passed表示已訪問過的邊；path中存儲當(dāng)前路徑上的節(jié)點(diǎn)序列；next中存儲當(dāng)前路徑上每個節(jié)點(diǎn)的下一條鄰接支路（使用P表示）[19]。具體算例及實(shí)現(xiàn)流程如圖5、6所示。

如圖5（a）所示的電網(wǎng)運(yùn)行方式下，合上分段開關(guān)K后會形成多個環(huán)路，如圖5（b）所示。

圖5 電網(wǎng)運(yùn)行方式及其拓?fù)淠Ｐ虵ig.5 Power grid operation mode and corresponding topological model

在系統(tǒng)中，防誤服務(wù)程序可給出圖5中的2個電磁合環(huán)和1個線路合環(huán)，搜索結(jié)果如下：電磁合環(huán)1為5-6-4-2-3-5；電磁合環(huán) 2為5-6-4-1-3-5；線路合環(huán)為1-3-2-4-1。

圖6 拓?fù)洵h(huán)路搜索Fig.6 Loop topology search

3 結(jié)論

在電網(wǎng)“大運(yùn)行”、“大檢修”模式下，本文基于D5000平臺提出了調(diào)控與防誤一體化集中式平臺建設(shè)方案，研究了采用SOA的實(shí)施方法；對調(diào)控操作及防誤應(yīng)用統(tǒng)一建模，使用消息發(fā)布/訂閱機(jī)制共享圖模和數(shù)據(jù)；研究了基于可拓物元理論和菱形思維模型的智能操作票推演技術(shù)、智能拓?fù)浞勒`校核技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)控、防誤及操作全過程的一體化，能較好地滿足系統(tǒng)集成和應(yīng)用不斷發(fā)展的需要。本文所研究的系統(tǒng)已通過福建電網(wǎng)的聯(lián)調(diào)測試，進(jìn)入試運(yùn)行階段?，F(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果證明，本文的調(diào)控操作與防誤一體化集中式平臺運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單，其研究成果具有理論研究意義以及實(shí)際工程應(yīng)用價值。