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(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力調度控制中心，浙江 杭州 310007；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司，北京 100192)

1 引言

電網(wǎng)調控一體化技術在國家電網(wǎng)公司已取得顯著進步，智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)為電網(wǎng)調控一體化的實施提供堅強的技術支撐[1-2]，并為電網(wǎng)調度業(yè)務提供了豐富、完備的輔助分析決策軟件，但為監(jiān)控業(yè)務提供的輔助分析決策軟件仍停留在傳統(tǒng)的告警窗、光字牌列表等技術手段，無法滿足省地級電網(wǎng)“智能調度”與“精益調度”的要求，主要面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：

(1)變電站實施無人值班后，全部監(jiān)控信息匯總到調控中心。一個500kV變電站就有好幾千條遙信量，而國網(wǎng)浙江電力調度控制中心目前負責42個500kV變電站的集中監(jiān)控，監(jiān)視的遙信量超過十萬條。正常情況下，各種信號動作頻繁，電網(wǎng)監(jiān)控員監(jiān)控任務較重，很容易遺漏重要告警信號，延誤處理造成事故。一旦發(fā)生事故，動作的事件記錄很多，電網(wǎng)監(jiān)控員眼花繚亂，無所適從，很難抓住重點，影響事故的正確處理。

(2)監(jiān)控員很難對種類繁多的輸變電設備及回路精通掌握，不僅可能會導致監(jiān)控員對異常故障漏判、誤判，也會在監(jiān)控設備發(fā)生異常、故障時大量監(jiān)控信號讓監(jiān)控員難于分析、決策，增加監(jiān)控員的決策時間，影響異常故障的處理效率，甚至導致異常故障造成的影響范圍擴大化。

(3)輸變電設備知識庫技術及知識可視化技術有待開發(fā)。輸變電設備的相關原理知識和現(xiàn)場運行規(guī)程、集中監(jiān)控運行相關管理規(guī)定、調控員事故異常處理經(jīng)驗等監(jiān)控員需要掌握的知識仍停留在紙面上，尚未實現(xiàn)電子化、數(shù)字化、知識化，更未實現(xiàn)監(jiān)控信息與相關知識的自動關聯(lián)和主動推送，在設備發(fā)生異常故障時，監(jiān)控員仍只能靠記憶和臨時資料查閱，嚴重影響異常故障的分析、決策及處理效率，導致監(jiān)控員處理異常故障的分析、決策及處理非規(guī)范化和非標準化，也不利于相關知識積累和傳承。

(4)面向海量監(jiān)控信息的數(shù)據(jù)挖掘分析及應用技術有待開發(fā)。調控主站的監(jiān)控信息數(shù)量巨大，又缺乏相應的技術手段，調控運行人員無法對其進行充分利用，造成信息的浪費。與此同時，大量監(jiān)控信息不僅反映變電站設備當時運行狀態(tài)，也能反映設備狀態(tài)變化趨勢；基于專業(yè)知識和經(jīng)驗通過數(shù)據(jù)分析可以得到從設備、主站前置到主站監(jiān)視等環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)和趨勢，及時向調控運行和主站維護人員提供告警或提示信息，進一步可提出改進建議和措施。

(5)針對監(jiān)控員日常業(yè)務的智能化輔助分析決策手段亟待加強。目前，面向調度運行人員的電網(wǎng)輔助分析決策軟件應用較為豐富，如調度員潮流、靜態(tài)安全分析、動態(tài)預警等分析軟件。而面向監(jiān)控運行人員的輔助分析決策軟件應用卻相對匱乏，現(xiàn)有的光字牌圖、事故推圖、故障告警等，均是變電站設備運行狀態(tài)的被動式展示手段，監(jiān)控運行人員通常需要根據(jù)個人經(jīng)驗從大量的監(jiān)視信息中分析判斷，一旦遇到電網(wǎng)故障，監(jiān)控信號井噴式上傳，這種單純依靠人工的信號篩選與分析判斷方式存在著嚴重的信號遺漏及誤判風險，可能延誤故障的最佳處理時機甚至誤處理，從而威脅設備的運行安全。因此，亟待加強針對監(jiān)控員日常業(yè)務的智能化輔助決策分析手段，為監(jiān)控員的運行監(jiān)視提供有效的信號分析與輔助決策，從而全面提升監(jiān)控運行的工作質量。

針對上述問題，國網(wǎng)浙江省電力公司在智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)基礎上，開展無人值守變電站集中監(jiān)控輔助決策關鍵技術研究，從電網(wǎng)故障診斷技術、知識庫建立、信息挖掘、監(jiān)控業(yè)務輔助分析與決策等多個層面入手，建立完備、規(guī)范的技術體系，突破關鍵技術難點，開發(fā)高效、實用的系列工具，達到提升輸變電設備集中監(jiān)控業(yè)務的自動化水平，全面支撐監(jiān)控員的監(jiān)視、分析、決策及處置業(yè)務，全面提升調控員的專業(yè)知識和業(yè)務能力，以確保浙江電網(wǎng)安全高效運行。

2 研究內容

目前,智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)(簡稱D5000系統(tǒng))在國網(wǎng)公司廣泛應用，其中實時監(jiān)控與分析類應用、調度計劃類應用、調度管理類應用為電網(wǎng)調度運行提供了比較完備的技術支撐，但仍缺乏面向監(jiān)控業(yè)務的輔助分析決策應用軟件[1-3]。本研究將面向監(jiān)控業(yè)務的輔助分析決策需求，研究電網(wǎng)故障診斷技術、知識可視化技術、多媒體仿真技術、專家?guī)旒夹g、數(shù)據(jù)挖掘技術、輸變電設備集中監(jiān)控業(yè)務分析建模與仿真技術、網(wǎng)絡化培訓計算機技術等內容，結合輸變電設備及回路的專業(yè)領域相關經(jīng)驗及知識，開發(fā)輸變電設備集中監(jiān)控輔助決策關鍵技術及實用化工具。

2.1 電網(wǎng)故障診斷技術研究

近年來電網(wǎng)故障智能診斷技術采用的方法包括專家系統(tǒng)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊理論法、粗糙集理論、遺傳算法、Petri網(wǎng)絡以及基于優(yōu)化技術等方法或若干方法相結合，但難以在實際調控一體自動化系統(tǒng)中投入使用，主要存在的問題包括：

(1)很多研究成果是建立在主站所采集的遙測、遙信等信息完整、有序的假設基礎上，而現(xiàn)在自動化技術還存在著諸多缺陷，監(jiān)控信息在傳輸過程中仍然存在著誤傳和遺漏等現(xiàn)象，在調控主站接收到的信息具有一定的不確定性和不完整性，給相關研究帶來極大的挑戰(zhàn)；

(2)由于電網(wǎng)發(fā)生故障時，斷路器和保護裝置存在著誤動和拒動的可能性，這種不確定性給電網(wǎng)故障診斷帶來了很大困難；

(3)對于基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)故障智能診斷或監(jiān)控告警信號輔助分析，由于專家系統(tǒng)的知識庫不具備自學習能力,當系統(tǒng)結構和繼電保護配置改變時,知識庫的維護相當困難,且容錯能力較差,使該類應用技術容易造成誤判或錯判等。

在電網(wǎng)異常輔助分析決策研究方面，國內學者在集控站與電網(wǎng)調控一體化建設階段，開展了變電站集中監(jiān)控告警信號輔助分析技術的研究[4-5]，其研究內容主要集中在信號的過濾、報警分類與顯示方案、告警信號的邏輯關聯(lián)，以及基于專家系統(tǒng)的異常處理方案輔助決策，其中基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)異常輔助分析決策也同樣存在著前述問題。

2.2 知識可視化技術

本研究將應用知識可視化技術，在輸變電設備知識庫基礎上，通過知識圖表、樹狀圖、魚骨圖等可視化形式，整合輸變電設備的相關原理知識、現(xiàn)場運行規(guī)程、集中監(jiān)控運行相關管理規(guī)定、以及調控員事故異常處理經(jīng)驗等知識進行可視化顯示。

隨著可視化技術不斷發(fā)展和應用，可視化已經(jīng)成為一個專門的研究領域。在計算機性能不斷提高和計算機圖形學蓬勃發(fā)展的背景下，人們將可視化技術應用于科學數(shù)據(jù)的可視化中，通過分析數(shù)據(jù)，去探索規(guī)律，表達知識。知識可視化是在科學計算可視化、數(shù)據(jù)可視化和信息可視化基礎上發(fā)展起來的新興研究領域，它應用視覺表征手段，促進群體知識的創(chuàng)造和傳遞。知識可視化領域研究的是視覺表征在改進兩個或兩個以上人之間知識創(chuàng)造和傳遞中的作用。除了傳達事實信息之外，知識可視化的目標還在于傳輸人類的知識，并幫助他人正確地重構、記憶和應用知識。

2.3 多媒體仿真技術

多媒體仿真技術屬于感受計算的一種，通過采用不同媒體形態(tài)描述不同性質的模型信息,建立反映系統(tǒng)內在運動規(guī)律和外在表現(xiàn)形式的多媒體仿真模型，并在多媒體計算機上運行，產生定性、定量相結合的系統(tǒng)動態(tài)演變過程,從而獲得關于系統(tǒng)的感性和理性認識。多媒體仿真技術通過將仿真所產生的信息和數(shù)據(jù)轉變成為可被感受的場景、圖示和過程，以輔助人們進行決策。它充分利用文本、圖形、圖片、二維/三維動畫、影像和聲音等多媒體手段，將可視化、臨場感、交互、引導結合到一起來產生一種沉浸感，使仿真中的人機交互方式向自然更靠近了一步。

多媒體仿真技術以其直觀、形象、實時的特點，從20世紀70年代開始，研究人員就開始探索在我國電力行業(yè)，特別是電力培訓仿真領域的研究和應用。早期的多媒體培訓仿真系統(tǒng)主要運用在火電廠機組中，之后相繼擴展到電網(wǎng)、變電站的仿真培訓。電網(wǎng)監(jiān)控方面，多媒體仿真技術可以通過可視化手段幫助運行人員全面了解電網(wǎng)的設備配置、運行狀況提高他們判斷和處理事故的快速性和準確性，幫助運行人員積累經(jīng)驗；變電站運維方面，仿真培訓系統(tǒng)根據(jù)實際變電站的狀況，運用多媒體仿真技術構建一個虛擬運行的變電站作為培訓環(huán)境，形成專業(yè)檢修流程及檢修工藝培訓要求，實現(xiàn)受訓人員的日常維護、試驗、帶電檢測等技能培訓；線路運檢方面，多媒體仿真技術可以模擬真實輸配電線路作業(yè)環(huán)境、操作流程、作業(yè)方法，通過虛擬環(huán)境的人機交互，實現(xiàn)受訓人員的運行巡視、線路檢修、線路帶電作業(yè)等全過程操作流程培訓；此外，針對電氣設備結構及檢修培訓學習的需要，出現(xiàn)了基于Web的電氣設備多媒體培訓系統(tǒng)，通過多媒體仿真手段為電力職工提供非實時授課的自主學習與實時授課等教學方式，實現(xiàn)遠程培訓，打破時間和空間的局限性，提升教學效率和效果。

從以上的論述可以看出,我國對于多媒體仿真技術在電力系統(tǒng)的研究和應用雖有一定的基礎，但在沉浸感、可感知性和自然性等方面仍然存在不足。未來多媒體仿真技術將綜合人工智能、融合顯示、多傳感器、計算機圖形、圖像處理、計算機視覺等多門學科，形成一種最有效的模擬人在實際電力作業(yè)環(huán)境中視、聽、觸、動等行為的高級人機交互通道。

2.4 專家?guī)旒夹g

專家?guī)焓轻槍δ骋?或某些)領域問題求解的需要，采用某種(或若干)知識表示方式在計算機存儲器中存儲、組織、管理和使用的互相聯(lián)系的知識片集合。這些知識片包括與領域相關的理論知識、事實數(shù)據(jù)，由專家經(jīng)驗得到的啟發(fā)式知識，如某領域內有關的定義、定理和運算法則以及常識性知識等。知識庫技術在20世紀80年代中期成為數(shù)據(jù)庫的研究熱點，進入90年代隨著人工智能技術的發(fā)展使知識庫技術在理論和實踐上取得了一定的突破，知識庫具有使信息和知識有序化、知識共享與交流等作用，還有利于實現(xiàn)組織的協(xié)作與溝通、幫助企業(yè)實現(xiàn)對客戶知識的有效管理等特點，IBM、HP、聯(lián)想、華為等國內外大型公司均應用知識庫技術建設知識庫管理系統(tǒng)，用于員工培訓、員工自學、產品研發(fā)、售后服務等生產環(huán)節(jié)，知識庫技術在提高員工技能、產品質量及服務質量具有重要的作用。

在知識庫應用研發(fā)方面，國外主流產品是Autonomy公司的Autonomy系統(tǒng)，它集成了目前信息處理中成熟的數(shù)據(jù)庫技術、協(xié)同處理技術、網(wǎng)絡技術、計算技術以及統(tǒng)計語言分析技術等，同時也在這些方面表現(xiàn)出很好的綜合能力，并且有著系統(tǒng)化的軟件產品。Autonomy系統(tǒng)主要問題是缺乏對于語義知識的強大支持，也沒有面向知識學習的有力支撐，而真正意義上的概念化處理以及知識資源的有效利用仍然是其沒有深入解決的問題。國內在專家知識庫應用研發(fā)方面還處于起步階段，還沒有形成系統(tǒng)化的軟件產品，在電力領域的應用更是少之又少。

2.5 數(shù)據(jù)挖掘技術

目前，存儲在智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)中的海量監(jiān)控信息主要用于歷史信息查詢、異常、事故的反演或分析，尚未得到充分利用，數(shù)據(jù)挖掘技術為海量監(jiān)控信息智能分析提供了一種技術手段，如通過這些信息分析各電氣設備的當前運行狀態(tài)和未來缺陷發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)挖掘是一門交叉學科，涉及數(shù)據(jù)庫、人工智能、數(shù)理統(tǒng)計等技術，近年來成為研究熱點，在金融領域、商業(yè)領域、生物科技領域應用廣泛，并取得了良好的應用效果，目前逐步在電力系統(tǒng)領域開始應用。電網(wǎng)調控一體化運行管理在國內實施時間較短，隨著變電站自動化水平的提高，監(jiān)控數(shù)據(jù)量將急劇增加。截止目前，信息大數(shù)據(jù)處理較為復雜，使數(shù)據(jù)處理任務日趨繁重的形勢更加嚴峻。目前大數(shù)據(jù)處理理論，主要圍繞大數(shù)據(jù)模式發(fā)現(xiàn)、大數(shù)據(jù)聚類、大數(shù)據(jù)異常檢測、大數(shù)據(jù)分類、大數(shù)據(jù)挖掘與推理的結合等方面。目前，面向變電站集中監(jiān)控業(yè)務，基于數(shù)據(jù)挖掘技術的海量監(jiān)控信息智能分析技術的研究尚未見報道。

2.6 面向輸變電設備集中監(jiān)控業(yè)務分析建模與仿真技術

近年來，國調組織江蘇、福建等省調開展監(jiān)控信息名稱規(guī)范化的管理工作，確定了信號的選取、分類及人機界面上的顯示方式等信號規(guī)范，根據(jù)信號的重要程度，將信號分為A類事故信號、B類異常信號、C類越限信號、D類變位信號和E類告知信號。2013年，為實現(xiàn)設備集中監(jiān)控的智能告警，江蘇省調組織開展了監(jiān)控信息分層分類建模技術的研究，采用面向對象的告警信息分層分類建模技術，將每條告警信息和相應對象進行關聯(lián)，然后根據(jù)網(wǎng)絡拓撲搜索和數(shù)據(jù)庫中定義的對象層級關系，自動實現(xiàn)告警信息的分層，但該項研究主要停留在監(jiān)控信息層面的建模，不涉及變電站設備及回路與監(jiān)控信息的機理建模。同時，國網(wǎng)公司組織南瑞集團科東公司研制了智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)監(jiān)控員培訓仿真應用系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了變電站設備及回路的詳細機理建模技術，基于變電站實際工作機理對變電站設備及回路進行了全范圍的建模仿真，具體包括變電站的控制系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、繼電保護與自動裝置和綜合自動化系統(tǒng)的詳細模型，在此基礎上，實現(xiàn)了變電站正常、異常及故障工況下的高逼真度的仿真。

2.7 網(wǎng)絡化培訓技術

在互聯(lián)網(wǎng)絡迅速發(fā)展的時代，呈現(xiàn)出知識的更替迅速和信息爆炸式發(fā)展的態(tài)勢，培訓的手段也從傳統(tǒng)的面授式轉變?yōu)橥ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)絡提供培訓服務，網(wǎng)絡知識通過異步傳播手段增強了傳播能力，解決了書本理論落后于實際工程較多的問題。網(wǎng)絡培訓的表現(xiàn)形式包括文字、多媒體課件、教師授課視頻、授課錄音等，其具有豐富的培訓內容、多樣的培訓手段和實現(xiàn)跨越時空、地域的教育資源共享的優(yōu)勢。因此，網(wǎng)絡培訓模式得到了快速發(fā)展，IBM、惠普等諸多國際廠商也隨即提出統(tǒng)一的網(wǎng)絡培訓內容規(guī)范，形成如AICC、SCORM等網(wǎng)絡課件標準。

近年來，國網(wǎng)公司按照SG186的統(tǒng)一部署要求，也開發(fā)和推廣了一套網(wǎng)絡培訓平臺，針對電力行業(yè)的個性化需求，提供專業(yè)分類、崗位分類的課件結構體系，通過標準化課件的導入和發(fā)布，滿足了國網(wǎng)公司內部各機構的網(wǎng)絡化培訓需求。實現(xiàn)了網(wǎng)絡培訓手段應用和培訓效果的最大化。

3 總體結構

無人值守變電站輸變電設備集中監(jiān)控輔助決策系統(tǒng)總體結構如圖1所示。該系統(tǒng)的原理可簡述為：

(1)在智能電網(wǎng)調度控制平臺基礎上，基于電網(wǎng)故障診斷、知識可視化、多媒體仿真、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)絡計算機培訓等技術手段，面向設備監(jiān)控業(yè)務的規(guī)范化、可視化、智能化，以及監(jiān)控信息分析、決策及處理的需求，整合關聯(lián)D5000系統(tǒng)各類應用中電力系統(tǒng)一、二次設備模型、數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息，建立無人值守變電站一、二次設備與監(jiān)控信息結構化分析模型，采集、加工輸變電設備及回路的專業(yè)知識和監(jiān)控員的運行經(jīng)驗，集成多媒體資源，形成輸變電設備集中監(jiān)控業(yè)務知識庫，研究應用數(shù)據(jù)挖掘技術，通過挖掘分析SCADA系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及PMS系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)，持續(xù)豐富完善知識庫，知識庫由位于安全III區(qū)的OMS進行統(tǒng)一維護，知識庫部署于安全I區(qū)和III區(qū)。

(2)在知識庫基礎上，構建由專家系統(tǒng)、知識搜索、知識發(fā)布、知識可視化及二次開發(fā)接口服務構成的輸變電設備集中監(jiān)控知識庫服務集合，部署于安全I區(qū)和III區(qū)，根據(jù)輔助決策及知識培訓等應用模塊的請求，進行知識的搜索、關聯(lián)、整合、發(fā)布及主動推送。

(3)在知識庫及統(tǒng)一的知識服務基礎上，開發(fā)輸變電設備集中監(jiān)控輔助決策及知識培訓應用功能。輔助決策應用程序作為后臺服務程序部署于安全I區(qū)服務器，以SCADA中光字牌列表或監(jiān)控告警信息窗為人機交互入口，供監(jiān)控員進行設備、回路及監(jiān)控信息相關知識的查詢、分析及決策，也可以由專家系統(tǒng)根據(jù)某一段時間下的遙測、遙信事件進行輸變電設備監(jiān)控知識整合并向監(jiān)控員主動推送；輸變電設備集中監(jiān)控知識培訓應用部署于安全III區(qū)OMS系統(tǒng)，用戶可通過WEB人機進行設備、回路及監(jiān)控信息相關知識以及異常事故處理案例等學習、練習、考核及評測。

圖1 輸變電設備集中監(jiān)控輔助決策系統(tǒng)總體結構圖

4 結語

浙江電力調控中心針對目前“調控一體化”體系運行過程中，調控中心集中監(jiān)控設備數(shù)量繁多、監(jiān)控信息量大、異常故障情況復雜等現(xiàn)狀；優(yōu)化整合智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)、輸變電設備相關原理知識、現(xiàn)場運行規(guī)程、集中監(jiān)控信息對應表、集中監(jiān)控運行相關管理規(guī)定和調控員事故異常處理經(jīng)驗等多方面內容，對輸變電設備集中監(jiān)控輔助決策關鍵技術進行研究，實現(xiàn)集中監(jiān)控告警信息的自動分類處置和閉環(huán)管理，全面提升調控中心集中監(jiān)控的運行管控效率、提升異常事故處置的快速性和準確性，以及提升調控員的專業(yè)知識和業(yè)務能力。本文介紹了浙江電網(wǎng)無人值守變電站輸變電設備集中監(jiān)控輔助決策平臺的建設基礎、技術手段和總體結構，可為其他省級電網(wǎng)調控運行提供參考經(jīng)驗。