基于序列比对的变电站仿真操作评价模型研究

刘义杰

（山西漳山发电有限责任公司，山西 长治046021）

0 引言

目前传统的电力仿真培训评价方法（神经网络法、数理统计法、专家评价法等）主观性较强，只是从定性角度评价，难以从复杂、不确定的数据输入中得到确定的推断，而且评价不够全面。很多仿真培训系统中没有实时指导功能，在很大程度上由教员人工指导完成，也无法判别学员操作顺序上的错误，具有一定的局限性。

基于上述问题，本文提出一种基于序列比对的变电站仿真操作智能评价方法，能全面完成变电站仿真巡视、倒闸操作的自动智能评价工作；并采用一合理的加权函数打分，实现对学员操作结果的综合评价，对于提高仿真培训效果具有重要意义。

1 变电站仿真操作评价模型

本文提出的基于序列比对的变电站仿真操作评价模型如图1所示。（1）教员根据操作任务类库，下达操作任务，如巡视类操作、倒闸类操作，学员按不同的操作任务进行操作演练；（2）采用碰撞检测技术，设置触发器，学员每一步操作触发一次事件，根据时间先后顺序，记录学员每一步操作，建立学员操作点事件表，形成实际操作序列；（3）结合变电站操作规程，采用产生式和框架式知识表示方法，进行设备规则和任务规则知识表示，建立操作规则库，形成标准操作序列库；（4）将学员实际操作序列信息传送到序列比对模块，调用操作规则库中的标准操作序列，采用Smith-Waterman序列比对算法，结合推理机，对学员操作结果进行比对评价；（5）根据不同的操作在操作序列中所占比重不同，采用一科学的加权方式打分，并通过可视化窗口对评价结果及分值进行显示。

图1 基于序列比对的变电站仿真操作评价模型

2 序列比对算法（Smith-Waterman算法）

序列比对算法，基本是一种基于动态规划思想的Smith-Waterman算法。依据递归的思想，可以动态规划得出两序列A［i］和B［j］在比对过程中的最大相似性得分值及最佳相似性配对，也可以用其他分值表示得分函数值［1］。

通过相似性最佳得分矩阵进行动态回归的递归算法如下：

For（i＝｜A｜，j＝｜B｜，＆（i＞0＆＆j＞0））

｛if（f［i，j］＝＝f［i－1，j－1］＋σ（A［i］，B［j］））

｛i－－，j－－｝

else if（f［i，j］＝＝f［i－1，j］＋σ（A［i］，－））

｛i－－，insert（‘－’，B，j）｝

else if（f［i，j］＝＝f［i，j－1］＋σ（－，B（j－1）））

｛j－－，insert（‘－’，A，i）｝

Return；｝

在以上算法流程中，定义序列长度值为｜A｜＝m，｜B｜＝n。其中，函数insert（‘－’，A，i）表示将字符‘－’插入一个序列 A的第i个位置，算法中所有此函数均同［2］。

3 基于序列比对的评价方法

变电站智能仿真操作系统中每个设备元件被改为独立的一个类，每个类的本身又包含了其运行的相关属性。在变电站仿真智能评价系统中，要适当扩充各个电气设备元件的属性：如电流互感器、电压互感器、隔离开关、断路器等电气设备元件不仅需要包含其相应的开断动作，还要包含相应的耐受电压等级等属性信息。具体过程（图2）如下：（1）采用碰撞检测技术，并设置触发器，学员每一步操作触发一次事件，根据先后顺序记录学员每一步操作，包括动作时间、设备名称、设备编号、电压等级、设备类型、动作结果等，建立学员操作点事件表，形成实际操作序列；（2）将学员操作序列信息传送到序列比对模块，调用操作规则库中的标准操作序列，采用Smith-Waterman序列比对算法，结合推理机，对学员操作结果进行比对判断及相关评分。

图2 序列比对方法

根据学员操作记录表（表1），在进行数据提取、形成实际操作序列时，本文方法只提取2项关键数据：设备编号、动作结果。

表1 停电操作序列记录表

根据表1的操作记录，形成的实际操作序列为：…DL60201 ON DL60202 T KG602301 ON KG602302 T KG602101 ON KG602102 T…（分闸：ON；合闸：OFF；检查在分位：T）

依据操作规则库中的标准操作序列，通过Smith-Waterman序列比对算法进行比对评价。

4 加权评分

在最终得到的标准操作序列表分值栏中记明了学员进行的仿真操作各个操作项目的得分值，其中遗漏操作序列项按照零分记，对于多次重复操作的序列项和多余的操作序列项按相应的权值比例扣分。考核过程还将记录考生完成时间，因为所有操作需在规定时间内完成，时间因素将影响考核结果。通过综合考虑学员仿真操作中各种因素，包括完成时间、遗漏操作项、重复操作和多余操作项次数等，最后给出学员的仿真操作结果和评价公式。规定加权评价函数总公式如下［3］：

式中，N为学员实际得分总成绩；Si为各个操作项的实际得分；ω1，ω2，ω3为不同的加权系数，随各操作项的重要程度不同而改变，在不同的操作中值不同；T为规定的各个操作项目完成的标准时间限制；t为学员各个操作项目的实际完成时间；Mi为各个操作项的满分值；m为学员重复或漏做的项数，单位是次；d为学员操作中多余的操作项，单位为分数；B为标准分值，是由教员设置的定值，全系统只有1个评分标准值，一般取各个单项满分值的平均值。

通过该函数公式，可以较快得出学员仿真操作的分数，并能转化为直观的一、二、三等级制成绩，进而对学员操作结果进行综合评价分析。

5 结语

本文提出的基于序列比对的变电站仿真操作智能评价方法，将变电站仿真操作中巡视、倒闸操作标准化为一系列操作序列，继而转化为标准操作序列与实际操作序列的比对分析。采用Smith-Waterman序列比对算法，并提出一合理的加权函数打分，实现对学员变电站仿真巡视类、倒闸操作类的全面客观评价。

［1］范习辉，张焰.序列模式挖掘在电力系统警报信息处理中的应用［J］.电力系统自动化，2005（13）

［2］魏大木，陶宏才.序列比对算法简单研究［J］.微计算机信息，2011（4）

［3］赵星涛.仿真机培训成绩自动评定系统的改进［J］.电力系统自动化，2002（22）