基于特征映射的智能告警系统的设计

朱子坤，李文朝，王 飞，陈槾露

（1.广东电网有限责任公司茂名供电局 广东 茂名525000；2.东方电子股份有限公司 山东 烟台264000）

基于特征映射的智能告警系统的设计

朱子坤1，李文朝1，王 飞2，陈槾露1

（1.广东电网有限责任公司茂名供电局 广东 茂名525000；2.东方电子股份有限公司 山东 烟台264000）

为准确及时获取电网故障关键信息和提高电网智能故障诊断的实用化水平，提出一种基于特征映射的电力设备故障诊断方法，设计和实现了一种地区电网智能告警系统。某地区电网智能故障诊断专家系统的建设及示范应用情况表明，此系统可定制、可复用，在电网运行监视方面有良好的应用前景。

故障诊断；特征量；虚拟映射；逻辑表达；专家系统

近年来，电网规模高速扩展，电网运行信息呈海量化的现象。一个地级电网调度主站，每天电网运行信息量超过20 000条，台风等恶劣天气情况下，告警信息量甚至会剧增10倍，为电网运行监控带来严重困难。为迅速获取电网运行故障信息以及电网设备异常信息，需引入智能技术手段。

目前，智能故障分析的方法有基于信息分类的故障分析和基于信息描述的故障分析两种。基于信息分类的故障分析，对不同类别的告警信息赋予不同的告警等级，对不同等级或事故分窗口显示，只提供信息筛选和分类手段，仍然依赖人工分析，不具备故障自动诊断分析功能；基于信息描述的故障分析，通过告警信息中的关键字符信息建立推理规则，发生告警信息后，通过字符串匹配方式进行故障分析，该方法往往由于告警信息描述不规范、规则依赖于程序，使得告警推理规则存在繁琐复杂、有效性差、难以适应电网发展等问题，无法满足调度运行需求。

文中提出一种基于特征映射的电力设备故障诊断专家系统，即通过提取电网中设备运行信息的特征量，运用虚拟映射技术建立故障诊断专家系统。在此基础上，设计和实现了地区电网智能告警系统（下文简称“智能告警系统”），并在某地区电网进行建设及示范应用。

1　系统功能设计

该智能告警系统结构图如图1所示。系统输入来自3个子系统，分别是 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监控）、保信（保护信息及故障录波系统）和PAS（Power Advanced Software，电力高级应用软件）。3个子系统的告警信息经智能告警服务器处理，产生告警分析结果。为符合运行人员的监控习惯，分析结果的展示嵌入SCADA子系统，在SCADA的告警窗口展示。

智能告警服务器加载规则配置器设置的规则，接收3个子系统的告警信息，基于规则完成推理分析。本质上，智能告警系统是一个专家系统，是一个具有大量的电力设备故障诊断知识与经验的程序系统。

图1　系统总体结构图

2　专家系统实现方法

基于特征映射技术的智能告警系统其分析对象是告警信息。告警信息反映的是电网中设备的运行状态。每个电力设备都被分解为一个或多个告警对象。当电网自动化系统检测到某个电力设备的运行状态发生变化，就会基于其对应的告警对象，生成告警信息，而告警信息包含有时间标签、告警对象和状态描述等要素。因此，基于特征映射技术的电力设备故障诊断实现应包括定义告警信息空间特征、定义告警信息故障属性特征、建立基于特征映射专家库、推理机逻辑设计4个步骤。

2.1告警信息的空间特征

告警信息的空间特征定义包括设备空间定义和功能部件定义。

告警信息的设备空间定义就是确定告警信息所属的空间层次。告警信息是基于告警对象产生的，而告警对象来自于电力设备。通过“告警信息→告警对象→电力设备”这样的路径，能确定告警对象所述设备。

告警信息的功能部件定义是确定告警信息的空间特征颗粒度大小的关键。功能部件颗粒度太大，故障诊断结果粗，难以确定详细的故障点；而颗粒度太小，则会导致告警信功能部件特征复杂，基于功能部件映射逻辑复杂，推理规则描述复杂。

空间特征映射，就是把告警信息的空间特征映射到编码的过程。通过“告警信息→告警对象→电力设备”（在主站侧实现）和“电力设备→编码”（在变电站侧已实现），就能实现“告警信息→编码”，即完成告警信息的空间特征定义。

2.2告警信息故障属性特征

故障诊断的关键步骤在于明确告警信息所表述的设备运行故障信息，即明确告警信息的内在属性。根据电网运行情况，可将告警信息分为事故类告警信息和异常类告警信息。前者表示存在事故跳闸故障，主要是保护动作告警信息；后者则表示设备运行异常故障，主要为一般异常告警信息。根据电网运行故障特征，为电网运行告警信息定义其故障属性特征。

2.3基于特征映射的专家库

建立基于特征映射的专家库，关键是把自然语言描述的规则转化为计算机能够识别的逻辑表达式。在告警信息定义完成后，可获取电网运行告警信息的空间属性和信息属性的特征信息，并通过虚拟映射逻辑，将特征信息量映射为数字量，结合告警信息属性及告警对象空间特征，即可将专家库的推理规则映射为逻辑表达式。表达式的元素定义为（空间特征，故障属性，状态），其中空间特征即告警信息的空间层次和功能部件，采用穷举法，为每个层次、部件定义编码，在每个元素中占据2个字节；故障属性已定义编码，在每个元素中占据4个字节；状态包括0或1，在每个元素中占据1个字节。对于异常类智能故障推理规则一般为单一推理，为实现延时或抖动等智能故障诊断推理规则，还需加入计时器或计数器功能。

示例1：事故跳闸类智能故障诊断推理规则：“110 kV××线两侧主保护动作事故跳闸，重合成功。”

自然语言描述的推理规则：

（（110 kV线路间隔/保护装置/110 kV线路保护 动作）and（本间隔/开关 分位）and（本间隔/保护装置/重合闸动作动作）and（本间隔/开关 合位））and（（对侧间隔/保护装置/ 110 kV线路保护 动作）and（对侧间隔/开关 分位）and（对侧间隔/保护装置/重合闸动作动作）and（对侧间隔 开关合位））

对上述自然语言表述的推理规则，根据特征量映射后可建立如下信息匹配逻辑表达式：

1）信息所属间隔相同；

2）信息所属线路编码相同，为EAF**（**为序列码）

3）信息厂站编码分别为线路两侧厂站代码；

4）本侧：（4 000=1）&&（1 001=0）&&（4 007=1）&&（1 001=1）

5）对侧：（4 000=1）&&（1 001=0）&&（4 007=1）&&（1 001=1）

其中4 001为110 kV线路保护信息属性映射编码，4 007 为110 kV线路重合闸信息属性映射编码，1001为线路开关位置状态映射编码。

示例2：设备异常类智能故障诊断推理规则：“直流系统母线接地故障”。

自然语言描述的推理规则为:

公用设施区/直流系统间隔/直流系统母线接地告警动作

基于特征量映射的逻辑表达式为：

1）信息所属厂站代码相同，

2）信息所属间隔（设备容器）编码，且为PDB**（**为序列码）；

3）所属设备编码为BCB***；

4）信息属性编码为：5 003=1

其中5 003为直流系统母线接地告警信息属性映射编码。

2.4推理机逻辑设计

推理机程序流程如图2所示。

图2　推理流程图

推理机处理系统接收的各种告警信息，先过滤检修、调试信息，再根据告警等级进一步过滤告警信息（滤除告警等级低的告警信息），然后捕捉推理机启动信号，即保护动作类或开关变位类告警信息。当推理机捕捉到一个启动信息，获取告警信息对应的空间特征，并把其空间特征作为基准空间特征，分析启动信号前10秒后25秒（时间可配置）的所有告警信息，用匹配规则的方法来推理，诊断故障。如图3的规则，设推理机捕获 “10 kV线路保护动作”，其间隔编码为EAF05，那么，匹配规则时，就是在设定时间段告警信息里，找间隔编码也是EAF05，而故障属性是6 005和1 001的告警信息，再匹配状态值，能找到表达式里规定的各个元素，就推送结果；否则匹配失败。

图3　规则编辑

3　系统开发平台与工具选取

该智能告警系统的软件采用C++/JAVA编程，以QT作为界面开发技术，这样开发的智能告警系统能够在各个平台/操作系统上方便的移植。

4　实验应用

以下以某地区电网智能故障诊断专家系统的建设，说明基于特征映射的智能告警系统的应用情况。

4.1面向用户的人机界面

该地区智能告警系统目前配置故障诊断规则112条 （包括事故推理规则64条，设备异常推理规则48条）。用户结合电网运行的实际情况，用自然语言实现电网故障诊断规则的自定义，通过逻辑表达式的方式保存，由逻辑表达式实现规则和代码的解耦。当推理机接收到对应告警信息时，便自动匹配对应逻辑表达式，从而实现电网设备故障诊断，并自动生成推理报告。故障诊断的告警结论作为一条综合告警信息在系统智能告警栏展示，并能调阅详细告警信息。智能告警人机界面如图4所示。

图4　结果展示

4.2海量电网运行信息的压缩

对于110 kV以上线路事故跳闸，通常会产生大量告警信息，相关告警信息数目甚至可以上百条，调度运行人员难以在短时间内获取关键信息，定位电网故障。根据系统的应用情况可知，经过智能告警系统处理后，上送上百条相关实时告警的线路跳闸，只会生成一条告警结论。根据地区电网日告警信息量抽样统计分析可知，每日实时告警信息量大约为10 000-30 000条，而专家系统生成的告警结论仅有几十条，如图5所示。

图5　告警信息对比图

可见，基于特征映射的故障诊断专家系统可实现海量告警信息压缩，监控模式从基于告警对象监控到基于事件监控，大大减轻调度监控人员的监控工作量。

4.3电网异常信息的准确推理

某地区故障诊断专家系统，利用其规则面向用户的特性，运行期间不断分析完善，事故推理正确率不断提高，其中，4月事故推理正确率已达到100%。

表1　推理正确率统计

5　结束语

基于特征映射的智能告警系统，通过获取电网运行告警信息所属调度对象的特征信息，包括空间位置特征量以及其所表征的调度对象内在运行状态，并建立这些特征信息的虚拟映射逻辑，将自然语言描述的推理规则映射为计算机逻辑表达式，提高计算机处理效率。其规则库对用户完全透明，面向用户的智能故障诊断规则编辑，可根据实际运行情况随时更新，为建立准确的智能故障诊断推理逻辑提供精确的逻辑匹配规则，为智能故障诊断系统实用化运行打下基础，提高调度系统智能化水平，实现电网运行故障信息的自诊断。

该系统不依赖于告警信息描述，规则编辑简单，推理过程准确，运行效率高，可复制推广应用于调度自动化系统、变电站自动化系统及配用电自动化系统等各类电网自动化系统。

[1]刘飞.基于人工智能的电力系统报警处理方法[D].天津：天津大学，2005.

[2]刘世欣.基于故障树的变电设备故障诊断专家系统[D].北京：华北电力大学，2007.

[3]乔飞.具有可变规则的专家系统在电力输电线路故障诊断与监测中的应用研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[4]胡文平.基于智能信息融合的电力设备故障诊断新技术研究[D].武汉:华中科技大学，2005.

[5]彭飘.基于根本原因法的智能变电站故障诊断模型的研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[6]秦倩.基于故障录波数据的继电保护动作特性分析系统[D].长沙：湖南大学，2014.

[7]许祖丰.基于驱动模型的变电站智能告警应用软件研究与设计[D].南京理工大学，2014.

[8]刘友波等.电力系统连锁分析故障和应用[J].电力系统保护与制，2013，41（10）:149-153.

[9]赵伟.地区电网故障诊断与报警分析的研究[D].北京：中国电力科学研究院，2005.

[10]林斌.产生式规则在电力设备故障诊断中的应用[D].重庆：重庆大学，2005.

[11]林剑.变电站故障信息分析系统的研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[12]方为洲.电力主设备在线检测系统及故障诊断方法的研究[D].南京：东南大学，2007.

[13]胡卓鸿.利用SCADA及故障信息系统智能判别电网故障[J].江西电力职业技术学院学报，2009，22（1）:35-38.

[14]杨洪耕.地区电网智能告警系统的实现[J].电力系统及其自动化学报，2011，23（2）:106-109.

[15]姬书军.变电站智能告警专家系统研究 [J].华东电力，2011，39（5）:773-775.

[16]王强.青岛电网智能告警专家系统应用分析[J].能源技术经济，2011，23（5）:14-17.

[17]侯方迪.调控一体化电网综合智能告警技术的应用 [J].浙江电力，2013（12）:71-72.

Design of intelligent alarm system based on feature mapping

ZHU Zi-kun1，LI Wen-chao1，WANG Fei2，CHEN Wan-lu1
（1.Maoming Power Supply Bureau，Maoming 525000，China；2.Dongfang Electronics，Yantai 264000，China）

In order to obtain the critical information of the power grid fault and improve the practical level of intelligent fault diagnosis，a new method for power equipment fault diagnosis based on feature mapping is proposed，which is designed and implemented.The constructionanddemonstrationofintelligentfaultdiagnosisexpertsystemforaregionalpowernetworkshowsthat thesystemcanbecustomizedandreused，andhasgoodapplicationprospectintheoperationandmonitoringofthepowernetwork.

fault diagnosis；characteristic quantity；virtual mapping；logic expression；expert system

TN99

A

1674－6236（2016）22-0100-04

2015-11-18稿件编号：201511178

朱子坤（1977—），男，广西灵山人，高级工程师。研究方向：电力系统运行与控制。