基于有限状态机的电网设备状态库研究

杨 子， 王海港， 刘路登， 陈天宇， 章 昊， 吴 迪

(国网安徽省电力有限公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

随着电网规模不断扩大，调度中心倒闸操作任务也日益繁重。只有通过不断提升调控业务智能化水平，才能满足当前电网调控专业工作的需要。目前，安徽电力调度控制中心的调控运行全业务协同管理平台已初步建成，网络化下令已进入正式运行阶段，极大地减轻了调控人员的工作压力[1]。虽然网络化下令提高了工作效率，但其调度操作执行环节的监护仍由人工进行完成，智能化水平较低，同时，各地电力调度控制中心计划进一步研发智能调控操作机器人，减轻调度运行人员的工作压力，提高调度操作执行环节的监护与防误水平，最大限度保障大电网的调度安全运行，实现智能人机交互中心、调度智能安全防误中心等高级应用[2,3]。这一切工作的基石都离不开正确的电网设备状态。

对于电网的设备状态，当前学者研究主要集中于一、二次设备运行状态风险的评估与预测[4,5]。电网公司各职能部门对于运行中的设备的侧重点不同。对于设备状态的监测目前主要依靠于遥信遥测的采集数据，多利用自动化支持的D5000系统。由于部分场站较为老旧，D5000系统遥信、遥测设备状态信息准确性不高，但由于设备状态的准确对于调度操作的初始状态有重要意义，调度台运行并维护一个实时、准确、独立于D5000系统的设备状态库对于倒闸操作、一键成票、智能操作防误等应用具有重要意义。

有限状态机(Finite State Machine, FSM)是为研究有限内存的计算过程和某些编程语言而抽象出的一种计算模型，其可作为基于事件的控制逻辑建模的标准工具[6-9]。将电网中线路、主变、母线、开关、闸刀和二次设备组合为一个系统集合，将检修、运行、冷备用、热备用、跳闸、信号、停用等作为设备表征的有限状态机的状态，在网络化下令、事故异常汇报、口令操作等环节，应用有限状态机技术，通过有限个状态集合中的状态之间的切换，实时维护设备状态库，当前的各地电网尚未出现类似原理的设备状态库。基于有限状态机的设备状态库严格遵守状态转移函数，具有强逻辑，可简称逻辑库。状态库与D5000系统的设备库(仪器量测结果，简称传感库)进行实时校核，互相比对，提高了冗余性，实现设备状态库的实时准确，可提高电网安全运行水平。

1 电网设备状态库

1.1 电网设备状态特点

电网的电力设备主要为供电设备，包含输电、配电、变电等。如果按照在运行中所起的作用不同，也可以分为电气一次设备和电气二次设备。明确电网设备的状态，是一切工作的基石，在日常调度运行工作的各个方面都起到了非常重要的作用。对于设备的状态，在管辖范围内需要采用有效的检测手段和分析技术，及时、准确的掌握设备运行状态，保证电力设备的安全、可靠和经济运行。

对于电力调度领域，主要关注电力设备当前的状态是否准确，以及操作之后设备处于什么状态。这对于调度一键托管操作是关键一步，即是要进行设备状态的安全校核。电网设备状态具备这样的特点：

(1)电网具有有限个设备，每个设备均具备有限的状态；

(2)每时每刻电网只能处于一个状态中；

(3)电网设备状态可以具有多种传感手段进行感知，如电压电流、摄像头图像处理等。

设备当前状态主要的数据来源，一是D5000系统(或调控云)，二是通过调度电话核对现场。以上方法能保证绝大多数场景的应用，但是对于一键成票、智能操作防误等高级应用仍不具备支撑作用。

1.2 有限状态机的原理

有限状态自动机(Finite State Machine, FSM)是为研究有限内存的计算过程和某些编程语言而抽象出的一种计算模型，其可作为基于事件的控制逻辑建模的标准工具[6-9]。有限状态机是指在系统中有可数的状态，某些事件发生时系统从一个状态转换到另一个状态，又称为事件驱动系统。有限状态机五元表达式一般为[10]：

M=(K,Σ,f,S,Z)

(1)

其中:

(1)K是一个有穷集，它的每个元素称为一个状态；

(2)Σ是一个有穷字母表，它的每个元素称为一个输入符号，所以也称Σ为输入符号表。一个简单的例子，假设我们的开关或刀闸有合上，断开两个状态(以0，1代替，彼此互斥)，那么以这两个状态为M的输入集合Σ={0,1}。

(3)f是转换函数，是K×Σ→K上的映像。例如，f(ki,a)=kj;(ki∈K,kj∈K)，就意味着，当前状态为ki、输入字符为a时，将转换到下一状态kj,把kj称作ki的一个后继状态。

(4)S∈K，是唯一的一个初态。FSM通常有一个固定的初始状态(不需要任何输入，状态机默认处于的状态)。

(5)Z⊆K，是一个终态集，终态也称可接受状态或结束状态，也是状态机K的子集，也有可能为空集(即整个状态机没有结束状态)。

1.3 应用与分析

电力系统的设备状态具有离散特征的动态行为，有限状态机原理提供了一种有效的建模思路。

基于有限状态机的设备状态库可以形成独立于D5000系统的一套设备库。以单条线路为例，任何一个时刻仅仅存在一种状态(运行、热备用、冷备用、检修)，状态有限并且是离散的。假设把开关与刀闸的状态以0和1表示，0表示断开，1表示合上。如果该变电站为双母线运行方式，则在单侧的变电站内，则该线路包含7个开关或刀闸，分别是本侧开关、线路侧刀闸、Ⅰ母线侧刀闸、Ⅱ母线侧刀闸、开关母线侧地刀、开关线路侧地刀、线路地刀。如表1所示，为线路设备不同状态时对应的各开关与刀闸的状态。其他设备状态逻辑同理。

表1 线路设备状态的逻辑(本侧变电站为双母线接线方式)

调度操作系统应每次在“调度下令”和“调度收令”之前进行设备状态核对。

(1)先将调令拆解为“设备ID、初始状态、终止状态”；

(2)“调度下令”之前，判断D5000系统和设备状态库中的设备状态跟下令操作前的初始状态是否一致；

(3)“调度收令”之前，判断D5000系统和设备状态库中的设备状态跟现场汇报后的终止状态是否一致。

(4)如有一个不一致则不能下令，弹出告警框，提示调度员。“调度下令”之前还需校核是否满足五防的防误要求。同一并行号的调度指令，如涉及单个设备连续操作多次，如对线路冲击送电，只校核设备的最终状态。

设备状态库的建设，有助于后期的调控操作机器人对新设备启动方案内容进行智能识别、分析，实现调控操作智能成票，自动网络下令等全过程多维度防误，提高电网安全运行水平。

2 基于有限状态机的设备状态库搭建

2.1 部署位置

安徽电力调度控制中心将设备状态库部署在安全Ⅲ区(管理信息区)。

2.2 功能设计

安徽电力调度控制中心建设的设备状态库主要包括以下功能：

(1)实时准确设备状态库。设备状态库中的设备并不需要像D5000系统一样进行图模展示，可以以表格汇总，能明确其当前状态即可。

(2)设备状态库实时校验。设备状态库需要时刻与D5000系统中状态信息比对，刷新频率需要按照从生产Ⅰ区获取数据的情况来考虑。

(3)设备状态库异常告警。设备状态库与D5000系统比对，如出现不一致的地方，显示异常并提示相关信息。

(4)设备状态库智能修正。如果是设备状态库有误，则提示人工进行审核并维护其变更为正确的设备状态，或由语音助手语音外呼智能修正。

(5)设备状态库中任一设备的状态变更轨迹记录。需要对于设备状态变更轨迹进行记录，其记录主要源于正常计划检修、事故异常、新上设备等事件。对于设备操作的掌握将会更加全面直观，有利于分析设备的相关数据，为安排下一步的检修工作提供决策辅助。

2.3 整体框架

将电网中线路、主变、母线、开关、闸刀为一个系统集合，将检修、运行、冷备用、热备用、跳闸、信号、停用等作为设备表征的有限状态机的状态，其整体框架如图1所示。首先将D5000实时遥信遥测数据通过E文件转换一次性导入设备状态库，作为设备状态库的初始库。然后在此基础上，与省调网络化下令系统、调度日志系统、状态实时比对系统等均做好接口管理，通过状态变更使其独立于D5000运行。同时也对拓扑防误、语音识别防误系统、线性规划平台等高级应用系统开放数据。

图1 设备状态库的整体框架

2.4 输入事件

电网采用了“统一调度，分级管理”的调度原则，使得电网调度各业务的统一管理和组织更加便捷清晰。在设备状态变更的过程中，会严格执行调令，如省调对地调下调令、省调对直调厂站下有关线路、开关、变压器、母线等设备的调令时，地调、直调场站都会及时准确的操作完成，并按照调度联系制度及时回令，汇报操作结束。此时设备状态发生变更，根据录音电话与调度日志均可以找到相应的设备状态变更记录。可以作为设备状态库的变更触发源。如图2所示，调度网络化下令阶段，当回令人姓名与时间均已确认则此时该条调令已执行完毕。设备状态库可以从操作指令票中进行读取，并更改库内状态。

图2 调度网络化下令阶段

当电网出现了异常与事故时，此时根据联系汇报制度，相关单位必须在规定时间内及时汇报给上级部门，并完成调度日志中的“事故异常”记录。此时实际的电网设备已经发生了变化，多为设备跳闸，重合成功或重合不成三跳。如图3所示，为合肥地区220 kV某变电站发生了母线跳闸时的调度日志记录。此时有220 kV线路及主变发生跳闸，设备状态库根据调度日志的“事故异常”信息，更改库内状态。

图3 发生事故时的调度日志记录

当电网出现了紧急情况时，此时已经来不及拟写操作指令票，必须立刻进行处理，尽速消除电网缺陷，避免造成更大的损害。当班调度员需要根据实际情况下达口令，临时调整电网方式。此时设备状态库也会根据日志记录或者语音识别转写的操作指令进行更改。如图4所示，为语音识别转写的口令操作，拉开某变电站某某开关。

图4 语音识别转写的口令操作

电网设备众多，部分设备委托给下级调度操作管理。当下级调度申请操作，本级调度进行许可。然后下级调度下令现场操作，再由下级调度向本级调度回令。此时电网设备状态已经发生变化，设备状态库可以根据日志记录或者语音识别转写的操作许可内容进行更改。如图5所示，为语音识别转写的许可操作。

2.5 状态转移图

设备状态库细化到开关、刀闸、地刀等开关设备。如果出现上述事件，首先将事件关联设备进行分解，分解到开关、刀闸层级，然后根据事件类型对各开关或刀闸设备进行状态转移。此状态机中，开关或刀闸只存在“合上”与“断开”两种状态。任何时候只会处于其中一个状态。“动作”一旦执行完毕就结束了，而“状态”是相对稳定的，如果没有外部条件的触发，一个状态会一直持续下去。A类事件表示，从状态“合上”跳转“断开”时要执行的所有动作的有序集。B类事件同理。其状态转移图如图6所示。

图6 开关或刀闸的状态转移图

根据文献[7]，本文采用混联结构的方式。设备状态库的决策系统如图7所示。根据不同的状态变化场景，首先查找到相关设备，如找不到相关设备则退出；如果匹配到相关设备，从初始状态变为终止状态，并及时进行状态校验。

图7 设备状态库的决策图

3 设备状态库应用展示

3.1 综合查询

设备状态库信息是为了和D5000系统台账实时比对，并不要求对设备及其信息成图化，可作为只读模式，当前模式不可编辑，支持综合查询功能。如图8所示，为全网管辖设备的状态查询界面(局部)。可展示皖北、皖中、皖南变电站、各地市变电站信息等。

图8 全网管辖设备的状态查询界面(局部)

查询界面按电网分区、电压等级、地理位置、变电站名称等分类。如果点开“线路”，“母线”会关联相关的设备。点开“设备”之后，设备状态库会显示其设备状态，例如运行、检修、冷备用、热备用、合位、分位等状态信息。

3.2 状态库比对结果

当前设备状态库按照5分钟一次对全网设备比对一次，检查两个库里面的设备数量和类别是否有不同。如出现触发事件则立刻变更设备状态库状态并再次与D5000系统比对。

将设备库中线路、主变、母线、开关、闸刀设备与D5000系统比对出现不一致时，提取出来，在此展示，此模块只显示状态比对不一致的设备及数量。如果出现库内设备状态与D5000系统比对结果不一致，弹小窗口提示。例如图9所示的是孟楼变设备状态库比对界面。可以看到此时部分开关状态与D5000系统量测数据比对不一致，需要核查。

图9 孟楼变状态库比对结果界面

3.3 设备状态库维护

如果发现状态库比对模块出现不一致，则需要去核查设备状态不一致的原因，通过调度电话与厂站现场取得联系，进行设备状态的人工核实或者语音外呼智能核对。分三种处理方式：如果D5000系统数据有误，通知自动化运维更正；如果是设备状态库有误，需要变更其为正确状态；如果D5000系统与设备状态库都错了，则将其均更正为正确状态。

设备状态库需要变更时，需要调度员或管理员输入密码、账号，才能变更库内设备状态，并记录下变更的审核理由。图10所示的是设备状态库需要变更时的维护界面。

图10 设备状态库维护界面

在此还设置了语音外呼智能核对，利用语音助手自动核对现场设备状态，得到初步的结论，同时语音助手弹出相关的信息框，供调度员审批后一键录入。此功能限制有特定声纹的调度员进行操作。

3.4 设备状态库变更轨迹

可以浏览设备的状态变更的一切轨迹。提供设备状态变更的全轨迹，包括全部信息：变更人(单位、姓名)，变更事由(计划工作、事故异常等)，变更时间。如图11所示，为设备状态变更轨迹展示。如果某些设备未到检修期却频繁需要变更操作，需要考虑此处的电网方式安排与设备检修状况，为系统方式的检修安排提供参考。

图11 设备状态库中变更轨迹展示

3.5 预处理

省调下达的某些调令为综合令，可能会涉及多个设备状态，还没收令前，D5000系统量测库其实已经改变状态，例如“将220 kV某线路及两侧开关、某变母联2700开关及220 kV Ⅰ母线由运行转检修”，这项操作涉及设备较多，当现场操作进行时，如果进行实时比对，则设备状态库会出现大量的不一致。此时需要设备状态库检测到状态不一致之后，还可以根据当前是否有电气操作进行预处理、预判断，如果识别出该设备目前有相关调令操作时，将等待调度日志以及网络化/电话回令之后，再由实时比对结果进行提示。

4 结语

(1)目前安徽电力调度控制中心目前已完成了220 kV主网设备状态库，对于二次设备尚未接入；

(2)设备状态库需要及时扩充与实际生产中出现的相关调度术语以及其引起的设备状态改变，例如充电运行转检修、机组并网等；

(3)涉及闸刀的地刀这一类，个别老变电站遥信遥测数据不全面，在D5000系统中没有其状态，那么设备状态库试运行之后，则以设备状态库状态为准；

(4)在实际应用中发现语音转写具有统计学的特点，存在转写不准确的情况。此时，根据设备状态库与D5000系统的一致性，可以对语音识别起到一个反向的校核。因此，设备状态库对于语音转写等高级应用也是一种辅助的防误手段。

安徽电力调度控制中心建设的设备状态库从电网调度控制运行的实际需求出发，解决了电网设备初始状态难以确认的难题。基于有限状态机的设备状态库具备强逻辑，同时该设备状态库具备与D5000系统量测数据库互相比对的能力，改善了两个数据库数据的准确度，使得安徽电网的安全水平获得进一步提高，并为高级应用的开发打下了坚实的基础。