基于有限状态机的变电站倒闸操作票生成方法

冯子文，朱永利

（华北电力大学控制与计算机工程学院，河北省 保定市 071003）

0 引言

在电力系统中，变电站作为一个非常重要的部分，具有不可或缺的作用，在对变电站设备检修或电力系统运行方式进行调整时，需编写倒闸操作票。变电站倒闸操作票是操作人员安全进行倒闸操作的依据，是变电站运行管理的重要方式，同时也是对相关工作人员及电气设备的安全保障。在工作人员对操作票进行一系列审核并确定没有任何错误以后，操作人员才能进行相关操作。正确的操作票是保证变电站倒闸操作的基础，误操作造成人身伤亡或系统事故的案例屡见不鲜[1]。目前，操作票的编写主要是由人工以手写的方式完成，一方面是为了使操作人员熟悉对设备的操作，另一方面是从安全角度考虑，保障出票的正确性。但是，由于编写人员的技术水平、经验知识差异性很大，再加上变电站结构的复杂性，不仅有一次设备的操作，还有二次设备保护装置，要开出繁琐且准确的操作票具有一定的难度。另外，由于写票人员难免存在疏忽，且目前大量无人值守变电站的倒闸操作是由一个操作大队负责完成，到了春秋检修季节，写票的任务非常集中。因此，研究操作票的自动生成方法非常必要。

变电站操作票开票方法主要分为2类：典型操作票开票[2]和智能系统开票[3-5]。典型操作票是事先写好并存储在计算机中，如不同线路的断路器检修时的操作票仅替换断路器编号即可，这种方法相比于手工开票在效率上有很大的提升，但是由于调用典型票不具有智能性，当电网结构发生变化或进行复杂操作时，典型操作票就不再适用了。智能系统开票根据变电站一次系统的特点和操作任务自动生成操作票，不仅可以在很大程度上摆脱人为因素的干预，而且能够简化开票流程，实现一键式操作，使工作人员可以快速、准确地开出操作票，这样也大大减轻了工作人员的压力。因此，与典型操作票开票系统相比，使用智能系统进行开票更适用。虽然很多地方拥有自动开票系统，但是由于系统本身的限制，不足以保证开票的正确性，如很多地方使用的“五防”开票系统需要操作人员按照提示人工选择开票步骤，并且出票内容一般只涉及一次设备的操作，几乎没有涉及二次设备操作，形成的不是完整的操作票。变电站的倒闸操作基本上都是一次设备与二次设备的配合，因此，“五防”开票系统开出的操作票具有不完整性和风险性。

针对以上问题，本文研究了一种基于有限状态机(finite state machine，FSM)的变电站倒闸操作票智能生成方法，该方法不仅能够实现一键式智能开票，简化了开票流程，还引入了对二次设备的操作，使编写的操作票更加完整。

1 变电站操作设备与状态分析

倒闸操作即电气设备状态之间的转换[6]。电力系统中的设备一般具有4种状态：运行、热备用、冷备用、检修。一般情况下，运行状态即开关、刀闸处于合位，接地刀闸处于开位，保护投入；热备用状态即开关处于开位，刀闸处于合位，接地刀闸处于开位，保护投入；冷备用状态即开关、刀闸处于开位，接地刀闸处于开位，保护投入；检修状态即开关、刀闸处于开位，接地刀闸处于合位，保护退出。只有相邻状态之间可以进行转换，不能跨状态操作，即状态操作具有顺序性，某种设备状态的变化会使关联设备的状态发生相应的变化，即状态操作具有关联性。通过对断路器、隔离开关、接地刀闸等一次设备的操作，以及控制和信号装置、继电保护及自动装置、直流电源设备等二次设备的操作，完成电气设备的状态转换(即运行方式的改变)，如图1所示。

图1 倒闸操作状态转换Fig.1 Switching operation state transition

在操作票生成过程中，每个电气设备在进行状态转换时都满足操作约束条件。如：停、送电操作时，先停负荷侧，后停电源侧，送电时，顺序与之相反。对于二次设备，如对主变进行停电操作时，需合上相应的中性点隔离开关，在合上开关前必须先投入零序过流压板。双母线进行倒母线操作时，在断开母联开关控制电源前，必须先投入母线互联压板；对线路、母线进行充电时，在合上开关前必须投入充电功能压板。因此，对于操作票中的每一个操作设备，都有对应的防误操作逻辑，即操作内容之间都有先后操作顺序。在倒闸操作过程中，当设备事件的约束条件满足要求时将进行状态转换，在可操作设备集合中的相关设备事件都完成转换，即满足倒闸操作状态转换的条件时，可实现由现状态到次状态的转换。

2 基于FSM的生成方法

2.1 操作任务解析

变电站倒闸操作的主要内容是对电气设备进行有序操作。因此，通过对操作任务进行解析来提取设备信息是倒闸操作的前提条件。本文通过对操作任务进行决策分类，再结合一次主接线图提取电气设备信息。

自然语言处理中的中文分词算法是文本处理的一项重要技术[7-12]。使用中文分词算法对操作任务进行分词操作，得到各类属性值，如操作对象属性、状态属性、操作任务类型属性等。本文采用Python的第三方词库(jieba分词词库)进行分词操作。由于操作任务术语具有很高的专业性，为了能够使分词达到一个很好的效果，需设置自定义词典进行分词，通过对比其内置词典使准确性更高，对比结果表1所示。

表1 操作任务分词结果对比Tab.1 Comparison of operation task word segmentation results

采用图数据库将变电站一次主接线图进行表示和存储[13]。通过解析结果得到各类属性值，再利用基于间隔模型[14]的思想对设备节点进行搜索，从而提取出相关设备信息，如图2所示。

图2 设备信息提取Fig.2 Equipment information extraction

2.2 FSM

FSM又称有限状态自动机，是表示有限个状态及这些状态间的转移、动作等行为的数学模型[15]。FSM易编写、运行效率高的特点使其在计算机、通信、工业设计、数字逻辑设计等领域被广泛应用[16-22]。FSM可用一个五元组M表示，即

式中：S为有限状态集合；C为输入事件的集合；T为状态转移函数；S0为初始状态；Sn为目标状态。

为了更加直观地描述上述模型，通过状态转移图的形式进行表达，如图3所示。

图3 状态转移示意图Fig.3 Schematic diagram of state transition

状态转移由转移函数T确定，与当前状态和输入事件决定，函数T可记为

式中：Si和Si+1表示2个相邻状态，且Si,Si+1∈S，Li表示从Si转移到Si+1需满足的条件，即Si在Li的触发条件下转移到Si+1。同理，Si+1在Li+1的触发条件下转移到Si，可记为T(Si+1,Li+1)=Si。

2.3 模型映射关系建立

根据变电站结构特点，FSM可直观、准确地描述倒闸操作的规划流程，建立变电站倒闸操作与FSM的映射关系，如表2所示。

表2 变电站倒闸操作与FSM的映射关系Tab.2 Mapping relationship between substation switching operation and FSM

在变电站倒闸操作过程中，触发状态转换的条件是关于一次设备和二次设备的操作事件，对于每一个操作事件，其本质是对相应设备进行操作，如一次设备中拉开或者合上断路器、隔离开关、接地倒闸等，二次设备中断开或者合上空气开关、保护的投退等。因此，变电站倒闸操作可以细化为电气设备状态改变的操作。建立电气设备事件与FSM的映射关系，如表3所示。

表3 电气设备事件与FSM的映射关系Tab.3 Mapping relationship between electrical equipment events and FSM

2.4 模型求解

基于FSM的变电站倒闸操作票生成模型的求解思路是：从初始状态S0开始，通过状态转移函数进行转移，当转移至目标状态Sn时，模型求解完成。具体步骤如下：

1）通过解析操作任务，获取倒闸操作初始状态S0、目标状态Sn，提取可操作设备集C。

2）以C中每一个操作设备事件作为状态，以倒闸操作初始状态作为初始输入信号，之后以集合M作为输入信号。

3）驱动FSM，根据设备状态转移函数T对设备状态进行转移，将转移后的设备事件添加到集合M，集合M中的设备事件将作为其他设备转换的输入信号，返回步骤2）。

4）当状态转移至目标状态时，终止FSM运行。

5）将集合M中的设备事件通过输出函数进行规范化输出，完成设备操作序列生成。

在操作票生成内容上，本文将其分成了2部分，如图4所示：一部分是操作事实内容，即集合M；另一部分为确认事实内容。操作事实描述了一次和二次设备操作；确认事实是对操作设备状态的确认检查。因此，输出函数就是将集合M中的每一条操作事实进行确认，然后输出，这样就形成了完整的操作票内容。操作序列生成的整个流程如图5所示。

图4 操作票内容组成Fig.4 Composition of operation ticket

图5 操作序列生成流程图Fig.5 Flow chart of operation sequence generation

3 算例

以某地区220 kV变电站为例，给定3种不同类型的操作任务，进行基于FSM的变电站倒闸操作票智能生成方法验证。

3.1 220 kV城布牵线251线路及断路器由运行转检修

通过操作任务解析得到电气属性值。状态属性值：初始状态为运行；目标状态为检修。操作票类型为线路操作(251线路)；操作对象为251线路、251断路器；电压等级为220 kV。根据操作规范及约束条件，251线路操作各设备从初始状态到目标状态中的开、合状态如表4所示。

表4 251线路操作各设备开、合状态Tab.4 Opening and closing status of each equipment for the 251 line operation

在状态转换过程中，通过比较相邻状态下各电气设备所处状态是否一致，判断该设备是否需要进行状态转换。若设备所处状态一致，跳过该设备的状态转换；若设备所处状态不一致，对该设备进行状态转换。

根据模型求解算法，运行过程如下：

S0=“运行”，Sn=“检修”

L1(251断路器)：

T(合上,S0,拉开)，M={L1}。

T(运行,L1)=S1，S1=“热备用”，S1≠Sn。

L2(2516隔离开关)：

T(合上,S1,拉开)，M={L1,L2}。

L3(2511隔离开关)：

T(合上,L2,拉开)，M={L1,L2,L3}。

T(S1,(L2,L3))=S2，S2=“冷备用”，S2≠Sn。

L4(251线路电压互感器二次空气开关)：

T(合上,S2,断开)，M={L1,L2,L3,L4}。

L5(25127接地刀闸)：

T(拉开,L4,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5}。

L6(25167接地刀闸)：

T(拉开,L5,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6}。

L7(251617接地刀闸)：

T(拉开,L6,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7}。

L8(251城布牵线CSC电流差动保护)：

T(投入,L7,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8}。

L9(251城布牵线RCS电流差动保护)：

T(投入,L8,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9}。

T(S2,(L4,L5,L6,L7,L8,L9))=S3，S3=“检修”，S3=Sn，FSM终止运行。

将M中设备事件通过输出函数规范化输出，完成设备操作序列生成，实现操作票自动生成。

3.2 220 kV 219电压互感器由运行转检修

通过解析操作任务，得到各类属性值。状态属性值：初始状态为运行；目标状态为检修。操作票类型为电压互感器(potential transformer，PT)操作；操作对象为219电压互感器；电压等级为220 kV。根据操作规范及约束条件，219电压互感器操作各设备从初始状态到目标状态中的开、合状态如表5所示。

表5 219电压互感器操作各设备开、合状态Tab.5 Opening and closing status of each equipment for the 219 PT operation

根据模型求解算法，状态函数运行过程如下：

S0=“运行”，Sn=“检修”

L1(219电压互感器二次计量空气开关)：

T(合上,S0,断开)，M={L1}。

L2(219电压互感器二次保护空气开关)：

T(合上,L1,断开)，M={L1,L2}。

L3(219电压互感器二次测量空气开关)：

T(合上,L2,断开)，M={L1,L2,L3}。

L4(219隔离开关)：

T(合上,L3,拉开)，M={L1,L2,L3,L4}，

T(S0,(L1,L2,L3,L4))=S1，S1=“冷备用”，S1≠Sn。

L5(2197接地刀闸)：

T(拉开,S1,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5}，

T(S1,L5)=S2，S2=“检修”，S2=Sn，FSM终止运行。

3.3 1号主变由运行转检修

解析操作任务，得到各类属性值。状态属性值：初始状态为运行；目标状态为检修。操作票类型为主变操作；操作对象为1号主变。根据操作规范及约束条件，1号主变操作各设备从初始状态到目标状态中的开、合状态如表6所示。

表6 1号主变操作各设备开、合状态Tab.6 Opening and closing status of each equipment for No.1 main transformer operation

根据模型求解算法，状态函数运行过程如下：

S0=“运行”，Sn=“检修”

L1(220 kV零序过流投入压板)：

T(退出,S0,投入)，M={L1}。

L2(中性点220隔离开关)：

T(拉开,L1,合上)，M={L1,L2}。

L3(中性点120隔离开关)：

T(拉开,L2,合上)，M={L1,L2,L3}。

L4(220 kV间隙保护投入压板)：

T(投入,L3,退出)，M={L1,L2,L3,L4}。

L5(901断路器)：

T(合上,L4,拉开)，M={L1,L2,L3,L4,L5}。

L6(101断路器)：

T(合上,L5,拉开)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6}。

L7(201断路器)：

T(合上,L6,拉开)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7}。

L4(220 kV间隙保护投入压板)：

T(退出,L7,投入)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4}。

L8(中性点210隔离开关)：

T(合上,L4,拉开)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8}。

L9(中性点110隔离开关)：

T(合上,L9,拉开)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9}。

L1(220 kV零序过流投入压板)：

T(投入,S0,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1}，

T(S0,(L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9))=S1，S1=“热备用”，S1≠Sn。

L10(1016隔离开关)：

T(合上,S1,拉开)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10}。

L11(1011隔离开关)：

T(合上,L10,拉开)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11}。

L12(2016隔离开关)：

T(合上,L11,拉开)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12}。

L13(2011隔离开关)：

T(合上,L12,拉开)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13}。

T(S1,(L10,L11,L12,L13))=S2，S2=“冷备用”，S2≠Sn。

L14(201617接地刀闸)：

T(拉开,S2,合上)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14}。

L15(101617接地刀闸)：

T(拉开,L14,合上)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14,L15}。

L16(跳闸压板)：

T(投入,L15,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14,L15,L16}。

L17(失灵压板)：

T(投入,L16,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9,L1,L10,L11,L12,L13,L14,L15,L16,L17}。

T(S2,(L14,L15,L16,L17))=S3，S3=“检修”，S3=Sn，FSM终止运行。

该模型使用Python语言进行开发，开发环境采用Pycharm2020，程序运行结果如表7—9所示。

表7 251线路操作程序运行结果Tab.7 Program operation results of the 251 line

表8 219电压互感器操作程序运行结果Tab.8 Program operation results of the 219 PT

表9 1号主变操作程序运行结果Tab.9 Program operation results of No.1 main transformer

4 结论

为了提高变电站倒闸操作票自动生成系统的智能性和实用性，研究了基于FSM的操作票智能生成方法。通过分析倒闸操作过程，利用电气设备与FSM的映射关系，建立了直观、清晰的操作票生成模型。采用Python进行开发，搭建了模型，并通过该模型进行求解，实现了操作票自动生成，智能性有很大提升。以某地区220 kV变电站为例，验证了方法的正确性和实用性，结果表明：该方法能够实现对主变停送电操作票、出线停送电操作票、电压互感器停送电操作票进行自动生成。下一步，将研究倒母线操作票、站用变停送电操作票等其他类型操作票的自动生成，进一步提高该方法的使用范围。