无人值守变电站集中监控辅助决策关键技术研究综述

，，，

(1.国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江 杭州 310007；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192)

1 引言

电网调控一体化技术在国家电网公司已取得显著进步，智能电网调度控制系统为电网调控一体化的实施提供坚强的技术支撑[1-2]，并为电网调度业务提供了丰富、完备的辅助分析决策软件，但为监控业务提供的辅助分析决策软件仍停留在传统的告警窗、光字牌列表等技术手段，无法满足省地级电网“智能调度”与“精益调度”的要求，主要面临以下几方面的挑战：

(1)变电站实施无人值班后，全部监控信息汇总到调控中心。一个500kV变电站就有好几千条遥信量，而国网浙江电力调度控制中心目前负责42个500kV变电站的集中监控，监视的遥信量超过十万条。正常情况下，各种信号动作频繁，电网监控员监控任务较重，很容易遗漏重要告警信号，延误处理造成事故。一旦发生事故，动作的事件记录很多，电网监控员眼花缭乱，无所适从，很难抓住重点，影响事故的正确处理。

(2)监控员很难对种类繁多的输变电设备及回路精通掌握，不仅可能会导致监控员对异常故障漏判、误判，也会在监控设备发生异常、故障时大量监控信号让监控员难于分析、决策，增加监控员的决策时间，影响异常故障的处理效率，甚至导致异常故障造成的影响范围扩大化。

(3)输变电设备知识库技术及知识可视化技术有待开发。输变电设备的相关原理知识和现场运行规程、集中监控运行相关管理规定、调控员事故异常处理经验等监控员需要掌握的知识仍停留在纸面上，尚未实现电子化、数字化、知识化，更未实现监控信息与相关知识的自动关联和主动推送，在设备发生异常故障时，监控员仍只能靠记忆和临时资料查阅，严重影响异常故障的分析、决策及处理效率，导致监控员处理异常故障的分析、决策及处理非规范化和非标准化，也不利于相关知识积累和传承。

(4)面向海量监控信息的数据挖掘分析及应用技术有待开发。调控主站的监控信息数量巨大，又缺乏相应的技术手段，调控运行人员无法对其进行充分利用，造成信息的浪费。与此同时，大量监控信息不仅反映变电站设备当时运行状态，也能反映设备状态变化趋势；基于专业知识和经验通过数据分析可以得到从设备、主站前置到主站监视等环节的运行状态和趋势，及时向调控运行和主站维护人员提供告警或提示信息，进一步可提出改进建议和措施。

(5)针对监控员日常业务的智能化辅助分析决策手段亟待加强。目前，面向调度运行人员的电网辅助分析决策软件应用较为丰富，如调度员潮流、静态安全分析、动态预警等分析软件。而面向监控运行人员的辅助分析决策软件应用却相对匮乏，现有的光字牌图、事故推图、故障告警等，均是变电站设备运行状态的被动式展示手段，监控运行人员通常需要根据个人经验从大量的监视信息中分析判断，一旦遇到电网故障，监控信号井喷式上传，这种单纯依靠人工的信号筛选与分析判断方式存在着严重的信号遗漏及误判风险，可能延误故障的最佳处理时机甚至误处理，从而威胁设备的运行安全。因此，亟待加强针对监控员日常业务的智能化辅助决策分析手段，为监控员的运行监视提供有效的信号分析与辅助决策，从而全面提升监控运行的工作质量。

针对上述问题，国网浙江省电力公司在智能电网调度控制系统基础上，开展无人值守变电站集中监控辅助决策关键技术研究，从电网故障诊断技术、知识库建立、信息挖掘、监控业务辅助分析与决策等多个层面入手，建立完备、规范的技术体系，突破关键技术难点，开发高效、实用的系列工具，达到提升输变电设备集中监控业务的自动化水平，全面支撑监控员的监视、分析、决策及处置业务，全面提升调控员的专业知识和业务能力，以确保浙江电网安全高效运行。

2 研究内容

目前,智能电网调度技术支持系统(简称D5000系统)在国网公司广泛应用，其中实时监控与分析类应用、调度计划类应用、调度管理类应用为电网调度运行提供了比较完备的技术支撑，但仍缺乏面向监控业务的辅助分析决策应用软件[1-3]。本研究将面向监控业务的辅助分析决策需求，研究电网故障诊断技术、知识可视化技术、多媒体仿真技术、专家库技术、数据挖掘技术、输变电设备集中监控业务分析建模与仿真技术、网络化培训计算机技术等内容，结合输变电设备及回路的专业领域相关经验及知识，开发输变电设备集中监控辅助决策关键技术及实用化工具。

2.1 电网故障诊断技术研究

近年来电网故障智能诊断技术采用的方法包括专家系统法、人工神经网络法、模糊理论法、粗糙集理论、遗传算法、Petri网络以及基于优化技术等方法或若干方法相结合，但难以在实际调控一体自动化系统中投入使用，主要存在的问题包括：

(1)很多研究成果是建立在主站所采集的遥测、遥信等信息完整、有序的假设基础上，而现在自动化技术还存在着诸多缺陷，监控信息在传输过程中仍然存在着误传和遗漏等现象，在调控主站接收到的信息具有一定的不确定性和不完整性，给相关研究带来极大的挑战；

(2)由于电网发生故障时，断路器和保护装置存在着误动和拒动的可能性，这种不确定性给电网故障诊断带来了很大困难；

(3)对于基于专家系统的电网故障智能诊断或监控告警信号辅助分析，由于专家系统的知识库不具备自学习能力,当系统结构和继电保护配置改变时,知识库的维护相当困难,且容错能力较差,使该类应用技术容易造成误判或错判等。

在电网异常辅助分析决策研究方面，国内学者在集控站与电网调控一体化建设阶段，开展了变电站集中监控告警信号辅助分析技术的研究[4-5]，其研究内容主要集中在信号的过滤、报警分类与显示方案、告警信号的逻辑关联，以及基于专家系统的异常处理方案辅助决策，其中基于专家系统的电网异常辅助分析决策也同样存在着前述问题。

2.2 知识可视化技术

本研究将应用知识可视化技术，在输变电设备知识库基础上，通过知识图表、树状图、鱼骨图等可视化形式，整合输变电设备的相关原理知识、现场运行规程、集中监控运行相关管理规定、以及调控员事故异常处理经验等知识进行可视化显示。

随着可视化技术不断发展和应用，可视化已经成为一个专门的研究领域。在计算机性能不断提高和计算机图形学蓬勃发展的背景下，人们将可视化技术应用于科学数据的可视化中，通过分析数据，去探索规律，表达知识。知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化和信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，它应用视觉表征手段，促进群体知识的创造和传递。知识可视化领域研究的是视觉表征在改进两个或两个以上人之间知识创造和传递中的作用。除了传达事实信息之外，知识可视化的目标还在于传输人类的知识，并帮助他人正确地重构、记忆和应用知识。

2.3 多媒体仿真技术

多媒体仿真技术属于感受计算的一种，通过采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息,建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型，并在多媒体计算机上运行，产生定性、定量相结合的系统动态演变过程,从而获得关于系统的感性和理性认识。多媒体仿真技术通过将仿真所产生的信息和数据转变成为可被感受的场景、图示和过程，以辅助人们进行决策。它充分利用文本、图形、图片、二维/三维动画、影像和声音等多媒体手段，将可视化、临场感、交互、引导结合到一起来产生一种沉浸感，使仿真中的人机交互方式向自然更靠近了一步。

多媒体仿真技术以其直观、形象、实时的特点，从20世纪70年代开始，研究人员就开始探索在我国电力行业，特别是电力培训仿真领域的研究和应用。早期的多媒体培训仿真系统主要运用在火电厂机组中，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。电网监控方面，多媒体仿真技术可以通过可视化手段帮助运行人员全面了解电网的设备配置、运行状况提高他们判断和处理事故的快速性和准确性，帮助运行人员积累经验；变电站运维方面，仿真培训系统根据实际变电站的状况，运用多媒体仿真技术构建一个虚拟运行的变电站作为培训环境，形成专业检修流程及检修工艺培训要求，实现受训人员的日常维护、试验、带电检测等技能培训；线路运检方面，多媒体仿真技术可以模拟真实输配电线路作业环境、操作流程、作业方法，通过虚拟环境的人机交互，实现受训人员的运行巡视、线路检修、线路带电作业等全过程操作流程培训；此外，针对电气设备结构及检修培训学习的需要，出现了基于Web的电气设备多媒体培训系统，通过多媒体仿真手段为电力职工提供非实时授课的自主学习与实时授课等教学方式，实现远程培训，打破时间和空间的局限性，提升教学效率和效果。

从以上的论述可以看出,我国对于多媒体仿真技术在电力系统的研究和应用虽有一定的基础，但在沉浸感、可感知性和自然性等方面仍然存在不足。未来多媒体仿真技术将综合人工智能、融合显示、多传感器、计算机图形、图像处理、计算机视觉等多门学科，形成一种最有效的模拟人在实际电力作业环境中视、听、触、动等行为的高级人机交互通道。

2.4 专家库技术

专家库是针对某一(或某些)领域问题求解的需要，采用某种(或若干)知识表示方式在计算机存储器中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识片集合。这些知识片包括与领域相关的理论知识、事实数据，由专家经验得到的启发式知识，如某领域内有关的定义、定理和运算法则以及常识性知识等。知识库技术在20世纪80年代中期成为数据库的研究热点，进入90年代随着人工智能技术的发展使知识库技术在理论和实践上取得了一定的突破，知识库具有使信息和知识有序化、知识共享与交流等作用，还有利于实现组织的协作与沟通、帮助企业实现对客户知识的有效管理等特点，IBM、HP、联想、华为等国内外大型公司均应用知识库技术建设知识库管理系统，用于员工培训、员工自学、产品研发、售后服务等生产环节，知识库技术在提高员工技能、产品质量及服务质量具有重要的作用。

在知识库应用研发方面，国外主流产品是Autonomy公司的Autonomy系统，它集成了目前信息处理中成熟的数据库技术、协同处理技术、网络技术、计算技术以及统计语言分析技术等，同时也在这些方面表现出很好的综合能力，并且有着系统化的软件产品。Autonomy系统主要问题是缺乏对于语义知识的强大支持，也没有面向知识学习的有力支撑，而真正意义上的概念化处理以及知识资源的有效利用仍然是其没有深入解决的问题。国内在专家知识库应用研发方面还处于起步阶段，还没有形成系统化的软件产品，在电力领域的应用更是少之又少。

2.5 数据挖掘技术

目前，存储在智能电网调度控制系统中的海量监控信息主要用于历史信息查询、异常、事故的反演或分析，尚未得到充分利用，数据挖掘技术为海量监控信息智能分析提供了一种技术手段，如通过这些信息分析各电气设备的当前运行状态和未来缺陷发展趋势。数据挖掘是一门交叉学科，涉及数据库、人工智能、数理统计等技术，近年来成为研究热点，在金融领域、商业领域、生物科技领域应用广泛，并取得了良好的应用效果，目前逐步在电力系统领域开始应用。电网调控一体化运行管理在国内实施时间较短，随着变电站自动化水平的提高，监控数据量将急剧增加。截止目前，信息大数据处理较为复杂，使数据处理任务日趋繁重的形势更加严峻。目前大数据处理理论，主要围绕大数据模式发现、大数据聚类、大数据异常检测、大数据分类、大数据挖掘与推理的结合等方面。目前，面向变电站集中监控业务，基于数据挖掘技术的海量监控信息智能分析技术的研究尚未见报道。

2.6 面向输变电设备集中监控业务分析建模与仿真技术

近年来，国调组织江苏、福建等省调开展监控信息名称规范化的管理工作，确定了信号的选取、分类及人机界面上的显示方式等信号规范，根据信号的重要程度，将信号分为A类事故信号、B类异常信号、C类越限信号、D类变位信号和E类告知信号。2013年，为实现设备集中监控的智能告警，江苏省调组织开展了监控信息分层分类建模技术的研究，采用面向对象的告警信息分层分类建模技术，将每条告警信息和相应对象进行关联，然后根据网络拓扑搜索和数据库中定义的对象层级关系，自动实现告警信息的分层，但该项研究主要停留在监控信息层面的建模，不涉及变电站设备及回路与监控信息的机理建模。同时，国网公司组织南瑞集团科东公司研制了智能电网调度控制系统监控员培训仿真应用系统，首次实现了变电站设备及回路的详细机理建模技术，基于变电站实际工作机理对变电站设备及回路进行了全范围的建模仿真，具体包括变电站的控制系统、量测系统、交流系统、直流系统、继电保护与自动装置和综合自动化系统的详细模型，在此基础上，实现了变电站正常、异常及故障工况下的高逼真度的仿真。

2.7 网络化培训技术

在互联网络迅速发展的时代，呈现出知识的更替迅速和信息爆炸式发展的态势，培训的手段也从传统的面授式转变为通过互联网络提供培训服务，网络知识通过异步传播手段增强了传播能力，解决了书本理论落后于实际工程较多的问题。网络培训的表现形式包括文字、多媒体课件、教师授课视频、授课录音等，其具有丰富的培训内容、多样的培训手段和实现跨越时空、地域的教育资源共享的优势。因此，网络培训模式得到了快速发展，IBM、惠普等诸多国际厂商也随即提出统一的网络培训内容规范，形成如AICC、SCORM等网络课件标准。

近年来，国网公司按照SG186的统一部署要求，也开发和推广了一套网络培训平台，针对电力行业的个性化需求，提供专业分类、岗位分类的课件结构体系，通过标准化课件的导入和发布，满足了国网公司内部各机构的网络化培训需求。实现了网络培训手段应用和培训效果的最大化。

3 总体结构

无人值守变电站输变电设备集中监控辅助决策系统总体结构如图1所示。该系统的原理可简述为：

(1)在智能电网调度控制平台基础上，基于电网故障诊断、知识可视化、多媒体仿真、专家系统、数据挖掘、网络计算机培训等技术手段，面向设备监控业务的规范化、可视化、智能化，以及监控信息分析、决策及处理的需求，整合关联D5000系统各类应用中电力系统一、二次设备模型、数据和监控信息，建立无人值守变电站一、二次设备与监控信息结构化分析模型，采集、加工输变电设备及回路的专业知识和监控员的运行经验，集成多媒体资源，形成输变电设备集中监控业务知识库，研究应用数据挖掘技术，通过挖掘分析SCADA系统中的实时数据、历史数据及PMS系统中的历史数据，持续丰富完善知识库，知识库由位于安全III区的OMS进行统一维护，知识库部署于安全I区和III区。

(2)在知识库基础上，构建由专家系统、知识搜索、知识发布、知识可视化及二次开发接口服务构成的输变电设备集中监控知识库服务集合，部署于安全I区和III区，根据辅助决策及知识培训等应用模块的请求，进行知识的搜索、关联、整合、发布及主动推送。

(3)在知识库及统一的知识服务基础上，开发输变电设备集中监控辅助决策及知识培训应用功能。辅助决策应用程序作为后台服务程序部署于安全I区服务器，以SCADA中光字牌列表或监控告警信息窗为人机交互入口，供监控员进行设备、回路及监控信息相关知识的查询、分析及决策，也可以由专家系统根据某一段时间下的遥测、遥信事件进行输变电设备监控知识整合并向监控员主动推送；输变电设备集中监控知识培训应用部署于安全III区OMS系统，用户可通过WEB人机进行设备、回路及监控信息相关知识以及异常事故处理案例等学习、练习、考核及评测。

图1 输变电设备集中监控辅助决策系统总体结构图

4 结语

浙江电力调控中心针对目前“调控一体化”体系运行过程中，调控中心集中监控设备数量繁多、监控信息量大、异常故障情况复杂等现状；优化整合智能电网调度技术支持系统监控信息数据、输变电设备相关原理知识、现场运行规程、集中监控信息对应表、集中监控运行相关管理规定和调控员事故异常处理经验等多方面内容，对输变电设备集中监控辅助决策关键技术进行研究，实现集中监控告警信息的自动分类处置和闭环管理，全面提升调控中心集中监控的运行管控效率、提升异常事故处置的快速性和准确性，以及提升调控员的专业知识和业务能力。本文介绍了浙江电网无人值守变电站输变电设备集中监控辅助决策平台的建设基础、技术手段和总体结构，可为其他省级电网调控运行提供参考经验。