基于可配置规则的变电站监控故障分析系统

付 豪，俞一峰，纪 陵，黄志华

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210000；2.国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321000；3.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

智能变电站一体化监控系统按照全站信息数字化、通信平台网络化和信息共享标准化的基本要求，通过系统集成实现全站信息的统一接入、存储和展示，实现操作与控制、运行监视、综合信息分析、智能告警和运行管理等功能[1]。一体化监控系统纵向贯通调度、生产等主站系统，横向联通变电站内各自动化设备，处于整个智能变电站自动化系统体系结构中的核心部分[2-3]。在一体化监控系统功能体系中，智能告警是其高级应用的重要组成部分，它可以有效消除无效告警，减少丢失重要告警的可能，减轻运行人员的监控负担，帮助运行人员及时对故障做出判断并采取正确的处理措施。根据国家电网有限公司技术规范，智能告警的分析和处理除了告警抑制、告警屏蔽、误报和漏报几种形式之外，还有一类很重要的形式即故障推理和关联性分析[4-5]。故障推理和关联分析对于智能变电站一体化监控系统有着重要意义，特别是在“大运行、大检修”背景下，基于调控一体化，主站端的信号监控数量大，值班员负担重，在发生异常和故障时，上送的信息量大，故障判断难度大[6-7]。而故障推理的应用，综合利用各类数据源的告警信息以及电网模型和数据，通过单一事件和关联事件推理得出综合告警事件和报告，并以直观、形象的方式进行综合展示，实现告警信息的智能化处理，能够快速定位故障，在电网故障智能诊断、二次系统状态智能诊断、电源系统智能告警、智能辅助控制、通信异常判别和全景化变电站巡检等场景中，都能为各业务人员提供高效、直观的综合性告警信息和辅助决策依据[8]。

目前的故障推理分析系统，多以固定规则库和对应推理机程序为实现故障推理的方式。该方式下推理机的程序根据现有规则库的规则设计开发，灵活性和可扩展性不足；而故障推理的规则是不断增加的，这时故障推理分析系统就往往需要修改程序，并进行回归测试。本文提出一种基于元模板和可配规则的变电站监控故障分析系统。该系统把故障推理的触发规则、逻辑运算规则、参与量推理条件规则进行模板化和模块化，由元规则可以灵活地组建一个个具体的故障推理规则。该系统中推理规则储存于配置文件之中，通过配置文件和配置工具软件，将新增信息增量式导入数据库，从而可以灵活地增加推理规则和故障推理实例，并且不用修改程序，即可实现故障推理功能。

1 系统整体架构设计

故障分析系统部署于变电站一体化监控平台之上，系统所需的实时信息数据即来源于监控平台采集的变电站运行和维护所需一次系统、二次系统、辅助系统、电气运行环境和大气环境等数据，包括但不限于测控、保护、PMU（相量测量装置）、计量、一次设备状态监测、二次设备状态监测和网络状态监测数据[9-10]。故障分析系统的整体架构如图1所示，它主要由故障推理服务程序、故障推理逻辑动态库、告警信息和简报展示程序、配置工具程序、推理规则配置文件、监控系统的实时数据库、配置数据库这几个主要部分组成。其中，故障推理服务程序和故障推理逻辑动态库是系统的核心组成部分。服务程序负责整个系统流程、逻辑的处理，该程序负责加载故障推理实例信息、读取并缓存相关参与量信号的实时数据信息、得到并存储故障推理结果以及日志记录等。故障推理逻辑动态库的主要功能包括读取并加载配置库中的故障推理规则，并实现每种故障推理规则的运算逻辑，提供故障推理的接口，该接口可实现主程序把实例化的故障推理内容传递给动态库，返回结果为故障推理结果。

图1 系统整体框架

由图1 可知，整个流程是从推理规则配置文件的制作开始的，并通过配置工具将推理规则和故障推理实例导入监控平台的配置数据库中。启动一体化监控平台的相关程序、组件以及故障推理服务程序，这时服务程序、故障推理逻辑动态库分别会对配置库的故障推理实例信息以及故障推理规则信息进行加载。当有故障推理的启动信号触发时，故障推理服务程序会进行逻辑推理并得出故障推理结果，通知告警展示程序，最终由告警展示程序进行推理结果和告警简报的展示。

对于新推理规则的增加，该系统的更新逻辑是： 首先，通过配置工具对故障规则配置文件进行修改和配置，进行相关实例化故障推理实例的配置，并通过配置工具将相关新推理规则信息导入配置数据库中；其次，根据公司一体化监控系统平台的功能，配置数据库将其“增量式”的提交并通知实时库，重启故障推理服务程序即可实现新推理规则和实例的正常使用。

2 关键技术

2.1 关键算法

根据该系统的设计要求，需要把逻辑运算规则、参与量推理条件规则进行模板化和模块化设计，使之成为元模板，从而通过这些元模板可以组成不同的故障推理规则。

故障推理判据的形式如表1 所示，它由一个个具体的参与量（即故障推理条件规则）和逻辑运算符号组成逻辑表达式，根据表达式的逻辑得到推理结果。故障推理的参与量信号涵盖广泛，包括失灵保护动作、差动保护动作、跳闸动作、重合闸动作、过流保护、零序保护、相间距离保护、接地距离保护、保护永跳、开关分合状态、断路器分合闸状态、三相不一致信号、复归信号、通信中断、电压值、电流值、有功功率、无功功率和设备异常信号等，概括起来，可以分为布尔量和浮点数2 类，对应开关量和模拟量。而各个参与量间的逻辑关系主要由“与”逻辑和“或”逻辑组成，可以含有子逻辑。同时，很重要的一点是，各个参与量之间在推理判据中有时是有时序要求的[11]，如表1 中的第二条逻辑表达式中，就有“线路保护各相跳闸动作信号或保护永跳信号，动作时间要在重合闸整组复归时间之外”这样的要求。

表1 故障推理判据举例

根据本小节分析，推理逻辑运算规则有“与”逻辑（AND 逻辑）和“或”逻辑（OR 逻辑）2 种。AND逻辑的规则为： 参与条件全为“真”时，满足AND逻辑的条件；AND 逻辑包含的各个子条件之间能够设置时序条件；对于AND 逻辑本身，作为上一级运算的参与条件时，以参与量中最晚发生的条件的时间来作为判断时序的依据。OR 逻辑的规则为： 只要有一个条件满足，即满足条件。因此，当遇到第一个满足条件时，程序即会完成本次逻辑的判断，后续条件无需再判断。所以，对于OR 逻辑内部的各个条件，不应设置时序条件。此外，逻辑运算规则可以设置时间约束模式和时间约束值，对于相互之间的时间差也有要求的参与量，如A 和B 2 个参与量，要求B 必须在A 之后5 s 内出现，可以把A 和B 作为一个子运算逻辑，进行时间约束设置。

参与量推理条件的规则如表2 所示，主要有大于条件、等于条件、小于条件、不等于条件、变化等于条件、写等于条件和不写条件，共7 种规则。

根据本小节的逻辑运算规则、参与量推理条件规则的设计，最终得到故障推理的算法逻辑流程，如图2 所示。

2.2 配置文件设计

配置文件的设计对于整个系统具有重要意义。通过配置文件，能够将故障推理规则按照约定的格式进行储存；同样地，配置工具也是通过读取和解析配置文件内容来实现与数据库相关表信息的交互，从而最终实现程序能够加载故障推理规则的内容。因此，配置文件需要具备通用性好、结构清晰、内容简练、可扩展性强和便于解析等特点。该系统采用XML（可扩展标记语言）文件格式对推理规则配置文件进行设计。XML 是标准通用标记语言的一个子集，是从比标准通用标记语言更加古老的语言中派生出来的，用来描述数据内容和结构的标准，其标准化工作由万维网联盟负责。XML 的主要目的是定义使用标签来表示数据的标记语言的语法[12-13]。XML 对数据赋予上下文相关功能，它继承了标准通用标记语言的大部分功能，却使用了并不复杂的技术。XML 格式具有以下特点： 规则简单，容易理解，结构上也较好操作，便于程序解析，且没有与任何编程语言绑定，通用性强[14]；提供了一种描述事物的方法，这种方法能够表述列表、树等常见的数据结构，可扩展性好；用纯文本保存结构化数据，可自由定义属性和层次关系，通过给各种事物加标签，能够达到完整地表述事物属性的目的[15-33]。所以，XML 文件非常符合该系统配置文件的要求。

表2 参与量推理条件规则

图2 故障推理的算法逻辑流程

配置文件的推理规则设计一个标签，每个这种标签的对象表示一条推理规则，它具有RuleNum，Description，Trigger，Logic 和Advice 共5个子标签。RuleNum 表示当前推理规则的序号，它具有唯一性，是推理规则的标识，一旦确定，不能轻易改动，描述文件导入数据库和更新数据库信息都依赖该标识；Description 表示当前推理规则的中文描述，即该推理规则的标准名称，也即推理结果；Trigger 表示该推理规则的触发规则，只有满足该触发规则时推理才会启动；Logic表示故障推理规则的判断逻辑；Advice 表示该推理规则的处理意见。

触发规则标签的子标签记录了触发规则判断时所需的要素，如表3 所示。推理规则判断逻辑通过该元素的属性来标识逻辑判断时所需的要素，如表4 所示。这里的ConstraintMode 和TCVal 2 个属性即为2.1 小节中描述的对于参与量之间有时序要求，也即通过这2 个属性进行设置时间差的要求。而参与量间的时序则是通过该标签的needOrder 属性，以及它所包含的各个参数量的时序号属性来设置实现的。

表3 触发规则标签的子标签

配置文件通过推理规则判断逻辑的子标签Element 来表示该判断逻辑的参与条件。Element标签通过其子标签来标识参与量条件是否满足判断时所需的要素，具体包括了以下8 个要素： 参与条件的空间属性（即推理规则适应对象，如线路、变压器、母线等）、参与条件的标准名称、参与条件的标准值的类型、参与条件的标准值、浮点值的判相等因子（实际值和触发值之差在该范围内，则判为相等）、参与条件需满足的次数值、该参与条件的比较方式（根据2.1 小节的描述，比较方式有大于、等于、小于、不等于、变化等于、写等于、不写）、该参与条件的时间序列编号。

表4 规则判断逻辑标签的属性

3 应用举例

将该故障分析系统部署在某电力公司的变电站监控系统上，并对其进行应用试验。选取一个故障推理规则，以线路瞬时性A 相接地故障为例（线路瞬时性A 相接地故障的触发规则是保护启动信号动作，其参与量信号包括了对应保护装置的A 相跳闸动作、接地距离Ⅰ段动作、重合闸动作以及对应测控装置A 相断路器位置信号的状态），其故障分析判据如表5 所示。

表5 线路瞬时性A 相接地故障的判据

将表5 中的判据通过配置工具增加至推理规则配置文件中，并选择一个具体的线路间隔（选择266 全德Ⅱ线间隔），以该推理规则配置一条具体的故障推理实例。通过监控系统平台的数据库配置工具，将推理规则和故障推理实例内容增量式导入数据库。启动故障推理服务程序、监控系统平台程序以及装置信号模拟器，对该故障进行模拟，测试故障推理服务程序是否能得出正确的推理结果，以及能否通知智能告警显示程序，对推理结果进行正确的显示。经测试，从智能告警显示窗口中可以看到程序正确判断并得出了“266 全德Ⅱ线间隔线路瞬时性A相接地故障”；从故障简报显示窗口，能看到各个参与量信号的发生时间与规则的时序一致。

4 结语

故障推理分析是变电站一体化监控系统高级应用的重要组成部分，它可以有效消除无效告警，减少丢失重要告警的可能，减轻运行人员的监控负担，帮助运行人员及时对故障做出判断并采取正确的处理措施。本文提出了一种基于元模板和可配规则的变电站监控故障分析系统。该系统把故障推理的触发规则、逻辑运算规则和参与量推理条件规则进行模板化；由元规则可以灵活地搭建故障推理规则，从而可以灵活地增加推理规则和故障推理实例。通过“线路瞬时性A 相接地故障”的具体实例对系统进行了应用验证，将该规则通过配置文件增量式添加至数据库，并创建了相关的实例，模拟该故障，得到了正确的推理结果，并生成了对应的故障简报，验证了系统的有效性。在实际工况下，变电站现场会存在诸如上送信息时标不准确等各种状况，从而导致故障推理出现偏差。目前针对系统开展了一些模糊推理的设计，尝试实现场景针对性强、覆盖性广的模糊推理功能，作为当前故障分析系统的有力辅助，将是下一步研究工作的重点方向之一。