基于一階謂詞邏輯的智能操作票一體化系統

徐堯燚，朱思婷，劉奇，詹鵬，黎翔，管霖

(1. 華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；2. 廣東電網有限責任公司廣州供電局電力調度控制中心系統運行部，廣東 廣州 510610)

0 引 言

城市供電網絡通常是閉環結構設計，但為限制短路電流一般采用開環運行。因此，電網運行方式會隨著線路和變壓器等設備的停電檢修而經常改變。在城市電網的調控工作中，對于調度員來說，日常大部分工作量來源于對檢修計劃的處理。根據檢修計劃中的停電設備、相應的運行方式調整和二次設備更改等操作任務信息填寫調度命令票和對應的操作序列，并將操作票下發給相關廠站執行。調度命令一般是關于電力設備在四種基本工作狀態(運行、熱備用、冷備用和檢修)間轉換的工作內容，操作序列則是調度命令對應的可開合設備(開關、刀閘和地刀)的詳細操作工序。

國內對操作票智能系統的研究和推廣已開展多年[1-4]。但大多數缺乏良好的智能性和通用性[5-6]，例如需要人工點圖成票[7]。系統對設備之間的關系表示比較復雜[8-9]，并且難以拓展實現對廠站間不同設備的復雜關聯。推理規則通常采用固化模板，智能性和可維護性不足[10-11]。總的來說，當前所開發的操作票系統缺乏考慮復雜運行方式調整下涉及多項操作任務配合的規則推理，多是針對固定的變電站和運行模式開票。另外也缺少對二次設備的建模，相關的操作票推理中并沒有涉及到保護和穩控裝置等的投退或更改。

當前城市電網規模不斷擴大，設備進行停送電相應頻繁。因此有必要開發智能系統實現城市調控中心操作票的自動推理和執行。所設計的系統應能夠自動解析檢修計劃內容，生成操作任務，搜索相關的電網數據，并實現操作票的靈活推理和智能執行。由于檢修計劃涉及到運行方式調整和二次設備投退等操作任務，如何對操作任務信息、相關電網事實進行靈活表達，并設計與之相適應的通用規則和操作票推理機制，實現操作票與外部系統的交互執行，將是本文智能操作票系統的重點研究內容。

1 系統總體架構和設計

1.1 系統的總體架構

本文所設計的命令票-操作票-程序化操作集成自動化系統的總體架構如圖1所示，主要由系統控制中心、數據接口、推理機、操作票生成系統和執行系統組成。

圖1 系統的總體架構

系統控制中心實現對工作任務列表的智能管理和優化，根據任務類型調用相應功能模塊，實現與外部系統的通信。數據接口采用Rabbit消息隊列實現了與停電管理系統(outage management system,OMS)、EMS系統的數據交互，例如系統從OMS系統中獲取檢修計劃單和從EMS系統中獲取設備的實時數據等。系統知識庫由事實庫和專家規則庫構成。事實庫是設備信息、實時狀態、拓撲連接關系和操作任務等以恰當知識形式表達的事實集合。專家規則庫是系統開發人員結合電網調度規程和調度運行操作管理細則等進行提取生成，從操作任務映射到調度命令的結構化知識。推理機能夠實現事實庫與專家規則庫的匹配以完成調度命令票的智能推理。

系統首先通過自然語言理解將檢修計劃單解析成結構化的操作任務信息，然后根據解析結果搜索和查詢檢修單相關的電網數據，并將上述操作任務和數據轉化成事實庫，進一步完成調度命令票的推理和操作序列的生成。在執行操作票前，需要預先對執行后會造成當前電網設備潮流負荷變化的開關操作進行校核。操作票由系統下令給OMS系統完成程序化操作[12]，程序化操作可以實現網絡發令的解析和對應設備的遠方遙控操作。在操作票執行結束后系統將進行電網狀態的確認。各模塊的功能說明如下。

操作任務解析模塊：通過自然語言理解對檢修計劃進行處理，將相關操作任務信息解析成結構化數據，并轉化為適合計算機處理的知識格式。

數據搜索查詢模塊：根據解析得到的廠站名和設備名判定局部操作范圍，從數據庫中獲取相關的設備信息、拓撲關系和電網實時狀態等數據，轉化形成對應的相關電網事實。

調度命令票推理模塊：調用推理機，利用事實庫和專家規則庫的匹配完成調度命令票的推理，并給出推理解釋。

操作序列生成模塊：根據調度命令票的推理結論，讀取相關的設備關系表，生成調度命令對應的操作序列。

操作票預處理模塊：識別會引起潮流負荷變化的開關操作序列，并對操作票進行劃分，確保每部分操作序列中有一項上述的變位操作。進一步生成全體被操作設備的執行票前初始狀態和執行票后目標狀態。

操作票預演模塊：核對全體被操作設備的實時狀態和執行票前設備初始狀態是否一致；提取整張操作票中會引起潮流變化的操作序列；按照順序發送至EMS的PAS程序；由PAS程序調用實時電網鏡像進行相應的操作預演和潮流計算，并返回每項操作下相應的設備潮流數據由模塊進行校核。

操作實時校核下發模塊：對下一步即將執行的操作序列部分，將其發送給PAS程序進行實時模擬操作下的潮流計算，模塊通過對返回的設備潮流數據進行校核，判斷是否下發相應的操作序列。將相應部分待執行的操作序列以機器內部碼形式下發給OMS系統，由OMS通過網絡發令完成程序化操作。

操作票執行完畢確認模塊：當收到OMS系統上報操作票執行完畢后，模塊將全體被操作設備執行票后應有的目標狀態與設備量測庫中相關設備的實時狀態進行核對，確認操作票執行完成。

知識庫和數據庫管理模塊：負責數據庫或專家知識庫的更新，如專家規則的新增修改等。

系統通過模塊化的設計提高了可維護性。操作票的執行環節主要涉及與外部系統的交互，邏輯判斷較為簡單，而操作票生成環節的研究和應用將是本文的關鍵內容。

1.2 系統的數據需求和控制決策

為實現快速、及時的自動化工作流程，系統數據庫存儲了各類數據。系統首先從OMS系統獲取檢修計劃單文本和檢修相關設備的目標狀態作為初始輸入數據，同時應能夠讀取電網的基礎數據和實時數據。對于電網的設備信息、拓撲連接關系、廠站和單位信息等基礎數據，系統將其存儲在自身Oracle數據庫中，當相關數據更新時，由系統訪問EMS獲取以xml格式導出的遵循61970標準CIM文件，在解析后對系統的基礎數據庫進行更新。對于電網實時狀態和潮流數據的獲取，系統采用從EMS服務器下載實時E文件的方式，E文件中包含了開關、刀閘的實時運行狀態和潮流方向。系統對其解析后，得到全網開關和刀閘當前的運行狀態(開/合)以及開關的潮流方向，并進一步生成設備當前的調度用語狀態(運行/熱備用/冷備用/檢修)，將相關實時數據存儲在Oracle對應設備表里。對于專家規則、運行過程產生的分析數據(包括事實庫、操作票)等系統內部數據，相應選擇合適的結構形式將其存儲在系統的Oracle數據庫中。

在操作票執行時，由于需要實時感知設備的狀態變化以確認操作的執行進度，因此采用由EMS開通權限，通過系統訪問設備量測庫來讀取設備實時狀態。此外系統在執行操作票的過程中與OMS、EMS產生交互數據，系統將視數據類型進行存儲。圖2給出了系統各類數據的構成和來源。

圖2 系統的數據構成

控制中心是整個系統的主程序，它控制著系統的業務流程，通過Rabbit消息隊列與外部系統進行數據交互，對消息列表中接收到的各項外部消息進行解讀。若是需要處理的工作任務，將會添加到系統的任務列表中并調用相應的功能模塊進行處理。因此系統運行的驅動主要是依靠從消息隊列接收到的事件(任務)，對于操作票的推理，系統業務的開始是以接收到批量檢修計劃的事件為驅動，而操作票的執行則以系統接收到全體相關現場人員到站為事件驅動。

在操作票執行環節，若需要同時執行多張操作票，控制中心將調用python開發的celery分布式任務調度模塊，讀取任務列表中待執行的操作票并開啟多任務并行處理模式。

對于任務列表中的事件，控制中心還會進行重要級的評判，例如在進行某張操作票的推理時突然收到執行其他操作票的事件，系統將會中斷當前的業務處理流程，優先執行調度操作任務，等待任務執行完畢再繼續完成操作票的推理。

在系統與外部系統進行通信的過程中，為使消息具有唯一性，每條消息均包含了流程編碼、步驟編碼和計劃單ID。流程編碼是由系統在每次業務流程開啟時生成的唯一編碼，步驟編碼則用來標記每一類消息的類型以方便消息解讀，而計劃單ID則是消息內容所針對的檢修計劃的相應編號。

2 基于一階謂詞邏輯的知識庫設計和生成

2.1 事實庫的設計和構建

一階謂詞邏輯是一種描述對象和關系的語言表示方法[13]，適合表達領域內知識和構造域內推理規則。在操作票事實庫的設計上，本文采用“謂詞符號(電網對象1,電網對象2,…)”的函數表達方式對各類電網對象的屬性、關系和操作任務等信息進行表達。電網對象是電網中現實物理存在的唯一編碼，涵蓋各類電力設備裝置和工作單位等。謂詞采用自然語言對電網對象的屬性、關系和操作任務等信息進行描述。例如事實“line_load_transfer(x,y)”表示將線路本體x的負荷轉由y供，“bus(z)”表示電網對象z是母線。

基于電網事實的來源和邏輯特點，本文將其劃分為兩類：一類是相關電網事實，另一類是通過解析檢修計劃得到的操作任務事實。應用分層分類的事實框架對以上兩類事實進行描述(中文給出了事實的分類和解釋，英文為謂詞符號)。

如圖3所示，相關電網事實可分為靜態概念事實、動態概念事實和關系事實。靜態概念事實表示電網中設備和單位等構成內容，一般通過不定期完成更新。動態概念事實描述了電網對象的實時信息，如負荷開關是實時功率從線路流向母線或主變的線路開關。關系事實表示各對象之間的拓撲連接關系和從屬關系等，其中從屬關系表示不同對象之間的層次關系。

圖3 電網事實的組織和表達框架

在檢修計劃解析方面，如圖4所示，本文將操作任務事實分為停電設備、確認型事實和操作事實。操作事實描述了電網運行方式調整和二次設備操作, 確認型事實是對設備工作狀態或電網運行方式的確認。

本文所設計的事實庫將現實電網中設備、單位作為被描述的物理對象，采用具有解釋性的謂詞符號將各類數據、信息和關系表示成分散化的事實。整個事實庫的組織和表達靈活，具有很強的通用性。謂詞符號除了表示電網對象，也可以描述常量或數據量，如“change_protection_value(x站y線相間距離保護Ⅱ段定值,23.6 Ω)”，更改保護定值事實描述了數據量，這極大增強了知識的表達能力。

不同電網對象通過關系事實或操作事實產生了聯系。事實的聯系使得不同事實間并非孤立。對于同個本體的多個屬性事實，同類屬性事實可以分為多層。構造檢修規則時可以根據應用場景不同選取相應的事實層次。因此基于以上事實表達方式，通用型規則的構造將易于實現。

圖4 操作任務事實的表達框架

2.2 操作任務的解析和電網事實的搜索

操作任務信息和相關電網事實的集合構成了檢修計劃對應的事實庫。實現檢修計劃的操作任務的解析需要對相關文本內容進行機器理解。目前電力系統領域內自然語言文本的智能解析的相關研究和應用尚比較少，本文采用能自主學習語義結構知識的電力文本語義解析技術，應用正則表達式建立檢修計劃對應的句法知識庫，利用語義網絡抽取重要設備信息，能夠辨識檢修計劃文本中詞語組合從屬關系和解決主語脫落現象，從而精準理解操作任務的文字句意。文獻[14]對相關技術方法進行了詳細介紹。在將檢修計劃的文本內容解析成結構化數據后，通過查詢數據庫中相關設備信息，將操作任務信息中的設備主體更換成全網唯一設備編號，進一步根據本文采用的知識表示方式將所解析的信息轉換成事實庫。

在對檢修計劃相關電網數據進行搜索時，一個重要的原則是必須判斷操作任務所涉及的拓撲范圍，給出范圍內的設備信息、拓撲關系和設備的實時狀態等，并且能夠識別各種電網主接線。傳統的關系型數據庫難以滿足系統搜索性能和識別電網接線方式。為了加快拓撲搜索和事實庫的動態生成效率，另外采用Neo4j圖數據庫將城市電網結構進行表示和存儲。圖由節點、邊和屬性構成，節點為電網一次設備，邊和屬性分別為設備間連接關系和設備的相關參數，圖的屬性從電網基礎數據庫導入。通過利用檢修計劃解析結果中的廠站和設備名，在圖上采用內置的圖搜索技術，如雙向廣度優先搜索進行節點間路徑搜索，確定檢修計劃的操作范圍并進行局部范圍內節點屬性和節點間關系的拓撲分析。另外結合實時狀態和潮流數據等動態信息，將操作范圍內所有拓撲分析結果和相關設備數據轉化為檢修計劃對應的相關電網事實。

在一般的拓撲分析中，例如要得到開關及其兩端連接電氣設備的拓撲事實，可以通過在拓撲分析中記錄下開關及兩端連接設備來生成。在對變電站主接線等復雜拓撲的判別上，通過開發主接線辨識算法現對各種變電站主接線的判別，進一步建立接線方式庫，在圖數據庫上將屬于接線方式庫中的廠站主接線的相關信息進行提取和存儲，以實現事先對主接線的邏輯識別，從而在進行拓撲分析時可以直接利用主接線的判別結果。

2.3 調度命令票規則的設計

基于上文構建的事實庫，本文設計了采用If-Then架構的調度命令票推理規則。通用表達形式如下：

IfCd, Then (Cn,Sc,Lg) , PriorityZ, ForEx。

Cd表示規則前提，采用一階謂詞邏輯語言進行描述，由若干子條件Cdi(Xj,…)及邏輯符號?(全稱量詞)、exists(存在量詞)、->(蘊含)、=(等價)、&(與)、|(或)、!(非)等復合而成。子條件Cdi(Xj,…)由事實庫體系中的謂詞符號Cdi和變量Xj(或常量)構成。

規則后件由Cn(Xj,…)、Lg(Xj,…)、Sc(Xj,…)組成，Cn(Xj,…)表示結論，其中Cn是結論謂詞符號，表示某項操作的執行或某項復雜任務的階段完成情況。Sc(Xj,…)表示更改事實庫中電網對象的當前狀態，通用表達為State_before(Xj,…)→State_after(Xj,…)，模擬實際操作執行時造成的設備狀態變化。Lg(Xj,…)是調度命令語句模板，由標準中文語言和變量構成。

Z表示規則優先級，Ex是規則對應的解釋內容，可以輸出給用戶查看推理解釋。表1給出了命令票推理規則的范例。

表1 調度命令票推理規則示例

命令票推理規則通用的面向電網對象變量。當某條規則的前提與事實庫匹配成功后，其結論Cn(Xj,…)中的變量Xj將被實例化成電網對象，同時實例化后的結論將作為新事實添加到事實庫中。因此某些規則的結論可以作為其他規則前提中的構成成分，這意味不同規則與事實庫匹配時存在先后順序，該構造方式降低了規則的冗余程度，體現了規則層次性，有利于實現從復雜操作任務推理得到調度命令序列。

在規則的構成上，前提Cd中的所有變量共同描述了復雜的設備屬性、電網結構和操作任務等實際調度狀況，通過邏輯符號和量詞的組合，事實之間的各種聯系限定了規則的適用范圍，防止了規則的誤觸發。因此，規則的表達完善、靈活和通用，可維護性強，能夠滿足調度命令票推理的要求。

3 調度命令票的推理和操作序列的生成

3.1 推理機的機制設計和調度命令票的推理

應用Python中NLTK工具包自帶算法[15]進行推理機的開發，該算法可以判斷事實庫中是否存在滿足規則前提的電網對象。所設計推理機的實現機制如圖5虛線框中所示。推理機通過動態提取與規則前提相關的事實形成小事實庫，從而縮小事實的搜索量以提高推理效率。當推理機從事實庫中搜索到滿足某規則前提的電網對象后，將結論中的變量實例化生成推理結果。

與以往的命令票生成系統不同，系統的成票可以有效滿足各種操作范圍廣、需要多廠站配合的運行方式調整和二次設備更改等復雜調度任務的要求。每張檢修計劃形成事實庫后，系統的調度命令票推理模塊通過調用推理機，采用前向推理策略進行相應的推理。在每次規則匹配推理完成后，結論將作為新知識添加到本體知識庫中為下一次規則匹配增加條件，同時模塊將模擬實際調度操作執行時對相關設備狀態進行更新。當檢測到事實庫中的設備目標狀態與其當前狀態一致并且所有操作任務知識均已被匹配過，模塊將停止繼續匹配規則庫完成命令票的推理。應當注意的是，每一次讀取規則時同一優先級可能有多條規則滿足當前的事實庫，或者事實庫中有多組電網對象滿足同一條規則，此時只需將對應的調度命令語句分別輸出即可。

3.2 操作序列的生成

系統在推理調度命令票后，需要生成調度命令語句對應的具體倒閘操作序列。由于在調度命令票推理過程中記錄下了調度命令層的實例化結論，因此可以根據結論所表達的操作以及操作涉及的設備對象，基于數據庫預先定義和存儲的若干類數據結構表，對每種調度命令語句編寫搜索數據結構表生成操作序列的程序函數。必要時可根據程序中包含的查詢設備狀態，確認具體操作的設備(如接在雙母上的線路開關轉冷備用時需要先確定運行的母線側刀閘)。

表2為定義線路開關表的示例，給出了線路開關與所連接的線路和母線的關系，以及開關兩端刀閘的對應序列關系，可以解決線路開關狀態在熱備用和冷備用狀態間轉換時對應的操作序列生成問題。

表2 線路開關表的示例

操作序列的實際生成，只需根據調度命令層的實例化結論調用對應的程序函數，即可快速生成調度命令對應的操作序列。如調度命令“崇安巡維地遠站將110 kV綠地乙線126開關由熱備用轉冷備用”，“line_breaker_hotspare_to_coldstandby(Cchongan,Cdiyuan，Cdiyuan.126)”是其對應的結論事實，謂詞表示將線路開關從熱備用轉冷備用，通過查詢線路開關表，由于開關僅連接單母線，因此不用獲取母線側刀閘的實時狀態來確定所斷開的具體刀閘，直接生成操作序列和對應的機器內部碼，如表3所示。內部碼在操作票執行過程中由OMS程序化操作進行識別和執行。

表3 操作序列生成示例

4 應用實例與分析

本文在PyCharm上采用Python語言完成了系統的開發和應用。以110 kV線路的停電檢修計劃為例，停電設備為110 kV綠地乙線，檢修要求“110 kV綠地乙線負荷由綠地甲線供，在線路停電后，確認地遠站110 kV備自投充電方式與實際運行方式一致”。應用本文所設計的操作票智能系統，可以實現涉及多廠站和多線路運行方式調整，以及多操作任務配合的調度命令票推理。通過對上述檢修文本的解析和相關電網事實的搜索生成，利用所設計的推理機制生成調度命令票，如表4所示。

表4 調度命令票生成示例

合序限定了調度命令的執行順序，不同合序的調度命令必須嚴格按照先后順序依次執行。由于所設計的規則推理主要利用了電網設備狀態的轉換和優先級的設置，因此推理機每次對同一優先級規則進行匹配推理時，輸出的若干句調度命令均可在當前電網狀態下執行，具有相同的合序。因此每次同一優先級的規則推理出的調度命令語句具有相同的合序，合序只需在不同優先級推理出的調度命令語句上依次遞增即可。

進一步可生成各調度命令的操作序列和內部碼，通過Rabbit消息隊列開發的數據接口，與OMS和EMS進行通信完成操作票的執行。

5 結束語

針對目前操作票專家系統智能性和通用性的不足，本文提出了一種可以實現從檢修計劃文本到操作票生成和執行的命令票-操作票-程序化操作集成自動化系統。采用一階謂詞邏輯方法，系統對檢修計劃和操作票領域內的事實和規則進行了靈活通用的表示，考慮了二次設備的建模和各類操作任務信息的表達，并設計了與之相匹配的調度命令票推理機制。在系統運行的設計思路上，先是利用規則完成調度命令票的推理，進一步查詢相關結構表來實現操作序列的生成，最后通過與OMS、EMS系統的交互來完成操作票的校核和執行。