基于本體增強語義規則的復雜配電網安全作業控制研究與實現

顧建煒 張 鵬 秦 奮 洪建兵 黃衛升

1(國網杭州供電公司 浙江 杭州 310016) 2(國網杭州市余杭區供電有限公司 浙江 杭州 311100) 3(珠海優特電力科技股份有限公司 廣東 珠海 519000)

0 引 言

當前配電網安全作業控制系統一般依托關系數據庫構建信息源，采用自定義腳本表達各種復雜的防誤邏輯規則，然后采用高級編程語言對防誤邏輯規則進行解析。不同廠家的配電網安全作業控制系統所選取的數據庫、構建的數據模型、編寫的防誤邏輯規則腳本都各不相同。其中，防誤邏輯規則腳本普遍存在著編寫復雜、排查錯誤困難、各廠家邏輯表達不統一等問題[1]。各廠家的防誤邏輯基本靠手動錄入，其正確性依靠專責人員人為主觀檢查。基于OWL構建配網安全作業領域本體可以解決知識源共享的問題。用語義網規則語言SWRL(Semantic Web Rule Language)描述防誤邏輯規則可以解決不同廠家防誤邏輯規則表達不統一的問題。另外，使用SWRL描述防誤邏輯規則把五防邏輯規則編寫和編程人員進行了分離。

本文首先闡述了配電網安全作業知識體系；然后提出了基于OWL和SWRL的配電網安全作業系統防誤推理框架；接下來建立了配網安全作業領域本體，并基于該領域本體建立了配網安全防誤SWRL推理規則；最后整合SWRL推理規則與Racer推理機進行推理，驗證了基于OWL和SWRL進行電力安全防誤推理方法的有效性與正確性。本文基于SWRL提出面向電力安全的語義網規則語言e-SWRL，它集成了通用的電力安全防誤規則。

1 配電網安全作業知識體系

配電網安全作業知識體系從四個方面進行闡述：電氣防誤規則、電力系統設備、場景、崗位職責。電力系統設備包括電力系統一次、二次設備。場景指操作場景，一般是調度操作場景或倒閘操作場景。崗位職責是指只有被授權的在崗人員才能進行操作。電氣防誤規則即電氣五防[2]規則。電氣五防是指為確保人身和設備安全，在變電站、發電廠倒閘操作中防止發生的五種誤操作的簡稱。電氣五防描述為：防止誤分、誤合斷路器；防止帶負荷拉、合隔離開關或手車觸頭；防止帶電掛(合)接地線(接地刀閘)；防止帶接地線(接地刀閘)合斷路器(隔離開關)；防止誤入帶電間隔。

為防止電氣誤操作，需要由崗位專責人員在嚴格遵守安全生產守則的前提下進行電力調度或電氣倒閘操作。在生產環境中引入配電網安全作業控制系統可以避免各種人為因素導致的電氣誤操作。配電網安全作業知識體系如圖1描述，其中電力防誤規則是基礎和難點。

圖1 配電網安全作業知識體系

2 配電網安全作業系統防誤推理框架

本文設計的配電網安全作業控制系統防誤推理框架采用分層結構。其中位于最底層的是信息源，系統的信息源來自IEC61968標準體系和配電網安全防誤標準體系。知識層是對信息源的抽象，轉換層把SWRL規則轉換成Racer推理機能識別的格式，Racer推理機給出推理結論。用戶層把Racer推理機給出的推理結論解析成用戶能看懂的形式傳送給用戶。

事實庫中的事實來源于三個方面的信息：設備信息、設備實時狀態信息及CIM模型靜態描述信息(設備對象、拓撲連接關系等)。SWRL規則知識庫即電力系統防誤規則庫。

基于OWL和SWRL的配電網安全作業控制系統防誤推理框架，如圖2所示。

圖2 配電網安全作業控制系統防誤推理框架

3 配電網安全作業系統防誤推理建模

3.1 配網安全作業領域本體的構建

本體(Ontology)最早是哲學上的一個概念。在計算機領域，本體[3-6]是共享概念模型明確的形式化規范說明，它涵蓋四方面的內容：概念模型、形式化、共享、明確。本體有5個建模原語：類、關系、函數、公理和實例[7]。

Web本體描述語言OWL[8-9](Web Ontology Language)，是W3C推薦的標準本體描述語言。它基于XML并在RDF/RDFS的基礎上通過擴充更多建模原語進行描述[9]。OWL采用面向對象的方式來描述領域知識，通過類和屬性描述對象，通過公理描述類和屬性的特征和關系。

Protégé[10]是國內外本體研究機構的首選工具，本文建模使用Protégé工具進行，建模描述輸出也與Protégé的語法一致。

構建本體的方法有多種，具有代表性的有骨架法、TOVE法、IDEF5法、METHONTOLOGY法、七步法、循環獲取法等。本文采取七步法。七步法[11]是一種比較通用的構建領域本體的方法。其七個步驟分別是：

(1) 確定本體的專業領域；

(2) 考察復用現有本體的可能性；

(3) 列出本體中的重要術語；

(4) 定義類和類的等級體系；

(5) 定義類的屬性；

(6) 定義屬性的取值范圍；

(7) 依據概念創建實例。

根據七步法，確定本文構建本體的專業領域為配電網安全作業領域。該領域以電力系統設備和電力防誤規則為核心，電力防誤規則圍繞電力系統設備展開，電力系統設備建模以CIM模型為指導，本文構建配網安全作業領域本體時參考了CIM模型。

3.1.1配網安全作業術語定義

配電網安全作業有一些基本狀態定義，如設備合分狀態，拓撲島或設備的帶電狀態、接地狀態、是否帶負荷，操作是否允許等。根據七步法第3步，模型對配電網安全作業使用到的基本概念進行提煉總結，形成配網安全作業術語表，見表1。

表1 配網安全作業術語表

3.1.2配網安全作業領域本體類/屬性建模

根據七步法，本體建模需要考察復用現有本體的可能性。本文在創建類和屬性時參考了IEC61968/61970 CIM模型。IEC61970 CIM模型中，核心包是基礎，電線包描述了電力系統一次設備信息，拓撲包描述了電力系統一次設備之間的拓撲連接關系。IEC61968 CIM模型擴展了IEC61970 CIM模型，以滿足配網的需求。如果沒有特別說明，本文提到的CIM模型，包括了IEC61968標準關于配網的擴展部分。

配網安全作業領域本體參考CIM模型定義了以下類：基礎類IdentifiedObject；核心包下面的電力系統資源類PowerSystemResource、設備類Equipment、導電設備類CondutingEquipment、設備容器類EquipmentContainer、端子類Terminal、連接點類ConnectivityNode、連接點容器類ConnectivityNodeContainer；電線包下面的開關刀閘類Switch、開關類Breaker、刀閘類DisConnector、接地刀閘類GroundDisConnector、保護開關類ProtectedSwitch；拓撲包下面的拓撲節點類TopologicalNode、拓撲島類TopologicalIsland；電力系統資產類Asset、資產容器類AssetContainer，密封類Seal。通過Protégé軟件搭建系統平臺，生成配網安全作業領域本體模型描述見圖3。

圖3 知識庫本體模型

屬性用于斷言關于類成員的一般事實以及關于個體的具體事實，即作為概念與概念、概念與數據之間的關系描述因子。屬性與其子屬性之間具有繼承效果。屬性的域描述了該屬性的主體可以是哪些類或類的實例，而屬性的取值范圍則描述了該屬性的客體可以是哪些類或實例。本文建立的主要屬性如表2所示。

表2 配網安全作業領域本體屬性表

核心類/屬性描述見表3。表中通過Classes列和SubClassOf列表達出了類的層次關系，子類會繼承父類的屬性。以Switch為例，它繼承自類ConductingEquipment，它具備屬性isFromState exactly 1 SwitchState(有且只有一個起始開合狀態)，它具備父類ConductingEquipment的關系include some Terminal(包含若干端子)和included exactly 1 TopologicalIsland(屬于且僅屬于一個拓撲島)和isOneSideIncluded exactly 2 TopologicalIsland(單邊被2個拓撲島包含)。

表3 配網安全作業領域本體類/屬性表

3.2 基于e-SWRL的電力安全防誤操作推理

OWL的推理能力僅限于基于類的推理，若知識不能以類的方式表達，OWL的推理能力明顯不足。

SWRL擴展了OWL的公理集，它可以彌補OWL推理能力不足的缺陷。因此可以選擇使用OWL建立本體模型，再結合SWRL完善其推理能力。

e-SWRL是本文提出的面向電力安全的語義網規則語言，它基于SWRL并集成了電力防誤操作規則。

本節提煉出了電氣五防五種經典誤操作的推理規則，并以“帶接地送電”為例描述推理過程。

3.2.1e-SWRL五防推理規則

電氣經典誤操作在e-SWRL推理規則包中核心的有以下5條：

e-Rule1對應場景：防止誤分合斷路器(負荷開關)，即合環、解環、并列或解列的情況。推理表達式為：

ProtectedSwitch(?e)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?e,?t1)∧

isOneSideIncluded(?e,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Power)→

(CanOperate(?e,Warning)。

e-Rule2對應場景：防止帶負荷拉、合隔離開關或手車觸頭，即拉合隔離開關時，禁止造成電源和負荷設備連接在一起，或將電源和負荷設備分開。推理表達式為：

Disconnector(?d)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?d,?t1)∧

isOneSideIncluded(?d,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?d,Forbid)。

e-Rule3對應場景：防止帶電掛(合)接地線(接地刀閘)，即拉合隔離開關時，禁止造成電源和負荷設備連接在一起，或將電源和負荷設備分開。推理表達式為：

GroundDisconnector(?g)∧isFromState(?g,State_0)∧

isToState(?g,State_1)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?g,?t1)∧

isOneSideIncluded(?g,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?g,Forbid)。

e-Rule4對應場景：防止帶接地線(接地刀閘)送電(合隔離開關)，即送電時禁止合上保護開關，造成電源和接地點連接在一起。推理表達式為：

ProtectedSwitch(?e)∧isFromState(?e,State_0)∧

isToState(?e,State_1)∧TopologicIsland(?t1)∧

TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?e,?t1)∧

isOneSideIncluded(?e,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)∧

hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?e,Forbid)。

e-Rule5對應場景：防止誤入帶電間隔，即設備容器內的設備有電網門，則禁止打開網門。推理表達式為：

Seal(?s)∧isFromState(?e,Locked)∧

isToState(?e,Open)∧AssetContainer(?a)∧

include(?a,?s)∧Asset(?x)∧include(?a,?x)∧

ConductingEquipment(?c)∧include(?x,?c)∧

TopologicIsland(?t1)∧included(?c,?t1)∧

hasPowerState(?t1,Power)(CanOperate(?s,Forbid)。

3.2.2“帶接地送電”SWRL推理規則解析

給線路送電一般是通過將變電站或開閉所的線路間隔轉為運行狀態來完成，在操作之前母線是帶電的，如果此時線路上有檢修接地點，在合上線路斷路器時，將會造成母線上的電壓連接到線路的接地點，造成接地短路。在配網安全作業系統進行拉合開關操作時，系統會根據當前狀態進行分析判斷，如果符合帶接地送電的模型，則給出不能進行此操作的提示。帶接地送電建模本體關系圖如圖4所示。ProtectedSwitch對象兩側分別關聯兩個不同的拓撲島(TopologicIsland)，其中一個拓撲島為帶電狀態(Power)，另一個拓撲島為接地狀態(Ground)，ProtectedSwitch對象狀態轉化，從State_0到State_1,即拉合操作，推理結論是Forbid，即禁止這種狀態下進行拉合操作。

圖4 帶接地送電建模本體關系圖

帶接地送電規則用SWRL規則描述如下：

ProtectedSwitch(?e)∧isFromState(?e,State_0)

∧isToState(?e,State_1)∧TopologicIsland(?t1)

∧TopologicIsland(?t2)∧isOneSideIncluded(?e,?t1)

∧isOneSideIncluded(?e,?t2)∧differentfrom(?t1,?t2)

∧hasPowerState(?t1,Power)∧hasGroupState(?t2,Gound)→

(CanOperate(?e,Forbid)

對規則解析如下：ProtectedSwitch(?e)表示e是ProtectedSwitch的一個實例;isFromState(?e,State_0)表示e當前狀態為0;isToState(?e,State_1)表示e要變位為1;TopologicIsland(?t1)表示t1是一個TopologicIsland實例;TopologicIsland(?t2)，表示t2是一個TopologicIsland實例;isOneSideIncluded(?e,?t1)表示e的一側關聯拓撲島t1;isOneSideIncluded(?e,?t2)表示e的一側關聯拓撲島t2;differentfrom(?t1,?t2)表示t1和t2是不同的實例；hasPowerState(?t1,Power)表示t1當前是的狀態是帶電狀態；hasGroupState(?t2,Gound)表示t2的當前狀態是接地狀態；CanOperate(?e,Forbid)表示推出的結論是不能對e進行狀態轉換操作。翻譯成人類語言即：當拉合開關時，如果開關所在拓撲島一側處于帶電狀態，另一側處于接地狀態，這時不允許進行拉合操作。

4 實驗結果分析

針對圖5所示接線圖,由于接地刀閘9036處于閉合狀態，拉合612開關進行送電，會導致短路，因此操作是不允許的。系統從事實庫獲取的狀態信息見表4,Racer推理結果見表5。

圖5 接線圖實例

表4 設備狀態信息表

表5 推理結果表

可見，基于OWL和e-SWRL的配電網安全作業控制系統其推理結果和傳統的五防系統判斷結果一致。

5 結 語

本文提出的基于OWL+e-SWRL的配電網安全作業控制系統實現了電力安全規則與實現邏輯的分離。

本體的核心功能是知識共享，通過減少概念和術語上的歧義，使得來自不同背景、持不同觀點和目的的人員之間交流成為可能，并保持語義上的一致性。鑒于CIM RDF構建OWL的本體具有通用性和復用性，在任何一個防誤信息系統都可復用，從而解決了不同防誤信息系統異構數據庫的不兼容問題。

SWRL語言的規范性，使得防誤邏輯也可以得到標準一致的表達。e-SWRL具有強推理性，它集成了電力安全防誤操作領域的推理規則和推理方法，使得電力安全規則及其邏輯推理不必再完全依賴開發人員。隨著安全知識發展，如有新的安全規則或本體需要動態擴充，只需按照規范修改規則庫，而不再依賴程序開發人員編碼。

本文建立的配網安全作業領域本體需要進一步細化，目前e-SWRL只實現了電力安全操作防誤規則，可以擴充電力安全領域其它推理因子，使其更具完備性和實用性。