基于有限狀態(tài)機的變電站倒閘操作票生成方法

馮子文，朱永利

（華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，河北省 保定市 071003）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，變電站作為一個非常重要的部分，具有不可或缺的作用，在對變電站設(shè)備檢修或電力系統(tǒng)運行方式進行調(diào)整時，需編寫倒閘操作票。變電站倒閘操作票是操作人員安全進行倒閘操作的依據(jù)，是變電站運行管理的重要方式，同時也是對相關(guān)工作人員及電氣設(shè)備的安全保障。在工作人員對操作票進行一系列審核并確定沒有任何錯誤以后，操作人員才能進行相關(guān)操作。正確的操作票是保證變電站倒閘操作的基礎(chǔ)，誤操作造成人身傷亡或系統(tǒng)事故的案例屢見不鮮[1]。目前，操作票的編寫主要是由人工以手寫的方式完成，一方面是為了使操作人員熟悉對設(shè)備的操作，另一方面是從安全角度考慮，保障出票的正確性。但是，由于編寫人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗知識差異性很大，再加上變電站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不僅有一次設(shè)備的操作，還有二次設(shè)備保護裝置，要開出繁瑣且準(zhǔn)確的操作票具有一定的難度。另外，由于寫票人員難免存在疏忽，且目前大量無人值守變電站的倒閘操作是由一個操作大隊負(fù)責(zé)完成，到了春秋檢修季節(jié)，寫票的任務(wù)非常集中。因此，研究操作票的自動生成方法非常必要。

變電站操作票開票方法主要分為2類：典型操作票開票[2]和智能系統(tǒng)開票[3-5]。典型操作票是事先寫好并存儲在計算機中，如不同線路的斷路器檢修時的操作票僅替換斷路器編號即可，這種方法相比于手工開票在效率上有很大的提升，但是由于調(diào)用典型票不具有智能性，當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或進行復(fù)雜操作時，典型操作票就不再適用了。智能系統(tǒng)開票根據(jù)變電站一次系統(tǒng)的特點和操作任務(wù)自動生成操作票，不僅可以在很大程度上擺脫人為因素的干預(yù)，而且能夠簡化開票流程，實現(xiàn)一鍵式操作，使工作人員可以快速、準(zhǔn)確地開出操作票，這樣也大大減輕了工作人員的壓力。因此，與典型操作票開票系統(tǒng)相比，使用智能系統(tǒng)進行開票更適用。雖然很多地方擁有自動開票系統(tǒng)，但是由于系統(tǒng)本身的限制，不足以保證開票的正確性，如很多地方使用的“五防”開票系統(tǒng)需要操作人員按照提示人工選擇開票步驟，并且出票內(nèi)容一般只涉及一次設(shè)備的操作，幾乎沒有涉及二次設(shè)備操作，形成的不是完整的操作票。變電站的倒閘操作基本上都是一次設(shè)備與二次設(shè)備的配合，因此，“五防”開票系統(tǒng)開出的操作票具有不完整性和風(fēng)險性。

針對以上問題，本文研究了一種基于有限狀態(tài)機(finite state machine，F(xiàn)SM)的變電站倒閘操作票智能生成方法，該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵式智能開票，簡化了開票流程，還引入了對二次設(shè)備的操作，使編寫的操作票更加完整。

1 變電站操作設(shè)備與狀態(tài)分析

倒閘操作即電氣設(shè)備狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換[6]。電力系統(tǒng)中的設(shè)備一般具有4種狀態(tài)：運行、熱備用、冷備用、檢修。一般情況下，運行狀態(tài)即開關(guān)、刀閘處于合位，接地刀閘處于開位，保護投入；熱備用狀態(tài)即開關(guān)處于開位，刀閘處于合位，接地刀閘處于開位，保護投入；冷備用狀態(tài)即開關(guān)、刀閘處于開位，接地刀閘處于開位，保護投入；檢修狀態(tài)即開關(guān)、刀閘處于開位，接地刀閘處于合位，保護退出。只有相鄰狀態(tài)之間可以進行轉(zhuǎn)換，不能跨狀態(tài)操作，即狀態(tài)操作具有順序性，某種設(shè)備狀態(tài)的變化會使關(guān)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，即狀態(tài)操作具有關(guān)聯(lián)性。通過對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘等一次設(shè)備的操作，以及控制和信號裝置、繼電保護及自動裝置、直流電源設(shè)備等二次設(shè)備的操作，完成電氣設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換(即運行方式的改變)，如圖1所示。

圖1 倒閘操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.1 Switching operation state transition

在操作票生成過程中，每個電氣設(shè)備在進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時都滿足操作約束條件。如：停、送電操作時，先停負(fù)荷側(cè)，后停電源側(cè)，送電時，順序與之相反。對于二次設(shè)備，如對主變進行停電操作時，需合上相應(yīng)的中性點隔離開關(guān)，在合上開關(guān)前必須先投入零序過流壓板。雙母線進行倒母線操作時，在斷開母聯(lián)開關(guān)控制電源前，必須先投入母線互聯(lián)壓板；對線路、母線進行充電時，在合上開關(guān)前必須投入充電功能壓板。因此，對于操作票中的每一個操作設(shè)備，都有對應(yīng)的防誤操作邏輯，即操作內(nèi)容之間都有先后操作順序。在倒閘操作過程中，當(dāng)設(shè)備事件的約束條件滿足要求時將進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在可操作設(shè)備集合中的相關(guān)設(shè)備事件都完成轉(zhuǎn)換，即滿足倒閘操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件時，可實現(xiàn)由現(xiàn)狀態(tài)到次狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2 基于FSM的生成方法

2.1 操作任務(wù)解析

變電站倒閘操作的主要內(nèi)容是對電氣設(shè)備進行有序操作。因此，通過對操作任務(wù)進行解析來提取設(shè)備信息是倒閘操作的前提條件。本文通過對操作任務(wù)進行決策分類，再結(jié)合一次主接線圖提取電氣設(shè)備信息。

自然語言處理中的中文分詞算法是文本處理的一項重要技術(shù)[7-12]。使用中文分詞算法對操作任務(wù)進行分詞操作，得到各類屬性值，如操作對象屬性、狀態(tài)屬性、操作任務(wù)類型屬性等。本文采用Python的第三方詞庫(jieba分詞詞庫)進行分詞操作。由于操作任務(wù)術(shù)語具有很高的專業(yè)性，為了能夠使分詞達到一個很好的效果，需設(shè)置自定義詞典進行分詞，通過對比其內(nèi)置詞典使準(zhǔn)確性更高，對比結(jié)果表1所示。

表1 操作任務(wù)分詞結(jié)果對比Tab.1 Comparison of operation task word segmentation results

采用圖數(shù)據(jù)庫將變電站一次主接線圖進行表示和存儲[13]。通過解析結(jié)果得到各類屬性值，再利用基于間隔模型[14]的思想對設(shè)備節(jié)點進行搜索，從而提取出相關(guān)設(shè)備信息，如圖2所示。

圖2 設(shè)備信息提取Fig.2 Equipment information extraction

2.2 FSM

FSM又稱有限狀態(tài)自動機，是表示有限個狀態(tài)及這些狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移、動作等行為的數(shù)學(xué)模型[15]。FSM易編寫、運行效率高的特點使其在計算機、通信、工業(yè)設(shè)計、數(shù)字邏輯設(shè)計等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[16-22]。FSM可用一個五元組M表示，即

式中：S為有限狀態(tài)集合；C為輸入事件的集合；T為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；S0為初始狀態(tài)；Sn為目標(biāo)狀態(tài)。

為了更加直觀地描述上述模型，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的形式進行表達，如圖3所示。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖Fig.3 Schematic diagram of state transition

狀態(tài)轉(zhuǎn)移由轉(zhuǎn)移函數(shù)T確定，與當(dāng)前狀態(tài)和輸入事件決定，函數(shù)T可記為

式中：Si和Si+1表示2個相鄰狀態(tài)，且Si,Si+1∈S，Li表示從Si轉(zhuǎn)移到Si+1需滿足的條件，即Si在Li的觸發(fā)條件下轉(zhuǎn)移到Si+1。同理，Si+1在Li+1的觸發(fā)條件下轉(zhuǎn)移到Si，可記為T(Si+1,Li+1)=Si。

2.3 模型映射關(guān)系建立

根據(jù)變電站結(jié)構(gòu)特點，F(xiàn)SM可直觀、準(zhǔn)確地描述倒閘操作的規(guī)劃流程，建立變電站倒閘操作與FSM的映射關(guān)系，如表2所示。

表2 變電站倒閘操作與FSM的映射關(guān)系Tab.2 Mapping relationship between substation switching operation and FSM

在變電站倒閘操作過程中，觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件是關(guān)于一次設(shè)備和二次設(shè)備的操作事件，對于每一個操作事件，其本質(zhì)是對相應(yīng)設(shè)備進行操作，如一次設(shè)備中拉開或者合上斷路器、隔離開關(guān)、接地倒閘等，二次設(shè)備中斷開或者合上空氣開關(guān)、保護的投退等。因此，變電站倒閘操作可以細化為電氣設(shè)備狀態(tài)改變的操作。建立電氣設(shè)備事件與FSM的映射關(guān)系，如表3所示。

表3 電氣設(shè)備事件與FSM的映射關(guān)系Tab.3 Mapping relationship between electrical equipment events and FSM

2.4 模型求解

基于FSM的變電站倒閘操作票生成模型的求解思路是：從初始狀態(tài)S0開始，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)進行轉(zhuǎn)移，當(dāng)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)狀態(tài)Sn時，模型求解完成。具體步驟如下：

1）通過解析操作任務(wù)，獲取倒閘操作初始狀態(tài)S0、目標(biāo)狀態(tài)Sn，提取可操作設(shè)備集C。

2）以C中每一個操作設(shè)備事件作為狀態(tài)，以倒閘操作初始狀態(tài)作為初始輸入信號，之后以集合M作為輸入信號。

3）驅(qū)動FSM，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)T對設(shè)備狀態(tài)進行轉(zhuǎn)移，將轉(zhuǎn)移后的設(shè)備事件添加到集合M，集合M中的設(shè)備事件將作為其他設(shè)備轉(zhuǎn)換的輸入信號，返回步驟2）。

4）當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)狀態(tài)時，終止FSM運行。

5）將集合M中的設(shè)備事件通過輸出函數(shù)進行規(guī)范化輸出，完成設(shè)備操作序列生成。

在操作票生成內(nèi)容上，本文將其分成了2部分，如圖4所示：一部分是操作事實內(nèi)容，即集合M；另一部分為確認(rèn)事實內(nèi)容。操作事實描述了一次和二次設(shè)備操作；確認(rèn)事實是對操作設(shè)備狀態(tài)的確認(rèn)檢查。因此，輸出函數(shù)就是將集合M中的每一條操作事實進行確認(rèn)，然后輸出，這樣就形成了完整的操作票內(nèi)容。操作序列生成的整個流程如圖5所示。

圖4 操作票內(nèi)容組成Fig.4 Composition of operation ticket

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

3 算例

以某地區(qū)220 kV變電站為例，給定3種不同類型的操作任務(wù)，進行基于FSM的變電站倒閘操作票智能生成方法驗證。

3.1 220 kV城布牽線251線路及斷路器由運行轉(zhuǎn)檢修

通過操作任務(wù)解析得到電氣屬性值。狀態(tài)屬性值：初始狀態(tài)為運行；目標(biāo)狀態(tài)為檢修。操作票類型為線路操作(251線路)；操作對象為251線路、251斷路器；電壓等級為220 kV。根據(jù)操作規(guī)范及約束條件，251線路操作各設(shè)備從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)中的開、合狀態(tài)如表4所示。

表4 251線路操作各設(shè)備開、合狀態(tài)Tab.4 Opening and closing status of each equipment for the 251 line operation

在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，通過比較相鄰狀態(tài)下各電氣設(shè)備所處狀態(tài)是否一致，判斷該設(shè)備是否需要進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。若設(shè)備所處狀態(tài)一致，跳過該設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；若設(shè)備所處狀態(tài)不一致，對該設(shè)備進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)模型求解算法，運行過程如下：

S0=“運行”，Sn=“檢修”

L1(251斷路器)：

T(合上,S0,拉開)，M={L1}。

T(運行,L1)=S1，S1=“熱備用”，S1≠Sn。

L2(2516隔離開關(guān))：

T(合上,S1,拉開)，M={L1,L2}。

L3(2511隔離開關(guān))：

T(合上,L2,拉開)，M={L1,L2,L3}。

T(S1,(L2,L3))=S2，S2=“冷備用”，S2≠Sn。

L4(251線路電壓互感器二次空氣開關(guān))：

T(合上,S2,斷開)，M={L1,L2,L3,L4}。

L5(25127接地刀閘)：

T(拉開,L4,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5}。

L6(25167接地刀閘)：

T(拉開,L5,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6}。

L7(251617接地刀閘)：

T(拉開,L6,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7}。

L8(251城布牽線CSC電流差動保護)：

T(投入,L7,退出)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8}。

L9(251城布牽線RCS電流差動保護)：

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=“檢修”，S3=Sn，F(xiàn)SM終止運行。

將M中設(shè)備事件通過輸出函數(shù)規(guī)范化輸出，完成設(shè)備操作序列生成，實現(xiàn)操作票自動生成。

3.2 220 kV 219電壓互感器由運行轉(zhuǎn)檢修

通過解析操作任務(wù)，得到各類屬性值。狀態(tài)屬性值：初始狀態(tài)為運行；目標(biāo)狀態(tài)為檢修。操作票類型為電壓互感器(potential transformer，PT)操作；操作對象為219電壓互感器；電壓等級為220 kV。根據(jù)操作規(guī)范及約束條件，219電壓互感器操作各設(shè)備從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)中的開、合狀態(tài)如表5所示。

表5 219電壓互感器操作各設(shè)備開、合狀態(tài)Tab.5 Opening and closing status of each equipment for the 219 PT operation

根據(jù)模型求解算法，狀態(tài)函數(shù)運行過程如下：

S0=“運行”，Sn=“檢修”

L1(219電壓互感器二次計量空氣開關(guān))：

T(合上,S0,斷開)，M={L1}。

L2(219電壓互感器二次保護空氣開關(guān))：

T(合上,L1,斷開)，M={L1,L2}。

L3(219電壓互感器二次測量空氣開關(guān))：

T(合上,L2,斷開)，M={L1,L2,L3}。

L4(219隔離開關(guān))：

T(合上,L3,拉開)，M={L1,L2,L3,L4}，

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

L5(2197接地刀閘)：

T(拉開,S1,合上)，M={L1,L2,L3,L4,L5}，

T(S1,L5)=S2，S2=“檢修”，S2=Sn，F(xiàn)SM終止運行。

3.3 1號主變由運行轉(zhuǎn)檢修

解析操作任務(wù)，得到各類屬性值。狀態(tài)屬性值：初始狀態(tài)為運行；目標(biāo)狀態(tài)為檢修。操作票類型為主變操作；操作對象為1號主變。根據(jù)操作規(guī)范及約束條件，1號主變操作各設(shè)備從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)中的開、合狀態(tài)如表6所示。

表6 1號主變操作各設(shè)備開、合狀態(tài)Tab.6 Opening and closing status of each equipment for No.1 main transformer operation

根據(jù)模型求解算法，狀態(tài)函數(shù)運行過程如下：

S0=“運行”，Sn=“檢修”

L1(220 kV零序過流投入壓板)：

T(退出,S0,投入)，M={L1}。

L2(中性點220隔離開關(guān))：

T(拉開,L1,合上)，M={L1,L2}。

L3(中性點120隔離開關(guān))：

T(拉開,L2,合上)，M={L1,L2,L3}。

L4(220 kV間隙保護投入壓板)：

T(投入,L3,退出)，M={L1,L2,L3,L4}。

L5(901斷路器)：

T(合上,L4,拉開)，M={L1,L2,L3,L4,L5}。

L6(101斷路器)：

T(合上,L5,拉開)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6}。

L7(201斷路器)：

T(合上,L6,拉開)，M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7}。

L4(220 kV間隙保護投入壓板)：

T(退出,L7,投入)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4}。

L8(中性點210隔離開關(guān))：

T(合上,L4,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8}。

L9(中性點110隔離開關(guān))：

T(合上,L9,拉開)，

M={L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L4,L8,L9}。

L1(220 kV零序過流投入壓板)：

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=“熱備用”，S1≠Sn。

L10(1016隔離開關(guān))：

T(合上,S1,拉開)，

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

L11(1011隔離開關(guān))：

T(合上,L10,拉開)，

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

L12(2016隔離開關(guān))：

T(合上,L11,拉開)，

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

L13(2011隔離開關(guān))：

T(合上,L12,拉開)，

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

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

L14(201617接地刀閘)：

T(拉開,S2,合上)，

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

L15(101617接地刀閘)：

T(拉開,L14,合上)，

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

L16(跳閘壓板)：

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(失靈壓板)：

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=“檢修”，S3=Sn，F(xiàn)SM終止運行。

該模型使用Python語言進行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境采用Pycharm2020，程序運行結(jié)果如表7—9所示。

表7 251線路操作程序運行結(jié)果Tab.7 Program operation results of the 251 line

表8 219電壓互感器操作程序運行結(jié)果Tab.8 Program operation results of the 219 PT

表9 1號主變操作程序運行結(jié)果Tab.9 Program operation results of No.1 main transformer

4 結(jié)論

為了提高變電站倒閘操作票自動生成系統(tǒng)的智能性和實用性，研究了基于FSM的操作票智能生成方法。通過分析倒閘操作過程，利用電氣設(shè)備與FSM的映射關(guān)系，建立了直觀、清晰的操作票生成模型。采用Python進行開發(fā)，搭建了模型，并通過該模型進行求解，實現(xiàn)了操作票自動生成，智能性有很大提升。以某地區(qū)220 kV變電站為例，驗證了方法的正確性和實用性，結(jié)果表明：該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對主變停送電操作票、出線停送電操作票、電壓互感器停送電操作票進行自動生成。下一步，將研究倒母線操作票、站用變停送電操作票等其他類型操作票的自動生成，進一步提高該方法的使用范圍。