新型智能電網(wǎng)調度操作票自動生成與管理系統(tǒng)

　　0引言
　　
　　電網(wǎng)設備的運行、操作和事故處理是電網(wǎng)調度的重要職責，倒閘操作是完成這些工作的手段，如何*杜絕誤操作已成為電網(wǎng)調度日常管理工作中一個重要而棘手的問題。正確無誤的操作票是防止誤操作的根本。電網(wǎng)調度操作票是在考慮系統(tǒng)運行方式、保護配合、安全操作規(guī)則等要求下，保證設備運行方式的正確改變改變而制定的嚴格操作步驟。開寫調度操作票是一項經(jīng)驗性很強的工作，難以建立的數(shù)學模型，需要熟練的專業(yè)知識和運行經(jīng)驗才能解決。目前，電力系統(tǒng)正經(jīng)歷著市場化改革，系統(tǒng)運行方式更加復雜多變，設備大多運行在接近安全極限的水平下，設備的倒閘操作更加頻繁，開寫正確操作票的復雜程度、頻繁程度以及誤操作帶來的損失都較以往增大了。調度操作票自動生成系統(tǒng)對減輕調度員擬票的壓力、提高調度操作水平具有十分重要的意義。
　　
　　目前現(xiàn)場運用的調度操作票系統(tǒng)能夠對一些典型的操作票進行推理自動形成，但對于復雜的操作任務大多為“以機代筆”，或是對典型歷史票進行修改。雖已有大量研究力圖解決這個難題,但由于調度規(guī)則的多樣性和易變性，使操作票自動生成的推理與實現(xiàn)受到較大制約，關于操作規(guī)則的描述、識別和學習仍然是解決操作票系統(tǒng)智能性的一個重要課題。另外，確保操作的安全性是調度操作票的根本。安全校核是過去調度操作票系統(tǒng)較少考慮的，其原因是沒有與實時運行的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)連接，是離線運行的，沒有結合實時運行狀態(tài)進行安全校核分析。現(xiàn)有的調度操作票系統(tǒng)大多是單一運行的，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，其功能的局限性隨之顯現(xiàn)，例如未能與實時SCADA系統(tǒng)融合，使安全校核難以實現(xiàn)，以及不能實現(xiàn)網(wǎng)絡流程化執(zhí)行與管理等。
　　
　　本文重點研究操作規(guī)則的描述與共識問題，提出建立用戶可配制的動態(tài)模板方案解決操作規(guī)則的描述與學習，并研究在此基礎上的通用推理機制；研究調度操作票的安全校核，通過調用電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)進行安全校核，確保自動生成的操作票的正確性；提出利用多智能體系統(tǒng)（MAS——multi-agentsystem）開發(fā)和實現(xiàn)與SCADA系統(tǒng)共享實時數(shù)據(jù)，并與調度管理信息系統(tǒng)（DMIS）集成的新型智能化電網(wǎng)調度操作票自動生成與管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集自動開票、手工開票、模擬預演、流程化審核、執(zhí)行與管理等多種實用功能于一體，并具有良好的用戶可維護性。
　　
　　一、系統(tǒng)總體結構
　　
　　近年來，分布式人工智能技術的研究已經(jīng)取得了較大的進展，尤其是MAS已成為目前研究的熱點。MAS在兼顧單智能體系統(tǒng)優(yōu)點的同時，重點解決功能獨立的智能體之間通過協(xié)商、協(xié)調和協(xié)作，完成復雜的控制任務或解決復雜的問題。將MAS應用到解決電網(wǎng)調度操作票的自身及與SCADA系統(tǒng)和DMIS之間的協(xié)作問題，可以充分發(fā)揮協(xié)作的潛力與優(yōu)勢。圖1是基于多智能體的電網(wǎng)調度操作票系統(tǒng)整體功能框圖。圖中，SCADA系統(tǒng)和DMIS是為某省開發(fā)時已具備的功能，其他均為新開發(fā)功能。系統(tǒng)協(xié)調模塊負責采用MAS解決操作票智能體與SCADA和DMIS之間的協(xié)作。操作票系統(tǒng)從SCADA系統(tǒng)接收電網(wǎng)運行實時數(shù)據(jù)，為操作票安全校核提供可信的數(shù)據(jù)依據(jù)。操作票系統(tǒng)是一個分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，分布在調度中心的主控室和相關部門，為調度員提供智能化的擬票、審核、管理環(huán)境。一張操作票生成并經(jīng)過審核后，通過DMIS向有關廠站發(fā)布執(zhí)行這張操作票。操作票生成模塊包括自動開票、智能化手工開票、圖形模擬演示和流程化審核管理等功能。

　　
　　二、操作規(guī)則的動態(tài)模板設計與實現(xiàn)
　　
　　一張操作票是針對特定設備和特定操作任務、根據(jù)電網(wǎng)安全操作規(guī)程、按照規(guī)范的操作術語描述順序倒換有關設備運行狀態(tài)的操作指令集。因此，可以認為操作票是由操作對象、操作任務、操作規(guī)則和操作術語4個要素組成。其中:操作對象包括調度所轄的所有一次、二次設備，例如母線、聯(lián)絡線路、開關、保護等;操作任務包括保證電網(wǎng)安全運行的所有運行維護操作，例如XX線路由運行轉檢修等，不同操作對象的操作任務也不同;為了調度操作的準確和規(guī)范，各地相應制定了調度術語規(guī)范，操作術語即是對此規(guī)范的描述，各地也不一致;操作規(guī)則是確保電網(wǎng)安全運行的根本策略，指導操作順序的制定，需要與實時的電氣設備運行狀況和電網(wǎng)接線方式、保護密切配合。
　　
　　正是由于課作規(guī)則的重要性和特殊性，以及網(wǎng)調度操作的綜合性，使得既不能用數(shù)學模型來描述，又不適宜直接用開關控制邏輯描述。有的研究用句法識別和認知模型實現(xiàn)操作規(guī)則的描述，但研究合理的調度操作規(guī)則表述方法仍是操作票推理和用戶可維護、甚至操作票可用性的關鍵問題，也是一直制約操作票自動生成系統(tǒng)推廣使用的主要因素。
　　
　　本文提出動態(tài)操作規(guī)則模板思想，通過建立分類分層的操作規(guī)則模板，與不同類設備的操作規(guī)則相對應，同時研究基于規(guī)則模板的通用的匹配推理機制和操作規(guī)則模板的用戶專家指導學習機制，以解決操作票的自適應性和用戶可維護性，實現(xiàn)操作票的通用性。
　　
　　操作規(guī)則模板按設備類型分為母線、開關、變壓器、線路、保護和重合閘6類，每類又按總操作任務、接線形式、子操作任務、相關設備、初始狀態(tài)、目標狀態(tài)進一步劃分。以母線類為例說明分層模板的設計，如圖2所示。

　　
　　設計了直觀易懂的操作規(guī)則配制平臺，用戶可以根據(jù)電網(wǎng)的特點定制規(guī)則模板，并形成規(guī)則庫供具體設備配制時引用。開發(fā)了基于規(guī)則模板的推理機制，推理過程是一個從"用戶選擇設備＋操作任務→拓撲分析＋安全校核→匹配操作規(guī)則模板庫→推理控制→術語翻譯→生成操作票"的匹配過程。系統(tǒng)提供了在接線圖上選擇設備、操作任務的功能，程序根據(jù)選定的設備進行安全校核和拓撲分析，尋找相關接線形式和設備，查詢操作規(guī)則庫，采用數(shù)據(jù)驅動的前向推理機制，循環(huán)利用操作規(guī)則進行推理，逐步匹配形成操作序列，然后通過操作術語翻譯成一張符合現(xiàn)場要求的操作票。
　　
　　無論是單項操作任務還是復合操作任務，都能用規(guī)則模板動態(tài)形成相應的規(guī)則庫，而且動態(tài)操作規(guī)則模板技術易于實現(xiàn)規(guī)則的修改、完善以及操作票的推理和自動生成，并能解決操作票系統(tǒng)的通用化問題，提高了它的生命力。
　　
　　三、安全校核
　　
　　計算機代替人擬寫操作票不僅為了提高出票效率，還應該提高出票的正確性。如果操作票系統(tǒng)離線運行，將不能客觀科學地根據(jù)電氣設備的實時運行狀態(tài)嚴把安全校核關。要讓計算機自動生成一張正確的操作票，不僅需要遵守正確的操作規(guī)則，同時要給它以正確的數(shù)據(jù)基礎。這個數(shù)據(jù)基礎必須正確反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)，而SCADA系統(tǒng)實時地反映了電力系統(tǒng)各種電氣設備的運行狀態(tài)。本文利用MAS的協(xié)調與協(xié)作機制解決操作票系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)之間的集成，在充分發(fā)揮各個智能體功能的基礎上，通過任務分解、協(xié)調控制實現(xiàn)了操作票系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的通信和功能擴充。操作票系統(tǒng)根據(jù)需要從SCADA系統(tǒng)中讀取所需的實時數(shù)據(jù)，結合規(guī)則模板底層設置的相關設備的初始狀態(tài)與目標狀態(tài)，比較規(guī)則規(guī)定的初始狀態(tài)與實時狀態(tài)是否一致，進行拓撲分析和安全校核，形成符合要求的操作步驟，或者提示安全校核不合格的設備。
　　
　　考慮到有連續(xù)開幾張操作票的情況，系統(tǒng)設置了在線、離線和開票3種狀態(tài)。當系統(tǒng)處于在線狀態(tài)時，接線圖上顯示的是實時運行狀態(tài)，開關、刀閘都不能操作;當從在線切換到離線狀態(tài)時，圖形上保留了在線時設備的狀態(tài)，但允許人工修改設置設備狀態(tài)，作為擬寫操作票的狀態(tài)，同樣在此狀態(tài)下生成操作票時進行安全校核;在離線狀態(tài)下，系統(tǒng)還能實現(xiàn)操作步驟的圖上預演，直觀檢查操作票的正確與否。
　　
　　四、通用性和用戶可維護性實現(xiàn)
　　
　　操作票系統(tǒng)通用化的難點是操作規(guī)則的表示及與之緊密結合的推理過程。以往的方法往往試圖窮舉各種可能的操作任務，并設計成對應的程序模塊，然后提供定制的選擇界面，用戶在給定的操作任務列表中選擇操作任務，程序轉入對應的程序模塊，生成操作票。這種實現(xiàn)方式往往是針對某一具體單位開發(fā)的，在一定時間內(nèi)能夠發(fā)揮作用，但推廣到其他地方則需要開發(fā)人員做大量工作，因為各地操作規(guī)則、任務類別、操作術語有所不同，這種程序模塊化實現(xiàn)方式根本上難以保證通用性。
　　
　　本系統(tǒng)建立了可定制的操作規(guī)則模板，將操作規(guī)則用操作任務、操作對象、接線方式、相關操作、初始狀態(tài)、目標狀態(tài)、操作術語等可視化地以符號邏輯的形式表示，并且該規(guī)則庫允許現(xiàn)場專家修改增加，包括增加新的操作任務、配置新的操作規(guī)則模板。操作票的推理就是針對具體設備和操作任務利用操作規(guī)則進行匹配的過程。操作規(guī)則庫和操作術語庫都提供了用戶維護平臺。另外，采用開放式OracIe數(shù)據(jù)庫以及與現(xiàn)場SCADA系統(tǒng)相同的圖形界面和規(guī)范化的設備命名規(guī)則，用戶可以方便地添加新設備，并為其配制操作規(guī)則，保證了系統(tǒng)的用戶可維護性和通用性。
　　
　　五、系統(tǒng)實現(xiàn)及應用
　　
　　基于MAS、動態(tài)操作規(guī)則模板思想，采用VisualC++6.0、Delphi6.0和OraCle9i數(shù)據(jù)庫開發(fā)實現(xiàn)了滿足電網(wǎng)調度操作需要的智能化操作票自動生成與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用面向對象編程技術、的圖形技術、分布式數(shù)據(jù)庫技術和通信技術，集自動開票、手工開票、模擬操作和培訓、與實時SCADA系統(tǒng)通信、與DMIS集成等多種功能于一體。同時，在系統(tǒng)設計和開發(fā)實現(xiàn)過程中一直貫穿用戶可維護的思想。采用"所見即所得"開發(fā)方法，設計真實反映電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時全圖形化開票環(huán)境。為了避免運行人員長期使用自動開票系統(tǒng)可能出現(xiàn)的有關運行知識的疏忽，開發(fā)模擬操作和操作培訓環(huán)境。實現(xiàn)了一個能夠實時在線的開票系統(tǒng)，從SCADA系統(tǒng)接收實時數(shù)據(jù)，為開票提供真實正確的數(shù)據(jù)基礎。經(jīng)過網(wǎng)絡化的開票和審核流程后，操作票與DMIS集成，實現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)的流程化執(zhí)行管理。本系統(tǒng)己經(jīng)成功應用于某省電網(wǎng)。
　　
　　六、結語
　　
　　本文提出了將多智能體系統(tǒng)應用于電網(wǎng)調度操作票系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)，研究了操作票系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)、DMIS之間的協(xié)調和協(xié)作。提出了動態(tài)模板方案解決操作規(guī)則的表示、學習及通用化推理問題。開發(fā)并實現(xiàn)了與SCADA系統(tǒng)共享實時數(shù)據(jù)的集自動開票、手工開票、模擬預演、流程化審核、執(zhí)行、管理等多種實用功能于一體以及用戶可維護的新型智能化電網(wǎng)調度操作票自動生成和管理系統(tǒng)。應用表明，該系統(tǒng)能夠大大提高開票的智能性和正確率，而且動態(tài)模板設計和用戶可配制操作規(guī)則的實現(xiàn)證明了系統(tǒng)具有很好的通用性及生命力。
　　
　　參加本文研究及開發(fā)工作的還有華北電力大學碩士研究生范利國、劉強、郭碧援、陳之栩、吳發(fā)力等，特此致謝。