规则引擎驱动的配电网问题诊断.pdf
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1、电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.35 No.7Jul.2023规则引擎驱动的配电网问题诊断刘宝林,莫海峰,冯磊,段燕茹(云南电网有限责任公司电网规划建设研究中心,昆明 650034)摘要:为提高配电网问题诊断效率,提出一种规则引擎驱动的配电网问题诊断方法。构建配电网问题诊断规则引擎的事实库、规则库和推理机。研究了配电网问题的机理,编写事实库;从配电网规划目标、问题涉及范围和问题表现层级 3 个维度构建配电网问题诊断规则库;基于 Rete 算法设计推理机和驱动机制,根据规则库的诊断
2、规则对事实库的配电设备数据进行问题诊断。所提方法实现了诊断规则与输入数据、推理组件的分离,算例验证了所提方法对配电网问题诊断的有效性。关键词:配电网规划;规则引擎;问题诊断;Rete 算法;规则库中图分类号:TM715文献标志码:A文章编号:1003-8930(2023)07-0151-08DOI:10.19635/ki.csu-epsa.001149Diagnosis of Distribution Network Problems Driven by Rule EngineLIU Baolin,MO Haifeng,FENG Lei,DUAN Yanru(Grid Planning and
3、 Construction Research Center,Yunnan Power Grid Co.,Ltd,Kunming 650034,China)Abstract:To improve the diagnosis efficiency of distribution network problems,a diagnosis method for distribution network problems driven by rule engine is proposed in this paper.The fact base,rule base and inference engine
4、 for therule engine of distribution network problem diagnosis are constructed.The mechanism of distribution network problemsis studied,and the fact base is compiled.From three dimensions of distribution network planning objective,problemscope and problem expression level,the rule base for distributi
5、on network problem diagnosis is constructed.The inference engine and driving mechanism are designed based on the Rete algorithm,and the problem diagnosis of distribution equipment data in the fact base is carried out according to diagnosis rule in the rule base.The proposed method realizes the separ
6、ation of diagnosis rules from the input data and inference components,and the result of a numerical example verifies its effectiveness in the diagnosis of distribution network problems.Keywords:distribution network planning;rule engine;problem diagnosis;Rete algorithm;rule base配电网问题的诊断是通过对配电网现状数据的分析
7、,判断配电网存在的各种问题及问题产生的原因,是设计规划方案和指导配电网规划建设的依据。实际应用中,规划人员根据各部门收集的数据,整理得到包含设备状态、网架结构、系统整体运行等方面存在的问题,汇总形成配电网问题库,并针对配网问题提出解决方案。因此,配电网问题的准确诊断和精准定位,直接影响配电网规划项目的有效性和合理性1。目前在配电网问题的诊断领域,主要从以下2个方向展开研究:一方面是探索如何更加高效地对数据进行处理,如文献1基于公用信息模型重构配电网拓扑,对信息进行二次加工,实现对配网数据的自动诊断;文献2采用区块链技术,以电网公司各部门作为区块链节点,进行区块链节点的数据共享和滚动更新,从而提
8、高数据的准确度和工作效率。另一方面是通过构建计算机辅助系统提高工作效率,如文献3-5研究配电网数据平台的构建方法,进行配电网问题的自动分析。但上述研究均侧重于配电网基础数据的分析技术,并没有完全解决配电网问题的深度解析,也未涉及配电网问题库的高效合理生成。实际中,配电网问题类型多,分析诊断过程繁琐,不同地区对配电网问题的诊断标准也有所差别,诊断规则难以统一。随着新型电力系统的快速发展,越来越多的分布式电源和柔性负荷接入配电网6,配网数据体量和种类逐渐增多7,将加剧配电网问题的诊断难度。因此,有必要对配电网问题的高效诊断方法进行深入研究。随着电力系统信息化、数字化转型,人工智能收稿日期:2022
9、-10-10;修回日期:2022-11-01网络出版时间:2022-11-10 14:03:25刘宝林等:规则引擎驱动的配电网问题诊断电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报152第 7 期在电力系统中的应用越来越广泛8。其中,规则引擎技术在电网故障诊断隔离9-12、安全稳定分析13、电力交易14等领域发挥了较大的价值。规则引擎是一种将数据、规则、推理组件解耦的推理引擎,规则重用性高且易修改,特别适合于业务规则复杂且容易变动的应用15-20,具有较好的可维护性和可推广性。本文基于规则引擎框架搭建配电网问题诊断引擎架构,包括事实库、规则库、推理机。根据配电设备数据库编写事实库,从配电网规划目标
10、、问题涉及范围和问题表现层级3个维度,研究配电网问题的诊断规则,构建规则库;基于Rete推理算法设计推理机,根据规则库的诊断规则对事实库的配电设备数据进行问题诊断。该方法符合新型电力系统数字化、信息化的发展需求,采用智能化方法实现配电网问题的分析,并将规则与输入数据、推理组件分离,便于业务人员根据实际情况修改规则,可以有效地降低规划人员的工作强度,提高配电网规划工作的效率。通过实际配电网数据进行案例分析,证明了该方法诊断的正确性。1规则引擎规则引擎起源于基于规则的专家系统,整体框架包括事实库、规则库和推理机,如图1所示。其中,推理机根据提前设计好的规则库,对事实进行推理计算,得到决策结果。在上
11、述框架下,事实库是一个动态的数据库,存放引擎工作时处理的数据对象,会随着规则引擎的运行发生变化;规则库是特定语义编写的规则集合,为推理机的推理提供依据,每一规则包括条件部分和动作部分;推理机是整个引擎运转的核心,模式匹配器对规则的条件部分和事实按照特定推理算法进行模式匹配,规则的执行条件满足被视为匹配成功,该规则将添加进议程。议程存放被触发的规则并决定这些规则的执行顺序21。当规则执行时,传输动作命令给执行引擎,执行引擎按照规则的动作部分进行动作。若动作产生新的事实,则将其存放进事实库中。需要注意的是,若议程内同时存在多条被触发的规则,它们相互之间的不同执行顺序可能会产生不同的推理结果,即规则
12、冲突。本文采用规则优先级策略消解规则冲突,即按照问题诊断业务的流程,设置规则的优先顺序,需要优先执行运算分析的业务,确立为较高优先级。规则引擎通过将逻辑规则与数据对象、推理组件解耦,使得规则可读性好、重用性高、易修改。因此,规则引擎可以适用于规则复杂多变的应用场景。在新型电力系统的不断发展中,配电网的结构也在逐渐发生改变,越来越多的分布式电源出现在负荷侧22-23,配电网问题的诊断规则也可能发生变化,涉及的问题诊断判据可能会增加,或者问题诊断的指标阈值可能会发生改变。在这种情况下,使用规则引擎进行配电网问题诊断将具有明显的技术优势。2规则引擎的输入基于规则引擎对配电网规划数据进行问题诊断并输出
13、配电网问题库,第1步,是设计规则引擎的输入内容,即构造出合理的事实库和规则库。为了使规则引擎实现对配电网问题的诊断功能,事实库需要储存配电网数据,而规则库需要储存配电网问题的诊断规则。2.1事实库配电网问题诊断涉及的事实库,由配电网规划工作人员收集得到的配电网数据库转化而来。配电网数据库包括变电站、馈线、配电变压器等类型的一系列数据,表1为3种数据主要的数据类型。图 1规则引擎框架Fig.1Framework of rule engine规则库模式匹配器推理库议程执行引擎事实库结果表 1变电站、馈线、配电变压器主要数据类型Tab.1Main data types of substation,f
14、eeder anddistribution transformer变电站信息变电站名称电压等级主变容量构成主变名称主变容量主变最大负荷主变投运时间主供分区类型剩余出线间隔变比平均负载率无功补偿容量馈线信息线路名称所属变电站线路类型(电缆、架空)馈线型号供电分区年最高负载率供电半径馈线末端功率因数馈线末端电压馈线首端电压一个自然月最大累计重载次数一个自然月最大累计过载次数配电变压器信息配变名称所属馈线配变型号供电分区年最高负载率过载最大持续时间重载最大持续时间末端电压台区低压线路截面供电半径台区功率因数三相电流不平衡度刘宝林等:规则引擎驱动的配电网问题诊断153第 35 卷按照规则引擎定义的事实
15、陈述规范,需要对配电网数据按变电站、馈线、配电变压器3类对象进行事实描述。其中,配电变压器的陈述规范为:配变名称、所属馈线、配变型号、供电分区、年最高负载率、末端电压等,相应的配变事实为:transformer配变1,馈线1,S13-M.RL-315/10,D,66.41,221等。汇总所有的配电网设备事实,得到事实库。事实库是一个动态的数据库,其中的事实可以随着引擎运行而增减、修改。2.2规则库规则库是所有规则的集合,可为规则引擎实现配电网问题诊断提供依据。规则库的质量直接关系到规则引擎推理结果的正确性和运行效率14。规则库的规则主要包括配电网问题的判别规则和问题成因的辨识规则。每一规则包含
16、条件部分、动作部分和优先级顺序3项内容。其中,条件部分用于匹配事实,动作部分用于引导执行引擎,优先级顺序用于消解规则冲突。规则库中,配电网问题的判别规则的优先级高于问题成因的辨识规则。为了使规则引擎的诊断结果能更充分体现配电网现状存在的问题,需要从以下3个维度梳理诊断规则。1)规划目标维度以配电设备需要考核的关键指标,如最大负载率、末端电压、各项缺陷指标、运行年限等作为配电网问题的分类判别依据。2)问题涉及范围维度按照问题涉及的范围,配电网问题可划分为设备个体问题、同源问题和系统性问题。设备个体问题指的是单个设备出现的问题,如配电变压器重过载、低电压等问题。同源问题可分为3种情况:单个设备存在
17、多种问题;存在问题的设备所接入的上级设备也出现相同问题;多个存在相同问题的设备接入同一上级设备。系统性问题,指的是配电网整体呈现的问题,如区域配电网的站线变荷匹配情况、网架结构情况、变电站数量和分布情况等。3)问题表现层级维度从问题表现层级的维度,配电网问题包括能够通过指标分析直接显性表现的问题,以及需要通过规划要素关联关系查找才能发现的隐性问题。例如,若馈线存在显性的重过载问题,通过规划要素关联关系查找,可能会发现该馈线存在供电半径过长或线路截面偏小等隐性问题。3个问题诊断维度如图2所示。2.2.1配电网问题的判别规则配电网问题的判别规则的条件部分是每种问题的判别条件,动作部分则产生问题判别
18、结果并依据判别出的问题生成配电网问题事实。以配变过载问题为例,其判别规则的条件部分为:配变的年最高负载率100%且过载最大持续时间toverload30min,动作部分为判定该配变存在过载问题,生成相应的配电网问题。规则的优先级顺序从高到低依次为:规划目标维度的问题判别规则、问题涉及范围维度的问题判别规则、问题表现层级维度的问题判别规则。2.2.2问题成因的辨识规则精准辨识配电网问题产生的原因是高效解决该配电网问题的关键,可指导配电网规划方案的制定。每一个显性的设备个体问题,都是由相关的同源问题或者隐性问题导致的,根据对相关问题的考察,可以找出该显性设备个体问题产生的根本性原因。以配电网设备出
19、现低电压问题为例阐述问题成因的辨识方法。设备低电压,原因可能是网络阻抗偏大、负荷功率偏大或首端电压偏低。网络阻抗偏大,可能是导线截面偏小或供电半径偏大导致的;负荷功率偏大可能是设备本身的负载率偏大,无功补偿不足引起功率因数偏低或等效感性无功负荷量偏多导致的;首端电压偏低,可能是接入的上级设备电压不合格导致的。另外,负载三相不平衡,会引起测量电压中性点偏移,也有可能导致设备某一相或某两相出现低电压问题。可以看出,设备低电压问题的成因,是与其相关联的隐性问题或同源问题。基于上述认识,形成设备低电压问题成因辨识规则,具体如图3所示。因此,可以从发生显性问题的具体设备出发,研究问题相关联的隐性要素和同
20、源要素,判断是否有相关联的隐性问题或同源问题存在,精准定位产生问题的关键原因,指导后续规划改造。图 2配电网问题诊断维度Fig.2Dimensions of distribution network problemdiagnosis设备个体问题重过载低电压供电可靠性多设备问题系统性问题显性问题隐性问题规划目标维度问题涉及范围维度问题表现层级维度配电网问题电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报154第 7 期总之,问题成因的辨识规则,条件部分为判断所研究问题事实是否有相关联的隐性问题事实或同源问题事实,动作部分为生成所研究问题的问题成因事实。问题成因的判别规则优先级顺序从高到低为:问题的同源
21、问题成因辨识规则、问题的隐性问题成因辨识规则。3推理机基于规则引擎的事实库和规则库,本文引入Rete 模式匹配算法进行规则引擎的推理机的设计。推理机包括模式匹配器、议程和执行引擎。其中,模式匹配器分离规则库中所有诊断规则的子条件,构造树形的Rete规则网络24。配电网事实库中的事实在规则网络中传播,并进行事实参数和诊断规则的匹配,匹配成功的规则被放进议程,议程中的规则将诊断命令传输给执行引擎,由执行引擎进行配电网问题的判断,判断结果被存入事实库的工作内存中,并进入规则网络执行进一步的诊断。Rete算法是Forgy提出的一种正向链的快速推理算法25,由于采取以空间换时间的策略,可实现规则之间的公
22、共部分的重复利用,在推理时保留模式匹配过程的全部临时结果,对于不同规则具有的相同模式,不需要重复匹配。3.1Rete 网络的搭建Rete网络分为网络(模式网络)和网络(连接网络)两部分,如图4所示。其中,网络包含根节点、类型节点、节点、工作内存;网络由节点、工作内存、终端节点构成。当引擎运行时,事实从根节点进入Rete网络,直接进入类型节点;类型节点保存所有规则涉及的事实对象类型,并根据事实类型对事实数据进行筛选,符合类型条件的事实继续传播到节点,这种传播机制,避免了类型不符的事实进入后续节点造成的重复计算。节点的作用是将节点所对应规则的条件部分与事实进行模式匹配,判断事实是否符合规则里定义的
23、规则条件。围绕配电网问题诊断的需求,本文提出了节点表达的子条件。例如,馈线重过载问题判别规则采用节点进行表达,其子条件如表2所示。若单个规则的条件部分中,存在关于同一事实类型的多个条件判断,则会产生多个串联在一起的节点。模式匹配成功的事实向后继节点继续传播。若事实满足该规则对于该事实类型的所有条件,则将模式匹配成功的结果保存在工作内存。不同规则的条件部分若存在同一事实类型的相同条件判断,则Rete算法可以实现节点共享,降低推理网络复杂性,提高计算效率。节点是双输入的节点,用来实现同一规则对于两类事实类型的模式匹配的连接,只有存在2类及以上事实类型条件判断的规则才有节点。其左输入数据通常为来自工
24、作内存的事实列表(元组),右输入通常为来自工作内存的单个事实,节点对不同类型事实间的规则条件约束进行判别,若条件符合,则对两个事实对象进行连接操作,且图 3低电压问题的成因辨识规则Fig.3Cause identification rule for low-voltage problems供电半径过长导线截面过小无功补偿不足所接变低母线电压偏低馈线重过载台区供电半径过长低压线路截面过小三相不平衡无功补偿不足所接馈线未端低电压配变重过载中压馈线末端低电压配变台区低电压隐性问题同源问题隐性问题同源问题低电压问题图 4Rete 算法规则推理网络Fig.4Rule inference network
25、of Rete algorithm内存内存内存Rete内存节点网络网络节点事实节点节点内存内存内存节点激活规则2议程激活规则1表 2 节点表达的馈线重过载问题判别规则子条件Tab.2Sub-condition of discriminant rule for feederoverload problem expressed by node 类型馈线馈线馈线馈线描述年最高负载率大于80%一个自然月最大累计重载次数大于3年最高负载率大于100%一个自然月最大累计过载次数大于3刘宝林等:规则引擎驱动的配电网问题诊断155第 35 卷将结果生成事实列表(元组)保存在工作内存,向后继节点继续传播。围绕配
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