基于本体增强语义规则的复杂配电网安全作业控制研究与实现

顾建炜 张 鹏 秦 奋 洪建兵 黄卫升

1(国网杭州供电公司 浙江 杭州 310016) 2(国网杭州市余杭区供电有限公司 浙江 杭州 311100) 3(珠海优特电力科技股份有限公司 广东 珠海 519000)

0 引 言

当前配电网安全作业控制系统一般依托关系数据库构建信息源，采用自定义脚本表达各种复杂的防误逻辑规则，然后采用高级编程语言对防误逻辑规则进行解析。不同厂家的配电网安全作业控制系统所选取的数据库、构建的数据模型、编写的防误逻辑规则脚本都各不相同。其中，防误逻辑规则脚本普遍存在着编写复杂、排查错误困难、各厂家逻辑表达不统一等问题[1]。各厂家的防误逻辑基本靠手动录入，其正确性依靠专责人员人为主观检查。基于OWL构建配网安全作业领域本体可以解决知识源共享的问题。用语义网规则语言SWRL(Semantic Web Rule Language)描述防误逻辑规则可以解决不同厂家防误逻辑规则表达不统一的问题。另外，使用SWRL描述防误逻辑规则把五防逻辑规则编写和编程人员进行了分离。

本文首先阐述了配电网安全作业知识体系；然后提出了基于OWL和SWRL的配电网安全作业系统防误推理框架；接下来建立了配网安全作业领域本体，并基于该领域本体建立了配网安全防误SWRL推理规则；最后整合SWRL推理规则与Racer推理机进行推理，验证了基于OWL和SWRL进行电力安全防误推理方法的有效性与正确性。本文基于SWRL提出面向电力安全的语义网规则语言e-SWRL，它集成了通用的电力安全防误规则。

1 配电网安全作业知识体系

配电网安全作业知识体系从四个方面进行阐述：电气防误规则、电力系统设备、场景、岗位职责。电力系统设备包括电力系统一次、二次设备。场景指操作场景，一般是调度操作场景或倒闸操作场景。岗位职责是指只有被授权的在岗人员才能进行操作。电气防误规则即电气五防[2]规则。电气五防是指为确保人身和设备安全，在变电站、发电厂倒闸操作中防止发生的五种误操作的简称。电气五防描述为：防止误分、误合断路器；防止带负荷拉、合隔离开关或手车触头；防止带电挂(合)接地线(接地刀闸)；防止带接地线(接地刀闸)合断路器(隔离开关)；防止误入带电间隔。

为防止电气误操作，需要由岗位专责人员在严格遵守安全生产守则的前提下进行电力调度或电气倒闸操作。在生产环境中引入配电网安全作业控制系统可以避免各种人为因素导致的电气误操作。配电网安全作业知识体系如图1描述，其中电力防误规则是基础和难点。

图1 配电网安全作业知识体系

2 配电网安全作业系统防误推理框架

本文设计的配电网安全作业控制系统防误推理框架采用分层结构。其中位于最底层的是信息源，系统的信息源来自IEC61968标准体系和配电网安全防误标准体系。知识层是对信息源的抽象，转换层把SWRL规则转换成Racer推理机能识别的格式，Racer推理机给出推理结论。用户层把Racer推理机给出的推理结论解析成用户能看懂的形式传送给用户。

事实库中的事实来源于三个方面的信息：设备信息、设备实时状态信息及CIM模型静态描述信息(设备对象、拓扑连接关系等)。SWRL规则知识库即电力系统防误规则库。

基于OWL和SWRL的配电网安全作业控制系统防误推理框架，如图2所示。

图2 配电网安全作业控制系统防误推理框架

3 配电网安全作业系统防误推理建模

3.1 配网安全作业领域本体的构建

本体(Ontology)最早是哲学上的一个概念。在计算机领域，本体[3-6]是共享概念模型明确的形式化规范说明，它涵盖四方面的内容：概念模型、形式化、共享、明确。本体有5个建模原语：类、关系、函数、公理和实例[7]。

Web本体描述语言OWL[8-9](Web Ontology Language)，是W3C推荐的标准本体描述语言。它基于XML并在RDF/RDFS的基础上通过扩充更多建模原语进行描述[9]。OWL采用面向对象的方式来描述领域知识，通过类和属性描述对象，通过公理描述类和属性的特征和关系。

Protégé[10]是国内外本体研究机构的首选工具，本文建模使用Protégé工具进行，建模描述输出也与Protégé的语法一致。

构建本体的方法有多种，具有代表性的有骨架法、TOVE法、IDEF5法、METHONTOLOGY法、七步法、循环获取法等。本文采取七步法。七步法[11]是一种比较通用的构建领域本体的方法。其七个步骤分别是：

(1) 确定本体的专业领域；

(2) 考察复用现有本体的可能性；

(3) 列出本体中的重要术语；

(4) 定义类和类的等级体系；

(5) 定义类的属性；

(6) 定义属性的取值范围；

(7) 依据概念创建实例。

根据七步法，确定本文构建本体的专业领域为配电网安全作业领域。该领域以电力系统设备和电力防误规则为核心，电力防误规则围绕电力系统设备展开，电力系统设备建模以CIM模型为指导，本文构建配网安全作业领域本体时参考了CIM模型。

3.1.1配网安全作业术语定义

配电网安全作业有一些基本状态定义，如设备合分状态，拓扑岛或设备的带电状态、接地状态、是否带负荷，操作是否允许等。根据七步法第3步，模型对配电网安全作业使用到的基本概念进行提炼总结，形成配网安全作业术语表，见表1。

表1 配网安全作业术语表

3.1.2配网安全作业领域本体类/属性建模

根据七步法，本体建模需要考察复用现有本体的可能性。本文在创建类和属性时参考了IEC61968/61970 CIM模型。IEC61970 CIM模型中，核心包是基础，电线包描述了电力系统一次设备信息，拓扑包描述了电力系统一次设备之间的拓扑连接关系。IEC61968 CIM模型扩展了IEC61970 CIM模型，以满足配网的需求。如果没有特别说明，本文提到的CIM模型，包括了IEC61968标准关于配网的扩展部分。

配网安全作业领域本体参考CIM模型定义了以下类：基础类IdentifiedObject；核心包下面的电力系统资源类PowerSystemResource、设备类Equipment、导电设备类CondutingEquipment、设备容器类EquipmentContainer、端子类Terminal、连接点类ConnectivityNode、连接点容器类ConnectivityNodeContainer；电线包下面的开关刀闸类Switch、开关类Breaker、刀闸类DisConnector、接地刀闸类GroundDisConnector、保护开关类ProtectedSwitch；拓扑包下面的拓扑节点类TopologicalNode、拓扑岛类TopologicalIsland；电力系统资产类Asset、资产容器类AssetContainer，密封类Seal。通过Protégé软件搭建系统平台，生成配网安全作业领域本体模型描述见图3。

图3 知识库本体模型

属性用于断言关于类成员的一般事实以及关于个体的具体事实，即作为概念与概念、概念与数据之间的关系描述因子。属性与其子属性之间具有继承效果。属性的域描述了该属性的主体可以是哪些类或类的实例，而属性的取值范围则描述了该属性的客体可以是哪些类或实例。本文建立的主要属性如表2所示。

表2 配网安全作业领域本体属性表

核心类/属性描述见表3。表中通过Classes列和SubClassOf列表达出了类的层次关系，子类会继承父类的属性。以Switch为例，它继承自类ConductingEquipment，它具备属性isFromState exactly 1 SwitchState(有且只有一个起始开合状态)，它具备父类ConductingEquipment的关系include some Terminal(包含若干端子)和included exactly 1 TopologicalIsland(属于且仅属于一个拓扑岛)和isOneSideIncluded exactly 2 TopologicalIsland(单边被2个拓扑岛包含)。

表3 配网安全作业领域本体类/属性表

3.2 基于e-SWRL的电力安全防误操作推理

OWL的推理能力仅限于基于类的推理，若知识不能以类的方式表达，OWL的推理能力明显不足。

SWRL扩展了OWL的公理集，它可以弥补OWL推理能力不足的缺陷。因此可以选择使用OWL建立本体模型，再结合SWRL完善其推理能力。

e-SWRL是本文提出的面向电力安全的语义网规则语言，它基于SWRL并集成了电力防误操作规则。

本节提炼出了电气五防五种经典误操作的推理规则，并以“带接地送电”为例描述推理过程。

3.2.1e-SWRL五防推理规则

电气经典误操作在e-SWRL推理规则包中核心的有以下5条：

e-Rule1对应场景：防止误分合断路器(负荷开关)，即合环、解环、并列或解列的情况。推理表达式为：

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对应场景：防止带负荷拉、合隔离开关或手车触头，即拉合隔离开关时，禁止造成电源和负荷设备连接在一起，或将电源和负荷设备分开。推理表达式为：

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对应场景：防止带电挂(合)接地线(接地刀闸)，即拉合隔离开关时，禁止造成电源和负荷设备连接在一起，或将电源和负荷设备分开。推理表达式为：

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对应场景：防止带接地线(接地刀闸)送电(合隔离开关)，即送电时禁止合上保护开关，造成电源和接地点连接在一起。推理表达式为：

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对应场景：防止误入带电间隔，即设备容器内的设备有电网门，则禁止打开网门。推理表达式为：

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“带接地送电”SWRL推理规则解析

给线路送电一般是通过将变电站或开闭所的线路间隔转为运行状态来完成，在操作之前母线是带电的，如果此时线路上有检修接地点，在合上线路断路器时，将会造成母线上的电压连接到线路的接地点，造成接地短路。在配网安全作业系统进行拉合开关操作时，系统会根据当前状态进行分析判断，如果符合带接地送电的模型，则给出不能进行此操作的提示。带接地送电建模本体关系图如图4所示。ProtectedSwitch对象两侧分别关联两个不同的拓扑岛(TopologicIsland)，其中一个拓扑岛为带电状态(Power)，另一个拓扑岛为接地状态(Ground)，ProtectedSwitch对象状态转化，从State_0到State_1,即拉合操作，推理结论是Forbid，即禁止这种状态下进行拉合操作。

图4 带接地送电建模本体关系图

带接地送电规则用SWRL规则描述如下：

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)

对规则解析如下：ProtectedSwitch(?e)表示e是ProtectedSwitch的一个实例;isFromState(?e,State_0)表示e当前状态为0;isToState(?e,State_1)表示e要变位为1;TopologicIsland(?t1)表示t1是一个TopologicIsland实例;TopologicIsland(?t2)，表示t2是一个TopologicIsland实例;isOneSideIncluded(?e,?t1)表示e的一侧关联拓扑岛t1;isOneSideIncluded(?e,?t2)表示e的一侧关联拓扑岛t2;differentfrom(?t1,?t2)表示t1和t2是不同的实例；hasPowerState(?t1,Power)表示t1当前是的状态是带电状态；hasGroupState(?t2,Gound)表示t2的当前状态是接地状态；CanOperate(?e,Forbid)表示推出的结论是不能对e进行状态转换操作。翻译成人类语言即：当拉合开关时，如果开关所在拓扑岛一侧处于带电状态，另一侧处于接地状态，这时不允许进行拉合操作。

4 实验结果分析

针对图5所示接线图,由于接地刀闸9036处于闭合状态，拉合612开关进行送电，会导致短路，因此操作是不允许的。系统从事实库获取的状态信息见表4,Racer推理结果见表5。

图5 接线图实例

表4 设备状态信息表

表5 推理结果表

可见，基于OWL和e-SWRL的配电网安全作业控制系统其推理结果和传统的五防系统判断结果一致。

5 结 语

本文提出的基于OWL+e-SWRL的配电网安全作业控制系统实现了电力安全规则与实现逻辑的分离。

本体的核心功能是知识共享，通过减少概念和术语上的歧义，使得来自不同背景、持不同观点和目的的人员之间交流成为可能，并保持语义上的一致性。鉴于CIM RDF构建OWL的本体具有通用性和复用性，在任何一个防误信息系统都可复用，从而解决了不同防误信息系统异构数据库的不兼容问题。

SWRL语言的规范性，使得防误逻辑也可以得到标准一致的表达。e-SWRL具有强推理性，它集成了电力安全防误操作领域的推理规则和推理方法，使得电力安全规则及其逻辑推理不必再完全依赖开发人员。随着安全知识发展，如有新的安全规则或本体需要动态扩充，只需按照规范修改规则库，而不再依赖程序开发人员编码。

本文建立的配网安全作业领域本体需要进一步细化，目前e-SWRL只实现了电力安全操作防误规则，可以扩充电力安全领域其它推理因子，使其更具完备性和实用性。