CN107340766A - 基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法。电力调度系统在电力系统故障过程中将收到大量的告警信号，如何将告警信号归类，利用告警信号进行故障诊断，是本发明拟解决的问题。本方法将告警信号文本向量化，利用滑动时间窗提取实时告警信号，通过计算实时告警信号与各事故样本告警信号的向量空间的相似度，进行实时告警信号的文本归类，并利用文本归类结果实现故障诊断。本方法能够对电力系统同时发生的多种不同故障进行故障诊断，可用于电力调度系统告警信号文本归类及故障诊断领域。
Description
技术领域
本发明属于电力调度系统的故障诊断、告警信号的自然语言处理与中文文本分类技术领域，尤其涉及一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法。
背景技术
电力系统安全是建设坚强智能电网的核心，虽然现代电力系统的理论和技术不断发展，但危及电力系统安全的故障仍然无法避免。电力系统故障过程中会产生故障相关的告警信号，电力调度系统需要通过这些告警信号快速、准确地进行故障诊断，判断故障地点、故障类型及故障设备，识别不正确动作的保护和断路器，辅助调度或运行人员处理故障。然而，随着电力系统规模的不断扩大，故障过程中将产生大量的告警信号，考虑到电力系统连锁故障和同时不同地发生的不同种故障，再加上其余电力系统状态信号的干扰，电力调度系统接收的信号数量更会成倍增加。面对繁多的信号，调度员很难在短时间内根据自己的经验进行故障诊断，事故处理效率较低，甚至使事故扩大，不利于系统恢复。如何对故障后的告警信号进行快速分析与归类，利用归类的告警信号进行故障诊断，已经成为电力调度系统故障诊断领域有待研究和解决的重要问题。电力调度系统的告警信号为中文短文本，含有大量电力系统专业词汇，并夹杂着数字与特殊符号，为了提取告警信号中有价值的信息，对告警信号的自然语言处理与文本信息挖掘成了关键的步骤。
针对上述问题，研究者们提出了多种方法，主要包括专家系统、粗糙集理论、人工神经元网络等。其中专家系统和粗糙集理论的基本思路类似，都是利用保护设备的动作规则建立知识库，识别告警信号并归入相应的规则，再通过推理进行故障诊断，但这两种方法要求非常完备的知识库，而知识库的维护比较困难；人工神经元网络的诊断性能取决于丰富完备的训练样本，神经元网络的更新训练十分耗时，无法满足快速故障诊断的要求。
对于电力系统的中文文本信息处理，文献《基于语义框架的电网缺陷文本挖掘技术及其应用》以电网缺陷文本为研究对象，采用语义框架槽填充的方法实现文本挖掘；文献《文本信息挖掘技术及其在断路器全寿命状态评价中的应用》运用向量空间法探索了电网中文文本的挖掘方法，实现了相似缺陷的相关性学习和分类。但这些方法仅用于对电网文本信息的事后处理，统计设备缺陷信息，无法应用于实时在线故障诊断。文献《基于时间序列相似性匹配的输电系统故障诊断方法》利用了电力系统告警信号的时序特性，提出一种基于时间序列相似性匹配的故障诊断方法，满足在线诊断的要求。然而电力调度系统告警信号的时标信息仅精确到秒，事故发生时告警信号以每秒数条的速度发出，因此事故阶段在每秒范围内的告警信号往往时序混乱，这将影响该方法的故障诊断正确性，而且该方法仅能进行单一故障的诊断，无法诊断出同时发生的几种不同故障。
发明内容
本发明提出了一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，采用隐马尔科夫模型(HMM)中的Viterbi算法对中文告警信号进行分词，提取其中的本体词，将告警信号文本向量化，利用滑动时间窗提取实时告警信号，建立事故样本库中的告警信号与调度系统接收的实时告警信号的向量空间模型，计算实时告警信号与各事故样本告警信号的向量空间的相似度，进行实时告警信号的文本归类，得出正在接收的实时告警信号属于事故样本中的哪类事故，即认为目前正在发生事故样本中的该类事故，输出该类事故的事故描述文本，利用归类结果实现故障诊断。本发明能够显著减少调度员在电力系统事故时接收到的告警信号数量，准确、高效地实现电力系统故障诊断，并能对电力系统同时发生的多种不同故障进行故障诊断。
一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法包括如下步骤：
第一步：建立本体词典，标注本体词词性；
第二步：导入本体词典，构建本体词与空间向量的映射关系，空间向量的每一维与一个本体词构成映射，每一维的坐标值表示该空间向量描述的告警信号中该本体词出现的次数；
第三步：导入事故样本，首先导入各事故样本的事故描述文本，再导入各事故样本包括的告警信号，对每一个事故样本的告警信号进行分词，去除停用词，搜索告警信号中的本体词，每搜索得到一个本体词，其映射的空间向量坐标自增1，由此可得每一个事故样本中告警信号的空间向量；
第四步：处理调度系统接收到的实时告警信号，建立一个时间为Δt的滑动时间窗，该滑动时间窗随实时告警信号的接收向前滑动，导入滑动时间窗中的所有实时告警信号，对这些实时告警信号进行分词，去除停用词，每条告警信号都有唯一的发送地点标志，识别每条实时告警信号中的发送地点标志，认为滑动时间窗中有相同地点标志的实时告警信号可能来自同一事故，对于每一个可能事故分别建立一个空间向量，搜索滑动时间窗中该可能事故地点发出的实时告警信号中的本体词，每搜索得到一个本体词，其映射的空间向量坐标自增1，由此可得滑动时间窗中的各个可能事故对应的实时告警信号的空间向量；
第五步：分别计算滑动时间窗中的各个可能事故对应的实时告警信号的空间向量与各事故样本告警信号的向量空间的相似度，对于滑动时间窗中的某个可能事故，取其与各事故样本告警信号的向量空间相似度的最大值，设为Smax，设定一个相似度阈值Sthr，若Smax≥Sthr，则此时电力系统确实有事故发生，相似度最大值Smax对应的一类事故样本所描述的事故即为目前正在发生的事故，输出该事故样本的事故描述文本，完成故障诊断，滑动时间窗中的其它可能事故处理方法相同。
上述技术方案中各步骤可具体通过如下方式实现：
第一步中的本体指告警信号中有意义的实词，本体词性包括时间词(m)、地点词(ns)、名词(n)、带修饰的名词(mqn)、数量词(mq)和属性词(v)，本体词典也作为中文告警信号的分词依据，本体词典示例如表1所示。
表1本体词典示例
第二步中的本体词与空间向量的映射关系为，假设本体词典中有n个本体词，将它们按顺序编号为1～n,编号为k的本体词对应第k维空间向量wk，n维空间向量W表示为
W＝(w1,…,wk,…,wn)
其中，每一维的坐标值表示该空间向量描述的告警信号中该本体词出现的次数。
第三步中的事故样本为按事故类型分类的告警信号集合，事故样本库基于电力系统已发生的事故和相应的告警信号得出，由电力调度系统生成，并可以随着系统的运行不断扩充，事故样本分为事故描述和告警信号两部分，示例如表2所示。
表2事故样本示例
第三步和第四步中的中文分词采用隐马尔科夫模型(HMM)中的Viterbi算法，分词结果在每个词语后加上本体词典中所示的词性标注，去除停用词指去除“.”、“/”等标点符号，分词和去停用词示例如表3所示。
表3分词和去停用词示例
第四步中的滑动时间窗截止时刻对应最后一条实时告警信号的时刻，设为t2，起始时刻设为t1，t1＝t2-Δt。考虑到电力系统的故障发展很快，调度系统的运行数据显示，同一故障的所有告警信号往往在数秒内就发送完毕，后续连锁故障的告警信号可能在数十秒之后发出，所以Δt的取值不应大于10s；考虑到滑动时间窗内包含一个故障的实时告警信号越多，基于相似度计算的故障诊断越准确，还考虑到计算机运行算法所需的时间，所以Δt的取值不应小于1s。
第四步中认为滑动时间窗中有相同地点标志的实时告警信号来自同一可能事故，每一个不同发送地点标志表示发生了一个不同的可能事故(即滑动时间窗中出现几个不同发送地点标志，该时间段就有几个不同的可能事故发生)是因为，电力系统在一个较小时间段(数分钟)内同一地点的不同事故往往是由一个共同的初始故障引起的连锁故障，这些故障相继发生，故障间有数秒到数十秒的时间间隔，通过上述对滑动时间窗的时间间隔Δt的合理选择，可以认为滑动时间窗内同一地点发送的实时告警信号均来自同一可能故障，即在滑动时间窗的时间段内，同一地点只会发生一种可能故障；电力系统的事故主要分为两大类，第一类为变电站内设备故障(如主变电容器故障跳闸、主变低抗故障跳闸、所用变低压开关故障跳闸等)，该类故障只涉及一个变电站，故障告警信号由一个变电站发出，第二类为变电站间设备故障(如输电线路故障跳闸)，根据数据采集与监视控制系统(SCADA系统)关于告警信号发送装置的配置原则，变电站间设备故障的告警信号仅由其中一个变电站发出，因此可以认为滑动时间窗的时间段内接收到几个不同地点发送的实时告警信号，就在不同地点发生了几个不同的可能故障。应用这一故障判定规则，可以实现电力系统同时发生的多种不同故障的故障诊断。
第五步中的相似度计算方法是，假设向量空间的维度(即本体词数)为n，事故样本数为m,滑动时间窗Δt内实时告警信号产生的向量空间数(即可能事故数)为p，第i个实时告警信号向量空间与第j个事故样本的告警信号向量空间的相似度Sij表示为：
其中，wki和wkj分别表示第i个实时告警信号向量空间的第k维坐标和第j个事故样本的告警信号向量空间的第k维坐标。
第一步至第三步为一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法初始化阶段，第四步至第五步为一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法程序运行阶段。
本发明提出了一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，与已有的技术相比，本发明提出的方法主要有以下改进：
1、提出了基于相似度计算的电力调度系统告警信号文本归类方法，可以准确、高效地对实时告警信号进行归类，将实时告警信号归为事故样本中的一类，输出该类事故样本中的事故描述文本，可以减少调度员接收到的告警信号数量，并做出故障诊断；
2、提出了基于纯文本分析的电力系统故障诊断方法，该方法不涉及具体电气信息和电气量计算，只需要调度系统的实时告警信号和事故样本，具有输入参数易获得、输出诊断结果准确可靠等优势；
3、提出了利用设置滑动时间窗来获取电力调度系统实时告警信号，通过设置合适的滑动时间窗有助于提高本方法的故障诊断精度，也有利于计算资源的合理利用；
4、提出的故障判定规则可以实现电力系统同时发生的多种不同故障的故障诊断。
附图说明
图1是一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法初始化阶段流程图；
图2是一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法程序运行阶段流程图；
具体实施方式
一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法包括如下步骤：
第一步：建立本体词典，标注本体词词性；
本步骤中的本体指告警信号中有意义的实词，本体词性包括时间词(m)、地点词(ns)、名词(n)、带修饰的名词(mqn)、数量词(mq)和属性词(v)，本体词典也作为中文告警信号的分词依据。
第二步：导入本体词典，构建本体词与空间向量的映射关系，空间向量的每一维与一个本体词构成映射，每一维的坐标值表示该空间向量描述的告警信号中该本体词出现的次数；
本步骤中的本体词与空间向量的映射关系为，假设本体词典中有n个本体词，将它们按顺序编号为1～n,编号为k的本体词对应第k维空间向量wk，n维空间向量W表示为：
W＝(w1,…,wk,…,wn)
其中，每一维的坐标值表示该空间向量描述的告警信号中该本体词出现的次数。
第三步：导入事故样本，首先导入各事故样本的事故描述文本，再导入各事故样本包括的告警信号，对每一个事故样本的告警信号进行分词，去除停用词，搜索告警信号中的本体词，每搜索得到一个本体词，其映射的空间向量坐标自增1，由此可得每一个事故样本中告警信号的空间向量；
本步骤中的事故样本为按事故类型分类的告警信号集合，事故样本库基于电力系统已发生的事故和相应的告警信号得出，由电力调度系统生成，并可以随着系统的运行不断扩充，事故样本分为事故描述和告警信号两部分。
第四步：处理调度系统接收到的实时告警信号，建立一个时间为Δt的滑动时间窗，该滑动时间窗随实时告警信号的接收向前滑动，导入滑动时间窗中的所有实时告警信号，对这些实时告警信号进行分词，去除停用词，每条告警信号都有唯一的发送地点标志，识别每条实时告警信号中的发送地点标志，认为滑动时间窗中有相同地点标志的实时告警信号可能来自同一事故，对于每一个可能事故分别建立一个空间向量，搜索滑动时间窗中该可能事故地点发出的实时告警信号中的本体词，每搜索得到一个本体词，其映射的空间向量坐标自增1，由此可得滑动时间窗中的各个可能事故对应的实时告警信号的空间向量；
本步骤中的滑动时间窗截止时刻对应最后一条实时告警信号的时刻，设为t2，起始时刻设为t1，t1＝t2-Δt。考虑到电力系统的故障发展很快，调度系统的运行数据显示，同一故障的所有告警信号往往在数秒内就发送完毕，后续连锁故障的告警信号可能在数十秒之后发出，所以Δt的取值不应大于10s；考虑到滑动时间窗内包含一个故障的实时告警信号越多，基于相似度计算的故障诊断越准确，还考虑到计算机运行算法所需的时间，所以Δt的取值不应小于1s。
本步骤中认为滑动时间窗中有相同地点标志的实时告警信号来自同一可能事故，每一个不同发送地点标志表示发生了一个不同的可能事故(即滑动时间窗中出现几个不同发送地点标志，该时间段就有几个不同的可能事故发生)是因为，电力系统在一个较小时间段(数分钟)内同一地点的不同事故往往是由一个共同的初始故障引起的连锁故障，这些故障相继发生，故障间有数秒到数十秒的时间间隔，通过上述对滑动时间窗的时间间隔Δt的合理选择，可以认为滑动时间窗内同一地点发送的实时告警信号均来自同一可能故障，即在滑动时间窗的时间段内，同一地点只会发生一种可能故障；电力系统的事故主要分为两大类，第一类为变电站内设备故障(如主变电容器故障跳闸、主变低抗故障跳闸、所用变低压开关故障跳闸等)，该类故障只涉及一个变电站，故障告警信号由一个变电站发出，第二类为变电站间设备故障(如输电线路故障跳闸)，根据数据采集与监视控制系统(SCADA系统)关于告警信号发送装置的配置原则，变电站间设备故障的告警信号仅由其中一个变电站发出，因此可以认为滑动时间窗的时间段内接收到几个不同地点发送的实时告警信号，就在不同地点发生了几个不同的可能故障。应用这一规则，可以对同时发生的几种不同故障进行故障诊断。
第三步和第四步中的中文分词采用隐马尔科夫模型(HMM)中的Viterbi算法，分词结果在每个词语后加上本体词典中所示的词性标注，去除停用词指去除“.”、“/”等标点符号。
第五步：分别计算滑动时间窗中的各个可能事故对应的实时告警信号的空间向量与各事故样本告警信号的向量空间的相似度，对于滑动时间窗中的某个可能事故，取其与各事故样本告警信号的向量空间相似度的最大值，设为Smax，设定一个相似度阈值Sthr，若Smax≥Sthr，则此时电力系统确实有事故发生，相似度最大值Smax对应的一类事故样本所描述的事故即为目前正在发生的事故，输出该事故样本的事故描述文本，完成故障诊断，滑动时间窗中的其它可能事故处理方法相同。
本步骤中的相似度计算方法是，假设向量空间的维度(即本体词数)为n，事故样本数为m,滑动时间窗Δt内实时告警信号产生的向量空间数(即可能事故数)为p，第i个实时告警信号向量空间与第j个事故样本的告警信号向量空间的相似度Sij表示为：
其中，wki和wkj分别表示第i个实时告警信号向量空间的第k维坐标和第j个事故样本的告警信号向量空间的第k维坐标。
上述的第一步至第三步为一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法初始化阶段，第四步至第五步为一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法程序运行阶段。
以下结合附图，对本发明的实施例作详细说明，该发明的流程图如图1和图2所示。
实施例：
为了验证本发明提出的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，发明人使用C++编程语言开发实现了该故障诊断程序，并在下述环境配置的PC机上实现了本实施例的测试和验证。
Intel Core i5-4250U CPU 1.30GHz，4GB内存，Microsoft Windows 10x64，Visual Studio 2013.
本实施例所用的事故样本和实时告警信号都来自浙江省电力调度指挥中心的调度系统数据库。事故样本取自数据库中存储的2014年3月至2017年4月期间的典型事故及其对应的告警信号，为了确保符合调度系统的实际运行情况，实时告警信号采用数据库中存储的2014年3月至2017年4月期间调度系统接收的所有信号，这些信号既包括各事故样本对应的告警信号，也包括遥测、遥信等电力系统状态信号，这些状态信号可以看作“干扰噪声信号”，用于验证故障诊断的抗干扰能力。本体词典包含该时段所有信号中出现的本体词。
本实施例中，判定当前是否发生事故的相似度阈值Sthr设为0.85，滑动时间窗的时间Δt设为5s，为了验证本方法能够实现对电力系统同时发生的多种不同故障的故障诊断，将滑动时间窗设在实际电力系统曾经同时发生两个事故的时间段内。某时刻滑动时间窗位于2015年12月16日08:21:35至2015年12月16日08:21:39，该时间段同时发生了春晓变电站2号主变35kV开关跳闸和瓶窑变电站2号主变1号低抗保护动作，2号主变三侧开关跳闸这两个事故，滑动时间窗内实时告警信号如表4所示。
表4滑动时间窗内实时告警信号
运行本发明提出的故障诊断程序，当时间窗滑动到该时间段时，程序输出显示正在发生2个事故。事故1与事故样本中编号20的事故相似度最大，为0.895377，归类并输出滑动时间窗内属于本事故的所有实时告警信号，故障诊断结果为“春晓变电站2号主变3号低抗A相故障，2号主变35kV开关跳开”；事故2与事故样本中编号22的事故相似度最大，为0.928153，归类并输出滑动时间窗内属于本事故的所有实时告警信号，故障诊断结果为“瓶窑变电站2号主变1号低抗保护动作，2号主变三侧开关跳闸”；输出滑动时间窗内所有的单独信号；输出故障诊断用时0.325s。
综上所述，结合本实施例的测试结果，本发明提出的一种基于相似度计算的电力调度系统告警信号文本归类及故障诊断方法利用告警信号文本信息进行文本归类，能够准确、高效地实现电力系统故障诊断，并能对电力系统同时发生的多种不同故障进行准确诊断。
Claims (7)
1.一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：建立本体词典，标注本体词词性；
第二步：导入本体词典，构建本体词与空间向量的映射关系，空间向量的每一维与一个本体词构成映射，每一维的坐标值表示该空间向量描述的告警信号中该本体词出现的次数；
第三步：首先导入各事故样本的事故描述文本，再导入各事故样本包括的告警信号，对每一个事故样本的告警信号进行分词，去除停用词，搜索告警信号中的本体词，每搜索得到一个本体词，其映射的空间向量坐标自增1，由此可得每一个事故样本中告警信号的空间向量；
第四步：处理调度系统接收到的实时告警信号，建立一个时间为Δt的滑动时间窗，该滑动时间窗随实时告警信号的接收向前滑动，导入滑动时间窗中的所有实时告警信号，对这些实时告警信号进行分词，去除停用词，每条告警信号都有唯一的发送地点标志，识别每条实时告警信号中的发送地点标志，认为滑动时间窗中有相同地点标志的实时告警信号可能来自同一事故，对于每一个可能事故分别建立一个空间向量，搜索滑动时间窗中该可能事故地点发出的实时告警信号中的本体词，每搜索得到一个本体词，其映射的空间向量坐标自增1，由此可得滑动时间窗中的各个可能事故对应的实时告警信号的空间向量；
第五步：分别计算滑动时间窗中的各个可能事故对应的实时告警信号的空间向量与各事故样本告警信号的向量空间的相似度，对于滑动时间窗中的某个可能事故，取其与各事故样本告警信号的向量空间相似度的最大值，设为Smax，设定一个相似度阈值Sthr，若Smax≥Sthr，则此时电力系统确实有事故发生，相似度最大值Smax对应的一类事故样本所描述的事故即为目前正在发生的事故，输出该事故样本的事故描述文本，完成故障诊断；以相同方法处理滑动时间窗中的其它可能事故。
2.根据权利要求1所述的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于：所述的第一步中的本体指告警信号中有意义的实词，本体词性包括时间词、地点词、名词、带修饰的名词、数量词和属性词，本体词典也作为中文告警信号的分词依据。
3.根据权利要求1所述的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于：所述的第二步中的本体词与空间向量的映射关系为，假设本体词典中有n个本体词，将它们按顺序编号为1～n,编号为k的本体词对应第k维空间向量wk，n维空间向量W表示为：
W＝(w1,…,wk,…,wn)
其中，每一维的坐标值表示该空间向量描述的告警信号中该本体词出现的次数。
4.根据权利要求1所述的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于：所述的第三步中的事故样本为按事故类型分类的告警信号集合，事故样本库基于电力系统已发生的事故和相应的告警信号得出，由电力调度系统生成，并随着系统的运行不断扩充，事故样本分为事故描述和告警信号两部分。
5.根据权利要求1所述的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于：所述第三步和第四步中的中文分词采用隐马尔科夫模型中的Viterbi算法，分词结果在每个词语后加上本体词典中所示的词性标注。
6.根据权利要求1所述的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于：所述第四步中的滑动时间窗截止时刻对应最后一条实时告警信号的时刻，设为t2，起始时刻设为t1，t1＝t2-Δt，Δt的取值为1～10s。
7.根据权利要求1所述的一种基于相似度的电力调度告警信号文本归类及故障诊断方法，其特征在于：所述第五步中的相似度计算方法是，假设向量空间的维度为n，事故样本数为m,滑动时间窗Δt内实时告警信号产生的向量空间数为p，第i个实时告警信号向量空间与第j个事故样本的告警信号向量空间的相似度Sij表示为：
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其中，wki和wkj分别表示第i个实时告警信号向量空间的第k维坐标和第j个事故样本的告警信号向量空间的第k维坐标。
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