（电力系统及其自动化专业论文）变电站操作票自动生成系统的研究与应用.pdf

中国电力科学研究院硕士学位论文 s t u d ya n da p p l i c a t i o no na u t o m a t i cg e n e r a t i n gs y s t e mo f s w i t c h i n gs e q u e n c e s f o rp o w e rs u b s t a t i o n a b s t r a c t o p e r a t i n go fe l e 商c a le q u i p m e n t sa c c o r d i n gt os w i t c h i n gs e q u si so n eo f t h eb a s i ca n dp r i n c i p a li s s u e st om a i n t a i nt h es a f e t y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h e p o w e rs y s t e m t h ee x p e r ts y s t e mf o ra u t o m a t i cg e n e r a t i n gs w i t c h i n gs e q u e n c e s o z s a g s s ) i so n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o n so fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( a i ) i np o w e rs y s t e m t h i sp a p e rf o c 惦e so ni m p r o v i n gt h eu n i v e r s a l i t y , i n t e l l i g e n c e a n dc o n v e n i e n c eo f t h ee s a g s s s t a r t i n gf z o mi m p m v i n gs y s t e mi n t e l l i g e n t l e v e la n d d e s i g n i n gn e t w o r k a r c h i t e c t u r eo fo r i g i n a ls y s t e m s t h ef o l l o w i n gt a s k sa l ed e s i g n e da n df i l l f i l l e dt om e e t t h er e q u i r e m e n to ff i e l da p p l i c a t i o na n ds y s t e me v o l u t i o nt r e n d s s o m ep r o b l e m sa r e t h o r o u g h l ys t u d i e d f i r s t l y , t h i sp a p e rc l a r i f i e dt h en e c e s s i t yo fm o d e lb u i l d i n gi ne s a g s s b y i n t r o d u c i n gi d e a so fc o g n i t i v es c i e n c e , ag e n e r a lo p e r a t i o n a lc l a s sc o n c e p tf i t t i n g d i f f e r e n tl e v e l so fe q u i p m e n ti np o w e rs y s t e mi sd e f i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f o p e r a t i o n a lc l a s sa r es t u d i e da n dag e n e r a lc o g n i t i v em o d e lo f s u b s t a t i o n so p e r a t i o n ( c m s o ) i sd e v e l o p e d s e c o n d l y , t h i s 掣l p c rd e s i g n e da n df u l f i l l e dt h es y s t e mc o n s t r u c t i o no fp r a c t i c a l c m s oi np r i m a r yd e v i c e sa n ds e c o n d a r yd e v i c e s 1 1 1 ed a t ao b j e c t so ft h em o d e la 托 e n c a p s u l a t e dw i t hr e f e r r i n gt h ec o n c e p to fo b j e c t e d - o r i e n t e dd e s i g n ( o o d ) ，w h i c h g e n e r a l i z e st h ep r e s e n t a t i o n a lm o d e so fp r i m a r yd e v i c e sa n ds e c o n d a r yd e v i c e sa n d t h u si m p r o v e st h ei n t e l l i g e n tl e v e la n dm u i n t e n a n c e - c o n v e n i e n c eg r e a t l y t h i r d l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ek n o w l e d g ea n dk n o w l e d g ee x p r e s s i o no ft h e e x p e r ts y s t e ma sw e l la st h er e l a t i o nd a t a b a s ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt o t h e i ro w n a d v a n t a g e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e l a t i o nk n o w l e d g ed a t a b l eo f e s a g s s t h ek n o w l e d g ed a t am o d e l so ft h er e l a t i o nk n o w l e d g ed a t a b a s ea r ea n a l y z e da n dt h e i i 中国电力科学研究院硕士学位论文 k n o w l e d g ee x p r e s s i o nc o n s l z u c t i o no ft h ee s a o s si sd e s i g n e da n df u l f i l l e d ，t h e e f f i c i e n c yo ft h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o ni st h e r e f o r ei m p r o v e d t h ed e v e l o p m e n to f r e l a t i o nk n o w l e d g ed a t a b a s ef o u n d st h en e t w o r kd e v e l o p m e n t so fe s a g s sf r o m s o f t w a r ec o n s t r u c t i o na s p e c t s a tl a s t , t h ee s a g s sb a s e do nm ss q ls e r v e ri sd e v e l o p e dt om e e tt h ef i e l d p r a c t i c e s s o m eu s e f u lp r o g r a m sa r ed e v e l o p e da n d ab r o w s e - t o o l ，w h i c hi su s e dt o b r o w s eg r a p h i c s0 1 1i n t e r a c t , i sd e v e l o p e db ya e t i v e xt e c h n o l o g y t h ee s a g s sd e v e l o p e di n | h i sp a p e rh a sb e e nt a k e ni n t op r a c t i c ei ne i g h to t h e r 2 2 0 k vs u b s t a t i o n si nf o s h u na r e a i tr e s o l v e dp r a c t i c a lp r o b l e m si ni n d u s t r i a lf i e l d o p e r a t i o n sa n da c h i e v e dg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：s w i t c h i n gs e q u e n c e s ，e x p e r ts y s t e m ，s u b s t a t i o n s ，a r t m c i a li n t e l l i g e n c e i i i 第一章引言 1 1 概述 第一章引言 作为能量的的一种表现形式，电力已经成为工农业生产不可或缺的动力， 广泛的应用于绝大多数生产部门和日常生活方面。电力系统本身是一个包括了发 电，输电、配电三个典型环节的动态平衡的能量系统。其中，电网中的电气、机 械设备扮演了重要的角色。它们的安全、正确的操作( 包括正常运行方式下或者 非正常运行方式下) 直接影响电力系统运行的安全性和可靠性。一旦出现了误操 作，轻则可能造成停电事故，给国民经济各部门生产和人民日常生活带来损失和 不便：重则可能会导致人身伤亡、设备损坏、产品报废、给人民生活造成混乱等 严重后果。因此，安全可靠的电网设备操作是一个需要认真研究的问题。 目前，在我国电力系统中，对现场变电站设备的操作，仍有部分变电站还 是采取先手工开写操作票，后按照票面执行的模式。即先对要进行的操作以操作 票的形式开写下来，经过各级审核和校验，最后由现场值班人员按照操作票所列 步骤进行现场设备操作。 近些年来，随着电力系统的高速发展以及电力系统自动化水平的提高；现 有的电网设各种类急剧增多；运行方式日趋复杂；并伴随着电力系统企业减员增 效、变电站向无人值守的发展；这些都对现场运行值班人员提出更高的业务素质 要求，工作强度也变的更大，因而也就无形中对安全操作造成了隐患。随之而来 的就是现场操作种类繁杂、具体，操作方式多变，但是同时还一定要保证其正确 性。因此开发出一种智能的，具有专家水平的操作票自动生成系统，这样既能辅 助现场运行人员进行专家水平的决策、减轻现场人员的工作强度，又能提供培训 功能便于提高相关人员的业务水平的要求就顺理成章提出了。同时，采用微机自 动生成操作票也从另外一个方面体现出我国电力系统自动化管理水平的提高。 另一方面，近些年来，人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 技术的 发展方兴未艾。人工智能是计算机科学的一个分支，是研究使计算机来完成能表 现出人类智能的任务的学科i j j l 2 】。从如上的定义，可以看出人工智能技术主要着 眼于使计算机来模仿人脑所从事的推理、学习等思维活动，并模仿人脑思维的结 果给出解决复杂问题的方法。人工智能领域的一个重要分支就是专家系统 第一章引言 ( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) ，所谓专家系统是一个基于知识的计算机智能程序系 统，其内储存某一领域人类专家的知识与经验，并且能够象人类专家那样运用储 存的知识和经验，对用户提出的该领域范畴内的问题，通过推理、判断，做出结 论性的解答。简言之，专家系统是一个在某特定领域内，用人类专家水平去解决 该领域中难以用精确数学模型表示的困难问题的计算机程序。专家系统突破了简 单的逻辑运算，通过知识和推理的结合，将逻辑思维和形象思维结合起来，从而 能够成功有效的运用专家知识和经验解决迄今只有专家才能解决的问题，尤其是 对于那些难于建立数学模型的学科领域，专家知识有着非常广阔的应用空间。 1 2 国际国内研究状态和进展 在电力系统中，经过多年的研究与发展，很多问题可以已经有相应的数学模 型和数值算法，比如电力系统的状态估计、潮流分布等问题；但是还有很多问题 很难建立数学模型得到解决方案，比如正常运行的设备操作指导、电力系统的调 度决策等等。目前针对这部分问题的解决，主要还是依靠电力工程师、运用调度 人员的知识和经验来完成，即所谓领域专家的知识和经验来完成。这些主要依靠 人工来完成的重要任务，不但效率低，而且还会由于具体人员的经验、水平、环 境、情绪等诸多因素导致决策、操作的失误，更有甚者，还有可能造成严重的事 故。 而专家系统可以在一定程度上解决这类难于建立数学模型的学科领域的问 题。此外，专家系统还可以对专家的专长不受时间和空闯的限制而加以保存，扩 大了专家知识和经验对所属领域的贡献；同时还可以通过专家系统，对专家的知 识和经验进行系统的组织与应用，这样也有利于领域知识的发展和完善。因此， 采用专家系统建立用于厂站设备操作的操作票生成系统，是本论文的研究重点。 综观国内外有关操作票生成系统方面的文献，其发展方向大致分为如下几种 类型： ( 1 ) 典型操作票类型： 这类操作票系统的特点是系统有一个数据库以文本文件的方式存储各类的 现场的典型操作票，同时又开发一个数据库维护接口，用以完成对操作任务的分 类存储和检索。现场操作人员可以通过指定操作任务，系统按照内部存储的操作 2 第一章引言 任务和对应的典型操作票内容进行匹配，得到操作票。这种类型的系统除了早期 一些系统1 3 】中使用外，目前一部分继续投运的电力企业m i s 系统中，该部分也 作为一个相对独立的模块存在于整体m i s 系统中。这个阶段的系统的特点是： a ) 新操作任务的创建可以直接以数据库内容添加； b ) 文本方式存储的典型操作票内容可以灵活修改，但是同时也存在随意修 改的可能性； c ) 因为系统只存储文本方式的典型操作票，不存在推理的过程，所以无法 校核典型操作票内容的正确与否 这类系统能够满足现场最基本的要求，但是因为没有推理过程，所以无法识 别系统内存储的典型操作票是否正确。从严格意义上看，这类系统应该不属于专 家系统的范畴，因为其并不具备专家系统应有的典型功能模块，也没有基本的领 域专家知识表示和知识推理过程，而更属于典型操作票微机管理系统。 ( 2 ) 一般拓扑推理类型： 这类系统中引入了对电网的拓扑描述，同时真正利用专家系统的思想来建立 操作票生成系统。系统之间的差别主要在于系统描述不同、推理机对知识库的利 用程度不同和知识表现不同等一些方面 4 5 1 1 6 。对于电网拓扑的描述，文献 7 】 中应用了临接表的描述，比较好的既描述了电网拓扑结构，又减少了存储空间。 此外，z z z h a n g 等提出了一种面向变电站网络的三层体系结构【8 】将变电站的 一次设备根据属性的不同分为元件层( c o m p o n e n tl e v e l ) 、支路层( b r a n c hl e v e l ) 和网络层( n e t w o r kl e v e l ) 。其中每个具体一次设备都被描述成元件层中的元素； 支路和其两端的节点从属于支路层；而网络层则具体描述了现场设备的物理联结 关系和联结状态。这是对现场网络以及设备认知的一次有益尝试。但是规则库没 有完全独立，而且也没有涉及到二次设备的操作。 ( 3 ) 图形驱动类型： 该类型的系统【9 1 0 】采用图形驱动生成操作票，同时能够利用设备逻辑关系 的设置、图元状态检测和可视化改变，实现操作规则约束和模拟仿真。这类系统 的优点是直观准确，用户完全可以按照实际需要进行图形操作。不足之处在于图 形和数据库间没有完全剥离【1 l 】，建立的数据库与图形系统彼此不独立，有时候 可能会局部修改程序，这一点对用户而言不便于使用和维护。 另外，还有一些国内外的学者也都开发了不同类型的操作票专家系统，但是 因为形式千差万别，很难将他们划为某一个类型，但是有不少系统中都有值得借 3 第一章引言 鉴的地方。比如文献【1 2 】中就提出了建立通用的操作规则体系和规则库的概念， 文献 1 3 j 中提出了面向对象的系统设计思想，这些对提高系统整体可维护性和智 能性都有很重要的意义，是在研究系统新的发展方向时应该注意的地方。 可以看出，对操作票生成系统，尤其是变电站生成系统的研究是比较活跃 的。通过对相关文献的调研，结合目前用户日益增多要求和结合网络化、智能化 的总体发展方向，可以考虑从如下几个方面展开本文的工作： ( 1 ) 针对电网设备的认识还局限于具体设备，没有注意到设备阃的内在关 系和属性，考虑建立一种能够通用的电网设备认知模型，为系统整体智能水平的 提高奠定基础。 ( 2 ) 建立统一的专家知识规则表现形式和规则库。提高系统的开放性、可 扩展性。 ( 3 ) 随着这个电力系统内各种管理应用系统网络化发展的大方向，原有的 访问数据文件的单机工作模式已经不能满足需求，结合知识表示，引入关系型数 据库的知识，建立起一个基本具备网络化发展方向的系统体系，同时完成专家知 识的关系型数据库内表示的研究和实现。这样既提高了系统的智能性水平，同时 也为系统的下一步发展奠定了基础。 1 3 本文主要工作 本文主要从面向变电站的操作票专家系统的现状、存在的问题和发展方向着 手，进行了如下的具体工作： ( 1 ) 深入研究了电网操作对象的属性和特征，提出操作类的概念，并在此 基础上建立了统一的厂站对象的认知模型，有效的提高了操作票专家系统的智能 水平； ( 2 ) 结合统一认知模型和系统网络化的发展方向，利用商用关系型数据库 系统，确定了操作票专家系统关系型数据库的设计思想，设计了专家知识在关系 型数据库中的储存、管理和访问方式并基本实现了该关系型数据库的体系结构， 为系统向网络化发展奠定了系统底层的基础； ( 3 ) 进一步探讨了操作类认知模型和知识表达的若干问题，并提出了在操 作类认知基础之上的知识表达的方案。 ( 4 ) 将开发的操作票智能生成专家系统应用于抚顺地区8 座2 2 0 k v 变电站 和3 5 座6 6 k v 变电站，完成了抚顺地区变电站变电运行管理系统的开发和应用。 4 第一章引言 以上项目均通过现场验收。 5 第二章操作票智能生成专家系统 第二章操作票智能生成专家系统 2 1 专家系统基本概念 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能中的重要分支之一。所谓专家系统， 是一个基于知识的计算机智能程序系统。其内部含有大量的某个领域专家水平的 知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题 1 4 1 1 嘲。解决问题的方法一般是通过推理、判断，然后做出结论性的解答。 专家系统突破了简单的逻辑运算，把知识与推理结合起来，将逻辑思维和形 象思维结合起来，应用人工智能技术和计算机技术，根据某个领域一个或者多个 专家提供的知识和经验，进行模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类 专家处理的复杂问题。 2 1 1 专家系统的结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。一个完整 的专家系统通常由知识库、数据库、推理机、解释部分、人机接口等5 个部分组 成。如图2 一l 所示； 其中知识库和推理机是核心部分。 知识库是用来存储领域专家知识和经验的地方。专家的知识只有用适当的数 值、符号通过一定的知识表达式和结构形式表示之后才能被计算机所接受。可见， 建立知识库的关键是如何准确、简明、有效的表示专家的知识。 推理机实际上是组计算机智能程序，用来控制、协调整个专家系统的工作。 从知识库中选择有关知识，运用给定的推理方法和控制策略做出相应的解答。 专家系统的其他组成部分都是完成相应的功能，从而构成一个有机的整体， 组成一个完整的专家系统。 一6 一 第二章操作票智能生成专家系统 i 系统维护常规应用 图2 1 专家系统结构示意图 2 1 2 专家系统的特点 专家系统具有如下所列的三个特点： ( 1 ) 透明性。专家系统能根据用户的要求，对自身的推理过程及其产生的结论做 出相应的解释，以便使用户理解推理过程，接受推理结果，提高对专家系统 的信赖感。 ( 2 ) 启发性。由于经验性知识通常没有严谨的理论依据，很难保证在各种情况下 是普遍正确的，但在一定条件下用来解决问题往往能够有效简化问题或快速 得到解决。同常规的数据处理过程相比，它并不遵循某一个固定的程序求解， 而是从一个或者几个已知的事实出发，有选择性地运用知识库中的知识，逻 辑地推导出一个合理的结论。这一过程充分体现了类似人类的思维过程和能 力，所以说专家系统具有鲜明的启发性。 ( 3 ) 灵活性。专家系统内的知识库是领域专家的知识和经验，随着积累的增多， 知识和经验都需要进行相应的增加、修改和删除等维护。 第二章操作票智能生成专家系统 2 2 系统硬件结构 操作票专家系统的硬件结构由实时监控系统、信息传输通道和主机计算机 系统组成，具体组成可以根据现场实际情况的不同进行不同的配置： ( 1 ) 对于5 5 0 k v 等高电压等级的大型变电站，可选配图示的典型配置方案， 此时智能操作票系统作为其中的一个工作站节点； ( 2 ) 对于2 2 0 k v 等中型变电站，可以采取单机通过光纤网与局本部m i s 系 统相连的方案，亦可单机独立运行； ( 3 ) 对于6 6 k v 及以下变电站，可以单机运行或通过“笔记本电脑+ m o d e m ” 的方案，如果条件许可，亦可参照方案2 。 智能操作票自动生成专家系统的典型运行配置结构如下图所示； 操作票 基 运行工作管理 同桥 堡 图2 - 2 智能操作票自动生成专家系统典型 运行配置结构图 实时监控系统( 通常是r t u ) 是安装在各个变电所和发电厂的数据采集装置， 通过数据采集装置，如a d 转换板，采集遥测、遥信、电度、保护等信息，并 将采集的数据按照标准的规约形成通信报文，发送到通信设备中。在本系统中， 数据采集系统是操作票专家系统运行的基础，只有在变电所和发电厂安装了数据 采集装置，并且数据采集装置正常工作的前提下，电网设备运行的数据才能收集 上来，操作票专家系统才能准确的根据采集量来生成正确的操作票。本系统中， 主要是通过r t u 提取现场设备的开关状态量来满足需要。 信息传输通道将实时监控系统( r t u ) 采集的信息及时、准确的送给主机计 一8 一 第二章操作票智能生成专家系统 算机系统。随着计算机网络技术的发展，还出现了利用光纡实现的高速通信方式， 光纤将r t u 直接连接到主站系统的局域网中，r t u 相当于网络上的一台计算机， 主站和r t u 通过t c p i p 协议进行通信，可以达到非常高的通信速度。 圭机计算机系统是操作票专家系统的核心，主要由计算机系统和运行其上 的操作系统和各类应用软件组成。r t u 送来的实时数据，按照一定的约定格式， 经由光纤网，通过t c p i p 协议，被主机计算机系统读取。主机计算机系统上的 软件完成数据处理、操作票生成与存储、专家知识库维护更新和电网实时状态显 示等重要任务。 2 3 系统软件结构 本文中面向变电站的操作票自动生成专家系统的软件结构如图2 3 所示，分 为系统软件、支撑软件和应用软件三个层次 操作票应用软件 图形系统商用数据库 l _ 1 n 8 a - s2 0 0 0 t c p i p 2 3 1 系统软件 图2 - 3 操作票专家系统软件层次结构图 系统软件是这个操作票专家系统运行的重要组成。 由于操作票专家系统是一个实时、在线运行的系统，在功能上要求有良好的 人机交互界面、丰富的软硬件资源、完善的网络管理、高性能的数据库支持、丰 富的功能要求和良好的实时性，所以操作系统和商业数据库系统均采用微软 ( a i c r o s o f t ) 公司的w i n d o w s2 0 0 0 和m ss q ls e r v e r 1 6 1 1 。 一9 一 第二章操作票智能生成专家系统 2 3 2 支撑软件 支撑软件是操作票专家系统的各种应用的支持平台，包括数据库管理系统、 网络通讯、图形支持系统等。 2 ，3 ，2 1 数据库管理 操作票专家系统中存在大量电力系统相关数据。数据库技术将系统中大量 的数据按一定的模型组织起来，提供存储、维护、检索和查询数据的功能，使应 用系统可以方便、及时、可靠地从数据库获得所需的信息。一个好的开放分布式 信息系统的各个部分能否紧密地结合在一起以及如何结合，关键在于数据库。耳 前，采用商用关系型数据库已成为主流。本系统中的数据库主要电力系统认知模 型、专家知识库和历史数据存储与恢复，并提供其他系统与本系统的数据接口， 以及支持外部系统的标准s q l 访问。 2 3 2 2 面向对象的图形系统 面向对象的图形系统用户提供了统一感观的方便灵活直观的监视、分析和 控制手段。 该图形系统是一个功能强大的全图形画面编辑器，吸收了诸如艄。m ， a u t o c a d 等常见绘图软件的优点。图形编辑器尽量使用自然、方便的操作方式， 交互方式以当今流行的鼠标操作为主。图形系统还提供了撤消恢复操作、用户 自定义线型等功能。这些功能大大提高了绘图操作的方便性和效率。此外，图形 系统引入了动态图元的概念。动态图元属性包括线型、线宽，线条颜色、动态填 充颜色、显示与否、旋转角等。 2 3 2 3 网络通讯 网络通讯系统是分布式支撑环境的重要组成部分，用来满足网络上各节点 上的各个应用之间实时传输数据的需求，并保持全网实时数据的一致性。网络通 讯实质上是不同计算机上的不同进程间的相互通信。我们的系统采用了t c p i p 网络协议。t c p i p 协议已经成为事实上的工业标准，无论企业之外的i n t e r n e t 或者企业内部的i n t r a n e t ，都广泛采用t c p i p 协议。 一l o 第二章操作票智能生成专家系统 2 3 3 应用软件 系统的软件开发选用的是微软公司的v i s u a lb a s i c 6 0 。整套软件的系统结 构图可以参见如图2 - 4 所示。 $ c a d a 系统 j 一次设备库 二次设备库 粟面语言库 i l撮作票输出打印，保存 l ； 专家知识库 ； ：i 臣圈； 圈2 - 4 操作票智能生成专家系统结构示意图 各主要模块功能介绍如下： 2 3 3 1 设备语言库 设备库中包括一次设备库、二次设备库和票面语言库。一次设备库中包括有 现场可能被操作到的所有一次设备，具体包括设备现场调度名称、设备内部标识 名、设备所属电压等级、设备所属拓扑支路名称、设备防误操作规则、设备初始 状态值等内容。二次设备库中包含有现场可能被操作的除了一次设备外的所有其 他设备，例如现场二次保护装置的压板、开关控制熔丝、开关信号电源闸刀等； 此外，在操作票面中涉及的有关检查项、描述项和验电等内容在本系统中也认为 属于二次设备库，一并在二次设备库中统一加以维护管理；二次设备库中还包括 圣 第二章操作票智能生成专家系统 二次设备的初始状态和与相关次设备的所属关系描述。票面语言库中含有上述 的一次、二次设备以及检查项中设备状态对应的操作票面上的规范化语言描述。 2 3 3 2 图形拓扑连接库 图形拓扑连接库中主要描述设备的物理连接关系和相关信息。能否正确地描 述设备的物理连接关系是操作票自动生成专家系统能够自动推理成功的基础，因 为系统只有通过拓扑连接关系了解当前电网的运行状态，并根据用户制定的操作 任务来搜索路径自动生成操作序列。拓扑连接的关键在于简明、精确的描述电网 设备的电气连接关系和物理上的相互位置，本系统中采取的是临接表【6 l 来进行描 述。通过拓扑临接表可以很容易的知道各个设备的连接情况，搜索路径时采用有 序检索，大大提高了查询速度。 需要指出的是通常意义的一次设备的拓扑连接比较直观并且易于进行拓扑 实现，但是因为牵扯到变电站现场实际设备的操作，就必然会涉及二次设备操作 序列的生成问题。所以解决这个问题的关键之处就在于要通过某种合理的方式将 二次设备引入系统的拓扑结构中，使得进行推理时推理机能够在拓扑连接中检索 到二次设备从而生成正确的操作序列。因为在现场实际应用中，二次设各是服务 子一次设备，绝大多数二次设备是依附于一次设备的，基于这样的一个现场实际， 本文在具体实现中假想有一种“虚拓扑”的关系，即认为在操作功能上与某个一 次设备有关的所有二次设备属于该一次设备的拓扑连接的一个扩展。经过这样的 假想后，一个变电站内所有操作涉及到的设备都通过拓扑连接和拓扑扩展连接组 成一个有序的整体。经过实际应用，证明这样的一种假想是完全能够满足现场实 际的需求的。 2 3 3 3 专家知识库 专家知识库由一次设备专家知识库、二次设备专家知识库和控制规则专家知 识库组成。他们用来描述设备操作专门知识的规则，知识的表达既要能方便、全 面的表达现场领域的专门知识，又要能方便的为推理机所用，进行推理。在本文 中，操作票自动生长专家系统采取的是多重产生式的知识表达方式，其核心思想 是确定一个设备能否被操作，由它当前的运行方式和相关的操作任务决定。 基于产生式系统的知识表达因为能够清楚的反映在某个特定领域内( 在此处 一1 2 第二章操作票智能生成专家系统 就是变电站设备安全操作的领域) 关于“做什么”的思维过程，其简洁的格式易 于表达、理解、检索和推理，但是对于规则之间的联系有时候不能明确表达，同 时因为单一知识都有其相应的适用范围，或者某条经验都有其起作用的特定环 境，所以它难以全面的表达某一事物，这样的情况下，控制规则专家知识库就起 作用了。所谓控制规则就是负责选择规则的决策系统，它对应着控制性知识并对 领域知识起到约束、补充、选择和控制的作用。从这个层次讲，它属于更高层次 的知识系统。 2 3 3 4 推理机 一般专家系统的推理机根据数据库中的信息，利用知识库中的知识( 规则) ， 按照一定的推理策略解决所研究的问题。在本系统中，推理机主要是通过结合电 网拓扑连接和当前设备运行状态，对专家知识库中的知识进行搜索、匹配，对多 个规则同时成立时进行裁决选择并最终触发选择的规则。 具体实现某一推理过程的步骤然如下： ( 1 ) 利用在线拓扑分析算法生成操作路径； ( 2 ) 利用一次设备专家知识，进行一次设备的推理并进行排序； ( 3 ) 利用二次设备专家知识，确定要被操作的二次设备以及相应产生的检查 项，并根据二次设备专家知识中的位置参数，将对应步骤插入上面生成 的一次设备操作序列； ( 4 ) 由操作设备的状态对应操作票语言库，生成操作票语言 2 ，3 ，3 ，5 解释机 能够通过简单的手工操作，就可以由计算机自动开写出操作票，显然是方便 了用户。但是从另外一个角度，用户也希望知道操作票是如何由推理机推理生成 的，以及在推理的过程中哪些规则被利用等情况。同时，解释机的辅助功能也有 利于新手向专家系统学习，并且也能为系统维护人员进行维护和管理提供方便。 2 3 3 6 其他功能模块 其他功能模块还包括实时数据接口、w e b 浏览模块和旧票管理模块。 实时接口是系统与现场实时监控系统之间的“通道”，负责将实时的现场设 一1 3 第二章操作票智能生成专家系统 备开关状态量引入系统； w e b 浏览模块是利用a c t i v e x 技术开发的。它是由w e b 服务器和客户端软件 两部分组成。在服务端，系统驻留了w e b 服务软件，程序启动后，它根据客户端 的命令请求，获取实时系统中相应的设备，图形数据，并将它们打成包发送给客 户端的a c t i v ex 控件，客户端仅需下载一个控件即可远程通过浏览器直接浏览 电网运行情况。 旧票管理模块主要完成对系统已开出的操作票进行常规维护功能。包括已开 出的旧操作票的预览、打印；按照开票时间、操作任务、开票人等进行查询；操 作票编号维护等。 2 4 小结 本章首先对专家系统的结构和特点进行了说明，以便于对本文工作更好的了 解。随后就操作票自动生成专家系统的硬件结构做了说明，然后介绍了系统软件 的基本概括，包括操作系统和商用数据库选取、系统的支撑软件和应用软件，并 对应用软件部分的主要功能模块进行了说明。 一1 4 第三章电网设备认知模型的研究与实现 第三章电网设备认知模型的研究和实现 操作票专家系统的研究的对象是现场电力系统设备的操作序列，显而易见， 其关注的重点是要操作的电网设备及其操作规则。关于操作规则，是属于领域知 识的范畴，将在下一章里详细说明。本章着重研究的是电网设备的认知模型及其 实现。电网设备在专家系统怎么表达，采用某种方式表达后对专家系统的整体特 性有何好处，对系统的通用性和智能性有何提高等都会在本章进行论述和说明。 需要指出的是本章里讨论的设备模型并非以往习惯理解的传统程序中的数学模 型，而是设备认知模型。 3 1 认知科学及其对专家系统的指导 认知科学是研究智能系统的工作原理的一门交叉学科。它是在比对人类智能 和人工智能的研究过程中发展起来的，并与上世纪七十年代末期正式浮出水面宣 告诞生。因为它出发点是一门研究智能系统的学科，因此它的理论就可以指导智 能系统的建立与完善。 3 1 1 基本概念 ( i ) 概念 按照通常的理解，掌握某事物的本质其实质就是抓住了该事物的概念。认知 事物的过程是一个从表象发展到概念的过程。表象是与知觉紧密相关的，是事物 外在属性的反映；而概念体现的是事物本质的内容，它代表着对某一类认知对象 共同的本质属性的描述。从而，形成概念的能力是智能中的基本要索，它是表达 知识和推理的基础，是智能活动的基础内容。无论是精确的科学概念还是生活中 形成的日常概念，他们的形成过程中都隐含着认知过程，概念就是通过对研究对 象的本质属性充分抽象和概括而建立的。 ( 2 ) 分层结构 分层的思想广泛的应用在很多的科学领域之内。根据认知心理学的研究，人 第三章电同设备认知模型的研究与实现 类的思维过程有对外界信息加工处理时间上的变化过程，大体可分为三个层次： 神经元层、认知层和理智层。同样的，不仅仅在思维过程中有层次性，在认知的 过程中也存在着层次性。层次性是人类智能活动的一个重要特征，联想到作为对 人类智能再现的智能系统，引入分层的观点对我们研究、开发智能系统显而易见 是有很大的启发的。 ( 3 ) 个体与整体 认知事物是一个从个别到一般、个体到整体的过程。只有到达一般和整体， 才会对事物有比较全面的认识和了解，否则就会带些片面性，不能反映出事物的 全貌。结合操作票专家系统，面对的是具体的一个个电网设备，包括各种开关、 刀闸、压板、电源等等，如果能从这些具体的个体中抓到事物的实质，那么一套 成功的设备认知模型就建立起来了 3 i 2 操作对象与操作类 在文章第二章对专家系统进行介绍的时候，强调了专家系统的优势在于擅长 解决那些难以建立精确数学模型的问题，这里容易让人误解的是专家系统中不需 要建立模型。此处明确的提出，在专家系统中同样存在建立模型的问题，但是不 是设备的数学等效模型，而是设备的认知模型。 操作对象具体到变电所中，就是操作票中描述到的要进行操作的相关设备。 内容包括一次设备与二次设备。本质上看，现场运行操作人员应该进行独立考虑 和相关处理的对象都属于操作对象。 在目前已有的一些变电站操作票专家系统中，相当一部分是从典型间隔等入 手，着眼于间隔内的各种设备，而忽视了同一类型的设备在不同间隔中具有类似 属性的本质，因此很难做到对现场设备的通用性进行描述和认识，从而限制了系 统向通用化发展。 针对上述的问题，本文从现场设备的功能本质入手，引入操作类的概念，建 立起对操作对象的认知模型。所谓操作类，是指在操作过程中涉及到的一类具有 相似属性的实际操作对象。确定操作类，主要考虑如下两个方面的因素： ( 1 ) 设备功能类似性 功能类似性，是指设备在电网中有相同或相似的功能。 一1 6 第三章电同设备认知模型的研究与实现 ( 2 ) 设备操作类似性 操作类似性，是指设备在进行相关操作时，在目标状态量、操作方式等方 面具有相同或相似的性质。 3 1 3 操作类的特性 通过借鉴v i s u a lc h 语言中关于类的定义，引入操作类的概念，可以将功能 类似、操作方式类似的设备进行抽象，进而以类型化区分它们，跳出了从操作间 隔处入手分析设备的局限。对于功能和操作类似的设备，定义一个操作类对其描 述，从而在相应的知识表达和推理过程中，以设备类的形式来分析。这有利于优 化知识表达、提高推理速度以及方便系统维护。同时，进行有关类的抽象时，可 在系统设计的源程序中对同一类设备进行相应的封装，便于推理机的应用和用户 的维护。 从图3 - 1 可以看出，各个类之间是有层次的，这种层次来自子对电网结构的 一种认识，反映了系统内所有厂站、线路以及具体到相应的每个设备。厂站内 所包含的线路间隔以及对应的一次、二次设备，它们也就是变电站操作票中要面 对的对象。 图3 - 1 操作类问的层次性示例 操作类之间的关系体现出不同层次问电网操作的对象，比如对于面向电网调 度的操作票生成系统，其主要侧重于对厂站类、线路类的研究和操作；而对于面 向变电站倒闸操作的操作票票生成系统，主要侧重对设备类的研究和操作，包括 一次设备和二次设备。 进一步细化设备类、一次设备类和二次设备类，可以发现同一类中的某些类 一1 7 一 第三章电罔设备认知模型的研究与实现 似的设备在操作中，一方面存在着共性，但是同时也存在特性差别，体现出定义 操作类之间存在的继承性关系。比如，在一次设备中有开关、闸刀、地线等等设 备，以闸刀为例，还可细分为线路闸刀、母线闸刀、接地闸刀，具体接地闸刀， 还可细分为开关母线侧接地闸刀、开关线路侧接地闸刀和线路接地闸刀。即每一 种子操作类都可以找到其对应的上一级操作类，即父类。图3 - 2 给出了操作类间 继承性的一个示例。 图3 - 2 操作类间继承性示例 经过对设备的认知过程的分析，可以保留不同子类之间的差异，同时又尽可 能多的对具有类似属性的内容在父类中加以保留。这样，在专家系统的知识表达 和推理利用中，归属于父类的知识可以直接应用于子类，而对子类而言，其相应 的知识表示和推理利用仅仅需要表述清楚有别于父类的属性即可。 3 2 电网设备认知模型的表现 根据3 1 2 节介绍的关于操作类必需的两个特性：设备功能类似性和设备操 作类似性，可以对电网设备进行如下满足需要的的操作类分配，在面向变电站一 级的操作票专家系统中，对电网一次设备的认知模型，一般采取如下的分类方式： ( 1 ) 开关类：针对具有切断电流能力的开关设备 一1 8 第三章电网设备认知模型的研究与实现 ( 2 ) 闸刀类：起空间隔离作用的隔离刀闸设备 ( 3 ) 接地闸刀类：用来通过对地短接接起安全保障作用的接地设备( 包括 临时接地线) ( 4 ) 设备类：完成一定功能，并被现场安全防误规则约束的设备。因为现 场名称比较繁杂，难以统一命名，可以根据现场实际情况由用户自主命名。 通过这样的设备认知模型，有如下的优点： ( 1 ) 抽象化的提取现场设备的共性，使得很多功能相似的设备，比如同一 间隔或者类似间隔的同一设备可以用一个操作类来取代，从一定程度简化了认知 工作量，提高了设备认知的效率。 图3 - 3 某系统2 2 0 k v 主接线( 节选) 示意 如上图3 3 所示，四个1 1 观| v 出线间隔，共有一次设备1 2 个，如果用操作 类来描述，总共就三个；开关、母线闸刀和线路闸刀。而且，很明显的是类似间 隔越多，系统规模越大，这样的设备认知模型的优势就体现的越明显。 ( 2 ) 以实际设备为对象，引入操作类的概念，设备中的分层分类很自然的 引发知识表示的分层分类，如此将极大的减少知识库中的冗余知识，也提高了知 识表示的表示效率。 一1 9 一 第三章电同设备认知模型的研究与实现 如果不引入操作类的概念，相应的知识表示也针对具体的现场设备，那么知 识的表示效率就会大打折扣，同时也体现不出知识规则之间的相互联系。举例说 明如下： 针对线路开关检修的规则，如果不引入操作类概念，可以表示为： 规则3 - 1 i f ( 线路，电医= 2 2 0 料开关检修) 硼e n ( 李毛1 6 4 l 开关= o 李毛1 8 4 1 线路阐刀= o 李毛1 6 4 1 母线阐乃= o 。 李毛1 6 4 1 开关母线铡接迪阐乃- - - - 1 李毛1 6 4 l 开关线路侧按地阐刀= l 中暖1 6 4 0 f f 关= o , 中陵l 烈。线路阐乃= o 。孛凌1 6 4 0 母线觏乃= o 中陵l a 4 0 y v ：y 5 母线德接地阐乃= 1 中陵1 6 4 0 牙关线路傀接趣闻刀- - - - 1 托李1 6 5 9 j 。f 4 譬- = o , j e 李1 6 5 9 线路1 辆7 7 j = 0 , 托李1 6 5 9 母线闸乃= o j e 李i 6 5 9 开关母线魂接迪丽乃= 1 就李1 6 5 9 开关线路德接缝搦乃- - - - 1 ) 可见这条规则的表示是相当繁琐的，而且其中有很多雷同的地方，但是现场 确实存在很多类型的间隔，当引入操作类之后，新的知识规则表示就非常简单了。 新规则可以表示为： 规则3 2 】