（电力系统及其自动化专业论文）基于面向对象的变电站操作票专家系统的研究.pdf

董主里皇翌兰塑筌塞塑堡堡薹耋重量丝墼塑彗 a b s t r a c t s w i t c h i n gs e q u e n c es y s t e mi s a ni m p o r t a n tm e a s u r eb yw h i c ht h em a n a g e m e n t d e p a r t m e n to fp o w e rs y s t e mm a i n t a i n s t h ee c o n o m i c a la n ds a f ew o r ko fp o w e r s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n dt h ec o m p l e x i t yo f t h ee l e c t r i c a l n e t w o r k ，t h ew o r kf o re d i t i n gs w i t c h i n gs e q u e n c er a p i d l ya n dr i g h t l yi sf a c e dw i t h t h et r e m e n d o u s c h a l l e n g e o b v i o u s l y ，t r a d i t i o n a l m e a n sf o r e d i t i n gs w i t c h i n g s e q u e n c ec a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fp o w e rs y s t e mi nt h en e ws i t u a t i o n i nt h e c a s e ，an e wi n t e l l i g e n ts w i t c h i n gs e q u e n c ee x p e r ts y s t e mw i l lr e p l a c ei ta n db e c o m e a ni m p o r t a n ta u x i l i a r yt o o lf o rt h ed i s p a t c ho f p o w e rs y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t e ds w i t c h i n gs e q u e n c ee x p e r ts y s t e m ，an e w s w i t c h i n gs e q u e n c ee x p e r ts y s t e mi sd e v e l o p e db y t h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g a n dt h et h e o r yo ft h ee x p e r ts y s t e m i nt h es y s t e m ，r e l a t i o nd a t a b a s em o d e li s a d o p t e dt om e m o r y t h ep a r a m e t e ri n f o r m a t i o no ft h ed e v i c e ，a n dt h ea d j a c e n tm a t r i x i su s e dt om e m o r yt h en e t w o r kt o p o l o g yo f p o w e rs y s t e m d a t a b a s ec a nr e c e i v et h e r e a l - t i m ed a t af r o ms c a d a s y s t e m ，t h e ns e n di t t ot h em a i nc o n n e c t i o nd r a w i n g b a s e do nt h e o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，d i f f e r e n t d e v i c e sa r e c a t e g o r i z e d t o d i f f e r e n td e v i c ec l a s s e si nw h i c h p r o p e r t i e sa n dm e m b e r f u n c t i o n sa r ee n c a p s u l a t e d d e v i c ec l a s si sd e r i v e df r o me l e m e n tc l a s sa n dd e v i c es u b c l a s si sd e r i v e df r o m d e v i c ec l a s s b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ed e v i c ec l a s sm o d e l ，m a i nc o n n e c t i o n d r a w i n g o fs u b s t a t i o na n dt h ei n f e r e n c e e n g i n e o ft h e s w i t c h i n gs e q u e n c e a r c r e a l i z e d b y v c + + 6 0d e v e l o p m e n tt 0 0 1 m a i nc o n n e c t i o n d r a w i n g i sc a b l eo f c o m m u n i c a t i n gw i t ht h ed r a w i n gd a t a b a s ee a c ho t h e r ak i n dm e a n so fk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nc o m b i n i n gt h ep r o d u c es t y l er e p r e s e n t a t i o na n dt h eo b j e c t o r i e n t e d r e p r e s e n t a t i o ni sp r o p o s e di nt h ep a p e r ，w h i c hp r o m o t e s t h ee f f i c i e n c yo fr u l es e a r c h a n dr e d u c et h ew o r k l o a do ft h em a i n t e n a n c e i nt h er e a l i z a t i o no ft h ei n f e r e n c e e n g i n e ，t h ef o r w a r di n f e r e n c ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ed e e p p r i o rs e a r c hs t r a t e g ya r e p r e f e r r e d t h r e e k i n do fm e a n sf o rm a k i n gs w i t c h i n gs e q u e n c ec a nb es e l e c t e d ， w h i c ha r eg r a p h i c m a k e ，r e p r e s e n t a t i v em a k e ，i n t e l l i g e n tm a k e s o m e o t h e ra u x i l i a r y f u n c t i o n sa r ep r o v i d e di nt h es y s t e m ，s u c ha st h em a i n t e n a n c eo ft h ed a t a b a s ea n d k n o w l e d g e b a s e k e yw o r d s ：s w i t c h i n gs e q u e n c e ；e x p e r ts y s t e m ；d a t a b a s e ；o b j e c t o r i e n t e d ；n e t w o r k t o p o l o g y i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：别及辛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、，”) e t 期：沙坼年 日期：二，稗 彩月2 0 日 华月2 0 日 幸彳 纵l 别翻 名名签签者师作导 硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第1 章绪论 专家系统是目前人工智能中最活跃、最有成效的一个研究领域【lj 它是一种 基于知识的系统，它从人类专家那里获取知识，并用来解决只有专家才能解决的 困难问题。自费根鲍姆等研制出第一个专家系统d e n d r l 以来，它已获得了迅速 发展，广泛地应用医疗诊断、地质勘探、智能决策、实时监控、教学、军事等多 种领域中，产生了巨大的经济效益和社会效益，同时也促进了人工智能基本理论 和基本技术的研究和发展。2 0 世纪7 0 年代的中期，先后出现了一批卓有成效的 专家系统，其中较具有代表性的有m y c i n ，p r o s p e c t o r ，c a s n e t 等。其中m y c i n 是一个针对细菌感染性疾病进行诊断和治疗的专家系统，它第一次运用了知识库 的概念，并对不确定性的表示和处理提出了可信度方法。2 0 世纪8 0 年代以来， 专家系统的研制日趋商品化，直接服务于生产企业，产生了明显的经济效益。d e c 公司与卡内基一梅隆大学合作开发的专家系统x c o n ( r 1 ) ，用于为v a x 计算机系统 制定硬件配置方案，节省资金近l 亿美元；著名的a m e r i c a ne x p r e s s 信用卡通 过使用信用卡认可专家系统，避免损失达2 7 0 0 万美元。从电力系统整个行业的 来看，专家系统在电力系统中的应用也在不断的发展，如电力系统故障恢复专家 系统【2 1 、电力系统继电保护运行和管理专家系统f 孙、电力系统故障诊断专家系统 4 1 、电力系统报警处理专家系统f 5 l 等等。这些专家系统的应用为电力系统运行管 理人员提供了必要的辅助手段，协助运行人员维持电力系统安全、稳定、经济的 运行。 操作票自动生成专家系统就是通过获取电力系统专家丰富的运行经验和知 识来模拟电力系统专家智能开票的系统。操作票制度是保证电力系统安全运行的 一套行之有效的制度。它要求电力系统运行人员具有扎实的电力系统专业知识和 丰富的现场运行经验，运行人员必须根据系统的运行方式和设备状态来编写操作 票。而且，操作票的书写要求特别严格，不仅要求有固定的书写格式而且字迹必 须清楚且语句无歧义。书写操作票过程中的一个微小的错误将可能导致大面积的 停电事故和系统瘫痪，直接危及人民生命财产安全。 传统的人工开票方式烦琐费时，且易受运行人员生理和心理因素的影响；而 目前已研制出来的带有人工智能功能的操作票自动生成专家系统还不太成熟，在 某些方面还存在不小的弊病，系统的通用性、可扩展性以及可维护性都不高，这 些直接影响了该系统的推广和应用。本文在综合分析现有国内外操作票专家系统 成果的基础上，提出了利用面向对象编程技术结合专家系统理论开发一套基于面 向对象的变电站操作票自动生成专家系统的设计思想，力求解决系统通用性差、 系统维护和扩展困难等问题。 由于操作票的生成过程是对领域内大量知识和经验推理应用的过程很难建 立准确的数学模型，所以传统的数值分析方法显然不能适用于该系统；而专家系 统是一种弱求解方法，适用于解决那些经验性、逻辑性强的问题。因此，本系统 采用专家系统的结构框架，包括操作票自动生成推理机、面向对象知识表示和产 生式知识表示相结合的规则库。面向对象技术具有封装性、继承性、多态性三大 特点，因此，利用面向对象技术编程可以使系统具有代码短，可重用性好，便于 维护和扩充等优点。由于电力系统中各变电站的拓扑结构不同，采用面向对象技 术设计变电站操作票自动生成专家系统有利于提高系统的通用性。即无须修改程 序或仅需小小的修改便可将系统移植到别的变电站使用。 本文着重分析研究了一次接线图的绘制和操作票专家系统推理机制的生成， 提出了对变电站设备进行设备类封装的面向对象思想和产生式与面向对象相结 合的知识表示形式。在绘制一次接线图时，调用设备类中的绘图函数实现设备的 绘制，然后将各设备整合起来成为一幅完整的一次接线图：在进行知识推理时， 只需调用相关设备类的知识和推理函数，从而极大的提高了推理效率。该系统采 用v c + 十6 0 中的m f c 编程，具有友好的人机交互界面，操作简单、直观且具有 报警提示等功能，最大限度的降低由于人为因素所带来的灾难性后果。该系统的 整体功能是建立在一次接线图图形界面的基础上的，操作员可以在生成的一次接 线图中直接操作进行图形开票，也可以通过选择操作设备和操作任务进行智能开 票，同时系统还保留了典型开票功能和手工开票功能，用户只需调出所需的典型 票并作相应的修改或手动开具操作票。多种开票方式的选择增强了系统的灵活性 和实用性，适用于不同开票方式的变电站。该系统的推广应用将有效的减轻运行 人员的工作强度，提高开票正确率，加快开票速度。 1 2 操作票自动生成系统的研究现状 国外关于电气操作票管理系统的研究较少1 6 - ，从已报道的研究成果来看， 他们所考虑的问题比较简单，操作种类少，操作过程只考虑一次设备的顺序，不 涉及保护压板与自动装置的投切与调整，实现起来比较容易。较早的操作票专家 系统如日本t a k a s h i a b e 等人开发的v i r g o 专家系统，它采用知识描述语言k d l 实现，操作任务仅限于四种：停电、送电操作、并列和单独运行；涉及的电气设 备类型限于三种：母线、线路、变压器，且形成的操作票不涉及保护压板的投停 及安全自动装置的运行管理。 碗士学位论文 与国外相比，国内的电力系统建设起步比较晚，电力系统的运行管理都还不 太成熟，且系统操作运行人员的水平参差不齐，所以很有必要研究套包括一次、 二次设备操作在内的操作票自动生成系统。自8 0 年代后期以来，一些高校及科 研机构都先后开展了这方面的工作，并开发了针对某一具体变电站的微机生成操 作票系统l l “1 3 j 。这些系统有些已经投入到实际的电力生产管理中，并取得了一定 的效果和运行人员的认可。国内最早的操作票生成系统可以追溯1 9 8 6 年，东北 网调就尝试用计算机编写操作票【l4 1 ，但由于各种条件的限制，其智能程度较低， 开起票来也较费时；后来随着人工智能语言的开发，华北电力大学粟然等人合作 开发的针对华北电网应用的调度操作票专家系统( h b - n o s e ) 【l5 1 ，该系统采用 t u r b o p r o l o g 语言开发，采用“规则架+ 规则体”模式表示知识，用带有启发信 息的深度优先搜索策略进行问题求解，加快了搜索和推理的速度。该系统于1 9 9 5 年底在华北网投入使用，使用效果较好，编制一张操作票仅需几分钟。据报道， 湖南省调在1 9 9 6 年投入了一套运用面向对象技术开发的操作票专家系统；其他 网、省调也相继有操作票专家系统投入运行，南瑞公司已将操作票专家系统列入 e m s 系统的标准配备。目前，一些科研院所正在进行铰链型操作票专家系统的开 发。 对于国内研制的微机生成操作票系统，按其采用的设计实现方法可分为以下 几种： 1 基于典型操作票的操作票生成系统1 1 6 ，1 7 】 用典型操作票建立典型操作票数据库，而后将数以百计的各种操作 票进行分类，以提高搜索效率。应用时。按照任务的要求从典型操作票 数据库搜索出所需的典型操作票，在此基础上根据当时具体情况进行修 改，得到实际需要的操作票。该系统实际上是无具体的知识表达，仅仅 是一种操作票数据库结构，不属于智能型，在早期开发的操作票专家系 统和现在投运的m i s 系统中较为常见。 2 基于产生式规则的操作票自动生成系统【l 蝴l 建立事实和知识规则库，应用e s 推理机制，推理形成实际的操作票。 该系统由数据库，知识库，推理机三大部分组成，软件通常利用p r o l o g 、 l i s p 、b a s i c 语言来编程，支持一阶谓语逻辑。具有数据和程序的结构 统一，语法简单等特点。其中数据库中存放发电厂、变电站的主接线形 式及所涉及的相关设备与电气名称、事实语句以及推理过程中的中间结 果：知识库中存放电气操作知识规则及一个对这些规则起约束、补充、 选择和控制作用的元规则系统，这些规则采用“i f 条件t h e n 结论”这 种比较接近人的思维方式的表示方法加以描述：在推理机制上采用自动 模式匹配和回溯的推理控制机制，在知识库中搜索与目标任务匹配的规 3 一 基于面向对象的变电站操作票专家系统的研究 则，最终求出问题的解。 此类系统的进步在于对操作内容的生成推理进行了研究和探索，并 具有程度不等的智能性，真正利用了a i 技术。然而，这类系统针对一个 具体变电站开发，需将网络拓扑结构与设备运行状态及网络操作知识用 谓语逻辑表示，开发较难，开发周期长，这在一定程度上制约了系统的 通用性和用户可维护性。 3 基于图形校核的操作票自动生成系统1 2 l 】 该类系统具有可视化的图形界面，便于人机交互，用户通过在接线 圈上点击鼠标或键盘就可以完成一次开票过程。每次点击一次接线图上 的电气元件就生成一次操作步骤，如果操作过程中违反了操作安全规 程，则系统会自动报警，提示操作员操作时的错误，而不生成这条错误 的指令。 此类系统图形功能强大，可模拟电力系统的一、二次接线图，具备 直观、逼真的操作效果适合于现场培训调度人员，是一种应用广泛的 模拟培训系统。但是，它不能自动推理出操作票，不具备智能性。因为 电力系统中二次设备的操作具有很强的习惯性，所以此类系统也很难做 到通用。 4 基于开关逻辑的操作票自动生成系统f 1 m 6 l 这类系统的设计思路是用开关逻辑表示电力系统的网络拓扑结构、 系统运行状态和设备操作，并将此方法应用于电力系统主接线图的绘制 和调度操作票的自动生成。操作票自动生成系统实际上就是根据操作任 务来实现电气设备从一种运行状态到另一种运行状态转换的计算机求解 系统。状态转换需要经过一系列的倒闸操作完成，倒闸操作实质上是一 个顺序控制问题，或者准确的说是一个逻辑式顺序控制问题。用开关逻 辑可以表示网络拓扑结构和系统运行状态，各操作规则的知识表示也可 以用开关逻辑表示。这样对于每项操作，转化为一系列的逻辑表达式。 采用逻辑可以将操作票所涉及到的操作规则统一表示出来，解决了知识 表示的统一性问题。 “开关逻辑”这种设计思想为操作票专家系统的研究在规则表示和 推理机的实现方面提供了一种新的思路。但是大部分研究人员只是简单 的用“出线停送电”这一操作任务来举例说明，这样只涉及一个断路器、 两个刀闸，三个元件的2 3 = 8 种状态的转换，如果考虑“母线检修”这一 操作任务，假设该母线上具有5 条出线，那么，根据“开关控制逻辑” 理论，至少必须考虑2 ：3 27 6 8 种状态，程序实现有一定的困难。而且， 对于带旁路母线的“出线开关检修”这种操作任务，还必须考虑“对旁 硕士学位论文 母充电”这一操作的反复性等问题，因而，“开关控制逻辑”理论的程序 实现性和可用性，仍是一个有待探讨的问题。另外，此类操作票专家系 统对于每一项操作任务，都需要用户输入系统的初始状态和目标状态。 目标状态的输入既加重了现场操作人员的负担，又缺乏智能性。 5 基于专家系统外壳工具的操作票自动生成系统1 2 q 对于发电厂和变电站编制操作票的特定问题，虽然各发电厂和变电站 在容量、电压等级、主接线及运行方式等方面差异很大，但它们所包含的 电气设备种类、操作方式基本相似。因此，可以选择一个典型的发电厂或 变电站，只要能设计出比较合理的推理机，就可构成一个标准化的操作票 专家系统，然后去除具体发电厂或变电站的知识内容，就成为一个编制操 作票专家系统的骨架工具。 这种方式为开发实用的专家系统建立了一个良好的环境和提供了必 要的工具，能有效的缩短研制操作票专家系统的周期，有利于操作票专家 系统的应用和推广。但这种方式对于同一地区的发电厂或变电站来说，移 植相对容易，而对于不同地区的发电厂或变电站来说，由于保护配置、系 统运行方式及操作习惯的不同，需要修改的内容较多。 6 子程序、模块方式的操作票生成系统 2 8 - - 3 0 j 此类系统通过对应用对象进行仔细分析，采用编制一段程序的方法来 实现各类操作任务的生成。整个系统由多个子程序构成，每个子程序对应 一个操作任务，根据用户选择的任务不同，运行相应的程序段。有的系统 也根据问题求解的需要，编制了不同的模块来实现不同的推理机，如：变 压器操作推理机、母线操作推理机、开关操作推理机等。 以上所述的六类操作票生成系统都是国内较为常见的。各有其特点。除此 之外，还有很多其他设计思想的操作票专家系统，如利用模糊控制理论设计的 操作票专家系统1 3 l 】，基于神经网络理论的操作票专家系统0 2 1 。基于c o m 组件的 网络专家系统推理机的研究和实现p m 等等。 1 3 现有操作票专家系统存在的问题及其应用前景 前一小节已经综合分析了自操作票专家系统问世以来几种常见的实现方法， 其中一些系统经过研制人员和运行人员的不断改进和完善，已经投入到实际的运 行使用当中并取得了一定的经济效益和社会效益。但是，同时在使用过程中也 出现了一些问题，反映出了不足的地方，主要归结为以下几点： ( 1 ) 系统通用性差，扩充维护困难。这些软件大多是调度单位针对自身的技 术特点开发的，自然无法将其移植到其他单位。某些软件过于固化，即使 是电网结构的微小变化，也必须由软件开发者对程序源代码做大量的修改。 ( 2 ) 操作规则固化，缺乏灵活性。电力系统运行遵守一定的操作规则，开发 软件时要充分考虑这些规则。从今后电网运行的发展变化来看，将操作规 则在编程时用源代码以规则库的形式固化的做法是不科学的。而且，考虑 到运行经验和责任等方面的因素，将规则设置留给用户( 即实际运行单位) 来完成才比较合理。 ( 3 ) 专家系统缺乏学习功能。专家系统若无学习功能，则随着实际电网运行 方式的改变，所开出来的票就不一定完全符合实际情况，容易造成失误。 此外，由于各地对于二次设备的操作习惯不一而引起的知识表示问题，也是 值得探讨的问题。 随着我国电力工业的飞速发展和综合自动化及无人值班变电站的大量投运， 作为综合自动化一个子模块的操作票专家系统必须在已有的基础上不断加以完 善，符合电力行业发展的需求，必须具有以下特征： ( 1 ) 智能性：开操作票过程中，在大多数情况下只须鼠标的图形操作，尽量 减少运行人员的劳动强度，成为调度员、管理员的好帮手 ( 2 ) 可靠性：系统提供的用户使用工具、流程和决策支持软件保证高可靠性， 保证9 9 以上的出票率，并且要保证操作票的准确性 ( 3 ) 通用性：对各个地区电力系统的调度操作票( 包括综合票和逐项票) 都 有一定的通用性 ( 4 ) 灵活性和实用性：灵活且集多种功能于一体；典型开票、图形开票、智 能开票三种开票方式可供选择；满足各地区调度自动化的要求，以解决 实际问题为目的，生成操作票的推理过程中，具有系统防误安全分析和 自检功能。 ( 5 ) 开放性：系统采用标准化和模块化程序设计，升级方便，可与其它相关 系统，如s c a d a 系统、设备状态检修系统等进行有效地连接。 为了满足操作票自动生成系统不断变化发展的需求，本文提出基于面向对象 技术的操作票生成方法。目前，国内一些科研机构也在进行此类专家系统的研制 1 3 4 3 7 。面向对象技术是近年来发展起来的一种计算机技术。该技术以对象为核心， 将对象的属性封装在表示对象的结构中；面向对象技术具有三大特性：封装性、 继承性、多态性，这些特性大大降低了系统实现的复杂度，提高了代码的可重用 性、可靠性及可维护性，从而加速了问题求解过程。 对于适用于发电厂和变电站的操作票生成系统来说，首先确定厂站类，然后 再根据厂站所属设备类型如发电机、变压器、开关、母线等分别确定子类。每一 个子类还可以进一步分解，如开关按照其用途还可以分为出线开关、旁路开关、 变压器开关、母联开关等。这种分类思想与电力系统的建模思想是一致的。 硕士学位论文 利用面向对象技术进行操作规则的知识表示，将对象的静态特性、动态特性 及相互作用封装在表达对象的结构中，既兼有一般知识表示方法的优点，又符合 专家对领域对象的认知模式。在面向对象技术中，子类可以继承父类的属性和方 法，从而避免了描述中的信息冗余，提高了程序的可重用性，便于知识的维护和 管理，同时还能使搜索空间减小，加快搜索时间。 1 4 本文结构安排 第一章是绪论部分，主要介绍了操作票自动生成专家系统的发展概况，分析 了现有系统的特点和所存在的问题，提出了本文的研究重点和方向。 第二章是本系统的总体设计部分，通过系统的分析操作票专家系统的特点和 要求，提出了系统的设计模型和解决方案，就是采用专家系统结构模型，利用面 向对象编程技术进行软件编程。 第三章是本文的核心组成部分，主要介绍了一次主接线图绘图模块的设计过 程以及图形数据库的设计。厂站一次接线图是由一系列电气设备连接而成，这些 电气设备既具有一些共同的属性又具有各自的电气属性和图元标记，有些设备类 型一致只是位置的不同。根据这些特点，本章提出了对电气接线图中的设备进行 分类的设计想法，首先定义一个基类，这个基类中定义一些公共的基本属性和函 数，然后各个设备类都从系统的基类继承而来，各自再封装自己的一些与作图相 关的数据属性和绘图方法，最后将所绘制的各设备进行连接组合成一次接线图。 设备类的划分使各设备的操作和维护相互独立，对某设备属性和方法的更改不影 响其他设备，这样使得整个一次接线图模块具有很好的可维护性和可扩展性。文 章中还提到了一次接线图与图形数据库进行数据交互的设计。 第四章也是本文的核心组成部分，研究了操作票自动生成推理机制的设计和 实现过程。文中介绍了专家系统的基本组成框架和各组成部分功能。在规则库的 知识表示和推理机的实现方式上，文中提出采用面向对象表示法和产生式表示法 相结合的知识表示形式，采用这种混合形式的知识表示方法既可以利用产生式规 则来描述“i f - t h e n ”结构的电气设备操作规则，又可以利用面向对象知识表示 方法来实现规则的分类和子类规则对父类规则的继承，使整个规则库层次结构分 明，便于规则的推理和维护。操作票的自动生成主要是系统根据输入的设备操作 任务来对所需操作的设备及其电气相关设各进行推理，从而生成相应的操作项， 整个过程是一种以已知事实向求解目标推理的过程，也就是正向推理过程。因此， 本文在对操作票自动生成推理机的实现上，采用正向推理的推理机制和深度搜索 的搜索策略。 第五章讨论了操作票专家系统的网络功能和信息的网页发布问题。利用现有 。 。量王雪璺翌量墼銮皇辇耋堡耋：垂垂塞墼2 窑。i 。； 的网络技术，对操作票实现网络化的操作管理和信息网页发布，对提高生产工作 效率、减少事故发生几率。提高操作票信息化管理水平，具有重大的现实意义。 第六章是文章的结论部分，总结了前面的研究工作成果和不足，对系统的进 一步研究工作提出了展望。 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章操作票专家系统的总体设计 电网的指挥中心调度所为确保电网的安全经济运行，要求按照当时系统中 的不同情况，主要通过调度命令的形式，来改变所辖电网的运行方式，决定电网 中各设备的状态，使电网完成从一种稳定的运行方式到另一种稳定的运行方式的 改变，以确保电网的经济、安全运行。正常运行方式下的电气操作票就是在给定 的操作任务下，将电网中的相关电气设备按运行方式的规定，遵循操作规程而形 成的一系列操作步骤的有序集合。整个操作步骤是领域内大量知识和经验的描 述，很难建立准确的数学模型，传统的数值分析方法缀难解决，而专家系统是 种弱求解方法，适用于不便以数值方法定量分析解决的经验性、逻辑性强的问题。 因此，采用专家系统理论设计操作票自动生成系统可以将电力专家或经验丰富的 电力运行人员的经验应用到电力生产管理中来，利用计算机模拟电力专家的思维 过程，求解需要专家才能解决的困难问题。 操作票专家系统将模拟具有优秀素质的调度员，完成命令编辑，并且在实际 应用中突出“智能”特点。本章从操作票专家系统的技术要求出发、；然后提出了 操作票专家系统总的结构模型。 2 2 系统的分析与建模 2 2 1 操作票生成系统的技术要求 第一章已经介绍了操作票生成系统应具有的几点技术要求： 1 智能性 2 可靠性 3 通用性 4 灵活性和实用性 5 开放性 2 2 2 操作票的基本规范 地区电网的主要特点是以开环运行方式为主，取2 2 0 k v 环网为电源点形成 串联辐射型供电网络。主要有两种供电形式：一条线或多条线( 一条运行，其余 备用) 送某一地区负荷，一条线上t 形接多路区域负荷。应根据地区电网的特 点，作好以下几点工作： ( 1 ) 规范智能操作票中的调度术语。规范的、格式化的调度术语为微机开票 提供所需的语言基础。微机智能开票系统本身不能任意书写命令，规定 格式化的调度术语，由微机程序控制，分配被操作的设备名就形成一条 调度命令，为微机能编辑命令票提供了语言保障。 ( 2 ) 定义一、二次正常方式。正常方式为微机开票提供正确的基础状态。在 正常方式下，每个设备都有一个特定的状态。偏移了正常方式，则称为 非正常方式。微机智能开票是完成正常方式到非正常方式变化与逆变化 命令票的编辑过程。规定了正常方式，即由微机定义了各设备的初始状 态和相关设备的信息，有待于加工处理。 ( 3 ) 特殊操作票的制作。些设备应具有特有的、固定不变的、且唯一的操 作模式，应制作成固定的操作命令，以区别其他同类型设备的操作命令。 2 2 3 建立标准操作模式 在电网中运行的设备一次设备有4 类状态：运行、热备用、冷备用、检修； 二次设备则有3 类状态：投入、解除、停用。二次设备的操作取决于相应一次设 备的操作，即“二次跟着一次走”。 弼j 电网中各设备状态的总和构成电阿的运行 方式。应简化设备分类，划分设备单元状态。 2 2 3 1 设备分类 一次设备按其有无状态变化可分为两大类。如开关、刀闸、接地刀闸，其分、 合引起设备状态的变化，对应关系如表2 - 1 ；而变压器、线路、母线等的状态是 由开关、刀闸、接地刀闸的分、合所引起的。 表2 - 1 状态变化及对应调度术语 实际操作调度术语实际操作调度术语 拉开关转热备用拉接地刀闸转冷备用 拉刀闸转冷备用合刀闸转热备用 合接地刀闸转检修合开关转运行 2 2 3 2 划分设备单元 设备单元有三种类型：母线单元，一个电源开关加多个负荷开关；线路单元， 一个电源开关加多个负荷开关；变压器单元，一个电源开关加两个负荷开关。不 考虑电压等级时可统一为一个标准模式，即一个电源开关加多个负荷开关。区别 仅在于开关数量不同。对于上述操作可统一规定一个操作模式，并在这个操作模 式下制定不同设备操作的一般微机开票规律。实际上电网接线是由以上三个基本 单元用不同组合连接而成的。 硕士学位论文 2 2 3 3 划分二次设备的最小单元 对二次设备的操作有两项内容：改变保护的状态和改变保护的定值。线路保 护、主变保护、母线保护均有三类状态，如表2 2 。只要保护人员为一次方式改 变输入所配置的保护数值变化，就可对应的生成一条调度术语待编辑。 表2 - 2 保护状态及调度术语 调度术语实际操作 投入保护投入保护压板 解除保护解除保护压板 停用x 保护停用保护电源 2 2 4 系统的总体结构 利用专家系统理论，来构造操作票自动生成系统，从内部结构来说，系统应 满足以下几个功能： ( 1 ) 功能强大的一次接线图的绘制。能够实现对图形进行缩放、旋转、拖动等 基本操作；能够通过鼠标点击图形，实现图形开票功能，系统在用户操作 错误的情况下进行错误报警；能够将图形的数据信息存储在图形数据库 中，反过来能够根据图形数据库里存储的数据进行网络拓扑分析，自动生 成一次接线图。 ( 2 ) 存储问题求解所需的专家知识，即系统中必须存储线路、开关、变压器、 母线等单元和单一操作的操作规则知识。同时对上述单元的知识又可按电 压等级或操作任务分成若干个子知识块。 ( 3 ) 具有友好的人机界面，用户在选择操作设备和操作任务后，系统能够智能 生成操作票，操作票经人工审核通过后，最后打印出来。用户还可以通过 人机对话相应的修改输入。查询相关的参数和信息。并可以随时对操作票 库中的票进行统计和查询。 ( 4 ) 系统应该具有信息远程传送功能和信息鼹。页发布功能，系统采用t c p i p 协议传送数据，并在服务器端建立工作票库，各工作站对服务器上工作票 库的信息进行读写，从而实现网络的信息交互功能，用户可以通过客户端 的浏览器查询有关操作票的一些信息。 面向对象的操作系自动生成系统通过人机接口，由运行人员经变电站选择、 设备选择，操作方式选择，系统则启动推理机对数据库、知识库中的数据、规则 进行搜索、匹配、组合，自动生成标准的操作票，然后将此票存盘、打印，以备 将来查询。经过以上分析，操作票专家系统主要包括主接线模块、数据库管理模 块、推理机模块，知识库模块、操作粟管理模块网页发布模块等。各模块既相互 独立，又相互联系。系统总体设计如图2 1 所示。 _ 一_ _ j 譬薯型薯2 i 翟翟鎏訾誊篮蚕二誊垂玺氅錾窑。，。_ 。 i e 浏览器 1- i 网页发布卜 卜_ 一操作票生成 il i j l _ _ 一主接线图生成 降三兰鲁 数据库管 人 1 数据库i 理系统 h _ 机 lo接 _ 一操作人员管理 r 口 l 推理机 | 系统初始化i ： i 型壁h 鬻| _ 一打印存档l 图2 - 1系统结构框图 2 3 系统主要组成模块功能 2 3 1 人机接口 人机接口是用户与系统的交互界面。本系统设计为单文档视图结构，与其他 w i n d o w s 界面应用程序一样，它也具有菜单、工具栏、任务栏、工作区等基 本窗体结构。通过菜单命令或工具栏上对应的快捷按纽，我们可以进行各种任务 操作，如绘制一次接线图、操作票智能生成等。友好的人机界匿设计，包括美观 的界面风格，简单便捷的操作功能，是软件设计的一个基本要求。 2 3 2 系统初始化 系统初始化是确保生成操作票正确韵前提条件。在专家系统投入运行之前， 使用系统初始化模块对目标变电站所有一次设备的参数进行设置，以确保计算机 系统中的设备信息完整性，以满足专家系统的调用。参数设置可通过快捷菜单， 而后显示编辑界面，可由用户自由编辑。 2 3 3 主接线图模块 一次接线图的生成过程包括图元的创建，图元的组合形成主接线图，元件的 标注，参数的显示及输入等。 本模块以各种元件( 主变、母线、开关等) 为对象分别设置，用各种图元代 表不同的设备对象。绘图时，可在图中工具栏中选择相应的图元绘制，然后将这 些图元进行连接组合形成主接线图，而后对图中设备进行文字标注，最后对设备 的参数进行输入。通常，一个大站的主接线图只需要几分钟就可以完成，真正实 1 2 硕士学位论文 现高效率绘图功能。生成的一次接线图可以进行任意的移动、翻转、缩放等操作， 同时，在某些有状态属性的图元( 开关、刀闸等) 上点击鼠标时，可以改变对应 设备的状态。设备的元件参数与数据库相联系，修改其中任一个均可以对元件参 数进行修改。当用户选择图形开票时，通过顺序的操作鼠标，可以实现图形开票 功能，并且系统能在用户操作错误的情况下进行推理分析，弹出错误信息框，同 时报警。 2 3 4 数据库及其管理模块 数据库管理模块主要包含四个数据库的管理：图形数据库，存放各种元件( 包 括一次和二次设备元件) 的参数、连接属性和状态，状态属性通过与s c a d a 系 统接口来实时更新；动态数据库，它实质上只是个暂时的容器，存储相关的中 间数据及各种临时数据，比如推理结果、操作步骤等，在相关操作完成后，自动 释放，这样就节省了存储空间；操作票数据库保存开出的每张操作票，便于日 后查询和统计；典型票数据库，可以按操作任务分类存储典型操作票，这样当选 择典型票开票方式时，能快速的定位所需的典型票。该模块还提供完善的操作票 统计查询功能，共有三类查询方法：按单位查询( 如变电站等) 、按开票人查询、 按时间查询，也可以组合查询。 2 3 5 规则库及其管理模块 规则库中主要存放电力系统设备相关的操作规则和经验知识，如“线路停电 时，先停开关，再断开线路刀闸，然后断开母线刀闸”。规则库按设备类来可分 为主变操作规则库、母线操作规则库、线路操作规则库、开关操作规则库、p t 操作规则库等。在进行规则推理时，当数据与前提条件匹配时，执行结果语句， 同时写入动态数据库。规则库管理模块为运行人员提供一个可查看、编辑规则库 的接口，运行人员可根据现场需要，输入和修改相应的魏则知识。 2 3 6 推理机系统 推理机是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分，是系统智 能化的具体体现。因此，推理机设计的是否合理将直接影响整个专家系统性能的 优劣。操作票专家系统推理机主要应具备以下功能： 1 ，接受来自人机接口的操作任务。 2 接受来自s c a d a 接口信息并刷新数据库。 3 根据操作任务的指示，对知识库进行搜索、查找、匹配、最终生成正确 的操作票。 一般的专家系统的设计集所有抽象出来的经验规则形成规则库，然后推理机 对数据库和规则库进行检索，故推理过程比较复杂且时间较长。本系统将不同的 。_ - 一。，。l 蓍王耍罂塑塞馨耋曼塑堡篮蚕主耋蚕玺墼翟耋。，。_ _ 。 设备抽象成对象，然后把某一对象需利用的规则、事实封装进对象中。不同的对 象类可拥有各自领域的特有知识和推理机制，对象成为规则事实的自治单元，整 个系统的知识推理呈分布式特征，这样一来就加速了整个推理过程。由于系统是 根据任务初始条件进行推理工作，所以系统中对象自身的推理机制为条件驱动的 正向推理的推理机制，并采用深度优先搜索。系统的推理过程如图2 - 2 所示。 变电站选择 i 操作设备选择 0 调用所选设备的 推理机制 l 操作票生成 打印 调用圈 图2 2 系统的推理过程示意图 2 3 7 网页发布模块 此模块主要是为了实现操作票专家系统的信息远程传送和信息网页查询功 能而设计的。基于t c p i p 协议的操作票远程传输功能改变传统的人工传送的状 况，节省了人力物力，提高了现场工作效率。由于操作票历史记录是不断动态更 新的，所以我们采用a s p 技术编制动态网页，动态查询操作票库中的历史票据。 用户在登录界面中输入用户名和密码后，登录该系统网站查询所需信息。该模块 结构采用b s 三层结构模式，即浏览器服务器模式。 2 3 8 操作人员管理模块 此模块主要是出于安全性的考虑来设计的。本设计中采用了操作登录和维护 权限密码设置方案。人员的权限角色分为两种：系统管理员和操作人员。系统管 理员具有最高的管理权限，它可以任意增减操作人员，同时可以限制操作人员的 操作权限：操作人员具有有限的管理空间，只能拥有权限范围内的部分系统功能 使用权。人员的权限设置如图2 - 3 所示。 硕士学位论文 系统管理员 人员人员权限、人员本人密系统系统信系统一次接线系统 注册密码设置注销码设嚣操作息查询帮助图生成维护 ilii 操作人员 图2 - 3 人员权限关系 2 4 系统的软件开发工具 前面我们简单介绍了专家系统，面向对象技术非常适合于设计专家系统。面 向对象的程序设计( o o p ) 方法将数据及数据的操作方法封装在一起，作为一个 相互依存、不可分离的整体对象，这为专家系统的知识表示和被模拟领域中实 体的表示提供了条件。同时，面向对象的程序设计具有模块化的特点，模块性和 其他的面向对象特征( 如封装性、多态性) 允许异构性知识结构和推理机制有机 结合。面向对象的程序设计方法模仿人类对现实世界自然结构的认知过程进行系 统的分析和设计，使人们的认识系统和计算系统一致、问题空间和求解空间在结 构上一致，提高软件的可重用性、可扩充性，从而设计的程序更加结构化、可扩 充、易移植和易维护。因此，面向对象的程序设计既是一项能使专家系统与传统 应用程序集成的技术，也是实现分布式、多推理智能系统的自然选择。 在众多的面向对象开发软件中，作者使用m i c r o s o f t 的v c + + 6 0 作为该 专家系统的软件开发工具。v c + + 6 0 是一类比较理想的可视化面向对象开发工 具。它的编程语言是基于c + + 的，而c + + 语言是一种从c 语言发展演变而来的 一种面向对象的程序设计语言【捌。它的主要特点表现在两个方面，一个是全面兼 容c ，二是支持面向对象的方法。 v i r s u a lc + + 除了具有可视化的图形编辑界面之外还提供了强大的微软基础 类库( m f c ) 。m f c 库为我们提供了大量的可重用代码，隐藏了程序设计中许多 复杂工作。同时。v i r s