（电力系统及其自动化专业论文）通用化变电站操作票专家系统.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i t c h i n gd e v i c em u s tb e s e c u r ea n dc r e d i b l ei np o w e rs y s t e m c r e a t i n gt h er i g h t s w i t c h i n gs e q u e n c ei ne x p e r ts y s t e mc a nn o to n l yr e l e a s et h ep r a c t i c a la n dp s y c h 0 1 0 9 i c a l b u r d e no fo p e r a t o r ，b u ta l s oi m p r o v et h eq u a l i t ya n ds p e e do ft h eg e n e r a t e do p e r a t i n go r d e r s h e e t ，a n dd e c r e a s et h ep o s s i b i l i t i e so ft h es u b s t a t i o nf a u l t si no p e r a t i n g s ot h e e l i g i b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi sa s s u r e d ，a n di th a sg r e a te f f e c tf o re c o n o m ya n ds o c i e t y i nt h er e c e n tt e ny e a r st h er e s e a r c ho nc r e a t i n gs w i t c h i n gs e q u e n c ei ne x p e r ts y s t e m h a sg o t t e nm u c hr e s u l t ，a n dh a ss o l v e dm a n yp r o b l e m s h o w e v e r ，i ti s n tp o p u l a r i z e d ， b e c a u s eo ft h ef o l l o w i n gt h r e er e a s o n s f i r s t l y ，t h eg e n e r a l i z a t i o ni su n s a t i s f a c t o r y n e wp r o g r a m sh a v et ob ew r i t t e ni no r d e rt of i tv a r i o u ss u b s t a t i o n s ，s ot h a tt h ed e v e l o p i n g p e r i o di sl o n ga n dt h ec o s ti sh i g h s e c o n d l y ，t h eu s e r sc a n tm a i n t a i nt h es y s t e me a s i l y a f t e ri t sg e n e r a t e d ，i t sp r o p o s a lt h a tt h es y s t e mn e e d st ob er e v i s e d ，i m p r o v e da n d a d d e dt o ，a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so ft h es u b s t a t i o nd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ，o p e r a t i n gr u l e s a n do p e r a t i o nt a s k s a sm o s tu s e r sd o n tu n d e r s t a n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m s ，t h e yc o u l d n t d ot h er e p r o g r a m m i n gw e r kt h e m s e l v e s 。t b i s1 e a d st ot h e1 i m i r a t i o no ft h es o f t w a r e t h i r d l y ， t h ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e do p e r a t i n g o r d e r - s y s t e mi sn o tc o n n e c t e dt o g e t h e rw i t ht h e c h e c k u po fp r e v e n t i n gf i v ek i n d so fo p e r a t i n gf a u l t sa n dt h es u b s t a t i o nt r a i n i n g s i m u l a t i o nt om a k et h es y s t e mm o r eu s e f u l t h ef u n c t i o no fs y s t e mi s1 i m i t e d o p e r a t i n g f a u l t sc a n tb ep r e v e n t e dt h o r o u g h l y 。 a c c o r d i n gt ot h ea b o v es h o r t c o m i n g s ，t h i sp a p e rm a k e sg r e a te f f o r tt od e a lw i t ht h e p r o b l e m s i n i n t e l l i g e n t l yc r e a t i n go p e r a t i n g - o r d e r - s h e e t b a s e do n “5 0 0 k vg a n p e i s i m u l a t i o ns u b s t a t i o n s y s t e m i nn a n c h a n g ，j i a n g x ip r o v i n c e ”，t h ep a p e ra c h i e v e sa f l e x i b l e ，m a i n t a i n a b l ea n du n i v e r s a le x p e r ts y s t e mf o rg e n e r a t i n gs u b s t a t i o no p e r a t i o n o r d e ra u t o m a t i c a l l y t h i ss y s t e mc a l la d a p tt ot h ea l lk i n d so fs u b s t a t i o no fv a r i o u s c o n n e c t i n gm o d e la n dv o l t a g er a n k si nd i f f e r e n td i s t i n c t ，a n da d d i t i o n a l l yi ta l s os u p p o r t s t h ef u n c t i o no ft h ec h e c k - u po fp r e v e n t i n gf i v ek i n d so fo p e r a t i n gf a n l t sa n dt r a i n i n g s i m u l a t i o n t h ef o l l o w i n gi s1 i s t e dt h em a i n l yr e s e a r c hf i e l d s ： l - h o wt oc r e a t et h em o d e lo fo p e r a t i n gd e v i c ei ns u b s t a t i o ni sd i s e u s s e d t h ea u t h o r d e a l sw i t ht h i sp r o b l e mb yt h eu s eo ft h er e s e a r c hr e s u l t si nc o g n i t i o np s y c h o l o g y ，a n d d e s c r i b e st h ep r i m a r yd e v i c ea n ds e c o n d a r yd e v i c eb yt h ec o n c e p to fd e v i c ea t o m a l id e v i c e s i ns u b s t a t i o na r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt op h y s i c sc h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t i n gs i m i l a r i t y ， n a m e dv a r i o u sa t o m s t h ep a p e rd e s c r i b e st h et o p o l o g yc o n n e c t i o nb yt h e 血a li t yg r o u p ( n ( g ) ，b ( g ) ) o fs c h e m e ，n a m e st h es i n g l eg r o u p 、b u sa n dt r a n s f o r m e ra sn o d e s ，a n ds t o r e s t h et o p o l o g yc o n n e c t i o ni nt h et a b l eo fn o d ec o n n e c t i o n 2 t h ea u t h o rt h i n k so v e rt h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm e t h o do ft h ee x p e r ts y s t e mo f d e v i c eo p e r a t i o ni nt h es u b s t a t i o n ，a n da d o p t sp r o d u c t i o ns y s t e mt od e s c r i b et h eo p e r a t i n g r u l e sw h i c hi n c l u d et h ed o m a i nr u l e so fp r i m a r yd e v i c ea n ds e c o n d a r yd e v i c ea sw e l la s c o n t r o lr o l e s t h e s er u i e sh a v et h es a m ef o r m s ，a n ds oi t i sc o n v e n i e n tf o rt h ed e s i g n o fr e a s o n i n g b e c a u s et h ep r o d u c t i o nr u l e sc a no n l yr e p r e s e n tt h ec a u s ea n de f f e c to fo n e d o m a i nr u l e ，t h ep a p e ru t i l i z e sf u n c t i o n a lt a s ka n dc o n t r o lr u l e st om a n a g et h ed o m a i n k n o w l e d g eb a s eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yd e v i c e sa n dt or e f l e c tt h ec a u s ea n de f f e c ta m o n g r u l e s t h ec o n t e n to ft h e s er u l e si sk n o w l e d g ea b o u tt h ek n o w l e d g e ，w h i c hi sc a l l e da s 东南大学硕士学位论文 m e t a k n o w l e d g e 3 t h e p a p e rc a r e f u l l yr e s e a r c h e st h el a w s o fd e v i c eo p e r a t i o na n dt h ep e r i o do f c r e a t i n gs w i t c h i n g - o r d e r s h e e tb yo p e r a t o ri ns u b s t a t i o n ，a n df o r m sag r o u po ff u n c t i o n a l t a s kb yd i v i d i n gt h ec o n t e n to fs w i t c h i n g - o r d e r s h e e tb a s e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i so f f t y p i c a ls w i t c h i n g - o r d e r - s h e e t i ne a c hf u n c t i o n a lt a s ki ss o m es e q u e n c eo p e r a t i n gr u l e s t h ec o 3 1 0 ns u b s t a t i o nm a i n l yi n c l u d e st h e s e t h r e e o p e r a t i n gt a s k s ：1 i n e s ，b u s e sa n d t r a n s f o r m e r s a n dt h e s et a s k sa r ee x p r e s s e df r e e l ya n dc o m p l i c a t e d l y t h ep a p e rm e e t st h e c h a r a c t e r i s t i c so fo p e r a t i n gt a s k sb yc o m b i n a t i o no fs o m eo ff u n c t i o n a lt a s k i na d d i t i o n e a c hf u n c t i o n a lt a s kc a nt r a n s f e re a c ho t h e r ， 4 i nt h ed e s i g no fr e a s o n i n gt h em e t h o do ff o r w a r dr e a s o n i n ga n dt h es e a r c h i n gt a c t i c s o fb r e a d t h f i r s ta n dd e p t h - f i r s ta r ea d o p t e d d u r i n gt h ep e r i o do fc r e a t i n go p e r a t i n g s e q u e n c ei ft h eo p e r a t i n gd e v i c ei sp r i m a r y ，t h es y s t e mf i r s t l ym a k e st h ec h e c k u po f p r e v e n t i n gf i v ek i n d so fo p e r a t i n gf a u l t si no r d e rt oi m p r o v et h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m t h i ss y s t e mn o to n l yc a l la u t o m a t i c a l l yc r e a t et h eo p e r a t i n gs e q u e n c eb ya b o v er e a s o n i n g ， b u ta l s op r o v i d et h et r a i n i n gf u n c t i o n sw h i c hi n c l u d ea u t o m a t i cs h o w 、s i m u l a t i o nt r a i n i n g a n ds i m u l a t i o nt e s t i n g 5 t h es y s t e mi sp r o g r m m m e db ym o d u l e a n ds e p a r a t e l yd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e so f d a t a b a s e ，k n o w l e d g eb a s ea n dr e a s o n i n gm a c h i n e d o t a b a s em a n a g e sb yd e l a m i n a t i o ns t r u c t u r e ， a n dk n o w l e d g eb a s ec a nb em o d i f i e da n dm a i n t a i n e db yf r i e n d l yu s e ri n t e r f a e e a l lt h e s e c h a r a c t e r i s t i c sd e c r e a s et h ew o r k l o a dw h e nt h i se x p e r ts y s t e mi su s e dt oo t h e rs u b s t a t i o n s a sar e s u l tt h i ss y s t e mi sm u c hu n i v e r s a l 6 t h es y s t e mp o s s e s s e st h ep o w e r f u ls w i t c h i n g - o r d e r - s h e e tm a n a g e m e n tf u n c t i o n t h e u s e rc a nf r e e l ys e a r c ha n dc l e a rt h eo u t d a t e ds w i t c h i n g o r d e r s h e e t s k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，s w i t c h i n m d e r - s h e e t ，d e v i c ea t o m ，d o m a i nr u l e ， f u n c t i o n a lt a s k 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和屯 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名：二垫三日期：导师签名：! ! 三日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义啪 现代社会对电力系统的依赖性越来越强。电力系统的安全运行对保障国民经济各部门的正常生 产具有极其重要的意义，尤其是调度所，发电厂和变电站倒闸操作的正确与否直接影响着供电质量 及电力系统运行的安全性，可靠性和经济性。 正确的倒闸操作票是防止误操作的基础。由于发电厂、变电站的主接线方式复杂一次与二次 设备繁多，为了保证编写操作票的正确性，目前我国电力生产管理法规定，必须由运行经验丰富， 对设备性能及电气操作规程有较深了解的人员来编写，同时对电气操作的书写格式要求也很高，不 允许有错字，漏字和涂改。由于人的不可靠因素较多，易受环境，情绪，健康情况的影响，编写的 操作票难免出现错误；另外某些电气设备的操作很复杂，其操作内容多达几十项到上百项，特别是 在紧急的状态下，要求运行人员开出正确的操作票并非易事。据不精确估计，在我国各类发电厂、 变电站中因电气操作票编写错误，以及与其相关一些原因而引起的电气事故约占发电厂变电站电气 事故的三分之一。因此，如能将开操作票这项繁琐耗时，经验性强的工作借助微机由专家系统来完 成有其现实意义与迫切性，不但可大大减轻运行人员的繁重负担，避免由于操作票的错误带来的操 作事故，而且还可以作为辅助性培训工具，提高运行人员的业务水平，减轻不必要的人身和设备损 伤，而且进一步提高电力系统的安全运行水平，获得极大经济效益和社会效益。 一张电气操作票是在给定操作任务的情况下，一些电气设备由当前运行状态切换到目标状态 时，遵守操作规程而形成的一系列操作步骤的有序集成。操作规程与操作步骤实际上是一种描述性 文字是该领域内大量知识与经验的描述，难以建立数学模型，而专家系统本身是一种弱求解方法。 运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，特别是以符号求解为核心的问题。 因此应用人工智能原理的专家编写电气操作，是解决上述矛盾的有效手段。迄今为止，有许多专家 学者在这方面进行了有益和成功的尝试。 变电站倒闸操作票是人工智能专家系统在我国电力系统中的最早应用之一。自问世以来，经过 研究人员和运行人员的不断改进，已经日趋完善，初步达到适用水平。目前变电站操作票专家系统 的有效性已为许多运行人员认可，但是实现大规模的推广还需要解决以下几个问题： ( 1 ) 通用性差，导致开发不易，开发周期长，成本高。 ( 2 ) 缺乏用户可维护性，难以适应设备装置及操作规程的变化影响了软件的生命力。 ( 3 ) 功能单一，未能很好地将操作票与操作培训及防务闭锁有机结合起来。 到目前为止，国内外所开发的操作票系统不同程度地存在上述问题。有必要对此做进一步的 研究也是本文所要做的工作。下面我们从操作票的内容和特点着手，分析造成上述问题的原因： 电气操作票是电气设备操作的依据，它的主要内容有： ( 1 ) 操作任务，它确定了要操作的对象和操作的结果 ( 2 ) 要操作的设备名称，如刀闹、开关、二次压板等。 ( 3 ) 对设备的操作性质，是台上开关，还是断开开关；是装上刀闸操作保险，还是取下等等。 ( 4 ) 操作顺序，它反映了一二次设备操作各自及相互闫的电气联系。如果操作顺序不正确，就 势必会造成严重的事故，特别是对一次设备的操作，如带电合接地刀闸，就会造成设备和人员的损 伤等重大电气事故。 以上四方面内容必须准确无误，而且不能缺项和多项。即根据电气运行规程，在某个操作任务 下，规定操作的设备必须正确无遗漏地进行，而不应操作的设备是绝对不能操作。 一般来说，在电力网络的电气接线己定的情况下，各个保护和自动装置配置完毕后针对特定 的操作任务的电气操作票的主要操作内容和操作顺序就定下来了。电气操作票的内容不仅和电网结 第1 页 东南大学硕士学位论文 构有关，而且还和其二次配置情况有关。在编写电气操作票时要根据当时电网的状态及二次设备的 运行情况，制定相应操作内容。在电气操作中，有关一次设备的操作规则是比较清晰的，主要考虑 的是防误逻辑，各地的差别不大。而有关二次的操作及其和一次的相互配合的规则就比较多而且 二次的配置和操作各地区的差别较大，受编制人员的习惯、分布特点等因素的制约，使其更加复杂， 这也正是编制适合于各个电网的通用系统的难点所在。 变电站操作票专家系统的完善还要求它具有用户可维护性。为一个厂站开发的一个专家系统， 该系统是按当时电网配置设定的，在当时完全能达到设计要求的，但变电站经过一段时间的运行， 往往要发生一些变化，包括设备的扩建、更换，操作术语的改进，操作规程的调整及保护配置的更 新等。这也就是说现场是变化的，而我们的专家系统要真正做到实用，就要求能满足这种变化。适 应这种变化有两种方法： ( 1 ) 由现场通知专家系统研制者进行程序的修改，改动后再返回使用。 ( 2 ) 由现场人员动手，借助于系统提供的开发工具来进行改变，我们称这种方式为用户可维护 性。 事件表明：方法( 1 ) 是行不通的。因为研制者由于各种不同的原因不可能一直跟踪现场，而且这 样既费时又费人力。只有方法( 2 ) 是可行的，它将维护工作交给用户这样现场人员也参与了系统的 开发，更容易理解和使用专家系统。只有这样，才能使操作票专家系统成为真正的，有生命力的， 达到实用化的系统。 过去开发的一些操作票专家系统在用户可维护性上也做了一些工作，具体体现在知识的获取 上。我们知道，专家系统是种基于知识的智能软件，其推理能力很大程度上取决于其知识所存贮 知识的数量和质量，因此。知识获取是建造专家系统的艰巨任务，这也是将知识获取称为专家系统 的“瓶颈”问题的瘴因。变电站操作票专家系统的知识库一般来说包括两大类：一类是网络结构知 识库即事实：另一类为网络操作知识即规则。由于事实知识表示简单，格式统一，修改方便维护 容易，所以采用在人机交互的情况下实现网络结构知识的获取。当需要修改网络结构知识时，用户 通过人机接口模块与系统交互，然后通过知识编辑器完成网络结构知识库的修改。这样用户就可在 不了解知识库的内部表示方法及数据结构的情况下也不必通过程序设计人员就可更新、增删、修 改知识。有的还能显示有关厂站或线路的运行状态或拓扑结构，这个性能使得专家系统在一定程度 上能适应电网结构的发展变化和运行方式的不断改变，具备了一定的用户可维护性。对于网络操作 知识，由于其规则量大，相互之间关系复杂，它的修改相对来说较难，一般采用由程序设计人员亲 自修改，主要是通过修改源程序。因此，很关键的地方，对用户来说是不可维护的。如果用户要想 维护，必须深入了解程序设计方法，这对大多数用户来说是很难做到的。 到目前为止，很多操作票自动生成系统只起到了一个减轻操作人员劳动强度，保证操作票正确 无误的作用。如果能将自动开票与操作培训及防误闭锁有机结合起来，形成功能更强的计算机系统， 这样不但能让操作人员从繁杂费时，责任重大的开票工作中解脱出来，而且还可以通过模拟操作进 一步提高操作人员的业务素质，并与防误设备相结合，使其更有效。 目前国内约有上万座变电站，各个变电站的主接线及其运行方式和保护配置。操作习惯不尽相 同。如果各个变电站都要开发各自的操作票软件系统，将需要不少人力、财力的投资，而如果能够 编制个通用软件，不同变电站输入不同的设备知识后就能使用，那么将大大减少各方面的投资， 提高开发效率。 要想使变电站操作票具有通用性，用户可维护性及多功能必须面向用户设计程序提供支持软 件，使得网络结构知识的输入与操作规则的表示和现场用户熟悉的方式相同。用户通过支持软件提 供的人机界面接口，方便地输入一次设备、二次配置、操作规程、操作术语等内容，并能根据需要 增删操作任务。设计面向对象的图形管理软件，使得最终用户的数据和程序不再是分离的而成为表 示最终用户信息的屏幕对象。这些对象封装了数据和操作数据的过程，用户直接操作屏幕对象来管 理程序。由于图象用户界面上的对象模拟现场环境中的真实对象，因而面向对象的图形用户界面易 第2 页 东南大学硕士学位论文 于用户理解和使用，从而使得在计算机上模拟操作培训成为可能并得到用户的欢迎。 1 2 国内外操作票专家系统研究综述 很早以前，人们就意识到计算机在生成操作票中的作用，并积极开展了研究。传统的做法是， 将一变电站的开关操作次序存储在计算机中，这一次序事先确定，使用时按对应顺序取出。有的是 用算法方式来处理开关操作，即将变电站设备和开关状态用整数编码，开关操作的规则用算法实现， 这种方法缺点很明显，十分不灵活，而且不能得到开关操作顺序的解释。随着专家系统技术的发展， 人们看到了专家系统在处理经验性、逻辑性强且以符号求解为核心的问题时的优点，于是展开了专 家系统在生成操作票中的应用。 1 2 1 国内的发展状况 国内对这项工作的研究始于8 0 年代，国内一些高校及科研单位先后对这一方面进行了一定的 研究，并开发了针对不同的发电厂、变电站及各级调度中心的操作票专家系统。从发表的论文及实 际在现场运行的系统来看，大致有如下几种方法： 1 ) 程序存储方式 采用这种方式的典型系统是华北电力大学与铁岭变电站合作开发的变电站倒闸操作票专家系 统【6 j ，华北电力大学开发的发电厂电气部分操作票专家系统1 7 j 。这种方式是采用专家系统的设计思 路设计实现的，主要用b a s i c 程序编写，可以算第一代操作票专家系统。整个系统由很多个子程序 构成，每个子程序完成一个操作任务，虽条理清楚，但智能性不高，由于实现操作任务的规则与源 程序紧密相连改动知识库就要改程序，维护较为麻烦。 2 ) 基于谓词逻辑的推理方法 采用这种方式的典型系统有：福州大学开发的变电所电气操作票专家系统，华北电力大学开发 的变电站电气倒闸操作票专家系统。这是采用智能型的t o r b o - p r o l o g 语言实现的操作票专家系统选 用的方式，该语言支持一阶谓词逻辑，语法简单，接近自然语言的描述方法，具有自动模式匹配和 回朔的控制机制，只需定义与求解问题有关的对象的事实及对象之间因果关系的规则，智能性较高。 但由于语言本身的限制，图形功能差，对于稍大的图形，一般只能分屏显示。在文献 8 e p ，完全是 基于菜单来操作，没有图形功能。另外，用该语言编写的专家系统嵌入其它系统十分困难，移植性 差。 3 ) 外壳工具方法 采用这种方法的典型系统有华北电力大学研制的变电站通用操作票专家系统【i ”】1 ，东北电力学 院研制的通用变电所倒闸操作专家系统f 1 i 】。由于各个变电站虽在电压等级、运行方式等方面差别大， 但在设各种类、操作方式上基本相似。因此，可以选择一个典型的变电站，设计出合理的推理机， 就可以构成一个标准化的操作票专家系统然后挖去具体变电站的知识内容，就成为编制操作票的 一个外壳工具。文献【1 l 】的操作票专家系统外壳工具有4 个模块：绘图模块系统数据管理模块， 逻辑关系管理模块和典型票管理模块。开发人员只要运用这四个模块建立相应的数据文件后，构造 系统就可以根据这些数据文件自动生成一个适用于某一个变电所的倒闸操作预演系统。这种方式提 供了一个良好的环境还有一些必要的开发工具，能有效地缩短研制操作票专家系统的周期，有利于 操作票专家系统的推广。但这种方法对于同一地区的发电厂或变电站来说，移植性较好，而对不同 地区的变电站来说，由于保护配置，系统运行方式及操作习惯不同，需修改的内容较多a 另外，生 成的操作票专家系统不易嵌入其它系统。 4 ) c c + + 语言方法 进入9 0 年代以来，程序的可移植性，可嵌入性受到大家的广泛关注，操作票专家系统己不只 是个独立系统，它和操作培训有机结合，形成变电站操作培训系统，和防误闭锁结合起来形成功能 强的知识处理系统。移植性、通用性好的c 语言、c + + 语言成了开发操作票专家系统的主角，用 c c + + 语言典型系统有国家电力公司电力自动化研究院开发的电厂通用型智能操作票专家系统”“， 第3 页 东南大学硕士学位论文 东北电力学院研制的面向对象的电气“两票”专家系统【l 。这些系统移植性好，易于嵌入其它系统。 用面向对象技术开发的专家系统使程序具有封装性、继承性和重载性等特性，开发出的软件能更加 直观、自然地反映客观事物的本质。 为了解决操作票专家系统的通用性，一些研制单位从开列操作票、设备接线的特性出发，摈弃 了专家系统，提出了新颖的方法，主要有两种： 网络拓扑囤论方法 采用这种方法的系统有：武汉水利电力大学研制的自动生成操作票系统【i ”，华北电力大学研制 的变电站操作票审核与培训系统【l ”。这类系统摈弃了专家系统的模式，按传统程序设计原理，采用 数据库技术，用网络拓扑图论方法来实现，操作任务的算法新颖，比较简单，数据库的组织采用二 维数学矩阵的形式。文献 1 4 1 中，该系统采用以节点代表设备，设备之间的电气接线作为支路的基 于网络图论的方法，以图论中邻接矩阵的形式表示电网的拓扑结构。它的不足之处是用矩阵来表示 网络拓扑，很不直观，进行修改和维护都不太方便，适用性不强，而且描述二次设备有困难。 开关控制逻辑方法 该方法认为倒闸操作中面对的都是二值变量，状态量的控制也是二值的，控制规则也可用二值 函数表达，操作的二值特点使得我们可用二值逻辑代数及开关逻辑电路来分析和综台操作过程。该 方法的优点是：规则表示原子化，即用逻辑符号和逻辑表达式描述规则，这样规则易于修改，通用 性较强。但它要求分析现场典型的间隔方式，尤其是二次的最大模式，比较困难。采用该方法的典 型系统是：华北电力大学研制的操作票自动生成系统f l 纠。 1 2 2 国外的发展状况 国外关于电气操作管理专家系统的研究较少，就己报导的研究成果来看，他们所考虑的问题比 较简单，操作任务种类较少，操作过程只考虑一次设备的顺序，不涉及二次保护压板及自动装置的 投切与调整，因此实现起来比较容易。另外，圈外更侧重于恢复操作的研究。 国外较早用于编制电气操作票自动生成专家系统的有由日本的t a k a s h i a b e 等人合作的v i r g o 专家系统【i ”，该系统自动生成顺序的电气操作命令集，并且具有仿真功能。该系统使用一种知识描 述语言k d l ，l ( 1 ) l 是c o m m o nl i s p 语言编制的一个适用于建立专家系统的面向对象的程序设计 语言。v i g o 系统的操作任务只限于四种：停电操作、送电操作、并行运行、单独运行；电气设备 类型限于三种：母线、线路和变压器。生成的开关操作顺序中不涉及保护的投停。 t n a g a t a 等在文献【1 8 】中报导了他们开发的电力系统操作培训专家系统，它能适应不同的网 络配置，自动地生成有效地开关操作序列，并能在图形监视器上通过模拟来校验开关序列的正确性。 g l a m b e r t t o r t e s 等在文献【1 9 】中开发了一个用于变电站操作票的生成和培训专家系统工具， 它利用启发性知识进行路径的搜索，取得操作序列，并能一步步地指导用户进行问题的解答。但该 系统的通用性不够高。 在文献【2 0 】中，提出了一种开关操作序列中自动知识获取的方法，它是以机器学习的方式来实 现的。这种方法有利于系统知识库的修改和扩充。 1 2 3 存在的问题 通用化和面向用户是推广操作票专家系统的两个关键问题。从操作票专家系统的发展来看，许 多科研工作者将这两个性能当成研究目标，的确取得了不少成绩，但在这两方面还是有问题的。 对于操作票专家系统的通用性问题，我们应有这样的认识：由于各个变电站设备种类、操作术 语上的千差万别，想让一个操作票专家系统毫无改动就应用于其它的变电站，几乎是不可能的事情。 那么，通用性好坏，就体现在推广到另一个变电站时，所需做的工作的多少。用外壳工具方法通用 性能较好，但前期开发的投入很大，开发出的系统扩展性能不够好，和其它系统的融合需单独开发 接口。另外，操作票的内容不仅和电网结构有关，而且还与其二次的配置情况有关。对于一次设备 的操作规则，各地差别不大，主要考虑防误逻辑，但二次的配置和操作各地有一定的差异，二次设 备的特殊性使操作票专家系统的通用性受到了影响。 第4 页 东南大学硕士学位论文 每一个软件工程项目都需要用户的支持和积极参与，操作票专家系统的开发和维护尤其是如 此。在开发初期，用户提供些开列操作票的经验知识由软件工程师将其转化成计算机识别的知识 库，用户提供得越多越细，这个专家系统就越能正确地、智能地反映领域知识。在开发结束投入运 行后，由于电网结构的变化，设备的变化，操作术语的变化，开列的操作票专家系统就要随时地进 行修改，这样才能体现现在电网的实际情况。如果一个操作票专家系统可维护性差，只能由研制者 亲自去修改，那么它的生命周期就越短，因为研制者不能随时出现在现场。这种维护工作若是由用 户来完成，则将大大延长软件的生命周期。对操作票专家系统而言，在设计系统时，就要面向用户， 简化维护的复杂程度。现在大多操作票专家系统可以让用户在配置库中或数据文件中修改数据以适 应电网结构的变化和设备的变化，但不少系统的知识库可维护性较差，用特定的符号来描述反映知 识的规则，用户若不是对规则的符号表达有足够的认识，就不能看懂规则的意思，更不能根据情况 的变化修改规则。 另外，一些专家系统由于知识库过大，规则的组织不太合理使搜索空间增大，推理时间加长， 效率降低。 i 3 专家系统简介乜h 1 1 3 1 专家系统的定义 专家系统是6 0 年代中期发展起来的一门新兴的人工智能应用学科，是计算机应用的新领域。 它的成就及其深刻的影响正越来越受到各行业的普遍关注。在许多应用领域，解决问题时需要用到 大量数据、文献和其他有关信息。而任何人类专家都是难以准确掌握如此多的数据和信息的。专家 系统借助于计算机可以准确、快速地查询这些数据和信息，并利用它们来进行推理和判断。高性能 专家系统的研制成功，给了人们巨大的鼓舞，使人们有信心在更广泛的领域里研制更高水平的专家 系统，且希望有更广泛的应用。 由于专家系统的历史不长，目前对专家系统这个术语还没有一个统一的定义。从文字意思上， 可以认为专家系统是一种基于知识的计算机程序系统，它能模拟专门领域的专家求解问题的能力， 对所面临的复杂问题作出专家水平的结论。由于它解决问题的能力主要取决于它所拥有的知识，所 以又称专家系统为知识库系统。这种基于知识的计算机程序系统，事先将有关专家的知识、经验总 结出来，形成一系列规则。并把它们以适当的形式存入计算机，即建立知识库 然后，采用合适的 控制策略，按输入的原始数据选择一定的规则进行推理演绎，作出判断和决策，并能根据用户的要 求给出满意的解释。 如何应用人工智能日趋成熟的各种技术将专家知识和经验以适当的形式存入知识库，利用类 似专家的思维规则，对事件或原始数据进行精确的或不精确的推理、演绎，做出判断和决策，这就 是专家系统所要研究的主要任务。 1 3 2 专家系统的特点 从前面专家系统的定义以及对专家系统的简单描述，可以了解到专家系统所具有的区别于其他 计算机程序系统的一些显著特点。 ( 1 ) 实用性 专家系统强调实用，解决人们的生产实践、科学研究及其他领域的实际问题。为了达到具有专 家级水平解决问题的功能，在整个专家系统的设计过程中，始终紧密结合目标不回避所面临的问 题，包括专家系统所能接受的输入输出方式，都应予考虑加以实现。专家系统的实用性与知识库的 完善性、可用性，以及获取知识和维护知识库的能力密切相关。根据领域专家的丰富经验，总结出 大量的规则，建立知识库专家系统利用知识库来解决实际问题，并解释操作结果，这比经验少的 人解释效率高的多，还可以避免由于经验不足，判断错误，造成经济损失。 ( 2 ) 高性能 研制专家系统的最终目标是要解决某一应用领域的特定问题时达到甚至超过领域专家。专家系 第5 页 东南大学硕士学位论文 统的高性能取决于知识库所使用的知识表示能否很好地表示知识以及是否具有良好的推理方法。 高性能的专家系统可以考虑设置具有不同观点的知识库，这些知识库各自运行，可能得到不同结论， 通过实践来检验哪些规则更正确，避免盲目性，纠正人们不正确的认识。当专家还不具备或不精确 时，设计人机交互式的专家系统是可取的，以便在专家系统运行时能够得到专家的命令和指导，达 到节省搜索时间及积累经验的目的。人机交互命令的设计要视专家系统所要解决的问题、使用人员 的水平与可提供的硬、软件环境而定。 ( 3 ) 灵活性和可扩充性 由于专家系统的知识库与控制策略是分开的，因此可以在互不影响的情况下，修改系统的控制 结构，增加新规则和更正知识库，使系统更趋完善。 ( 4 ) 启发性 由于专家系统主要是应用在那些需要推理的领域，这些领域中的任务大都靠经验知识，而不仅 凭书本知识完成，因而经验知识就构成了专家系统启发式方法的核心。 ( 5 ) 任务的专业性 一般来说，问题求解的方法有强方法和弱方法两种。弱方法是与领域无关的控制问题求解的启 发式方法，它的通用性较强：而强方法则是为了达到高性能而采用的领域知识控制问题求解的启发 式方法，它是面向领域的。一个特定的专家系统完成的任务领域比较窄，解决的问题也比较专。 专家系统以它的实用性、高性能、透明性和任务的专业性而区别于其他人工智能系统。在一般 的人工智能程序中，大部分都是使用弱办法来解决问题的，而且问题的领域范围也不同于专家系统。 专家系统强调实用和高水平，而人工智能则更多地注意探索一般应用问题的求解方法和人类思维的 机理。 专家系统与般应用程序的区别是，应用程序并不注重知识、知识结构及其表示和使用方法。 针对某一具体问题的应用程序一旦编制、调试完毕，其功能就确定下来，一般不易更改。而专家系 统则是以知识结构为基础组织系统，它注重符号表示、符号推理和启发式方法，其知识库可以重新 改写和增删，解决问题的能力也可以改变，这是一般应用程序所不及的。这点也是专家系统与一 般软件系统的区别之一。专家系统可以调用现成的应用程序同专家系统连接起来，建立接口关系。 专家系统可以看作是“具有