（电力系统及其自动化专业论文）电网调度操作票管理系统与可视化潮流的研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s tr a c t e l e c t r i c a ls w i t c h i n go p e r a t i o nm u s tb es a f ea n dr e l i a b l ei nt h ep o w e r s y s t e m t h e r e f o r e ，p o w e rg r i dd i s p a t c h i n gh a sh i g hr e q u i r e m e n t si nm a k i n g o u to p e r a t i o nt i c k e t r e l i a b l ya n ds a f e l y i n t e l l i g e n td i s p a t c h i n g o p e r a t i o ni n s t r u c t i o ns y s t e mc a ni m p r o v et h eo p e r a t i o nt i c k e tv e r a c i t y ， e a s et h ew o r k l o a do ft h eo p e r a t o r s ，s a v eag r e a td e a lo fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e sf o ro p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r k ，a n di n c r e a s et h e o p e r a t i o nq u a l i t yo fp o w e rg r i d h o w e v e r ，t h es i n g l ef u n c t i o no fo p e r a t i o ni n s t r u c t i o ns y s t e mo n l y p r o v i d e sa u t o m a t i co p e r a t i o no r d e rg e n e r a t i o n ，a n dt h ew h o l ep r o c e s so f o p e r a t i o ni n s t r u c t i o ns y s t e mc a nn o tb em e r g e di n t os o f t w a r e f u n c t i o n s u p e r v i s o ro fo p e r a t i o no r d e ri si m p e r f e c t t h eg e n e r a l i t ya n d t h e m a i n t a i n a b i l i t ya r ep o o r s o ，i ti sd i f f i c u l tt ob eu s e du n i v e r s a l l y t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c ti ss e tu pb ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n to fj i l i ne l e c t r i cp o w e rc o m p a n y a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t o fd is p a t c h i n g o p e r a ti o nm a n a g e m e n ts y s t e m f o r j ili n p r o v i n c i a ld is p a t c h i n g ，t h es y s t e ma d o p t saw h o l es t r u c t u r ec o m b i n e dc s w i t hb sa n df o l l o w st h ep r o d u c t i o nf l o wo fo p e r a t i o ns c h e d u l i n g t h e s y s t e mr e a l i z e sn e t w o r kf o rt h ew h o l ep r o c e s so fo p e r a t i o nt i c k e t c o m p i l a t i o n ，o p e r a t i o nt i c k e ta u d i t i n g ，o p e r a t i o nt i c k e tp u b l i s h i n ga n d o p e r a t i o nt i c k e te x e c u t i o n i ta l s oh a sp e r f e c ts u p e r v i s i n gs y s t e m o p e r a t i o no r d e re x p e r ts y s t e mf o rd i s p a t c h i n gc e n t e ro fj i l i np r o v i n c e p o w e rn e t w o r kh a st h e s ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b i l i t y ，m a i n t a i n a b i l i t y a n du n i v e r s a l i t y t h es y s t e ma d o p t sm o d u l a rd e s i g n ，a n dt h et w om a i n c o m p o n e n t so fk n o w l e d g ed a t a b a s ea n dr e a s o n i n gm a c h i n ea r ei n d e p e n d e n t t h ek n o w l e d g ed a t a b a s ec a nb em o d i f i e da n dm a i n t a i n e dt h r o u g hf r i e n d l y m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s ot h ew o r k l o a df o rs p r e a d i n ga p p li c a t i o no ft h e - 摘要 s y s t e mi sr e d u c e d ，a n dt h es y s t e mh a sb e t t e rg e n e r a l i t y m o r e o v e r ，t h e s y s t e mc o m b i n e sw i t hg i st or e a l i z et h es e a m l e s so fd a t a t h u s ，t h es a f e t y a n dp r a c tic a lit yo ft h es y s t e ma r ei m p r o v e d m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h ee n l a r g e m e n ta n dt r a n s f o r m a t i o no f5 0 0k v n e t w o r kw h i c hb e l o n g st oj u r i s d i c t i o no fj i l i np r o v i n c i a ld i s p a t c h i n g ， a n dc a p a cit yo fa p p lic a tio no fa d v a n c e ds o f t w a r ep r o d u c e db ya b bc o m p a n y i sn o te n o u g h ，s ot h ef u n c t i o no fp o w e rf l o wc a l c u l a t i o ni su n a v a i l a b l e t h e r e f o r e ，p r o v i n c i a ld i s p a t c h i n g c e n t e r r e q u i r e s t o p r o v i d e v i s u a l i z a t i o no fc a l c u l a t i o no fp o w e rf l o wb a s e do no p e r a t i o nt i c k e t s y s t e ma sp l a t f o r m i ti sc o n v e n i e n tt oc a l c u l a t et h ep o w e rf l o w k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n to p e r a t i o nt i c k e t ；e x p e r ts y s t e m ；g i sp u b l i s h i n g ；p o w e r f l o wo f p r o v i n c i a ln e t w o r k - i l l - 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意 义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论 文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 - ，、 论文作者签名：瘩扫逄型日期：幽年王月j 距日 附录5 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电力 大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为东北电力大学。 彦、 论文作者签名：继型日期：坦年主二月丝e l 导师签名：盘乙 兰丝二日期：堕卫年互月j l 生日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和 中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文数 据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科技信息研 究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学位论文全文 数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国优秀博硕士 学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全文数据库中 使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别： 作者签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导教师签名：盘l 幺挝： 日 期：出趁年王月掣日 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 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 经济各部门的正常运作具有极其重要的意义。众所周知，电网调度操作和变电 站倒闸操作是电网运行方式改变和调整的主要手段，它们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。电网调度命令操作票 和变电站倒闸操作票制度是根据值班调度员或值班负责人的命令，改变设备运 用状态而进行多项作业的一种指令书写制度，是我国电力工业运行管理中行之 有效的两项安全保障措施。 正确开写操作票是防止误操作的基础，其中调度操作票是决定调度操作正 确与否，是否发生误操作的重要因素，直接关系到电网的安全运行。因此，填 写正确的调度操作票就成为确保正确完成调度操作的关键。该项工作分布面广、 单调繁琐、责任重大且经验性强，工作中稍有不慎，就可能导致电网运行的重 大事故。尤其在有紧急任务或遭遇突发事件时，更加需要及时快速的生成并处 理大量的操作票。而且长期以来，调度运行人员一直采用手工填表的开票方式， 费工费时，开票效率低。由于开票过程经常要同时进行模拟操作屏的逐项核对， 缺乏过程的直观性，极易开出错票与废票，从而留下了因误操作而引起电网事 故的隐患【。 为确保电网安全、稳定、经济运行，国务院颁布了电网调度管理条例， 各级调度单位也相应制定了各种工作、管理规程，确保有效地防止电网事故的 发生。其中，各级调度的调度运行规程对操作票的填写提出了极为严格的 要求，不仅要求操作票中的操作项、操作顺序准确无误，而且要求书写格式符 合规范，例如要求文字清晰、工整，要求术语规范化、标准化，要求操作票不 得有书写修改。这些严格的规定使得在日常的调度操作中，仅是填写操作票就 占用了运行人员很多的精力与时间。而在一些临时的倒闸操作过程中，为了尽 快完成操作，运行人员只得先在草稿上临时写个操作顺序先完成操作，待作业 东北电力大学硕士学位论文 完成后再重新抄写到正式的操作票上。这样做不但违反规程关于操作票的有关 规定，增大了出现误操作的机率，而且也使得原本为了确保安全及规范而制定 的操作票的各种要求与规定失去了实际意义。 因此，研制与开发各级调度的电网调度操作票专家系统，即根据这些单位在电 力系统中所处的不同地位，分析调度命令的实际要素，依据电网的设备性能与 构成，制定最佳的操作指令级序，实现操作票的自动或半自动生成，提高操作 票正确率、缩短操作票拟票时间、减轻运行人员日常工作强度，实现操作票的 网络流程管理，确保操作票执行过程的规范化，已成为电力系统运行管理人员 的一项重要课题，并且受到国内外电力工作者的高度重视【2 】。 1 2 电网调度操作票专家系统的研究现状 随着人工智能的发展，专家系统的观点逐渐被各行各业所广泛接受，被应 用到各行各业的问题求解中。电网调度操作票专家系统是运用调度人员的专业 知识和现场经验进行推理和判断，通过模拟现场工作人员的决策过程来开写、 流转、管理调度操作票的应用软件。 由于知识表示的不同，其实现方式也有所区别，现有的电网调度操作票专 家系统的实现方式大致可分为以下5 类：基于产生式系统方式、模块化方式、图 形校核开票方式、面向对象方式和基于开关控制逻辑方式1 3 引。 1 基于产生式系统方式 这种实现方式的系统内核由数据库、知识库、推理机三大部分组成，用产 生式规则作为知识的表示方式，这种“i f 条件t h e n 结论 的表示方式比较接近 人的思维方式，表达形式直观明了。数据库存放发电厂、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产生的中间结果( 也 称黑板) ：知识库存放电气操作知识规则及一个控制推理的元知识：推理机依据 对知识规则的分类与管理，完成与目标任务的匹配，在求解空间中搜索出一个 满足目标解的途径。这种实现方式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。然而，这类系统针对一个具体调度管辖 的电网开发，需将网络拓扑结构与设备运行状态及网络操作知识用谓词逻辑表 第1 章绪论 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可维护性。 2 模块化方式 这种实现方式根据对电网运行操作的分析，编制一些程序模块，来实现调 度操作票的推理。整个系统由多个子模块构成，不同的模块实现不同的推理机， 如变压器操作推理机、母线操作推理机、线路操作推理机等。这些推理机的适 应能力取决于事先对实际问题考虑的完善程度。考虑越完善，适应性就越好：反 之，则越差。此类系统使用模块化推理方式实现操作票的生成，运行维护人员 无法进行维护，不能适应现场变化的要求，影响了现场的使用：移植到其它应用 对象重复工作量很大，通用性较差。 3 图形校核开票方式 这种实现方式实际上是人工在图形环境下输入操作票的方式。运行人员在 逼真的图形化界面上用鼠标点取图上相应的一次、二次电气元件，系统根据当 前被操作元件的操作规则，判断对此元件的操作是否合法如果合法，则元件执 行该操作，并自动生成一条相应的操作指令：如果不合法，则系统会自动报警， 提示操作人员所犯的错误，而不生成这条错误的指令此类系统的操作界面模拟 电力系统的一、二次接线图，具有极其友好的用户界面，具备直观形象的操作 效果。它有较好的校核功能，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。由于电力系统中二次设备的操作有很强的习惯性，使此类系统也 很难做到通用，并且它无法自动推理出操作票。 4 面向对象方式 这种实现方式可用于开发图形编辑界面和专家系统的知识表示。 ( 1 ) 用于开发图形编辑界面。面向对象方式的做法是把系统一次接线图中的 所有电气组件分别抽象成各个类，为了作图的方便，从图形学的角度出发，在 各个类中定义了与作图有关的属性和成员函数。 ( 2 ) 用于专家系统的知识表示专家系统的知识表示和推理机中用到面向对 象技术，它把变电站中所有的一次设备按类型分别抽象成各种类，如母线抽象 为b u s 类，开关抽象为b r e a k e r 类，再找出母线、开关等各个类的共同属性， 如所属变电站名称、电压等级、编号等，从而抽象出了这些类的基类，称为元 件e l e m e n t 类。由于开关的种类不同，又从开关类中派生出线路开关、旁路开 东北电力大学硕士学位论文 关和变压器开关三个子类。变压器再派生为两卷变压器和三卷变压器等。 “基于面向对象技术方式 的调度操作管理系统应用了软件领域中的面向 对象技术，将对象的属性和相互作用封装在表示对象的结构中，按“派生 的 思想形成一种树型的层次结构。这种结构既可避免描述中的信息冗余，又增强 了对知识的使用和管理。但对于操作票专家系统来说，更主要的是进行操作票 的自动生成推理，而现有的面向对象专家系统只是把所有一电气设备都抽象成 类，这样的知识表示没有完全发挥出面向对象技术的优良特性，并不完全适合 推理的进行，开发出的系统维护性很差。 5 基于开关控制逻辑方式 开关控制逻辑的思想是：操作票自动生成过程就是根据操作任务将电气设 备从一种运行状态到另一种运行状态转换的计算机规划。状态转换需经过一系 列符合逻辑顺序的倒闸操作完成，这个逻辑顺序称为开关控制逻辑。此类系统 的操作规则没有用传统的产生式规则，而是用“开关控制逻辑 ，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，这是理论研 究中的一大进步但是大部分学者只是简单地用“出线停送电”这一操作任务来 举例说明，这样只涉及1 个断路器、2 个刀闸、3 个元件的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3 2 7 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，还应该考虑“对旁 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，都需要运行人员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。 上述实现方式都具有一定的智能化水平，但也有各自的缺陷。现今开发的 电网调度操作票专家系统一般会采用多种实现方式，以弥补各自的不足，增强 系统的适应能力。另一方面，研究人员和专家学者也在不断的探索，并且提出 了一些启发性的构思和设想，例如机器自学习系统和神经网络的知识表示等。 综上所述，现在对电网调度操作票专家系统的研究己经达到了实用化的水 平，但较差的通用性和可维护性阻碍了电网调度操作票专家系统的大面积推广。 第1 章绪论 由于各个变电站的设备种类和操作术语千差万别，想让一个电网调度操作票专 家系统毫无改动的应用于不同的电网调度，几乎是不可能的事情。而通用性的 好坏就体现在知识库和推理机对各个电网、变电站的适应能力。每个工程开发 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，专家 系统就要随时的进行修改，这样才能体现现在电网的实际情况。如果系统的可 维护性很好的话，那么这些修改都可以让用户自己去完成。可维护性的好坏取 决于系统面向用户的友好程度、系统知识表示的好坏和推理机相对知识库的独 立程度。知识表示和推理机制的不完善是现今电网调度操作票专家系统无法普 及到各个调度部门的主要原因。 1 3 当前操作票系统存在的主要问题 日前国内已经开发出不少调度管理自动化系统，其中也包括调度操作票子 系统。但是大多数操作票系统功能过于单一，并且没有把整个操作票生产流程 考虑其中。 经过分析和统计，总结出当今操作票系统不能从根本上提高调度员工作效 率的几点原因： 1 电网调度是一门综合性很强的学科，调度员的经验在很大程度上影响着 调度工作的完成情况。现在大多数调度中心人员趋于年轻化，经验有所欠缺， 对操作票的填写和操作无法起到完全的监护作用，并且事故责任认定困难。 2 现今电网规模不断扩大，操作较以往既多又杂，调度员在每天开写大量 操作票的同时，还要向各下级调度以及变电所发布操作命令( 即操作票) ，大多 采用的电话发票，不仅费时费力，而且极容易出现错误，成为调度员每天工作 的一个负担，也影响调度自动化的全面发展。 3 人为的习惯性违章时有发生，有可能出现调度员严重违反“两票三制 的规定，一人包办开票、审票以及执行操作票的情况，甚至有些调度员在执行 完操作后再补填操作票，缺乏领导监管。 4 调度员每天开写、审核、发布、执行的操作票没有一套有效的监管方式， 即公司领导、审核人员不能随时查询、审阅各操作票的的状态和执行情况，做 东北电力大学硕士学位论文 到“心里有数 。 5 调度交接班纪录不规范、不准确，可能出现错交、漏交现象以及实际操 作时的运行方式可能会与计划安排时的情况有差异，都将导致填写操作票时不 能实时对位，给填写操作票带来一定的误导。 为防止因以上原因而发生调度误操作事故，我们以此为基本思想开发一套集智 能、开票、审票、发票，执行票，培训、合理安排运行方式及自动防误于一体 的基于g i s 发票的电网调度操作票管理系统，通过软件功能实现智能避免各种 人为误操作事故的发生。 1 4 本文所做的主要工作 本课题从调度员对于电网自动化软件系统操作的习惯，和当今软件开发的 主要方式等方面考虑，提出了一套具有指导性和实践性的操作票系统的总体设 计思想。并在这个总体设计思想的指导下，结合吉林省刚刚正式使用的吉林省 输变电地理信息系统，制作成了一套新型的电网调度操作票管理系统。 同时本文根据省公司关于完成潮流计算功能的指示，针对吉林省网的具体 特点，对潮流的收敛性以及实际性问题进行了研究与总结。 具体工作如下： 1 介绍了专家系统的理论以及在操作票专家系统中的应用，并结合面向对 象编程技术和网络编程的三层结构，开发一种新型的操作票系统。对生成的操 作票在模拟演示模块进行模拟演示和安全审核，并通过g i s 系统向子站发送这 张操作票，使系统在完全安全的状态下进行操作，即：操作票操作全程网络化。 2 根据电业安全工作规程对设备操作的要求，并结合现场工作经验， 总结出电气倒闸操作规则。通过产生式表示法来表示这些操作规则，设计了一 个通用的知识库，使操作票系统的s q ls e r v e r 数据库与吉林省输变电地理信息 系统的o r a c l e9 i 数据库实现数据共享，数据同步。研究各种常用的一次接线 方式下电气设备的连接关系，结合用户的实际要求，总结各种电气设备之间的 连接规律，构建了一个通用的推理机系统，从而提高了系统的通用性和移植性。 3 利用c s 与b s 相结合的网络结构，在编写、审核、发布和执行操作票 第1 章绪论 层面采用c s 结构；在查询、浏览操作票层面采用b s 结构，即b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 结构，在客户端使用标准的w e b 页面浏览器，不需安 装特殊的应用程序，减少了升级和维护的难度。 4 设计了通用的图形编辑模块，管理者用简单的、非编程的手段创建各种 图形界面( 即各变电站的主接线图) ，然后在这个界面上输入规则信息，构成规 则库，并可以自定义操作规则，实现系统的通用性和灵活性。 5 系统在实际中的应用。提供了多种开票方式，智能开票、调用典型票手 工开票等多种开票方式满足用户的开票需求。开完票之后，提供给用户安全校 核的功能，此部分通过三种不同的方法增加的操作票的安全性。 东北电力大学硕士学位论文 i i 第2 章专家系统的知识表示 2 1 专家系统概述 专家系统就是为了解决具有专家级的适当规模的问题，采取一定的策略， 具有相当丰富的权威性知识，且有学习机制，能对知识库进行改进，以增进解 题能力的计算机程序系统。专家系统是当前人工智能研究中最活跃的一个分支， 它在某些特定领域内，能以人类专家的水平去解决该领域中的问题，在某些方 面甚至可能超过人类专家。 专家系统强调所拥有的知识对系统的性能水平有着重要的影响，因此它具 有区别于其它计算机程序系统的一些特剧1 ： 1 具有专家水平的专门知识。 专家系统所拥有的知识面可以很窄，针对某个特定的领域，但必须要有专 家的水平。即它能高效地解决领域范围之内的各种问题，它在解决质量、速度 和运用启发式规则的能力等方面都应体现出具有本领域专家的水平。 2 具有一定的复杂度和难度。 专家系统所处理的知识是很专门的领域知识，所涉及的面可能很窄，但必 需要有一定的复杂程度。因为简单到一定程度的领域问题就根本不需要任何专 家来解决，从而也就没有什么专家知识可言。这表明专家系统在解题时的推理 深度不能太浅，搜索路径不能太浅太直，必需具有一定的解题难度。 3 具有解释功能。 专家系统在解题过程中或在做出某个决定后，应能自己解释“为什么要这 样做? “如此做有什么好处? ，“它是如何做的? 等等问题。这在一些交互式专 家系统中更是十分重要的。当用户对专家系统的行为不可理解时，往往随机地 要求专家系统回答“为什么? ，“有什么? ”以及“如何? ”等问题。 4 符号处理的能力 专家系统应具有进行符号处理的能力，它能采用符号准确地表示领域有关 的信息和知识，并对其进行各种处理和推理。这表明专家系统处理的对象主要 第2 章专家系统的知识表示 是符号表示的知识和信息而不仅仅是数据。 5 具有一般的问题求解能力。 各种专家系统还应该具有一种公共的智能行为，能做一般的逻辑推理，目 标搜索和常识处理等工作。而且专家系统往往采用试探性( 或启发性) 方法进行推 理，为了能更符合现实情况甚至能采用不精确推理与知识不完全推理等。这些 都是在一般求解时必需的，它与专门的领域知识结合就使专家系统能够解决特 定领域内的各种专业问题。 6 具有获取知识的能力。 与人类专家相比，目前的专家系统显得有些“浅薄”，它缺少人类专家知识面的 广度和对基本原理的理解。很显然，它不能象人那样思考，抓住重点，分析、 判断得出结论，从不同的角度考察同一问题。今天的专家系统只能大体上模仿 人类专家的思考方法。它是通过从人类专家那里得到的许多相关的判断或猜测 而做出主要决策的。与人类专家不同，专家系统不能有效地依靠最初的原理或 常识推理，也不能学习过去的经验举一反三。比起数据处理系统，专家系统似 乎更智能、更专门。传统的数据处理系统是通过从算法上对大量的数据进行累 积和处理，使费时的事务员的工作自动化，而专家系统通常是完成那种典型的 要具有专门知识的人在几分钟或几小时内完成的量大而且性质相对重要的任 务，如翻译、诊断、订计划、排时间表等等。为了完成这些任务，专家系统有 选择的利用数据进行推理。与基于算法的数据处理方法中所出现的问题相反， 专家系统通常要考察大量的可能性，或者说动态的建立解决问题的方法。 2 2 专家系统基本结构 专家系统一般由数据库、知识库、推理机三部分构成，三者之间的数据关 系和控制关系如下图所示。 东北电力大学硕士学位论文 图2 1 专家系统基本结构图 1 数据库 用来存放所解问题的原始数据( 事实) 和推理过程中得到的各种中间信息。为 了使推理机能方便地求解问题，数据的表示和组织形式应尽量和知识库的表示 相容。 2 知识库 用来存放系统求解问题所需要的领域专门知识。知识获取过程中获得的专 门知识，以适当的知识表达式和结构形式存人知识库中。一个专家系统性能的 高低，决定于知识库中知识的完善程度和良好的组织结构。它是开发专家系统 的一项最关键的工作。知识库具有存贮、检索、修改等功能。 3 推理机 它是一组程序，用来控制、协调整个专家系统的工作。根据数据库中的信 息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略去解决所研究的问题。推理机由 具有向知识库添加新内容或删去旧内容的功能。 专家系统是在某一领域内具有专家经验和知识的计算机程序，并能像人类专家 那样运用这些知识，通过推理做出决策。一个典型的专家系统由4 部分组成：知 识库、推理机、知识获取机制和人机界面。专家系统已成为在电力系统中应用 最为成熟的人工智能技术。国内外已发展了多种专家系统，应用于电力系统的 不同领域：监测与诊断、电网调度、预想事故筛选、系统恢复。尤其是监测与故 障诊断、电网调度等已成为专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 在电力系统最重要的应用领 域。采用计算机自动生成操作票，其实就是将已规定过的开票原则和运行人员 第2 章专家系统的知识表示 的开票经验采用计算机可识别的方式表示出来，计算机在开票过程中根据操作 任务对这些知识进行有选择的调用，从而找出问题的解决路径，并将结果采用 自然语言表示出来，正确性校验等方面的考虑，也就是开出了一张操作票。同 样，对于防误操作、也是将已有的知识、表示出来，计算机通过调用这些知识 解决问题。因此，操作票生成系统本质上来说也就是专家系统【8 d 1 1 。 2 3 专家系统的知识表示 2 3 1 知识的概念 知识是智能活动的基础。专家系统中知识库的大小和质量是决定其性能和水平 的关键因素。整个专家系统的构建都是围绕知识的获取、表示和利用来进行的。 知识是人们对客观世界的规律性的认识。在人工智能中，指的是事实、过 程、规则及启发式信息。知识可以分成以下三类： 1 过程型知识。 传统的寓于程序中的知识。这种知识很有针对性的表达特定问题的求解步 骤，其执行效率较高。但它依附于成熟完善的解法，并需要提供准确、完整的 数据，因此适应性很差。 2 描述型知识 以描述的方式来表示的知识。描述型知识包括了事实知识和判断知识。事 实知识是对事实的描述，例如：“鸟有翅膀”，“雪是白色的”等。判断知识是指 对事实的判断，例如：“如果鼻塞、流鼻涕，则可能是感冒 等。描述型知识易 于理解、可读性好，同时知识之间联系简单，可扩充性好。但由于它是比较底 层的知识，因此处理问题需要的知识量大，效率也较低。在知识库中考虑到知 识的独立性、可维护性，以及知识库的通用性和适应性，采用描述型知识表示 是适宜的。 3 元知识 关于知识的知识。元知识告诉系统如何使用它所知道的知识，及其限制是 什么? 在专家系统中，指有关系统如何运行或推理的知识。如有关领域知识的使 东北电力大学硕士学位论文 用和控制等。 上述这些知识要由计算机进行处理必须有一个能系统的管理、存储和使用 知识的机构，这就是知识库系统。知识库系统就是一个具有能用计算机所存储 的知识对输入的数据进行解释，生成作业假说并有对其进行验证的功能的系统。 专家系统中的知识表示就是研究表示知识的原则和有效的表示方法或模 式，使知识能够合理的存储在机器中，以便于对知识的使用、修改、增加、删 除及变换。 知识表示是专家系统研究的一个最基本的问题。知识采用什么形式表示， 使计算机能对之进行处理，并以一种人类能理解的方式将处理结果告知人们， 这是知识库系统首先要解决的关键。知识表示必须使人容易理解，除了分散的 个别的知识容易理解之外，还要求使整体的知识也容易理解。即要求知识表示 具有层次化、模块化、网络化，同称为知识的结构化【1 2 1 4 】。 2 3 2 知识的表示法 知识表示法，又称知识表示模式或知识表示技术。目前，知识表示法有：逻 辑表示法、语义网络法、产生式规则法、框架表示法、剧本法、面向对象的表 示法、脚本表示法和神经网络表示法等。 下面介绍一下几个比较常用的知识表示法【1 5 1 7 】： 1 产生式表示法 产生式是一种知识表示方法，有的心理学家认为人脑对知识的存储就是产 生式。产生式的特点是表达格式固定，形式单一，规则( 知识单元) 间相互较为独 立，没有直接关系使知识库的建立较为容易，处理较为简单的特点是可取的。 另外推理方式单纯，没有复杂计算。特别是知识库与推理机是分离的，这种结 构给知识库的修改带来方便，无需修改程序，对系统的推理路径也容易作出解 释。基于这些特点，产生式表示知识常用作为建立专家系统的第一选择的知识 表示方法。下文会对此方法作专门的论述。 2 框架表示法 框架表示法的原理：把大量的经验知识以类似框架的结构存储在知识库中， 第2 章专家系统的知识表示 当遇到的问题发生变化时，从知识库中选择一个框架，根据实际情况填写或修 改它的细节，从而对新的问题作出新的解答。 3 面向对象表示法 面向对象方法的基本出发点是按照人类认识客观世界的方法和思维方式来 分析和解决问题。它以抽象数据类型为基础，能方便地描述复杂对象的静态特 性、动态行为及相互作用。面向对象的方法是以描述对象的数据结构为中心来 构筑系统的，这直接对应于人类知识和记录客观事物的方式。它通过引入对象 类的概念及消息传递，实现了数据抽象、信息隐蔽和对象类之间的( 关于对象特 性和操作的) 继承性。这种“类 的概念，反映了人类认识事物从特殊到一般的 归纳抽象，而继承性则实现了从一般到特殊的演绎过程。使用面向对象方法开 发的系统占用硬件空间较大，运行时间开销也较大，因此往往被应用在规模较 大、问题领域较复杂的专家系统中。 4 脚本表示法 脚本描述的是特定范围内一串原型事件的结构，而不是事物本身。这里的 原型事件指的是一类性质类似的事件的概括模式。脚本有用的原因在于，现实 世界里事件之间有因果关系，这些因果关系可以理解为事件发生的模式。脚本 其实就是对这种模式的描述，它包含了事情发生的激活条件及其结局。尽管脚 本较框架而言是不太通用的结构，不适合用于表达各种知识，但它们对表达预 先构思好的特定知识很有效。 2 3 3 产生式系统的描述 大多数专家系统可由数据库、操作、控制几部分组成，并以复杂的方式相 互作用。为了清晰的描述一个专家系统的行为，建立一种称为产生式系统的模 型。产生式系统是一个基于产生式规则表示知识的知识库系统。产生式系统是 目前知识库系统中使用最为普遍的一种，其主要原因有两点1 1 3 聊： 1 用产生式系统结构求解问题过程和人类求解问题的思维过程很相像，因 而可以用来模拟人们求解问题时的思维过程。 2 人们可以把产生式当作人工智能系统中的一个基本的知识结构单元，从 东北电力大学硕士学位论文 而将产生式系统看作是一种基本模式，因而研究产生式系统的基本问题就对人 工智能的研究具有广泛的意义。 一个产生式系统由三个基本部分组成： 1 规则库：是产生式规则的集合，规则的形式为( 条件) t h e n ( 操作) 。条件 表示激活该产生式规则的前提，结论表示条件满足时要做的动作。规则的意义 是：如果( i f ) 条件满足，贝i | ( t h e n ) 系统执行动作( 或得出结论) 。 2 动态数据库：用以存放求解问题的已知条件信息( 事实) 和推理过程的中间 结果。数据库中的已知条件信息可以是永久性的，中间结果则仅与求解的当前 问题有关。 3 推理机：控制产生式系统的整个问题求解过程。推理机制基于“认识行 动”循环周期的推理方法。在认识周期通过模式匹配和冲突消解去寻找一个最 适当的产生式规则；在行动周期执行合适的规则，并用得到的中间结果更新动态 数据库内容。通过认识、行动周期的反复循环，直到没有被匹配的规则或其它 中止循环的条件被满足为止，最终达到求解问题的目标。 产生式系统为大多数涉及搜索的各种问题的求解提供了好的模式。本文专 家系统都采用了产生式作为其基本的知识表示形式。 2 4 本章小结 1 随着人工智能的发展，专家系统的观点逐渐被各行各业所广泛接受，被 应用到各行各业的问题求解中。电网调度操作票专家系统是运用调度人员的专 业知识和现场经验进行推理和判断，通过模拟现场工作人员的决策过程来开写、 流转、管理调度操作票的应用软件。 2 现有能够推广的调度操作票必须具备“防误 功能，但是除此之外，绝 大多数的操作票系统功能过于单一，仅仅提供生成操作票功能，而不能将操作 票的整个流程融入到软件中，并且通用性和可维护性差，难以成为真正的自动 化软件。 3 现有的调度操作票系统往往都是一个独立的软件，不能够合理利用现有 的已经推广的电力辅助系统，例如：s c a d a 、g i s 系统。 第2 章专家系统的知识表示 4 操作票监督功能不完善，领导不能随时监督操作票的执行情况。 本论文接下来介绍的操作票管理系统主要从以上几个方面进行改进与升级，达 到真正的实用功能软件。 东北电力大学硕士学位论文 第3 章操作票专家系统的基本结构 3 1 知识库的设计与实现 3 1 1 电网模型知识库 1 图形库 图形数据库：图形数据库存储一次接线图的基本数据，如各元件的位置数据 等，是由操作票管理模块依据一次接线图制成的。该数据库是拓扑知识库的数 据来源，对以后的操作票生成起着很重要的作用。系统可以通过分析变电站的 接线方式，再与常见接线方式的拓扑结构相比较，建立自己的拓扑知识库。 2 一次设备元件库 设备元件库：存储各设备元件的相关信息。包括所属操作单元。 将电网各组成部分视为不同的对象，并用类来进行定义和描述。根据各电 气设备的共同属性抽象出父类电气设备类。在这一电气设备类的下面分为 若干予类，如“主变类”、“开关类、“母线类 、“刀闸类”、“出线间隔单元类 等。 一次设备“开关 的基本参数包括：名称、编号、所属厂站、电压等级、首 末节点编号、所属操作单元编号、设备全称、开关型号、允许开端次数、允许 拉闸次数等。 一次设备“线路的基本参数包括：名称、编号、所属厂站、电压等级、节 点编号、所属操作单元编号、设备全称、长度、型号等。 一次设备“主变 的基本参数包括：名称、编号、所属厂站、各侧电压等级、 主变类型、接线组别、容量等。 3 设备状态库 状态数据库：状态数据库存储设备的状态，在这里指开关和刀闸的断开和闭合 状态。设备状态可分为初始状态和当前状态，因此状态数据库包括设备初始状 态表和设备当前状态表两个表。这里的状态数据需要手动调整【2 0 】。 第3 章操作票专家系统的基本结构 曼量曼曼曼曼曼曼皇曼毫曼皇曼曼曼曼鼍曼量詈暑量鼍曼鼍皇量曼曼皇曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼mm 曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼量曼曼量曼量曼量鼍曼量曼皇舅 表3 - 1 设备库表介绍： 序号表含义表名称 1 保护记录表b d sl a b h 2 避雷器记录表b d s l _ b l q 3 电抗器记录表 b d s l d k q 4 刀闸记录表 b d s ld z 5 开关记录表 b d s lk g 6 母线记录表 b d s l _ 眦 7计算支路记录表 b d s l j s z l 8 变压器记录表 b d s l - b y q 9 发电机记录表 b d s l f d j 1 0 电感器记录表 b d sl d g q 1 1 电容器记录表 b d sl d r q 1 2 电流互感器记录表b d s l d l h 1 3消弧线圈记录表b d sl _ x h x 1 4接地线记录表 b d s l j d x 3 1 2 电网操作知识库 电网知识库包括操作任务库，操作规则库，操作项目库，操作术语库等内 容，其中操作规则库是核心。 操作任务表：任务名称、设备类型、对应规则、已知参数 操作规则表：规则名称、已知参数、规则内部序号、成立条件、对应项目 操作项目表：项目名称、参数序列、设备类型、对应术语 操作术语表：术语名称、参数个数、参数位置 3 1 3 操作票库 操作票数据库：包括操作票索引表和操作票表。 东北电力大学硕士学位论文 皇曼曼量曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼量璺量曼曼鼍曼曼曼曼量曼量量曼舅曼曼曼皇皇曼i 曼曼曼曼曼量量皇舅曼曼曼鼍曼曼曼量量曼曼皇曼皇璺皇曼曼量曼曹 操作票索引表：操作票编号、所属厂站、各表头项 操作票序列表：操作票编号、操作序列、序列内容 操作票档案：操作票编号、操作票修改时间、操作票内容、修改人 操作票同步：操作票编号、自动生成序列 操作票统计：时间信息、合格率、操作票总数 表3 - 2 操作票库主要表如下： 1 表含义表名称 2 操作票索引表 c z p l b 3操作票序列表 c z p 4 操作票档案 c z p d d 5 操作票统计c z p t j 6 操作票同步 c z p t b 3 1 4 调度员身份认证库 人员权限数据库：存储人员权限信息。系统操作分为调度员和管理员两种， 分别行使使用权与维护权。 3 2 推理机的设计与实现 3 2 1 推理方法 专家系统的最终目的就是解决实际问题。显然问题的求解也就成了专家系统的 根本性问题。问题求解的过程主要是推理和控制的过程。所谓推理是指依据一 定的规则从已有的事实推出结论的过程。控制和推理不同，控制所追求的不仅 仅是问题的解，还要寻找一个优化的求解步骤。控制体现了求解问题的目的， 而推理则反映了问题中各部分间的逻辑关系。一个问题的求解正确与否取决于 推理的过程是否合乎逻辑。而一个问题求解的效率如何则取决于控制，即求解 第3 章操作票专家系统的基本结构 策略，或称控制策略，控制策略反映了问题求解的出发点和思路。不同的控制 策略则反映了不同问题的复杂性和多面性。 推理方法是知识的很重要的一部分，用它可以从已有