（计算机应用技术专业论文）unix下操作票自动生成系统的开发与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 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。针对某电业 局的实际需要，我们开发了一套操作票专家系统。 本文通过对操作票制度的全面分析，根据专家系统的设计原则并结合 u n i x 操作系统和o r a c l e 数据库的特点，设计了一套操作票自动生成系统。并 且针对当前流行的组件技术，特别是c o r b a ( 公共对象请求代理结构) 技术进行 了深入研究之后，提出和建立了一套基于三层c s 结构的操作票专家系统工作 模式，总结出了开发c o r b a 应用程序的步骤和方法。本课题研究的主要特色 有：第一，利用三层c s 框架结构实现操作票自动生成系统。把规则库封装到 功能层，这样即有利于实现多站同时调度，又可以提高系统整体通讯速度，有 一举两得的作用，是区别传统操作票生成系统的关键所在。第二，本课题充分 利用u n i x 操作系统和o r a c l e 数据库相结合的优势，将电气操作机制、u n i x 程 序设计和数据库理论融合成一个有机整体。国内电力系统的工作站大都采用 u n i x 操作系统，而目前操作票自动生成系统的研究却是以w i n d o w s 平台为基础 的，不符合用户的实际需求。我们设计的此系统是在t r u 6 4u n i x 环境下实现的， 有很大的实际应用价值。第三，从系统实际情况出发，利用共享规则库、多进 程间数据共享等技术提高了系统运行速度。 本文对以下内容作了重点讨论与研究： 配电操作步骤的知识表示：本文在对配电操作步骤进行详细分析后，抽 象出配电操作的共性，将操作规程用产生式规则描述出来，在此基础上构成了 专家系统的规则库。 子推理机的设计以减少推理的复杂程度：由于电气操作规则很多，在推 理过程中难免出现推理冲突，所以本文把操作规则按线路停电、线路送电、变 压器停电、变压器送电分为四部分，相应的推理机也形成四个子推理机，这样 有效的减少了推理过程中出现的应用规则相冲突的情况，提高了系统的效率。 规则库的快速启动：快速启动是t r u 6 4u n i x 的一种能力，它能大幅度减 少一个程序的装载时间。由于规则库封装在功能层，其快速装载成为提高整个 系统运行速度的关键。 山东大学硕士学位论文 三层c s 模型的提出与实现：本课题基于o r b it 2 中间件构造了一个三层 c s 模型，把规则库和操作员工作站相分离，有效的解决了两层结构的不足。 此外，本文还以实例的形式对u n i x 下o r a c l e 数据库的访问、共享库的编 写、m a k e f i l e 的编写以及共享内存的设计等关键技术做了详细论述，对使用 u n i x 系统的操作票设计人员有很好的指导作用。 关键字：配电自动化、专家系统、知识库、推理机、规则库、三层c s 结构、 共享库 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p e r a t i o nt i c k e ts y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tt ot h es a f e t yo f p o w e r s y s t e m t h eo p e r a t i o nt i c k e ta u t o c r e a t i o ns y s t e mp r e s e n t e di nt h i s a r t i c l ei s d e s i g n e df o rap o w e rs t a t i o nb yu s i n gt h ee x p e r t s y s t e m t e c h n i q u e t h i sp a p e rd e s i g n sa no p e r a t i o nt i c k e ta u t o c r e a t i o ns y s t e mt h r o u g h a n a l y z i n gi nd e t a i lt h ef o u n d a t i o nm e c h a n i s mo fo p e r a t i o nt ic k e ts y s t e m ine l e e t r i cp o w e rp l a n tw h i c hb a s e so nt h eu n i xo p e r a t i n g s y s t e ma n d o r a c l ed a t ab a s ep l a t f o r m i ta l s om e n t i o n st h ep o p u l a rd i s t r i b u t i n g c o m p o n e n tt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yc o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ) t e c h n o l o g y a p p l y i n gm e t h o d sa b o v e ，a na r c h i t e c t u r eo f o p e r a t i o nt i c k e te x p e r ts y s t e mb a s e do n3 - 1 y e rh a sb e e np r e s e n t e d ，a n d w ed r a ws o m ec o n c l u s i o n sa b o u th o wt o d e s i g n c o r b a p r o g r a m t h e c h a r a c t e r i s t j c so ft h i sa r t i c l ea sf o l l o w s ：f i r s ti si tu s e3 - l a y e rc s a r c h i t e c t u r et or e a l i z et h e o p e r a t i o n t i c k e ta u t o c r e a t i o n s y s t e m ， e n c a p s u l a t i n gt h er u l eb a s ei n t ot h ef u n c t i o nl a y e r t h i sh a sd o u b e f u n c t i o n ，o n ei sm n l t i s u b s t a t i o no r i e n t e d ，a n dt h eo t h e ri s t h a tt h e s p e e d o fc o m m u n i c a t i o ni se n h a n c e d t h es e c o n di si tc o m b in e st h e o p e r a t i o nm o d e ，p r o g r a m m i n gu n d e ru n i xa n dt h et h e o r yo fd a t a b a s e ，u s i n g t h ep r e d o m i n a n c eo fo r a c l eo nt h eu n i xs y s t e m a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h o fo p e r a t i o nt ic k e ta u t o c r e a t i o ns y s t e mi su n d e rw i n d o w ss y s t e m b u t m o s to ft h ew o r k s t a t i o ai no u rc o u n t r yi sr u n n i n gu n i xs y s t e m t h i ss y s t e m w ed e s i g n e di su n d e rt r u 6 4u n i x ，a c c o r d i n gw i t ht h ef a c t sa n df i g u r e s t h et h i r dist h a tt h es p e e do fs y s t e mi se n h a n c e db yu s i n gt h et e c h n o o g y o f s h a r el ib r a r ya n dd a t as h a r e db e t w e e nm u l t ip r o c e s s e s i tm a k e sad e e p l yd i s c n s s i o no ft h ef o l l o w i n gi t e m ： h o wt oi n s t r u c tt h eo p e r a t i o nb yk n o w l e d g e ：a f t e rw em a k i n ga f u r t h e r1e a r n i n go ft h eo p e r a t i o no r d e r ，w eg e tt h es i m i l a r i t yo ft h e 山东大学硕士学位论文 o p e r a t i o no r d e ra n dd e s c r i b e t h e o p e r a t i o n r u l e si n a l g o r i t h m t o c o n s t it u t et h er u leb a s eo ft h ee x p e r ts y s t e m t h es u b r e f e r e n c ee n g i n ei sd e s i g n e dt os i m p l i f yt h ep r o c e s s b e c a u s et h er u l e sa r et o om a n y ，t h ec o n f l i c t sa r ei n e v i t a b l ei nt h ec o u r s e o fr e a s o n i n g s ot h i sp a p e rd i r i d e st h er u l e si n t of o u rp a r t sb yp o w e r c u to fe l e c t r oc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yo fe l e c t r oc i r c u i t ，p o w e rc u to f t r a n s f o r m e ra n dp o w e rs u p p l yo ft r a n s f o r m e r t h er e f e r e n c ee n g i n ei s d i v i d e di n t of o u rp a r t si nc o r r e s p o n d e n c e t h i sm e t h o dd e c r e a s e st h e c o n f l i c t sa n de n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo ft h i s s y s t e m q u i c k l yl o a d i n gt h ek n o w l e d g eb a s e ：q u i c k l yl o a d i n g i st h ea b i l i t y o ft r u 6 4u n i x i ti sat i m e s a v i n gm e t h o d b e c a u s et h er u l eb a s ei s i n s t a l l e di nf u n c t i o nl a y e r ，i t sq u i c k l yl o a d i n gi st h ek e yt ot h es p e e d o ft h is s y s t e m b r i n gf o r w a r dt h e3 - l a y e rc sa r c h i t e c t u r ea n dr e a l i z ei t ：t h i s p a p e rb r i n g sf o r w a r d a3 - l a y e rc sa r c h it e c t u r eb a s e do nt h em i d d l e w a r e o fo r b i t 2 i td i v i d e st h eo p e r a t i o nr u l e sa n dt h eo p e r a t o rw o r k s t a t i o n ， f i n d sas o l u t i o nt ot h es h o r t a g eo f2 - 1 a y e rc s t h ep a p e ra ls op r o b e sd e e p l yi n t ot h ea c c e s so fo r a c l eu n d e ru n i x ， d e s i g no fs h a r el i b r a r y ，p r o g r a m m i n gt h e m a k e f i l ea n dt h es h a r e m e m o r y b yg i v i n ge x a m p l e ，w h i c h i s h e l p f u lf o rt h eu n i xp r o g r a m m e r k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n 、e x p e r ts y s t e m 、k n o w l e d g eb a s e 、 r e f e r e n c ee n g i n e 、r u l eb a s e 、3 - l a y e rc sa r c h i t e c t u r e 、s h a r el i b r a r y i v 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垂磊 日期： 垃鞋12 ，n 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至乞导师签名： 日期：丝哗j ，乙 山东大学硕士学位论文 1 引言 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的 需求越来越大，这就促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，企业对供电质量 和供电可靠性的要求越来越高。与此同时，对电力操作的要求也就相应提升到 一个新的档次，操作票自动生成系统就应运而生了。 1 1 背景 操作票是为完成某一个特定操作任务填写的、关于变电设备操作步骤的文 档资料。变电操作是指电气设备或电力系统由一种运行状态变换到另一种运 行状态，由一种运行方式变为另一种运行方式时所进行的一系列有序操作，操 作步骤是根据操作票来完成的1 0 】 1 1 1 。因此操作票的开写是电力系统进行电气操 作前必须履行的一项重要工作，正确无误的操作票是电力安全生产的基础。 操作票的编写十分严格，字迹要求清晰，编号齐全，各项应按严格的操作 顺序编写，不能有错字、漏字、涂改。每个操作步骤都必须填写清楚，大到母 线、小到开关，往往张票长达十几项，对于某些大型的操作票可能长达二十 几项，由于在操作票填写过程中容易遗漏、添加或者写出不符合操作规程的操 作项目，可能导致误操作引发事故。所以正确清晰地填写操作票是一项十分细 致、认真、责任重大的工作，同时也是一件相当费时、费力的事情。 另一方面，值班运行人员的素质和业务水平参差不齐，开写操作票的水平 也高低不一：同时又受到环境、时间、健康以及它原因的影响，难免会出现差 错，一个小小的失误，轻的因偏离行业术语而受罚，重则有可能导致严重的安 全事故，它给运行人员带来了很大的精神压力。因此，写操作票对运行人员来 说是一项繁重的工作。 观代大电网电压等级齐全，厂站接线方式多样，运彳亍方式灵活，决定了其 操作票是复杂而灵活的。由于接线方式复杂，经常出现特殊操作，一次操作和 二次操作交叉进行，且一次和二次设备繁多，它们间的顺序要根据电网运行方 式、继保定值变化综合确定：这些复杂的关系要在操作票中正确的列写出来， 这就要求开票人员非常属性现场设备性能和运行规程，有丰富的经验和怠好的 山东大学硕士学位论文 技术，清醒的头脑和高度的注意力。因此操作票的填写是经常困扰变电运行人 员的一个非常实际而又急需解决的问题。 随着电力系统的不断发展，许多变电站都采用了微机综合自动化系统，这 就大大提高了变电所的自动化水平，同时也对变电所的运行管理提出了新的要 求。特别是电力部门实行变电站无人值班后，其变电操作采用操作队的模式， 变电操作队的值班人员可能同时面对几个变电站的操作任务，如果仍用手工写 操作票，不仅劳动强度过大，而且有时根本来不及。因此操作票的填写就更成 了值班人员的沉重负担，并要花费大量的时间，从而延误停、送电操作，手工 填写操作票己很难适应现代化大电网安全优质、经济运行的要求，因此，利用 计算机代替人工来自动填写电气操作票是运行人员所希望的。它可以使运行人 员从繁杂的操作票填写工作中解脱出来，并且保证电气操作票的正确性，这无 疑有利于提高电力系统的安全可靠性。 1 2 国内关于操作票的研究 国内自8 0 年代后期以来，一些高校以及科研院所先后开展了这方面的研究 工作，并开发了针对某一具体发电厂或变电站的微机生成操作票系统。这些系 统都逐步投入到实际的电力生产管理中，它们的有效性也正为许多运行人员认 可。对于国内研制的微机生成操作票系统，按其采用的设计和实现方式可分为 以下几种： 1 ) 典型票的计算机管理系统：这种系统将各类型的操作票全部输入计算机， 建立典型票库，由程序进行统一管理、查询、调用：当需要开列操作票时，从 计算机中调出相应的典型票数据文件，根据操作所涉及设备的运行状态手工修 改编辑典型票，以形成可实际执行的操作票，然后由计算机打印成票。这种系 统只是对以往操作票进行计算机归档管理，便于查询、检索；同时，对新的操 作票生成提供“导向式”模板的帮助。其意义是加强了操作票的资料管理，提 高了操作票生成的规范性，减少了开票工作量。这种计算机辅助开列操作票的 方式尽管大大提高了运行值班人员的工作效率，改善了开票人员的工作条件， 但是应该看到，编辑典型操作票数据文件的工作量是非常大的：另一方面，这 些典型票在计算机中是“死”的，不带任何“智能”，计算机无法结合设备当时 的实际运行状态自动形成可执行的操作序列，所以每次开票时都要由人员修改 典型票，任务繁重。 2 ) 基于谓词逻辑的操作票自动生成系统：这是采用智能型的t u r b op 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，是数据和 程序的结构统一。其语法简单，接近自然语言的描述方式，具有自动模式匹配 和回溯的控制机制，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，不必指定求解问题的详细步骤，推理过程中推理机根据操作任务将有关对 象的事实与规则库中的规则进行匹配。这种方式的系统中电网拓扑结构知识由 专门的模块管理，推理机制以及操作任务是由开发人员设定的，在操作任务不 变的情况下，能满足用户要求。但由于语言本身的限制，图形功能差，对于稍 大些的图形，一般只能分屏显示。在已开发的系统中，完全是基于菜单操作， 没有图形功能。 3 ) 数据库结构方式的操作票自动生成系统：这类系统摈弃了专家系统的模 式，按传统程序设计的原理，采用数据库的方法来实现：数据库的组织采用二 维数学矩阵的形式，由于主接线图中电气设备较多，而一般一个电气设备仅与 某几个电气设备直接相连，所以无论选用什么方法来确定矩阵的行列数目，在 矩阵中都存在一定的稀疏度，这就要求设计者考虑合适的存储格式。有的系统 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。 以上是我国现在具体应用的几种操作票的实现方案。虽然微机生成操作票 系统在减轻运行人员负担和提高电力系统安全运行水平等方面有着重要意义， 但赢到现在，微机生成操作票系统的推广应用一直缓慢，全国多数发电厂、变 电站仍然实行由操作人员手工填写操作票的方式，这说明目前的微机生成操作 票系统还有待完善。究其原因，主要表现在以下几个方面： 1 ) 一致性差：由于目前的微机生成操作票系统基本上是一个孤立的系统， 没有与s c a d a 系统结合，设备状态的刷新要靠手工完成，系统都是在离线方 式下工作的，因此拓扑网络知识库中各电气元件的状态与当前的电网状态可能 会出现不一致，例如实际电网中某隔离开关出于故障而跳闸，而在操作票系统 中是不知道的。从而导致编写出的操作票有的步骤不能执行。 山东大学硕士学位论文 2 ) 用户的可维护性不完善：随着各地电网的发展，各个发电厂和变电站所 管辖的设备越来越多，可能在一定时间内电网结构就会发生变化，如设备的扩 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，这就需要 按照当前电网的实际状况来更新电网拓扑知识库及保护配置，保证其与实际电 网的一致性，并对相应的规则库做出改进以满足操作术语及操作规程变化的需 要。但目前的微机生成操作票系统大部分知识库、推理机、程序没有完全分离， 没有实现工程实用化。 3 ) 出票不够理想，实用性差：出票率不够理想，出票率大多在9 0 以内； 生成操作票的过程中，人工干预的地方很多，干预的方式也极为呆板，没有一 家真正的窗口式全鼠标操作的人机界面，使用不够方便。 1 3 发展的趋势 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，电力系统对操作票专家系统提出了四大要求： 1 ) 通用性：要求同一软件既能满足单站要求，又能调度多站系统； 2 ) 用户可维护性：软件应能适应系统的不断变化，即要求程序与数据分离； 3 ) 实用性：灵活且多功能集于一体，能自动开票、在线浏览等； 4 ) 可用性：界面友好，操作简单。 1 4 本课题的意义和特色 目前国内开发的操作票系统都是在w i n d o w s 环境下运行，但是u n i x 操作系 统目前在我国配电自动化领域中仍然占有很大应用优势，究其原因主要有： 1 ) 多数变电站使用的工作站为s u n 工作站、h p c o m p a o 工作站，这些工作 站在购买的时都预装了自己开发的u n i x 操作系统( s u n 工作站预装s o l a r i s u n i x 、t i p c o m p a q 工作站预装t r u 6 4u n i x ) ，而且他们在这方面的技术已经非常 成熟。 2 ) u n i x 和w i n d o w s 相比较以其出色的稳定性和安全性深受用户的信赖， 而且它还提供简单而统一的i 0 设备接口。u n i x 将所有的设备都用文件表示， 用户可以使用与处理文件相同的命令和系统调用来访问设备。开发者写程序完 山东大学硕士学位论文 成i o 操作时不必考虑这个操作是对文件的，还是对用户终端，打印机，或其 他设备进行的。这一特性与s h e l l 中的i o 重定向一起提供了一个简单而强大 的i o 接口，深受用户喜爱。 3 ) 针对不同的数据库，各公司对不同u n i x 核心进行了不同的优化，对系 统参数进行了相应的调整，加大了系统的负载能力。经过严格的测试u n i x 数据 库服务器与大型商业数据库结合，具有很高的稳定性和安全性。 而现在所有国内的操作票系统大都不适用于u n i x 环境。这就给我f 1 的课题 提出了新的要求。 本课题是配电自动化中操作票自动生成系统的设计与实现，其研究的主要 特色有： ( 1 ) 利用三层c s 框架结构实现操作票自动生成系统，这样即有利于实现多 站同时调度，又可以提高系统整体通讯速度，有一举两得的作用。 ( 2 ) 本课题充分利用u n i x 和o r a c l e 相结合的优势，将电气操作机制、l n i x 程序设计和数据库理论融合成一个有机整体。 ( 3 ) 从系统实际情况出发，利用共享规则库、多进程间数据共享等技术提高 了系统运行速度。 2 操作票生成系统总体设计 本课题的研究背景是滨州l l o k v 变电站配电自动化系统，设计依据为国家 电力公司1 9 9 9 年颁布的l o k v 配网自动化发展规划要点( 试行) 、鲁电集团生 【2 0 0 0 15 0 0 号“关于印发山东电力集团公司配电系统自动化实用化验收导 则和山东电力集团公司配电系统自动化实用化要求的通知以及滨州电业 局制定的“滨州电业局1 9 9 8 2 0 0 0 年城市电网改造规划”建议书。 2 1 概述 滨州1 1 0 k v 变电站作为山东省内电压等级最高的枢纽变电站在新世纪初投 入建设。它使山东电网的变电水平上了一个新台阶。本论文是以滨州1 i o k v 仿 真变电站作为开发环境，并成为仿真系统的一部分。 滨州l l o k v 变电站是以超高压，大容量，高新技术装备为特点的大型变电 5 山东大学硕士学位论文 站。该变电站设备先进，接线复杂，在电网中的地位十分重要。对它的安全运 行要求特别高。运行人员需要了解，掌握和处理的信息量也急剧膨胀。而传统 的监控手段和信息处理方式及与此相应的传统管理模式远远不能满足该变电站 的运行需求。这种滞后性己严重制约着安全运行水平的提高和电网综合效益的 发挥。因此，迫切需要在变电站仿真系统中应用新的计算机技术，创造出新的、 更具有实用性、真实性、维护方便、拓展容易的仿真系统以适应发展的需要。 而操作票专家系统的研制就成为仿真系统不可缺少的一部分。运行于操作员工 作站的原有操作票开票方式已经不能满足变电站的要求，主要原因为原操作票 生成系统采用的是典型票的计算机管理系统，在总体技术水平提高的环境下， 其一致性差、可维护性不好的缺点暴露无疑，成为急待解决的问题。 2 。2 本课题的提出以及工作内容 为解决以上问题，我们认真分析了原有操作票生成系统的机制，决定在其 基础上采用专家系统技术设计一个操作票自动生成系统。 我们预期新系统能具备以下功能： 1 ) 通用性：能面向多个变电站，因为电气操作采用统一操作的模式后，变 电操作队的值班人员可能同时面对几个变电站的操作任务。当新增一个变电站 时，系统也能进行方便地操作。 2 ) 用户的可维护性完善：近期内电网改造情形比较多、比较快，所以当用 户的一次、二次配嚣发生改变或者操作规程发生改变时，用户只需修改以文件 形式存放的规则库，开出的操作票便能做出相应变动。 3 ) 一致性好：系统与s c a d a 接口，能动态实时地反映现场设备状态。 4 ) 出票准确性：正确无误的操作票是电力安全生产的基础，而该系统是否 能投入使用，关键也是生成票的准确率。本系统的准确率要求为1 0 0 。 2 3 操作票生成工具 电气操作是操作任务、操作意图、操作方案的具体化，其主要内容有操作 任务、要操作设备的名称、设备的操作类型、操作顺序等f 1 3 l 。而运行人员编写 变电站电气操作票，就是根据当班设备的运行方式，按照规程规定和调度令， 6 山东大学硕士学位论文 对相关设备及其操作类型进行排序的过程。操作票的填写主要是基于操作规程 和运行人员的经验开写的，无法用常规的数值方法求解，因为这一过程无法建 立精确的、贴切反映实际的数学模型，包括反映它的约束条件等，运行人员运 用经验开列操作票的方法不能用算法或数学形式表示，他们的经验来自于知识 的积累，来自于心灵深处的体验，是启发式的、直觉的。而专家系统正好可以 处理一些常规的计算程序和分析程序无能为力或不够有效的问题，特别是它可 以用来处理那些无法用数学模型来描述的问题。在这些问题中，人类专家的经 验起着主导作用。因此，专家系统在实际中应用得越来越广泛。在电力系统中， 已经把专家系统技术运用到开列电力系统调度操作票的工作中。操作票专家系 统的原理并不十分复杂，主要是一些逻辑上判断工作，不需要数值计算。专家 系统易于模仿人的思维，最适宜解决非数值计算问题。不仅在于此，由于人们 很难把各种操作都预想到，变电站也可能扩建，利用一般程序设计方法编写操 作票，就显得不灵活甚至开不出操作票：而专家系统可以不断学习新操作，开 出新操作票，还可以扩充、修改知识库，使其逐步完善。实际上，变电站操作 票的生成具有较强的规则性，这些规则往往以规程、经验、原则、约束等出现， 我们通称为知识。 虽然，每个变电站的电气接线方式有所不同，但对于电气保护和电气操作 的知识都是相通的，因此采用专家系统技术，将操作票生成所涉及的大量规程、 经验、原则、约束条件等知识性的东西，输入计算机，借助计算机的计算、推 理以及大量人机交互即可自动生成操作票。我们也可称这类系统为操作票计算 机生成专家系统，可见专家系统是生成操作票的有效工具。所以在此采用专家 系统技术和相关的搜索策略，根据运行人员输入的有关信息，自动形成操作票 有羲实际的意义： 1 ) 汇集了有经验领域专家的知识和经验：确保了操作票的正确性，从而保 证了电力系统操作的安全性； 2 ) 改进与提高了操作票的清晰度与规范化，提高了开票的速度，有利于操 作票的存取和管理，因而提高了效益； 3 ) 解除了运行人员过多的重复劳动，从而使他们有精力处理较复杂的运行 问题： 山东大学硕士学位论文 4 ) 操作票专家系统相对于紧急控制、恢复控制等专家系统较易于实现，且 前者是实现后者的基础。故以此作为专家系统在电力系统中应用的突破口，有 利于累积知识工程师和领域专家合作的经验，为探索专家系统在电力系统运行 中的进一步应用创造有利条件。 基于以上分析，我们决定设计一个小型的操作票专家系统，代替原来的系 统。 2 3 1 人机界面设计工具 目前u n i x 上流行的g u y 开发工具是建立在xw i n d o w 之上的m o t i f 。然而， m o t i f 开发图形人机界面周期太长，不适合短期开发。在u n i x 下人机界面的开 发工具还有一种就是t c l t k ，但是经过我们的实际应用发现它对中文的支持不 够稳定。所以我们选用了a p p l i c a t i o nb u i l d e r 作为g u i 开发工具。a p p l i c a t i o n b u i l d e r 是d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ( 数字设备公司) 推出的u n i x 下的 g u i 开发工具。利用a p p l i c a t i o nb u i l d e r ，设计人员可以以图形化的方式设计 各种客户关照的工作流，并且它对中文的支持有很好稳定性。 2 3 2 专家系统设计语言的选择 人工智能语言是计算机程序设计语言的一个子类，由于其表示形式、功能 以及机理适合于描述人工智能范畴的问题，因而常被用来编写专家系统和其它 以知识为基础的系统。常用的人工智能语言有l i s p 语言、p r o l o g 语言以及 s m a l l t a l k 语言【2 】。目前c c + + 语言由于其面向对象等特性已渐渐成为专家 系统常用的开发工具。在专家系统的开发中使用c c + + 具有很多优点。专家 系统包含三个主要组成部分：知识库、推理机和用户接口【4 1 。在专家系统的开 发阶段可以使用c 编制推理机，这样很易与c 软件包中的窗口图形软件一起构 成友好的、图文并茂的用户界面。在知识库的表示中，主要是专家知识的表示， 常用的有规则、语义网络、框架、逻辑表示等，逻辑和简单规则的表示可用c 语言实现；对于框架和结构化的规则用c + + 描述较为合适。鉴于c c + + 在面 向对象上的优势，我们使用c c + + 作为开发语言。 山东大学硕士学位论文 2 4 系统概述 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 ) 存储问题求解所需的专家知识，即系统中必须存储线路、断路器( 开关) 、 变压器、母线、隔离开关( 刀闸) 等单元的知识和单一操作的操作规则知识。 2 ) 存储具体领域内的初始数据和推理过程中所涉及到各种信息，即系统规 则调用时应存储调用规则的前提条件和系统下达操作任务后到最后生成操作票 过程中的目标和子目标。 3 ) 根据当前输入数据，利用己有的知识，根据操作人员下达的操作任务启 动推理机，按照一定推理流程来生成操作票。 4 ) 够提供知识获取的人机接口，用户能相应地修改输入，查询相关的参数 和信息。 系统图如图( 2 1 ) 所示： 图2 一l 系统结构图 1 ) 人机接口模块 人机接口模块是用户与系统的交互界面。 在主界面上通过选择操作任务，而后交推理机。 提供历史操作票查询界面，用户能够查询过去开出的操作票信息。 向用户显示最终生成的操作票，用户可以在此票面上进行编辑。 向用户显示相关的设备信息，用户可以查询有关的事项及帮助信息。 9 山东大学硕士学位论文 2 ) 推理机模块 推理机模块是专家系统中的核心模块，负责系统的推理、操作票的生成及 数据、规则的驱动策略。这里的推理模块类似黑板模型，领域知识被划分成互 相独立的知识模块，在解空间和与任务有关知识的整个组织中使用适时推理， 即动态地决定应用哪一个知识模块，动态地选择和激活适用的知识源，适时响 应任务的变化。一般专家系统的设计集中了所有抽象出来的经验规则形成知识， 然后推理机对数据库和知识库进行搜索、查询以及匹配。由于需要针对整个知 识库进行搜索，故推理过程比较复杂且时间较长。本系统抽取多个变电站设备 ( 对象) 的共性，然后把某一对象所需要的规则、事实封装进对象中。不同的对 象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。 3 ) 数据库模块 数据库要用于存放各种数据，也是本课题重要的一环。里面不仅存储了所 有历史操作票，还存储典型操作票( 经常使用的操作票) 。数据库采用o r a c l e 8 i 商用数据库。包含静态数据库和动态数据库。静态数据库中还存放各站设备的 相关属性，如位置、大小、状态、颜色、类型、名称、编号以及各操作单元对 象的有关设备连接信息等，另外设备的保护配置也放在静态数据库中。操作员 数据库主要存放历史操作票和典型操作票，核心s c a d a 数据库实时存储各站设 备的相关属性。动态数据库作为一个暂时的容器，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 就节省了内存空间。 4 ) 知识库模块 用于描述和保存运行人员关于开列操作票的专业知识。知识采用规则的形 式表示包括线路停电操作规则库、线路送电操作规则库、变压器停电操作规 则库、变压器送电操作规则库等。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。当系统扩容时，知识库加载加入最新的设备信息知识， 同时对于一个专家系统来说，其生命力在于其扩建性，即能基于己有的规则， 去适应电网改造，来生成相应的操作票。 5 ) 主接线图模块 0 山东大学硕士学位论文 主接线图实际上为数据库模块的一个子模块，原因是接线图上的元件以库 表的形式存放在s c a d a 数据库中。一次主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圈元件的标注，参数的显示及输入等。 一次主接线图在设计时把每个图元作为一个对象，每个图元对象都有自己 相应的数据结构。把各种电气设备如主变、母线、开关、隔离开关等都分别用 图元表示，同时对各图元代表的各站具体设备信息进行处理，保存在对象相对 应的数据库中，以便推理机的搜索、查询。根据以上特点，一次主接线图首先 形成各变电站所属设备图元，然后对图元进行编辑、组合形成主接线图，而后 对图中设备进行标注，最后对设备的参数进行输入。这样将图元处理与相关信 息处理分步进行，层次分明，便于操作。 以上工作均在h p - - c o m p a q 操作员工作站、h p c o 肝a qs c a d a 工作站， c o m p a qt r u 6 4u n i x 多任务操作系统下实现。 3 知识库的设计 知识库是知识的存储机构，用于存储领域内的原理性知识、专家的经验知 识以及有关的事实等。知识库中存放的知识质量对于人工智能系统解决问题的 能力有着直接影响，知识的组织形式关系到问题求解的效率。因此，知识库的 设计优劣关系到整个系统的好坏。 3 1 知识库的构建 要使智能的机器系统具有人的智能，必须以人的知识作为其工作基础。知 识表示就是要研究用机器表示知识的可行、有效、通用的原则和方法p 1 。 一般知识表示共有逻辑、语义网络、产生式规则、框架、剧本以及原型等 多种方法以及它们之间的组合。由于本课题中配电知识都为硬性操作，前后具 有很强的逻辑性，所以本课题中的知识表示采用的是最普遍的产生式表示法。 产生式表示法又称为产生式规则表示法。产生式通常用于表示具有因果关 系的知识，其基本形式是： p q或者i f pt t t e n q 其中，p 是产生式前提，用于指出该产生式是否可用的条件；o 是一组结论 1 1 山东大学硕士学位论文 或操作，用于指出当前提p 所指示的条件被满足时，应该得出的结论或应该执 行的操作。整个产生式的含义是：如果前提p 被满足，则可推出结论q 或执行 q 所规定的操作f 2 】【钔。 把一组产生式放在起，让它们相互配合，协同作用，一个产生式生成的 结论可以供另一个产生式作为已知事实使用，以求得问题的解决，这样的系统 称为产生式系统。 一般来说，一个产生式系统由以下三个基本部分组成：规则库，综合数据 库，控制系统。他们之间的关系如图( 3 1 ) 所示。 圈3 1 产生式系统组成 3 2 规则库 用于描述相应领域内知识的产生式的集合称为规则库。规则库是产生式系 统赖以进行问题求解的基础，其中的知识表示是否完整、一致，表达是否准确、 灵活，对知识的组织是否合理等，不仅将直接影响到系统的性能，而且还会影 响到系统的运行效率，因此规则库的设计与组织应该放在专家系统相当重要的 地位。 3 2 1 电气操作知识说明 无论电气操作如何复杂，都是由于电力系统运行方式改变或因工作需要， 使变电站设备的使用状态发生改变。所以，对于任何电气操作来说，其具体操 作任务如下： 第一种情况：设备四种状态互换 运行状态：指相关一、二次回路全部接通带电。 热备用：指断路器断开、隔离开关合上。 冷备用：指断路器、隔离开关均断开，但回路中的互感器、避雷器等均接 山东大学硕士学位论文 通。 检修：是使回路中的开关设备断开，挂接地线，装设遮拦，悬挂标示牌。 对于变电站设备检修，它包括：开关检修、线路检修、变压器检修、母线检修， 它们都有各自的操作方式，例如开关检修为开关及直流操作回路熔断器和两侧 隔离开关断开，开关两侧接地；线路检修为断路器和线路侧隔离开关均断开， 并在线路侧接地等。 一般电气操作由检修状态转为运行状态时，其工作顺序为：检修状态一一 冷备用状态一一热备用状态一一运行状态；由运行状态转为检修状态时，其工 作顺序为：运行状态一热备用状态一冷备用状态一一检修状态。以某开关 由运行状态转换为检修状态为例，按照设备状态控制原理： 运行兰塑墅量墨热备用丛墅童! ! 冬冷备用盒垄垫型堕堕显主孓检修 电气操作四种状态的转换在具体操作上依照的步骤如下所示： 1 运行状态一热备用状态1 ) 断开必须切断的断路器：2 ) 检查所切断的断路器处 在断开位置。 2 运行状态一冷备用状态1 ) 断开必须切断的断路器；2 ) 检查所切断的断路器处 在断开位置；3 ) 断开必须切断的隔离开关；4 ) 检查 所切断的隔离开关处在断开位置。 3 运行状态一检修状态1 ) 断开必须切断的断路器：2 ) 检查所切断的断路器 处在断开位置。3 ) 断开必须切断的隔离开关；4 ) 检查所切断的隔离开关处在断开位置：5 ) 挂上保护 用临时接地线或合上接地隔离开关：6 ) 检查合上的 接地隔离开关处在接通位置。 4 热备用状态一运行状态1 ) 合上设备所必须合上的断路器：2 ) 检查所合上的 断路器处在合上位置。 5 热备用状态一冷备用状态1 ) 检查所切断的断路器处在断开位置；2 ) 断开必须切 断的隔离开关；3 ) 检查所断开的隔离开关处在断开 位置。 6 热备用状态一检修状态1 ) 检查所切断的断路器处在断开位置；2 ) 断开必须切 山东大学硕士学位论文 断的隔离开关：3 ) 检查所切断的隔离开关处在断开 位置；4 ) 挂上保护用临时接地线或合上接地隔离开 关；5 ) 检查合上的接地隔离开关处在接通位置。 7 冷备用状态一运行状态1 ) 检查全部接线；2 ) 检查所切断的断路器处在断开位 置；3 ) 合上必须合上的全部隔离开关；4 ) 检查所合 上的隔离开关在接通位置；合上必须所合上的断路 器；5 ) 检查所合上的断路器在接通位置。 8 冷备用状态一热备用状态1 ) 检查全部接线：2 ) 检查所切断的断路器处在断开 位置；3 ) 合上必须合上的全部隔离开关；4 ) 检查所 合上的隔离开关在接通位置。 9 冷备用状态一检修状态1 ) 检查所断开的断路器在断开位置：2 ) 检查所断开的 隔离开关在断开位置；3 ) 挂上保护用l 临时接地线或 合上接地隔离开关：4 ) 检查合上的