（电力系统及其自动化专业论文）牵引保护动作行为分析的专家系统.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i mt h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , an e w s e e d t i m ef o rr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma u t o m a t i o nh a sc o m e t h e r e l i a b i l i t y o fr e l a y p r o t e c t i o n d e v i c e si sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tw h e n s n l l c n l r ea n dr u n n i n gm o d eo fe l e c t r i c a lr a i l w a yv a r yf r o md a yt od a y t h e p a p e rd e s i g n sa p r o t e c t i v ea c t i o na n a l y s i se x p e r ts y s t e m ，w h i c hi ss h o r t e da s n 蝴s t h r o u g hs t u d y o fa u t o m a t i o nd e v i c e su s e di n r a i l w a y t r a c t i o n s u b s t a t i o na n da n a l y s i so fm a n a g e m e n to fi n f o r m a f i o ns y s t e mf o rt h em o t i o n o ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m n 蝴sh a st h r e ef u n c t i o n s w h i c ha r e m a n a g e m e n to fp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o n ，a n a l y s i s o fp r o t e c t i v ea c t i o na n d v i r t u a l p r o t e c t i o n i tm a i n l y i n e l u d e sc o n n e c t i o no fa u t o m a t i o nd e v i c e s s t o r a g ea n dm a n a g e m e n to f p r o t e c t i v ea c t i o n ，d i s p l a ya n da n a l y s i so f r e c o r d e d w a v ed a t a , v i r t u a lr e a l i z a t i o no fp r o t e c t i v e a c t i o n 。m a n a g e m e n to fe x p e r t p r o t e c t i v e a c t i o n a n a l y s i sk n o w l e d g e ，e x p e r ta n a l y s i s o fp r o t e c t i v ea c t i o n r e s u l t s ，d a t at r a n s m i s s i o no f d i a l u pn e t w o r k ，s e t u po f s y s t e mp a r a m e t e ra n ds o 0 n t h es u c c e s so fp m s d e s i g nh a s av e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i t p r o v i d e sap o w e r f u lt o o lw h i c h c a l lm a k e r e l a yp r o t e c tt a s k ss t a n d a r d i z ea n d i n t e l l i g e n t i z e t h e s et a s k si n c l u d en o r m a lr u n n i n go fr e l a yp r o t e c td e v i c e s ， f a u l ta n a l y s i s ，f i x e dv a l u em a n a g e m e n ta n dp r o t e c t i v ea c t i o nc h e c k o u t s oi t c a nl e s sl o c a lw o r k e r sw e r k l o a da n di m p r o v et h e i rw e l r ke m c i e n e y , w h i c ha r e v e r yi m p o r t a n tt ot h er u n n i n go fp o w e rs u p p l ys y s t e mo nt h es a f es i d e i ti s i m p o r t a n tf o rr a i l w a y t r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e ma u t o m a t i o n p a a e sa d o p t0 0 pt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e dm u l t i p l a y e rs t r u c t u r ea n d a d 0 t e c h n i q u ef o ra c c e s s i n gd a t a b a s e i ti sr e a l i z e du n d e rt h e o r i e so fe x p e r r s y s t e ma n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e r n + i th a sag o o dg u f o rl o c a l w e r k e r sa n di t so p e r a t i o ni sv e r ys i m p l ea n de a s yt ou n d e r s t a n d t h ed e s i g n e d s y s t e mh a ss o m ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ea u t o m a t i o no fr a i l w a y 仃a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m k e y w o r d s ：t r a c t i o np r o t e c t i o n ；e x p e r ts y s t e m ；m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m ；v i r t u a lp r o t e c t i o n 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 。1 选题背景意义 第一章绪论 众所周知，我国电气化铁路以其特有的优势在全部运营铁路中所占的 比重越来越大，在铁路运输中发挥着举足轻重的作用。这种重要地位使其 必须具有很高的可靠性和安全性。电气化铁路的安全可靠运行，很大程度 上取决于继电保护功能的完善程度及其技术特性指标，包括速动性、可靠 性和选择性等【1 6 】。 在牵引供电系统结构和运行方式不断多样化的同时，正确评判继电保 护装置的动作行为( 包括正确动作、拒动和误动) ，对于消除事故隐患、 保障安全可靠供电显得更为重要。目前，这项工作主要依靠有经验的工程 师、专家来承担，这对运行人员要求甚高。因此有必要开发一个牵引保护 动作行为分析的专家系统，协助运行人员完成这项工作，从而提高牵引供 电系统的可靠性，进一步推进牵引供电自动化的进程。 另外，当前变电站综合自动化系统和牵引供电运营管理信息系统 ( p o w e r s u p p l ym a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简记p s m i s ) 的应用， 为获取各种保护动作信息提供了方便，这也为p a a e s 的开发提供了前提 条件。 1 2 可行性分析 第一，诞生于1 9 6 5 年的专家系统，9 0 年代后进入了成熟阶段，大量 成功的专家系统相继涌现。无论是在技术还是在经验上，这些专家系统的 成功开发为我们提供了有利的支持。 第二，近几年来，面向对象的思想和技术以其明显的优势影响着计算 机科学和应用的各个领域。由于面向对象程序设计的类、对象、继承、封 装等概念，与人工智能特别是知识表示和知识库产生了天然的联系，所以 面向对象程序设计语言被广泛引入人工智能程序设计，特别是知识工程、 西南交通大学硕士学位论文第2 页 专家系统程序设计。而对于本专家系统，由于知识具有一定的层次性，如 牵引变电所的继电保护装置按其保护元件的类型可分为馈线保护、并补装 置保护、动力变保护、主变保护，每类保护装置都包含有自己的保护单元， 各个保护单元又都有自己的判断逻辑，这些比较容易用类、对象来表示。 综合以上两点，p a a e s 采用面向对象技术表示知识是可行、有效的。 第三，近年来综合自动化系统的应用、以及p s m i s 的开发为p a a e s 提供了数据来源和技术支持。 第四，随着我国牵引供电自动化过程的不断推进，现今各级部门均已 装备了完整的信息化设备，这为p a a e s 的运行提供了基础平台。 1 3 本论文所做的工作 本文以t a 一2 1 综合自动化系统和p s m i s 为基准开发了p a a e s ，主要 完成了以下几个方面的工作： 1 、本文分析了专家系统在电力系统及牵引供电系统中的应用现状； 2 、牵引保护动作信息管理模块设计与实现( m i s ) 本文通过分析t a ，2 1 综合自动化系统中的各种保护信息( 包括整定 值、故障报告、自检报告、事件报告和录波数据等) 的定义格式，存 储结构，建立了本地数据库存储。实现了信息的存储、显示等统一管 理，并通过计算机网络实现了信息的统一管理和资源共享； 3 、虚拟保护模块的设计与实现 本文总结了目前牵引变电所的各种保护的原理、方案、构造，并以牵 引变压器主保护为例，用纯软件的形式虚拟了整个保护的动作过程； 4 、保护动作行为的专家分析模块的设计与实现( e s ) 本文通过分析牵引保护动作的原因，建立了保护动作行为分析的规则 库和事实库，实现了知识库管理系统，保护行为分析的推理机制、解 释机制等； 系统整个开发过程严格遵守软件工程的思想，避免了开发过程的盲目 性和低效性。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 第二章专家系统基本原理、思想 2 1 专家系统的的产生与发展 人工智能产生于2 0 世纪5 0 年代，是一门研究如何使计算机具有认识 问题与解决问题能力的学科【“。几十年来获得了很大的发展。专家系统是 人工智能应用领域的一个重要分支，一方面它是人工智能的理论和方法 ( 如知识表示、搜索策略) 的应用环境，另一方面它的研究和发展又不断 丰富和发展了人工智能学科。专家系统与模式识别、智能机器人被列为人 工智能发展的三大前沿 6 】。 专家系统产生于2 0 世纪6 0 年代中期，美国斯坦福大学的费根鲍姆 ( e a f e i g e n b a u m ) 1 9 6 5 1 9 6 8 年研制的化学分子结构专家系统 d e n d r a l 系统是专家系统的雏形系统。它能像化学专家那样进行质谱 分析，推断化学分子结构。1 9 6 5 1 9 7 1 年麻省理工学院( m r t ) 的教授英 格曼( c e n g l e m a n ) 等研制了数学专家系统m a c s y m a 标志着专家系统 的诞生【3 。 1 9 7 2 - 1 9 7 4 年，美国斯坦福大学的s h o n l i 恐等研制了诊断血液细菌 感染的医疗诊断专家系统m y c 玳；1 9 7 6 - - 1 9 8 1 年斯坦福国际人工智能研 究中心( s r d 的r o d u d a 等设计了地质探矿专家系统p r o s p e c t o r ， 并用它成功地发现了美国华盛顿地区的铝矿；1 9 7 6 年d b l a n e t 等在斯坦 福大学完成了能进行概括、抽象和归纳推理的数学专家系统a m ，并用它 发现了某些数论的概念和定理，以后他们又研究成诊断和治疗青光眼的专 家系统s a s n e t ，诊断内科疾病的专家系统i n t e r n i s t 等。这阶段开发 的专家系统虽大多是单学科专业型的，但它们均属结构较完善，功能较全 面( 如具有解释功能，使用启发性知识和非精确推理等) 的专家系统，它 标志着专家系统技术己基本成熟。 随着专家系统逐步成熟，它的应用领域迅猛扩展，处理的问题难度也 不断增加。7 0 年代中期以前的专家系统其数据信号大都属解释型和诊断 型，处理的问题基本上是可分解的。7 0 年代后期，在专家系统向纵深发 西南交通大学硕士学位论文第4 页 展的实践中发现，开发一个专家系统需要许多人协同工作很长时间，其中 知识获取是一个关键的瓶颈问题。为了加快研究速度，需要对知识的自动 获取、系统的通用性等方面做进一步研究。于是出现了一批专家系统开发 工具，如e m y c r n ( 由m y c i n 来) 、e x p e r t ( 眭ic a s n e t 来) 、o p s 、 h e a r s a y - i i i 、a g e 等，大大缩短了专家系统的研制周期，为专家系统 向更多领域发展及走向实用化提供了条件，是专家系统的又一重大进展。 2 2 专家系统的定义及特点 2 1 1 专家系统的定义 专家系统目前尚无一个精辟的、公认的定义，因为各个应用领域的特 点不同，人们研究的出发点不同，看问题和追求的目标也不同。尽管如此， 专家系统还是有一个比较粗略而一致的定义：专家系统是一个具有大量专 门知识的计算机智能信息系统。它运用知识和推理技术来求解和模拟通常 要由人类专家才能解决的各种复杂、具体问题。它可使专家的专长不受时 间和空间的限制，能被普通人员所使用，以发挥专家更大的作用。【8 】 从上述解释可以看出专家系统包括以下三个方面的含义【2 5 】： 1 、专家系统是一种程序系统，但又具有智能，因此它不同于一般的程序 系统，而是一种能运用专家知识和经验进行推理的启发式程序系统： 2 、专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验和解决问题的诀窍。为 此，专家系统内部必须含有大量专家水平的领域知识与经验，并且能 够在运行过程中不断地增长新知识和修改原有知识； 3 、专家系统所要解决的问题一般是那些本来应该由领域专家才能解决的 问题： 2 1 2 专家系统的特点 专家系统强调系统所拥有的知识对系统的性能水平有着重要的影响。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 专门知识是专家系统的焦点，由专门知识的特点可以归纳出专家系统的三 个主要特点： 1 、启发性( h e u r i s t i c ) 在人类专家所掌握的大量专门知识中，有许多是长期实践中积累起来 的宝贵经验，这些经验知识通常没有严谨的理论依据，不能保证在各种情 况下是普遍正确的，但在一定条件下用来解决问题往往能有效地简化问题 或快速地求得问题的解。人们把具有这种特点的知识称为启发性知识，把 具有严谨理论依据的专门知识称为逻辑知识。使用启发性知识处理问题， 是人类推理的特征之一。人类专家的技能也主要来源于这些启发性知识。 因此，专家系统要达到人类专家处理问题的水平就必须能够存储和利用这 些启发性知识，像专家那样，通过推理和判断来求解问题。专家系统的这 个特点称为启发性。 2 、透明性( t r a n s p a r e n c y ) 专门知识大都是人类专家在实践中积累起来的启发性知识，通常只有 专家本人掌握。为了使用户对求得的结果放心，专家系统必须具有向用户 解释推理过程、回答用户提问的解释功能，以便让用户能够了解推理过程， 提高对专家系统的信赖感，使它对用户是透明的。 3 、灵活性( f l e x i b i l i t y 1 要把专家头脑中的经验知识全部而明确地表示出来并不是件容易的 事，而要反复多次不断扩充才能达到。况且，这些启发性知识往往是有针 对性的，在特定的情况下才是正确的，情况变化后也要随之而变化。这就 要求专家系统具有灵活性。系统中的知识要便于修改、扩充。由于这一特 点，使专家系统具有十分广泛的应用领域。 2 3 专家系统的结构 专家系统的基本结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形 式。不同应用领域和不同类型的专家系统，其体系结构和功能也都不尽相 同。通常，一个最基本的专家系统应由知识库、数据库、推理机、解释机 西南交通大学硕士学位论文第6 页 构、知识获取机构和用户界面6 个部分所组成f 3 ，如图2 - 1 所示。 用户界面 000 解释机制推理机知识获取部分 图2 - 1 专家系统基本结构图 1 、知识厍 知识库是专家系统的知识存储器，用来存放求解问题的领域知识。对 领域问题的专家知识，首先需要用相应的知识表示方法将其表示出来，然 后再进行形式化，并经编码放入知识库中。通常。知识库中的知识分为两 大类型：一类是领域中的事实，称为事实性知识，这是种广泛公用的知 识，也即写在书本上的知识及常识；另一类是启发性知识，它是领域专家 在长期工作实践中积累起来的经验总结。专家系统开发中的一个重要任务 就是要十分认真细致地对专家的这类知识进行分析。 2 、数据库 数据库也称为全局数据库或综合数据库，用来存储有关领域问题的事 实、数据、初始状态( 证据) 和推理过程中得到的各种中间状态及目标等。 实际上，它相当于专家系统的工作存储器，用来存放用户回答的事实，已 知事实和由推理得到的事实。数据库的规模和结构可根据系统目的的不同 来确定，而且，随着问题的不同，数据库的内容也可以是动态变化的。总 之，数据库存放的是该系统当前要处理对象的一些事实。 3 、推理机 推理机是组用来控制、协调整个专家系统的程序。它根据数据库当 前输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求解当前的 西南交通大学硕士学位论文第7 页 问题，解释外部输入的事实和数据，推导出结论并向用户提示等。由于专 家系统是模拟人类专家进行工作，因此设计推理机时，应使它的推理过程 和专家的推理过程尽量相似，并最好完全一致。推理机所采用的推理方法 可以是正向推理、逆向推理或正逆向相结合的双向推理，并且，在这三种 推理方式中，都包括有精确推理和非精确推理。此外，对于一些大中型专 家系统，由于知识库中的知识数量很多，因此其推理机制有知识库管理系 统和推理机两个主要部分组成。其中，知识库管理系统实现对知识库中知 识的合理组织和有效管理，并能根据推理过程的需求去搜索、运用知识和 对知识库中的知识做出正确的解释，而推理机则主要用于生成并控制推理 的进程和使用知识库中的知识。推理机和知识库相分离，是专家系统的一 大特点。这不仅便于对知识库的管理，而且还可以实现具有可塑性、通用 性的系统。 4 、解释机构 专家系统应该能够以用户便于接受的方式解释自己的推理过程。例 如，回答用户提出的“为什么? ”，给用户说明“结论是如何得出的? ” 等。通过这种解释，既可以使专家系统更取信于用户，又可以帮助系统建 造者发现知识库及推理机中的错误。因此，无论对用户，还是对系统自身， 解释机构都是不可缺少的。解释结构实际上也是一组程序，它包括系统提 示、人机对话、能书写规则的语言以及解释部分程序，其主要功能是解释 系统本身的推理结果，回答用户的提问，使用户能够了解推理的过程及所 运用的知识和数据。 5 、知识获取机构 知识获取是专家系统的一种辅助功能，它可为修改知识库中的原有知 识和扩充新知识提供相应手段。其基本任务是把知识加入到知识库中，并 负责维护知识的一致性和完整性，建立起性能良好的知识库。在不问专家 系统中，知识获取的功能和实现方法差别较大，有的系统首先由知识工程 师向领域专家获取知识，然后再通过相应的知识编辑软件把知识送到知识 库中；有的系统自身就具有部分学习功能，由系统直接与领域专家对话获 取知识；有的系统具有较强的学习功能，可在系统运行过程中通过归纳、 西南交通大学硕士学位论文第8 页 总结，得出新的知识。无论采取哪种方式，知识获取都是目前专家系统研 制中的一个重要问题。 6 、用户界面 用户界面是专家系统的另一个关键组成部分，它作为专家系统与外界 的接口，主要用于系统和外界之间的通讯与信息交换。通常，专家系统的 使用者包括最终用户、领域专家和知识工程师。在这三种人员中，最终用 户和领域专家一般都不是计算机专业人员，因此用户界面必须适应非计算 机人员的需要，不仅应把系统的输出信息转换为便于用户理解的形式，而 且还应使用户能方便地操纵系统运行。 2 4 专家系统的优点 近十多年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际 问题的能力越来越强，这是由专家系统本身的优良性能决定的。具体地说 主要包括一下几个方面： 1 、专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作； 2 、专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘 记： 3 、人类专家的领域知识突破了时间和空间的限制，专家系统程序可 以永久保存，并可复制任意多的副本或在网上供不同地区或不同 部门的人们使用： 4 、专家系统能够汇集多个领域专家的知识和经验以及他们协作解决 重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的 工作能力： 5 、专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益： 6 、研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智 能的各个领域的发展起了很大促进作用，并将对科技、经济、国 防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 2 5 专家系统与传统程序的区别 传统程序的设计方法可表示为： 数据十算法= 程序； 专家系统的程序设计方法可表示为： 知识十推理= 程序。 尽管形式相似而且均是以计算机软件求解问题，但实质上并不相同。 前者按人事先指定的步骤求解问题，即指定它去做什么；后者解题的步骤 由程序自己( 即推理) 决定，即它自己决定做什么。传统程序对于一个待 解决的问题，首先要根据它的内在规律，建立一个数学和物理模型，然后 用数值仿真的方法，以算法的形式将数值信息安排在计算机中，使机器按 照数学模型规定的步骤完成数据的处理和计算。整个解题的全部知识都隐 含在整个程序中，因而不易实现解释功能。 专家系统对待解决问题的内在规律往往不能只用数学模型来表示，许 多地方还必须用专门的经验知识( 又称启发性知识) 来表示。这些经验知 识是以规则符号、形式语言或网络图等形式表示的，因此计算机处理的信 息还必须有字符信息，而不只是数值信息。问题求解的过程不是按预先确 定的步骤进行，而是根据环境、条件及要达到的目的，在控制策略指导下， 通过推理搜索而寻找问题解答的过程。在理想的专家系统中，由于知识库 和推理机是相互独立的，因此知识和推理是分开的。这样，不仅易于实现 解释功能，而且因为在修改知识时只涉及到知识库，不会影响程序，使增 减知识也很方便。 专家系统和传统程序在程序设计方面的主要区别如表2 - 1 所示。 比较项目传统程序专家系统 领域知识的表达数值模型和算法规则、框架等知识表示 问题的求解数值仿真逻辑推理、判断 处理的信息数值信息字符信息 知识及知识处理混在一起明确分开 影响可信度的因素模型和算法的精度事实和规则的可信度 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 增加知识的方式改进程序模块，增减困难 修改知识库，容易 解释功能不好好 表2 - 1 专家系统与传统程序区别 2 6 专家系统在电力系统中的应用情况 经过多年的研究，电力系统的大量问题己具备相应的模型，因此，在 专家系统发展的早期对电力系统吸引不大。但是，专家系统在数学、化学 等方面应用取得的巨大成功启发了电力系统研究人员去尝试，很快发现专 家系统在电力系统应用的潜力也是很大的。当前，电力系统中尚有不少难 以建立数学模型，只能靠专家经验求解的问题。例如，正常运行的操作指 导，发生故障时的事故判断和事故处理，电力设备的故障诊断，继电保护 的整定计算等。专家系统在7 0 年代开始应用到电力系统中来，被公认为 较早将专家系统引入电力系统规划、运行与控制领域并引起普遍重视的是 日本的s a k a g u c h i 和m a t s u m o t o ，他们于1 9 8 3 年发表了用专家系统辅助制 定电力系统的恢复策略。此后，专家系统技术在电力系统中的应用引起了 很多学者的重视。 由于这种方法能够处理启发式或经验知识，缓和运行人员的劳动强 度，便于积累知识和培养新手，易于修改和扩充等一系列优点，得到了电 力工业部门运行人员的积极响应和配合，这无疑大大加快了研究工作的进 程。此外，由一些著名专家所做的有关专家系统技术在电力系统中应用前 景的展望文章【8 9 】，充分肯定了这一研究领域的意义和前景，对于促进这 方面的研究工作也起了重要作用。国际大电网会议( c i g r e ) 组织过多次 调查工作，旨在调查专家系统技术在电力系统中的应用现状、发展潜力及 有关经验与教训，对这方面的研究工作起到了很大的推动作用。 1 9 8 8 年8 月在瑞典的斯德哥尔摩和芬兰的赫尔辛基召开了专家系统 在电力工业中应用的首届学术会议，发表了近7 0 遍反映最新动态的论文。 1 9 8 9 年7 月在美国的西雅图又召开了第二届会议，发表论文近9 0 篇，接 着1 9 9 1 年4 月在日本的东京召开了第三届会议，共发表论文近1 2 0 篇。 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 1 9 9 2 年召开的国际大电网会议把专家系统在电力系统中的实际应用列为 优先议题。这些充分说明了电力专家对专家系统所抱的希望，也说明了这 方面的研究工作是近期电力系统的重要研究领域之一。 目前，专家系统技术已应用于电力系统领域的各个方面“2 “，为电 力系统的生产和管理提供了新的智能工具，这对提高电力系统运行的可靠 性，确保电力系统的安全稳定运行有着十分重要的作用。专家系统技术在 电力系统中的应用进展将会继续深入，专家系统技术的引入，必然会为电 力系统的发展带来深远而重要的影响，不但具有重大的经济价值而且具有 重要的理论和现实意义。 另一方面，由于铁路牵引供电与普通电力系统存在的差异，导致很多 开发于普通电力系统的专家系统不能应用于牵引供电系统。目前，专家系 统在牵引供电方面的应用还处于个起步阶段，关于这一方面的成功案例 极少。本论文通过分析专家系统在电力系统中的应用，探讨将专家系统在 牵引供电系统中的应用可行性。 西南交通大学硕士学位论文 第1 2 页 第三章系统需求分析 需求分析简单地说就是分析用户的要求。需求分析是设计数据库的起 点，需求分析的结果是否准确地反映了用户的实际要求，将直接影响到后 面各个阶段的设计，并影响到设计结果是否合理和实用。 3 _ 1 牵引供电运营管理信息系统( p s m i s ) 【4 3 】 p s m i s 是基于计算机技术、网络技术和分布式数据库技术开发的，以 计算机网络为载体、以供电段设备管理和运营管理为主线，实现供电段各 种技术资源、设备信息和运营数据管理的大型集成管理信息系统。其网络 拓扑结构如图3 - 1 。 图3 - 1p s m i s 系统网络拓扑结构 系统通过网络平台将铁路供电段段属部门连成一个整体，利用模块 化、高效灵活的业务软件向用户提供了设备管理、运营管理、图形视频管 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 理、事故抢修支持以及各种业务信息查询统计等功能。能充分实现牵引供 电业务的信息化和标准化，提供各种设计资料和运营资源的共享，通过各 种专家支持系统为管理决策者和技术管理者提供辅助信息和决策依据，并 通过计算机网络将各类报表和数据逐级上报，提供高效快捷的现代化管理 手段，为我国铁路实现网络化实时信息管理打下坚实的基础。 p s m i s 系统立足于牵引供电段本身业务，从基础设计和运营数据入 手，通过统一的计算机网络平台，实现了供电段各种技术资源和运营数据 管理的现代化管理模式。与现有系统比较，它具有如下几点特色。 l 、通过计算机网络平台将铁路供电段管理单位和中心部门连成一个 整体，通过规范化、标准化的数据格式，实现了供电业务的信息 共享和数据的快速传递： 2 、预留对上对下各种接口，系统扩充性强，能方便得与现有各种业 务系统连接，进步实现供电段各种业务的全面统一管理； 3 、采用基于分布式组件技术( d c o m ) 的三层c l i e n t s e r v e r 应用软 件结构，系统具有良好的伸缩性、容错处理和负载均衡能力，能 平衡网络数据流量，支持高速局域网拨号接入方式，实现统一的 网络传输模式。使得供电段网络硬件和结构的升级不影响p s m i s 系统的正常使用： 4 、从基础业务资料入手( 如检测车数据、综自系统信息、各种设计 资料) ，充分发挥计算机的性能，实现了基础业务的微机化管理和 各种报表的自动汇总功能，大大减轻了人工操作强度，降低了人 工失误： 5 、通过数据挖掘技术和专家支持系统，能从原始的设备信息和运营 数据中提取有效信息，构建各种专家系统，如“故障事故抢修系 统”、“变电所主设备状态监测和寿命估计系统”、以满足决策层和 技术管理人员的需要； 6 、为提高供电段事故抢修能力，减轻事故损失，事故抢修系统将设 备履历、运营管理、抢修指挥和辅助决策等功能集成一体，实现 事故抢修的标准化、规范化，能快捷的给出事故情况下的故障点 西南交通大学硕士学位论文 第1 4 页 的设备信息、设计图纸信息、地理环境信息，并参考历史事故处 理和抢修规程，给出辅助的抢修预案； 7 、建立和维护了接触网沿线模型，通过接触网设备和部件运营信息 的记录，为状态修提供决策依据； 8 、灵活的业务功能模块结构，使不同管理模式下的用户可自定制满 足具体管理模式的系统： 9 、提供了与铁道部现有“履历薄管理系统”的数据转换接口，可方 便的从现有系统升级： 3 2 综合自动化系统 变电所综合自动化系统就是将变电所的继电保护装置、控制装置、测 量装置、信号装置综合为一体，以全微机化的新型二次设备替代机电式二 次设备，用不同的模块化软件实现机电式的二次设备的各种功能，用计算 机局域网络通信代替大量信号电缆的连接，通过人机接口设备实现变电所 的综合自动化管理、监视、测量、控制及打印记录等所有功能【1 2 】。它的 应用提高了变电所自动化程度，缩短了系统处理事故的时间，提高了电力 系统的可靠性，并为实现无人值班创造了条件。 t a - 2 1 牵引变电所综合自动化系统是在认真总结国内外同类技术与 产品的成功应用经验的基础上，成功研制的适应于电气化铁路发展需要的 高新技术产品。该系统的结构如图3 2 所示，它由馈线保护测控单元、当 地监控单元、现场总线、视频监控单元和通信单元等组成。 t a 2 1 牵引变电所综合自动化系统具有以下特点： 1 、保护、测量与控制单元采用品质优异的3 2 位c p u 硬件平台及基 于a d s p 技术的高精度数据采集系统，支撑完善的保护、测量与 控制功能； 2 、高精度的故障测距、高采样率的故障录波和负荷录波，便于故障 查找，保护动作行为和负荷状况分析； 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 r 立量暇端旷| 立旦p c 7 千藿甲 吨乎谇 j ；o n w o r “罂场总线。i 蔺尚蔺尚随尚尚 图3 - 2t a 2 1 牵引变电所综合自动化系统结构图 3 、完善的事件记录，便于保护动作行为分析和监视各保护、测量与 控制单元的工作情况； 4 、采用一套装置负责一个( 组) 断路器及相关隔离开关的保护、测 量与控制设计模式； 5 、馈线保护、测量与控制单元能进行瞬时性与永久性故障的识别， 减少重合于永久性故障对设备的冲击； 6 、馈线保护、测量与控制单元具有最大负荷统计功能： 7 、控制回路断线定位到每个对象，便于维修与维护； 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 8 、双l o n w o r k s 现场总线网络，具有良好的开放性、互操作性和7 层完整的网络通信协议，提供r s 一2 3 2 通信接1 ：3 ，与仿真与试验 工具系统连接； 9 、保护、测量与控制单元支持i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 等通信规约，当地监 控单元与调度端的通信支持i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 等通信规约； 1 0 、保护、测量与控制单元可存储5 套保护整定值，4 0 次故障报告 和故障录波； 1 1 、保护、测量与控制单元可自动调整模入通道的增益和校正p t 、 c t 的角差，提高测量精度； 1 2 、高标准的电磁兼容性能，可直接下放到开关设备就地； 1 3 、保护整定值可通过调度端、当地监控单元和试验与仿真工具系统 在线整定： 1 4 、完善的自检功能，指示装置的工作状态。 p a a e s 主要应用于具有安装全套综合自动化系统牵引变电所的铁路 供电段，完成管理保护动作信息，分析保护动作原因、跳闸定性及对故障 抢修支持，同时p a a e s 通过计算机网络可应用于铁路其他各级部门，完 成上述工作。 3 4 业务分析 3 4 1 牵引保护动作信息管理业务分析 保护信息管理是将综合自动化系统中保护装置所采集到的信息( 主要 包括：整定值、自检报告、故障报告、事件报告、故障录波) 通过计算机 实现统一的管理并需借助计算机网络实现资源共享，方便各级部门查询分 析。具体业务流程是：牵引变电所综合自动化系统将各种运行的保护装置 西南交通大学硕士学位论文第l7 页 的信息记录下来，并按照规定的格式存储于设备存储结构中。当需要时通 过显示装置或打印成文本供现场工作人员或各级部门查询。流程如图3 3 。 保护动作信息记录 图3 - 3 牵引保护信息管理业务流程 目前，综合自动化系统与上级部门的通讯功能主要完成了与调度中心 的信息交换，将保护动作的各种信息通过r t u 远传至调度中心的远动系 统中，而没有完成与供电段信息中心的信息交换。供电段要进行保护信息 管理则需通过手工方式进行 这种现行的牵引保护信息管理方式存在很大的弊端： l 、操作繁琐，调度中心只关心日常操作和事故处理，而不用录波数 据和其它信息进行保护动作行为分析和设备诊断之类的工作，这些工作主 要由铁路供电段技术室完成，目前的管理方式供电段要进行保护信息管理 就必须通过变电所或调度获取保护动作信息，这样很难实现信息的准确、 完整收集； 2 、由于信息量大、操作繁琐必然给管理工作带来很大麻烦，不利于 资源的统一管理，更谈不上资源共享： 3 、综合自动化系统的存储量有限，不利于统计分析。 p p a e s 统通过接口程序将存储于综合自动化系统中的各种信息以规 定的格式存储于数据库中，并通过计算机网络显示给各级用户查看。通过 p a a e s 铁路供电段的各个业务部门均可随时查看保护动作信息，实现信 息管理。同时大大方便了技术室工程师对保护动作行为的分析和安调室对 跳闸的定性。系统业务流程如图3 - 4 。 亨 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 图3 4 嚷统毫引俱护信息管理业务流稗圈 3 4 2 虚拟保护业务分析 虚拟保护是以保护动作的录波数据为依据，依靠纯软件的形式虚拟保 护装置的动作过程，并给出保护动作信息。通过用虚拟保护得出的动作信 息和通过综合自动化系统得出的保护动作信息进行比较，判断保护动作原 因。业务流程如图3 5 。 图3 - 5 虚报保护业务流程图 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 3 4 3 保护动作行为专家判断的业务分析 当牵引变电所中保护装置发生动作时，现场工作人员或领域专家将根 据综合自动化系统所记录的信息及经验对动作原因及性质进行判断，找到 故障设备，排除故障。具体业务流程如图3 - 6 。 3 5 数据分析 3 5 1 概述 图3 - 6 专家分析业务流程图 通过业务流程分析，我们对整个p a a e s 的业务流程、业务内容有了 一个全面的认识。在数据流分析中，数据流分析的工具将采用数据流图 ( d a t af l o wd i a g r a m ) 。通过数据流图进一步分析整个系统将实现那些功 能，这些功能之间是如何通过数据流相互关联的。 数据流图由四个图形符号来表示：外部实体、数据处理、数据流、数 据存储。图3 7 就是数据流图的图例。 蕃蒿 一护 一 保 h 合设 一合化备一 鳔动 西南交通大学硕士学位论文第2 0 页 臣外部实体 塑塑亟垒坠 数据流 数据处理 雨面r 厂甄磊再磊丽数据存储 图3 7 数据流图图例 1 、外部实体指系统以外又与系统有联系的人或事物。它表达该系统 数据的外部来源和去处。外部实体也可以是另外一个信息系统。 2 、数据处理处理指对数据的逻辑处理或变换。 标识部分：用来标别一个功能： 功能描述部分：用来描述这个处理的功能： 功能执行部分：表示这个功能由谁来完成； 3 、数据流指处理功能的输入或输出。箭头指出数据的流动方向。 4 、数据存储表示数据保存的地方。“地方”不是物理地点或物理介质， 而是指数据存储的逻辑描述。 3 5 2 分析描述 根据业务分析结果，总结p a a e s 的数据流程图如3 - 8 。 西南交通大学硕士学位论文第2 1 页 综合自动化设备 fp 2 l 保护信息提取 i接口程序 3 6 功能模块 图3 - 8 系统数据流程 虚拟保护结果表 根据以上的需求分析和数据流程分析，可将p a a e s 划分为牵引保护 动作行为分析模块、虚拟保护模块、牵引保护信息管理模块、知识库管理 模块、综合自动化接口模块5 个功能模块具体如图3 - 9 。 主 控 程 序 图3 - 9 模块功能图 里 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 3 7 系统目标 p a a e s 是一个应用于铁路生产管理部门供电段，对保护信息进 行管理和保护动作行为进行分析的综合系统，整个系统的目标是： l 、结构清晰、实用、灵活，具有良好的扩展性； 2 、操作方便，界面友好，面向现场工作人员； 3 、及时准确的读取综合自动化系统的各种保护动作信息； 4 、根据用户的要求，显示任一时间的保护动作情况( 包括整定 值、故障报告、事件报告、自检报告各种召测量) ； 5 、图形方式显示故障录波数据，并能动态显示波形每一点的峰值、有 效值、相位，甚至阻抗值及阻抗角、谐波含量等： 6 、正确的保护算法，准确的虚拟保护动作过程，清晰、规范的虚拟结 果； 7 、判断任一保护动作行为的正确性，分析动作原因，给出清晰、易懂 的分析依据； 8 、针对分析结果提出相应的建议( 检查设备及注意事项) ； 西南交逶大学硕士学位论文第2 3 页 第四章总体设计概述 4 1p a a e s 开发、运行环境 操作系统平台：w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 数据库平台：a c c e s s 2 0 0 0 ； 网络环境：局域网、拨号网络； 前端开发工具：d e l p h i6 0 1 应用服务器：b o r l a n dm i d a s3 0 ； 4 3 软件体系结构 4 3 1 多层分布式体系结构 为了解决传统的c s 结构的客户端臃肿，维护成本高等诸多问题，多 层结构应用体系应运而生，即在传统的二层c s 模型中放入应用程序服务 器。应用程序服务器简单她说就是一个包含企业逻辑的应用程序，开发人 员以一种特定的组件形态，如m i c r o s o f tc o m ，d c o m ，c o r b a 对象或 e n t e r p r i s ej a v ab e a n 等，封装企业逻辑的程序代码，这种经过封装，能 够执行特定企业功能的对象被称为“企业对象”口”。把这些企业对象分 发到应用程序服务器中，开发人员在开发应用程序时就可以使用这些企业 对象提供的服务。 多层结构的典型是三层结构，其基本思想是把用户界面与企业逻辑分 离。整体结构如图4 1 所示。 澡h 疆卜 ( 包括用卜叫。：o 譬。k 一 户界面if 餐2i 远程数 据库服 务器 西南交通大学硕士学位论文第2 4 页 1 、客户端应用程序 提供用户接口，主要功能是指导操作人员使用界面，输入数据，输出 结果，并不具有企业逻辑，或只拥有部分不涉及企业核心的、机密的应用 逻辑。这样客户端就显的很瘦，称为“瘦”客户。 2 、应用程序服务器 它是应用的主体，包含了企业中核心的及易变的企业逻辑( 规划，运 作方法，管理模型等) ，其功能即接受输入，处理后返回结果。 3 、远程数据库服务器 即数据库管理系统( d b m s ) ，负责管理对数据的读写和维护。 在更复杂的多层体系结构中，“瘦”客户与远程数据库服务器之间可 以加入更多的中间服务器，如加入一个中间安全服务器或中间转换服务 器，用于对不同平台数据进行处理。 分布式多层结构把整个应用系统的执行分成数个不同部分并且执行 在不同的机器中。其中应用程序服务器作为中间层集中实现企业逻辑，协 调多层之间的请求，并掌握数据集定义的全部细节和远程数据库服务器进 行通信，这样客户端应用程序就重点放在显示数据和与用户交互上，客户 端应用程序甚至都不需要知道数据在那儿。 。 具体来说，多层结构具有如下优点： 1 、一个共享的中间层封装了企业逻辑，不同客户端应用程序可以共 享同一个中层，而不必由每个客户端应用程序单独实现企业逻辑 2 、客户端应用程序可以做的很瘦。因为很多复杂的工作由应用程序 服务器代劳，客户端应用程序只需关注用户界面本身。“瘦”客户 端应用程序更易发布、安装、配置和维护； 3 、实现分布式数据处理。把一个应用程序分布在几个机器上运行， 可以提供应用程序的