电力系统中的人工智能方法及其应用.doc

电力系统中的人工智能方法及其应用侯涛(昆明供电局 , 云南昆明650011)摘要 : 简述了人工智能理论的基本特点和实现方法 , 结合专家系统 、神经网络 、模糊理论 、模拟进化算法的特点具体对国内外电力系统中的应用研究情况进行综述 。关键词 : 电力系统 ; 人工智能 ; 神经网络 ; 模糊 ; 遗传算法文章编号 : 1006 - 7345 (2004) 01 - 0059 - 02中图分类号 : TP39文献标识码 : A面进行综述 。1引言近年来 , 随着人工智能理论技术的不断发展 ,以模糊技术 、人工神经网络和遗传算法为代表的智 能理论方法在电力系统领域得到了十分广泛的应用 。众所周知 , 电力系统是由各类发电装置 、输配 电线路 、变压器以及用电装置等一系列单元组合而成的大规模动态系统 , 电力系统本质上是一个非线性动态大系统 , 存在着许多极为复杂的工程计算和 非线性优化问题 , 例如 : 电力网络的无功优化调 度 、电力系统规划运行 、发电机组的优化组合 、电 力系统最优潮流计算 、电力市场的交易定价等一系 列问题 。而这些问题都是多参数 , 多约束的非凸优 化问题 。长期以来 , 电力系统自动化研究者一直在寻找高效可靠的方法来解决这些问题 。然而有许多电力系统中存在的问题无法得到快速与精确的结 果 。其主要原因在于 :1) 电力系统中的有些问题还无法建立精确切实的数学模型 , 包括不能完全用数学来表示反映问 题实质的约束条件 ;2) 随着问题的规模和复杂程度的增加 , 利用 现有的算法和计算机条件 , 无法在较短的时间内获得满意的计算结果 。3) 许多问题的条件具有模糊性 , 对于系统的 了解还不够精确 , 此外在求解问题的过程中需要专家的知识经验 。这些都无法用精确的数学形式表示 出来 。与传统的计算方法相比较 , 人工智能方法对于 复杂的非线性系统问题求解有着极大的优势 。它弥补了传统方法的单纯依靠数学求解的不足 , 解决了某些传统计算方法难于求解或不能解决的问题 。下 面就结合电力系统的具体应用针对人工智能的几方2 人工智能方法在电力系统中的应用211 专家系统专家系统是一个具有大量规则 、经验与专门知 识的程序系统 , 它运用由某领域专家们所提供的知 识和经验来进行判断推理 , 并模拟专家的决策过 程 , 以解决各种需要专家决策的复杂问题 。专家系 统最 常 利 用 产 生 式 规 则 , 即 所 谓 的 IF - THEN 规 则 , 当 IF 后 所 给 出 的 事 实 或 条 件 满 足 , 则 执 行 THEN 后的结果或操作 。一般来讲 , 通常专家系统 中的规则是在已有事实基础上建立的 , 运用规则执 行结果 , 并根据新的情况调整建立新的规则 。实用 的专家系统由知识库 、数据库 、推 理 机 、咨 询 解 释 、知识获取和人机接口 6 个部分组成 。专家系统是在电力系统中应用最为广泛的人工 智能技术 。目前专家系统主要应用在故障诊断 、系 统控制 、系统恢复 、电网调度 、安全实施 、负荷预测和编制操作票专家系统的建立等几个方面 , 其中电力监测与故障诊断已成为在电力系统最重要的应 用领域 。有对电力系统运行过程中发生的事件进行了分类和分析的专家系统 ; 传输网络备份保护的专家系统 ; 分布式电站的故障诊断专家系统 ; 基于产 生式知识表达方式的变电站操作票自动生成系统 。另外 , 还有电力系统故障诊断专家系统 , 该系统采 用的基于正反向推理的电力系统故障诊断方法 。该 方法首先根据跳闸断路器提出故障假说 , 然后根据 断路器和继电保护动作的信息逐一检验假说的正确性 , 最后给出故障设备或故障范围 。该方法可以诊断输电线路 、母线 、变压器和发电机设备的故障及 继电保护和断路器的非正确动作 。收稿日期 : 2004 - 2 - 27212神经网络神经网络具有灵活有效的学习方式 , 以及完全 分布式的存储结构 , 尤其适于进行大规模的并行信 息处理 , 对非线性系统具有很强的建模逼近能力 , 模式识别能力 , 可以对任意复杂状态或过程进行分 类和识别 。具有各类功能 , 才能够掌握系统的本质 特征 。根据具体问题的不同 , 已经有多种神经网络结 构及其训练算法在电力系统中得到了应用 。如利用 BP 神经网络进行了电力系统短期负荷预测 , 在保 证有足够的训练样本的前提下 , 对预测模型进行合 理分类 , 构造了相应于不同季节的周预测 、日预测 模型 , 并对输入变量的选择 , 特别是对温度的选取 问题进行了讨论 ; 利用人工神经网络和元件关联分 析进行了电力系统故障诊断 , 提出了电力系统多重 复杂 故 障 的 诊 断 方 法 。该 方 法 采 用 面 向 元 件 的 ANN 模型 , 将电力系统的元件分为 3 类 , 即线路 、 变压器和母线 , 对每类元件都有一个特定的 ANN 处理其报警信息 , 确定故障位置 。对于同一跳闸区 域中面向各个元件的 ANN 的诊断输出 , 通过定义 一个故障指标函数 , 根据各元件的故障指标函数值 的大小来识别同一跳闸区域内的多重故障 。该方法 所使用的 ANN 模型规模小 , 通用于网络的所有元 件 , 且故障识别的方法简单 , 适用于大规模电力系 统 ; 应用神经网络理论中的级联相关模型对电力系 统的边际电价进行预测 , 优点在于避免了对网络结 构的估计 , 网络在训练的过程中能够自适应地增加 隐含节点 , 同时提出了在训练集中增加特殊数据点 以提高预测精度的方法 。通过 New England ISO 数 据算例预测第 2 天的 24h 边际电价说明了这种方法 的可行性 , 并用 3 层 BP 神经网络做了对比研究 。213模糊理论模糊逻辑能够完成传统数学方法难以做到的近 似计算 。近几年来 , 模糊集理论在电力系统中的诸 多应用领域取得了飞速进展 , 包括了潮流计算 、系 统规划 、模糊控制等方面 。例如对于负荷变化和电 力生产的不确定性 , 就可运用模糊值来表示某不确 定负荷在实际集合中的隶属函数 , 建立起电力系统 最优潮流的模糊模型 。传统无功电压优化算法一般是单目标优化问 题 , 并没有考虑有功网损的降低和限制控制量调节 数最少 , 而且在处理电压约束时 , 未考虑 “软约 束”特性 。可引入模糊线性规划算法以解决这一问 题 。为很好地协调降低网损 、限制调节量和确保节 点电压裕度三者的关系 , 在有限控制量调节的前题 下 , 可实现校正违界电压 、降低系统网损和确保所有节点电压留有一定的裕度 ; 利用模糊综合评判的方法对电能质量进行综合评价的二级评判法 。这种 方法先确定各电能质量指标的隶属度函数及隶属度 , 再采用模糊综合评判方法的二级评判模型对电 能质量进行综合评判 , 从而给出客观 、全面 、综合唯一的电能质量评价指标 ; 利用模糊神经网络的方法进行 电 力 负 荷 预 测 是 传 统 的 BP 神 经 网 络 基 础 上 , 提出了一种短期负荷预测的模糊神经网络模型- 高木 - 关野模型 , 并用负荷实测值建立模型 , 进行了负荷预测 , 与实际值进行了比较分析后表明 ,该模型应用于短期负荷预测能获得较高的预测精度 ,214具有一定的研究价值 。模拟进化算法模拟进化算法是模仿生物进化规律而形成的一类智能仿生型随机优化算法 , 具有非常广泛的适应范围 。 在电力市场下进行有功安全校正就是适当调整电力系统的运行方式 , 以最小的市场购电费用增量 来消除支路有功过载 。可首先给出在电力市场下进行有功安全校正的数学模型 , 并叙述了遗传算法的基本原理和应用步骤 , 指出编码方法 、适应度函数 的选择和遗传算子的设计是应用遗传算法所要解决的关键问题 。应用矩阵奇异值分解理论 , 在无功优化中引入了静态电压稳定裕度最大化目标和并行遗 传算法思想 , 提出了用于无功优化的伪并行遗传算法 、开关优化的数学模型及基于免疫算法的求解方法 。通过模型计算确定开关的最优配置数量和位 置 , 并得到系统的可靠性 、投资费用和停电损失等 。通过计算实例表明 , 该模型和算法有较强的工程实用性 , 免疫算法具有较好的全局收敛性和较快 的收敛速度 。3结论人工智能技术在电力系统的应用中已经获得了良好的发展 。然而在我国 , 人工智能技术在电力系 统中的应用研究才刚刚开始 。随着我国电力系统的持续发展 , 电力系统数据总量的不断增加 , 管理上 复杂程度的大幅度增长 , 以及市场竞争的影响和加大 , 为人工智能技术在电力系统的应用提供了广阔前景 。可以预见 , 加强智能科学在云南电网中的科 研和应用 , 将能更好的保证云南电网安全稳定经济运行 。 参考文献 1Styvaktakis , E1 ; Bollen , M1H1J 1 ; Gu , I1 Y1H1Expert system for classification (下转第 62 页)60准 , 界面清晰 , 简捷可靠 , 便于工程化开发 。2) 应用软件主体呈板块式结构 , 每一板块含 一组功能密切相关的子系统和模块 。各板块可独立开发 , 开发一块 , 运行一块 , 互不牵连 , 便于一个 企业 MIS 按需分期分批实施 , 提高 MIS 的效益 。3) 任何一个板块 、子系统和模块的修改 , 不 影响其他板块 、子系统和模块的功能 , 更不会因为 一处修改而影响全局 , 因此具有良好的可靠性和可维护性 , 有效地延长了系统的生命周期 。4) 框架式的总体结构和板块式的 软 件 结 构 ,具有良好的通用性 。持多种标准的网络管理 ; 支持多种标准局域网协议 ; 符合县级电力企业信息需要 。是否支持直通式 和存储转发两种数据包处理方式 ; 具有较低的帧丢失和较小的网络延迟 ; 可维持大量的活动的 MAC地址 ; 支持 VLAN 。3) 服务器设备的选型采用高性能 PC 服务器 , 并采用硬件冗余方案 。在服务器的电源网卡 、SCSI 卡 、硬盘等设备实现完全冗余 , 同时支持网卡的自动切换功能 , 以提高 PC 服务器的可靠性能 , 重要 服务器可采用双机热备方案 。4) 防火墙的选型应具备的基本功能为 : (1) 网512系统平台采用 Borwser/ Web Server 技术 ,并发数据库技术 。应用平台应用平台与系统平台的不同之处在于 , 它不是络访问控制 ,和防护 , (4)(2) 状态包检测 , (3) 实时入侵检测基于时间的安全策略 , (5) 网络安全513模板 , (6) 违反策略的事件日志 , (7) 集中式的管理 。因此 , 在网络接入 Internet 后 , 建议使用分布式 防火墙进行网络隔离 。该类防火墙突破了传统边界 防火墙功能上的限制 , 采取层层设防 、点点保护 、 全面监控 、实时响应的策略 , 采用内核模式安全引 擎结构 , 使用先进的包过滤技术 , 融合了严密的访问控制 、主机入侵监测及防护功能 , 同时 , 提供本 地 、远程和中央管理工具可轻松的部署 、维护 、调 整整个分布式防火墙系统 , 从而构筑立体 、多层 、 多点的防火墙体系 , 实现真正的安全网络 。MIS 的公 共 支 撑 , 而 仅 是 MIS 的 某 一 个 或 几 个 板块 、板块中的部分模块的支撑环境 , 应用平台是一 个承上启下的中间 技 术 层 。应 用 平 台 包 含 以 下 内 容 : 电话呼叫系统 、电子商务系统 、电量自动采集系统 、数据仓库系统 、地理信息系统514 应用软件主体应用软件主体是 MIS 的最上层 , 它是 MIS 程序 和数据的集合 , 应用软件主体的内部呈板块式结 构 , 主体中每一个板块 , 包含了功能关系密切的一组子系统 , 三大板块所构成的应用软件主体 , 反映 了电力企业的特点 , 覆盖了企业的所有管理功能 。 应用软件由三大板块组成 , 即生产板块 、营销及 服务板块和综合板块 , 每个板块由一组子系统构成 。建设实施1) 分步实施目标 , 严格控制过程 。在系统规 划 、开发 、实施过程中 , 在信息工 程 理 论 的 指 导 下 , 将规划目标根据资金 、技术 、人员力量 , 分步实施 。2) 明确开发内容 、部署开发工作 。3) 不断建立 、完善系统的运行机制 。为保障 信息系统的正常运行 , 必须建立全新的工作模式 、 严格的管理制度 , 从实际工作流程 、操作规则 、数据检查 、录入等各方面严格管理 , 才能真正达到信 息化促进管理规范化的目的 , 为此必须不断促进 、 逐步建立新的运行管理机制 。7系统选型1) 系统配置系统配置包括网络设备 、服务器设备 、防火墙 设备 、和网络管理等方面的内容 。2) 网络交换机选型应是否支持纯链路交换 , 具备高速的背板交换 总线 , 巨大的数据包吞吐量和稳定的结构 ; 是否支6(上 接 第 60