（电力电子与电力传动专业论文）水电厂事故处理专家系统的研究与开发.pdf

a b s t r a c t 浙4 大掌碰士掌位论文 - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ p _ _ _ - ，- _ _ _ _ a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i sa b o u tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta n d t h er e a l i z e df u n c t i o nf o rt h ea c c i d e n tp r o c e s s i n gs y s t e mi nt h eh y d r a u l i cp o w e rp l a n t ， o nt h eb a s i so ft h ea c t u a lb a c k g r o u n df o rt h es y s t e m t h et r a d i t i o n a ls o f t w a r e d e v e l o p m e n tm o d e la n dt h ep r o t o t y p em e t h o dh a v ec o m b i n e dt dm a k ead e m a n d a n a l y s i s i nt h ea c t u a l c o u f s eo fu s i n g ，t h em e t h o dc a nm o d i f yt h es y s t e mm o d e l f r e q u e n t l y ，m a k es y s t e m s u i tw i t ht h e a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dr e a c hs y s t e m p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t t h i sp r o j e c tr e a l i z e st h er e a l t i m ea n do f f - l i n ea c c i d e n tp r o c e s s i n g b e c a u s et h e s y s t e m h a st h em a s sd a t aa n dt h ec o m p l e xc o m b i n a t i o na c c i d e n t ，i tu s e st h es t r u c t u r e o fe x p e r ts y s t e mt oe s t a b l i s hk n o w l e d g eb a s e ，i n f e r e n c ee n g i n ea n dk n o w l e d g e a c q u i s i t i o n i no r d e rt og i v et h ec o r r e c t s u g g e s t i o n b e c a u s et h es y s t e mi s c o m p l e x ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o r r e l a t i o na n dt h e p a r t i t i o n o f s y s t e mm o d u l e ，i n c l u d i n g r e a l - t i m e d i s p l a y ，e l e c t r i cm a n a g e m e n t ， s y n t h e t i c a li n q u i r ya n de m u l a t i o nt r a i n t h ep a p e rh a sa no v e r a l li n t r o d u c t i o nt ot h e a c c i d e m p r o c e s s i n gs y s t e m i nt h e e n d ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed i r e c t i o n s o ft h e s y s t e mi m p r o v i n ga n d d e v e l o p i n g k e y w o r d s ：s y s t e ma n a l y s i s ；e x p e r ts y s t e m ；m o d u l e 2 第1 章绪论浙4 大学领士掌位论文 第1 章绪论 水电厂担负着电网的调峰、调频及事故备用等任务。随着国民经济发展对电力需求的增 加，对水电厂的要求就越来越高。在水电厂中主要设备是水轮机、发电机、变压器等等，完 成从势能到电能的转换过程，相对而言比较复杂，由于电力生产在国民经济中具有举足轻重 的地位，因此，保证电厂设备的安全、可靠、经济地运行具有重要意义。但是电力系统设备 在运行中由于种种原因，故障的发生几乎是不可避免的。如能及时发现故障并能采用相应的 措施，则可避免重大事故的发生。 事故分析是一项复杂的、经验性很强的技术工作，电力设备故障的原因很多，要求快速、 有效、准确地识别故障并采取有效措施及时排除故障，这还是个值得深入研究的工作。目 前，大型电厂普遍安装了计算机监控系统，但状态监测的作用没有得到充分发挥，就需要 个后台的故障处理和分析系统来实现对监控信号的处理，充分实现对系统的智能化监控，提 高监控系统的利用率。系统不仅能够及时的分析故障信号，同时能够针对历史数据迸行系统 的分析，反映整个系统的运行情况，这样有利于运行人员能够系统、及时、全面的了解系统 的运行情况。为系统的安全运行提供了保障。利用专家的经验给出处理措施，辅助运行人员 进行事故处理，提高电厂的安全经济运行水平。事故处理系统就是在这个基础上开发的。 1 1 对系统的性能要求 1 可靠性。为了保证事故处理系统发挥应有的作用，事故处理系统更注重事故处理的 可靠性，要考虑多种故障的判断，同时灵活地适应各种情况。系统的可靠性是由硬 件和软件的可靠性决定的。硬件的可靠性取决于电厂监控系统的不断改进来实现 的，软件的可靠性主要体现在对故障分析的正确性和采用的解决方案的有效性。 2 实用性。系统的功能应反映被监测事故的特点、要求和满足用户的需要。软件的操 作要考虑用户的方便。同时能够对历史数据进行处理，在设备出现故障前应能起到 预防作用。当设备出现故障时应能及时监测并做出相应分析和诊断。这样在功能上 就要与实际运行情况相联系，根据运行人员的要求设计系统功能。 3 可扩展性。由于我国的技术改造资金有限以及故障诊断技术的不断发展，事故处理 系统也不可能是一步到位的，同时也存在着升级换代等问题。因此，在系统研制及 4 第1 章绪论浙大掌硕士擎位论文 4 5 设计时，既要满足用户目前的需要，也要考虑到今后的扩展和再开发问题，以及和 其它系统的接口，实现数据共享。 可维护性。系统经过测试安装后在现场还会出现问题。需要由用户可以进行日常维 护。因此，模块的更换、系统的维护等应该比较方便，易于操作。 相对独立性。系统在运行或离线的情况下都不能影响原监控系统的正常工作，系统 在设计时要注意增强系统的内聚度，降低系统的耦合度。 1 2 事故处理系统中的数据特点 1 数据量较大。由于前端监控系统采集的信号较多，所以需要保存的数据量很大，同 时又需要对数据进行实时分析，这样对所使用的数据库要求较高，不仅需要很高的 稳定性，同时在多用户的访问时的效率应该要高。 2 知识复杂。由于电力设备故障诊断的许多知识是领域专家自身解决问题时的经验， 很难用一个精确的公式将它表示出来，针对这些不精确知识，确定系统实现的结构 是该系统的关键，同时系统知识的扩充也是系统需要解决的重要问题。 1 3 系统的设计原则 在设计基于客户朋务器模式的水电厂事故处理系统时，为了确保系统数据的安全性和 完整性，以及用户使用的方便性和快捷性，考虑了以下设计原则： 1 在该系统中，很多离线模拟的试验数据是通过客户端的人机交流界面录入的，对这 些数据有效性的验证以及格式的转换等都在客户端来完成，并不将数据保存到服务 器数据库中，这样可以不影响数据库数据的正确性和完整性，提高了系统的稳定性， 缩短离线功能实现的响应时间，从而提高系统的整体性能。 2 数据的存储坚持个完整性的原则，但同时要考虑到数据量的大小，对历史数据库 的存储坚持保证反映整个系统运行情况的原则，但又要合理取舍。 3 尽量让服务器管理全部的共享资源。对整个系统而言，共享资源包括e t 志数据、各 项事故处理数据、基础的服务处理( 如通信) 以及相关外部设备( 如打印统计报表所需 的打印机) 等。 本课题根据以上的设计原则，将原型开发方法与传统的信息管理系统开发方法结合起 来，对事故处理系统的进行可行性分析和需求分析，同时对系统的事故分析采用了专家系统 e 第l 章睹论 的结构，实现了对事故的实时处理分析。系统的各个功能模块相互联系，与实际需要相符合 实现了事故处理系统功能的全面性，达到系统目的。 6 - ! ! ! 墨竺竺竺塑兰竺苎竺兰查竺! 主竺苎竺苎 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - h _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 第2 章系统的分析与实现 2 1 软件开发的基本原则 2 1 1 基本原则 在软件开发的过程中，需要按照软件开发的基本原则对系统进行可行性分析，确定所需 要的技术和方法以及开发所需要的工具。原则确定有关软件工程的一些基本事实、规则及 些假定。技术帮助软件开发人员进行软件工程过程的步骤，包括强制执行的一些原则。通过 生成文挡( 或程序) ，分析已有文档或把一种文档转换成软件产品来反映自己的特点。方法 学则把某些方法或技术组合起来，支持软件开发的全过程。工具则是用来执行软件工程活动 的软件单元或系统，即支持方法和方法学的软件系统。原则、技术、方法学和工具形成以下 层层递进的关系，其结构如图2 - 1 所示： 图2 1 原则、技术、方法学和工具的关系 由上图我们可以看到：每一个外层是在内层的基础上进行，而且更容易随时间变化，原 则是最基本，最稳定的东西，只要掌握了软件开发的基本原则。就可以按照基本原则去发展 适合自己的技术方法。确定软件开发的原则，使系统利用这些原则来处理系统的复杂性，解 决系统的可靠性和演变性。 2 1 2 系统分析遵循的原则 在对系统进行需求分析模块化时，主要遵循以下七个原则： 严格性和形式化原则； 分隔原则： 7 一 苎! ! 墨竺竺竺丝皇竺苎 竺兰查竺! 圭兰竺竺查 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 模块部件化原则 抽象原则； 预期变动原则； 通用性原则，软件复用性原则； 递增模式原则。 以上七个模块在系统设计中针对模块功能的不同，相应的应用也不相同。 2 1 2 1 严格性和形式化原则 系统的设计必须依靠严格性来补充创造性以期达到开发出正确、成功的产品，并控制软 件开发的成本。通过严格的分析和估计，增进对创造性成果的信心，从而促进创造性的工作。 严格性及形式化影响着系统的可靠性、可维护性、复用性、可移植性、可理解性等等。一分 严格、详尽的文档可以排除二义性、不一致性及不完整性。因而对提高开发效率，提高产生 代码的质量是十分重要的。因此将严格性和形式化应用到系统开发过程中时，就可以利用描 述软件开发过程的严格的文档来复用软件过程，或预测项目的进展，安排适当资源。 2 1 2 2 分隔原则 分隔原则需要在处理复杂问题时，从问题的不同方面分别单独考虑，从而集中精力分别 去解决每一方面的问题。在许多情况下，许多决定实际上是紧密地联系在一起，相互依靠的。 解决这问题的途径就是通过分割。从时间和功能上采用了以下的分割原则： 1 按时间来分割。将软件生命期分为：可行性分析、需求分析、设计、编码、测试、 集成和运行。在系统的设计中，该原则始终应用于其中。 2 按照质量指标来分割。将软件的效率和功能分开来处理，也即分割性能和功能。先 注重于软件功能的正确与否，即先保证软件功能的正确性，然后考虑提高其效率。 3 按照不同的视图来分割。在进行需求分析时，将系统的不同应用之间的数据流和控 制流( 用于使不同的应用达到同步) 分开来处理。这两种视图都可以帮助我们更好 地了解系统。此外，分别建立数据信息模型和功能模型进行验证。 4 按照规模来分割。采用模块化方法或部件方法处理系统的一个局部。 5 系统的实现与开发方法的分离，主要的形式有： 系统与工具方法的分离； 第2 | 幕崩；的分析与蜜现浙江犬掌硬士掌位_ 色。史 系统的实现与开发过程及技术的分离： 分析与设计的分离； 用户界面设计与实现的分离。 当然对系统进行分割时，要处理好局部最优和全局最优之间的关系。在分割后，可能失 去一些在整体考虑时可能达到的全局最优，而只达到了局部最优。但是采用了分割原则主要 是为了解决软件的复杂性，在系统的开发中，这样的局部最优( 较好的结果) 往往要比追求 难以达到的全局最优( 最好的结果) 要可取得多。 2 1 2 3 模块化原则 模块化在工程问题中有非常重要的应用，大多数的工程问题都是可模块化。模块可以在 不同的模型或系统中得到复用，而只需做很少的一点改动。将一个大的复杂的问题分解为易 于处理的小问题后，解决起来就要容易得多，因此，鉴于大型软件固有的复杂性，尤其强调 模块化在软件设计开发中的应用，可以达到以f 三个目的： 1 复杂系统的分解。对系统的分解基于是自顶向下的思路，将原始问题分解为子问题， 然后再将子问题再分解为子子问题。 2 已有模块的组合。模块的组合是基于自底向上的思路。利用可以复用的模块，即可 以加速原始系统的形成，也可以方便地进行微调，可以用一个功能相同而资源要求 不同的模块来替代某一模块，以达到更好的性能要求。 3 能分别理解系统。对系统的各个部分分别理解，可以有助于系统的修改。正确地模 块化可以帮助软件人员寻找“修理”所对应的模块去进行修改，将大大降低工作强 度。 模块化的思想是来自结构化开发方法的概念，在面向对象技术的背景下，模块的概念己 进一步发展成协同工作的部件关系。从模块间自顶向下或自底向上的集成方法转为部件并发 和交互，从而使部件的接口方式、接口标准成为最基本的要素。 2 1 2 4 抽象原则 抽象可看成是分割原则的一个特殊应用，即应用于分割较重要的方面和次要的细节。对 周一对象，从不同的角度出发，针对不同的目的，可以抽象得到不同的结果，从而提供不同 角度的视图。进行建立和分析模型的工作时，可集中解决更重要的问题，而不是多余的细节。 9 第2 幸系统的分析与重 张浙e 大掌硬学位论。文 在系统的分析过程中采用的抽象原则具体有： 1 过程抽象。从系统的定义到最终的实现，每一步都可以看作是对软件解决方法的抽 象过程的一次细化。在计划阶段，将软件当作是对软件解决方法的抽象过程的一次 细化。 2 数据抽象。与过程抽象一样，可以在不同的层次上描述数据对象的细节，而更为重 要的是，在得到一组数据的抽象描述后，可以通过定义该数据对象的相关操作来规 定数据对象。 3 控割抽象。同过程抽象和数据抽象一样，控制抽象可以包含一个程序控制机制而无 需规定其内部的细节。 2 1 2 5 预期变动原则 系统的变动主要是来自两个方面：一方面是系统需要不断的进行“修补”j ：作，以消除 错误，而这些错误往往只能在使用中才能被发现。另一个方面来自用户提出的或是系统的使 用环境所提出的新的要求。这些都是系统的维护，作为系统的一项主要的质量指标。 预期变动原则，即在系统开笈早期就应对系统未来变化的发生情况、范围和时间进行有 效的预测，使未来的变动可以尽可能容易解决。这是系统开发和其它的工业生产完全不同的 一个特点。系统设计是在用户对系统的具体功能要求并不十分清晰时就开始进行的。在回应 用户的要求并开始系统设计之前，用户往往并没有将自己的需求阐述清楚，所以，在系统一 经交付后，用户会提出新的要求或者改变原来的要求，系统就必须解决这些新的问题。此外， 当系统的环境改变了以后，新的要求也会被提出，所以我们必须考虑预期变动原则来达到系 统的可演化性，同时对未来变化的预期可以有效的提高系统的可复用性。 为了使系统设计具有足够的弹性去适应相应的变化，首先在系统设计的初始阶段就开始 严格的遵循预期变动原则，而不是只集中到当前的需求上，同时也注意期望中的和可能的系 统演化情况，主要的变动和演变有以下几类： i 算法的变动。其目的是提高系统的效率，或是处理更为普遍的情况。 2 数据描述或数据结构的变化。改变数据结构对系统的效率有极大的影响。 3 抽象或虚拟机的变动等体系结构的变动。通常我们设计系统是按照虚拟机方式工作 的，目前大多数情况下，面对的是对应于高级语言的虚拟机，从而虚拟机隐藏了实 际的物理机器的细节。但是常常需要改变原来的系统以运行新的操作系统，并利用 1 0 第2 秉照的2 斩r 与重 现浙t 夫掌士掌位诗文 新的操作系统提供的新的更强的功能。 4 外部设备的变动。系统要求与许多不同的或专用的外部设备交互，而这些外设常常 可能改变。在这样的情况下，必须在设计时有充分的考虑，并进行有效的准备工作。 5 社会环境的变动。社会环境的变动类似于虚拟机和外部设备的变动，但它不是因需 求的变动而引起的，而是应用工作的环境变动所引发的。 6 软件开发的递增模式原则也是个需要特别重视的产生变动的源泉。在递增模式下， 将系统中的某些重要的部分分割开，提交用户使用，从而得到及时的反馈，经过进 一步改进并加进系统中。 2 1 2 6 通用腹用性原则 在解决某一问题时，尽可能地集中注意力去揭示那些隐藏在表面之下具有定普遍性和 通用性的问题，而不是就事论事地处理问题。普遍性问题的解决方法将可能具有潜在的可复 用的价值，在得到这类问题的解决方案后，还可以在本项目中不同的地方调用该方法，而不 必单独完成多个特殊的解决方法。在系统设计中，通用的软件包都为那些比较普遍的问题提 供了标准的解决方法。 2 1 2 7 增模式原则 在开发的初期，软件人员通常采用瀑布模型作为种开发模型，它明确规定每一阶段的 任务，不同阶段通常由不同的人员承担，这适合于需求明确、开发技术成熟、工程管理比较 严格的情况。但大多数情况下，在开始软件开发前，常常难以确定用户的具体需求。递增模 式原则不要求在开发前就有一个完整的需求定义，而是从用户需求的一个子集出发，建立一 个不完备的系统，然后通过不断的测试运行，不断得到经验和用户的反馈，从而进一步改进 系统，也即是意味着目标是通过一个不断发展的过程来达到的。 递增模式原则赋予过程按照一定增量步进地发展的特性，依靠一个越来越接近的序列来 达到目标，可以应用到许多工程领域。在系统开发中，递增原则的一个重要应用即是，在项 目开发时，先组成目标的一个有效的早期子集，并完成其开发工作，提交用户使用，从而得 到及时的反馈信息。在原始需求不稳定或不清晰时，项目的进展就仍可以按照可控的模式进 行。 递增模式原则的解决了如下问题：大多数实际项目常常无法在开发前得到完整、清晰的 第2 幸秉境的分析与蔷 现 浙t 掌女掌t 馘，文 用户需求，而通过及时获取用户的反馈，在实践中不断地补充，来解决这一缺陷。其结果是， 越早得到用户反馈，就可以越早将有用的信息加入项目目标，进一步改进工作，从这一意义 上说，递增模式原则和预期变动原则是结合在一起的，作为可演进性的基础之。 2 2 软件开发模型的建立 2 2 1 常规的开发模型 事故处理系统功能较复杂，但是需求在软件分析的初期并不十分明确，确定系统的开发 模型对提高详细设计时期的效率将会有很大的帮助。软件开发模型主要有瀑布模型、螺旋模 型、喷泉模型和演化模型等开发模型，常规的开发模型例如瀑布模型按照软件生存期的阶段 划分进行软件的开发，每一阶段有具体的任务和文档，要求开发者必须严格按照划分的阶段 顺序，一步一步进行。在从一个阶段进入下一个阶段之前，要对本阶段所做的工作有明确的 要求和确认验证的标准，并能为下一阶段： 作人员所理解，即将软件按时间分割的原则进行 开发。瀑布模型的开发结构如图2 - 2 所示： 蝴0 b+i 翥求分析i j s l设计 盛 开发阶段 l编码l 娶 r 孓 构造原型。用某种语言或原型开发工具实现原型，得到可执行的原型。 评价原型。通过运行原型，对所要解决的问题进行验证，并可以提出新的要求， 通过调整当前原型实现。 实现系统。将运行原型和评价原型所得结果，运用到系统开发中，从而实现系 统，得到所要开发的软件产品。 其开发的基本步骤如图2 3 所示 图2 3 抛弃式原型的开发结构 2 演化式原型。该模型主要针对事先不能完整定义需求的软件开发。用户可以给出待 1 4 警 黼 - 手 p 第2 章系统的分析与实现浙4 大掌士掌位论文 开发系统的核心需求，并且当看到核心需求实现后，能够有效地提出反馈，以支持 系统的最终设计和实现。软件开发人员根据用户的需求，首先开发核心系统。当该 核心系统投入运行后，用户试用之，完成他们的工作，并提出精化系统、增强系统 能力的需求，软件开发人员根据用户的反馈，实施开发的迭代过程。每一迭代过程 均由需求、设计、编码、测试、集成等阶段组成，为整个系统增加一个可定义的、 可管理的子集。其结构如图2 - 4 所示。 核心开发第二欢送代 1 开 u 发- 图2 - 4 演化式原型的开发结构 在开发模式上采取分批循环开发的办法，每循环开发部分的功能，它们成为这个系统 原型的新增功能，于是设计就不断地演化出新的系统。实际上，这个模型可看作是重复执行 的多个瀑布模型。 演化模型要求把系统的产品需求分解为不同组，以便分批循环开发，这种分组是要根据 功能的重要性及对总体设计的基础结构的影响做出的。 3 递增式原型。又称软件开发的螺旋模型，在其指导下的开发呈现为一个螺旋式上升 的过程。其建立目的主要是为了演化出目标系统，因而该类原型的建立过程，是一 个循序渐进的过程。原型刚开始很简单，只体现人们最初的想法。以后不断以较小 的面又容易实现的增量扩展，在已有的原型上加入新的功能。因而，该方法实际上 是多次反复原型，并附加相应于不同层次上多次的风险分析。增量渐进式原型的建 立过程有以下几个步骤： 通过调查分析，确定客户对目标系统的基本需求； 在对客户基本需求进行分析的基础上，通过简单的设计，用某种方式快速构造 一个系统原型； 将原型交给客户运行，通过运行原型并和客户充分交流，得到对原型进一步的 改进意见； 在已有原型的基础上，根据对原型的改进意见，作稍为详细的系统分析和设计， 1 5 】挺一 鼍 醢 匹| 1 l 堑 第2 章秉艟的分析与蜜巩 浙e 大掌硬士掌位论文 并构造下一代原型系统； 重复以上“运行原型系统一与客户交流避一步的分析设计一再构造原型”的 过程，直到目标系统开发结束。 增量渐进式的原型建立过程如图2 - 5 所示： 分析需求 厉 孓l 犍 fl 评审 2 2 3 原型的建立目的 2 2 3 1 验证软件需求 图2 - 5 递增式原型的开发结构 可以使系统分析人员在需求分析阶段确定软件需求，在建立事故处理系统时按模块原则 划分了不同的模块。由于需求的不确定性，在不同模型建立时采用了垂直原则和水平原则来 实现从系统需求到系统实现的过程。 垂直原型通常用在系统需求的基本明确的条件下，使结果一目了然，比起在软件的 需求开发阶段，垂直原型更常用于软件的设计阶段以减少风险。 水平原型可以使探索预期系统的一些特定行为，并达到细化需求的目的。当用户在 考虑原型中所提出的功能可否使他们完成各自的任务时，原型使用户探讨的问题更 加具体化。 2 2 3 2 验证设计方案 系统设计人员在概要设计和详细设计后，用原型来验证设计中的某些关键部分的技术性 能和可行性。事故处理系统中一个最大的特点就是数据量较大，在概要设计后，为了验证关 - 1 6 一 苎! ! 墨苎竺竺竺兰竺竺 雯兰查竺! 主竺苎竺苎 _ r - _ _ 1 _ 一 键部分的技术，在建立原型后，采用了最少数据和最少信息量来验证，在事故处理和实时显 示模块中，原型能使系统在多种技术的对比中，找到最好的解决方案，同时缩短了开发时间。 2 2 3 3 实现系统目标 原型是一个从简单到全面不断迭代的过程，它体现出系统人员对目标系统认识的逐步完 善过程。每当系统人员对系统有了新的认识和想法后，就通过原型实现，这样，随着系统人 员工作的深入，原型不断扩充和完善，直到客户满意为止。例如对于电量管理，事故信息管 理以及培训仿真模块都建立这样的原型进行开发。 2 2 4 原型的建立 针对以上的分析，不同的原型，不同的模块由于功能不同，用户需求定义不同，事故处 理系统采用了水平和垂宣原型混合开发的方式，也吸取了演化型和抛弃型的优点，实现比较 灵活的综合分析原型使用，其结构如表2 - l 所示。 抛弃型演化型 水平明确并精化使用实例和功能实现核心的使用实例； 需求； 根据优先级，实现附加的使用 查明遗漏的功能：实例。 探索用户界面方法。 垂直证明技术的可行性。实现并发展核心的客户l l l i l 务 器功能层和通信层； 实现并优化核心算法。 表2 - 1 系统的综合分析原型 不同的模块采用了不同的开发方法，模块原型的建立为系统的开发提供了条件，在系统 开发过程中，采用了多种模型交叉混合开发，形成了各个模型之间的相互调节。在该系统中 采用了以下的综合系统原型分析，其结构如图2 - 6 所示。 1 7 第2 章最统的分析与释 浙4 大掌硪学位论文 图2 - 6 事故处理系统原型分析结构 2 3 事故处理系统的建立与结构分析 2 3 1 系统的开发背景 该系统是以是浙江电网某梯级水力发电厂为背景，该厂共有二座电站四个厂房，装机 1 i 台，总容量3 5 2 m w 。其已经建立了梯调中心和电厂监控系统在内的计算机监控系统，实 现了梯级调度中心对全厂所有主、辅设备的自动监视和控制。事故处理系统就是对计算机监 控系统的信息进行再次处理，进行事故的实时处理和分析，为运行人员提示处理原则。因此 监控系统是事故处理系统的前端，它的性能决定了事故处理系统所能处理的任务和范围。 2 3 11计算机监控系统的任务与功能 这部分功能包括对实时数据的采集，进行必要的数据预处理并以一定的格式存入实时数 据库。通常按照信号性质的不同把它们分为模拟量、开关量及脉冲数字量，其采集及处理方 法也各不相同。这些实时数据正是事故处理系统主要处理的对象。 1 8 第2 章幕航的分析与卖现浙夫掌礓士掌位论文 1 模拟量的采集与处理。这一类实时量包括电气模拟量、非电气模拟量及温度量，对 它们的采集范围、处理方式以及各量的变化规律各不相同，采集周期也各不相同。 电气模拟量是指电压、电流以及功率等电气信号量。从变送器输出的信号通常 为0 - - 5 或4 - - 2 0 m a 直流电压信号，采用双绞屏蔽电缆传输。由于其它常规设 备对这些信号也有需求，要求信号能被两处以上的地方所共用，所以信号之间 有隔离。其处理包括预防回路断线及断线检测功能、信号抗干扰、数字滤波、 误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、越复限判断及越限报警，最后 经格式化处理后形成实时数据并存入实时数据库。 一般非电模拟量主要指压力、流量、水位、油位等信号量以及摆度、振动及脉 冲量。通常，这类信号变送器的输出为4 - - 2 0 m a 直流信号对它们的采集与 处理，除信号接收方式及采集周期不同外，其它处理与电气模拟量的处理相同。 温度量也属于非电模拟量，由于其采集的信号是测温电阻，且其变化速度一般 也比较缓慢，因此将其单列出来。对温度的采集与处理，除信号采集方式及采 集周期不同外，其它处理要求与电气模拟量相同。 2 开关量的采集。开关量按其采集方式及信号重要程度的不同将其分为中断型开关量 和非中断型开关量两种。 中断型开关量信号指事故信号、断路器分合及重要继电保护的动作信号。计算 机监控系统以中断方式迅速响应这些信号并做出一系列必要的反应及自动操 作。中断型开关量信号输入为无源接点输入、中断方式接收、对信号的处理包 括光电隔离、接点防抖动处理、硬件及软件滤波、基准时间补偿和数据有效性 合理性判断，最后经格式化处理后存入实时数据库。 非中断型开关量信号是指除中断型开关量信号以外的那部分开关量信号。包括 各类故障信号、断路器及隔离开关的位置信号、机组设备运行状态信号、手动 自动方式选择的位置信号等。计算机监控系统对这些信号的采集方式为定期扫 查，信号输入为无源接点输入，对信号的处理包括光电隔离、接点防抖动处理、 硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断，最后经格式化处理 后存入实时数据库。 3 脉冲量、数字量采集。 脉冲量主要指有功及无功电度量、机组过水流量、冷却水流量的累加。脉冲量 的输入为无源接点或有源电脉冲，即时采集。妤晾冲量的采集处理包括接点防 1 9 第2 章采航的分析与实现 浙4 大掌q 士掌t 论文 4 5 抖动处理、数据有效性合理判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化处理后 存入实数据库。 数字量信号指水位、转速及频率等输入量。对它们的处理有光电隔离、数字滤 波、码制变换、数据有效性合理性判断、标度变换、检错纠错处理，经格式化 处理后存入实时数据库。 开关量输出。特指各类操作控制指令。计算机在输入这些信号前应进行校验，经判 断无误后才能送至执行机构，为保证信号的电气独立性及准确性，开关量输出信号 也经光电隔离接点防抖动处理后发出。 监控系统中己完成的统计及计算。 实时功率计算。根据所测得的实时数据。计算各发电机实时功率之和各发电机 的有功功率和无功功率。 机组摆度、振动上抬和压力脉动的值峰峰计算。对各点脉动值的采样离散值 进行峰- 峰值计算，求出每一点在转频周期中离散值的最大值和最小值。 温度量特征值计算。 1 )同组温度中的最高值及相应测点号； 2 )同组温度中的最大温差值： 3 )油槽油温与瓦温间的温度值； 4 )每组温度值中最高点的温度变化趋势。 2 , 3 1 2 计算机监控系统的实时性 系统的实时性反映在系统的响应时间上，它包括了主机处理、存贮器存取、i ，o 接1 3 响 应、通道传送和软件等的速度或效率。 1 数据采集时间。 电气模拟量采集周期薹2 秒； 温度量采集周期2 2 0 秒； 一般非电气模拟量采集周期- - - - 2 秒； 中断型开关量采集分辨率耋2 毫秒； 脉冲量采集，连续无延迟脉冲计数累加 数字量采集耋2 秒。 2 0 第2 章系由 的分析与实现浙4 大掌硕士掌位论文 2 控制响应时间。 从控制指令发出到执行机构接收并执行该指令的响应时间主2 秒 主机数据库响应所有l c u 变化数据的时间薹2 秒； 从任何一个现场l c u 采集到的变化数据送到主机数据库的时间三2 秒 9 0 的画面调用响应时间 3 秒； 己显示画面数据动态刷新时间兰2 秒； 操作值班人员指令发出到检验显示回答时 8 0 0 0 小时； 现场控制单元m t b f 1 6 0 0 0 小时。 2 3 14 计算机监控系统的可维护性 设备平均故障排除时间 软件故障检测可准确到任务级： 具有便于试验和隔离故障的断开点： 配备有合适的专用实装和拆卸工具： 互换件和不可互换件应有保证识别的措施； 预防性的维修所造成的磨损性故障将尽量减少； 提高硬件的代换能力。 2 3 1 5 计算机监控系统的安全性 系统的安全性、容错性主要由系统全分布方式保证。由于各节点独立，每节点的退出不 2 1 第2 章系航的分析与实现浙4 大掌攀位论文 影响系统的其它部分。或者说对系统的影响最小。为了保证每一节点的可靠性，l c u 、c p u 各节点与相邻节点c p u 冗余。主计算机和工作站都是两个以上节点冗余，使系统整体和局 部的安全性均为最佳。 系统通讯采用光纤以太网，使现场的强电磁干扰对网络通讯无丝毫影响。为保证阿络通 讯的绝对可靠还考虑使用双网络冗余。 数据库的各节点均可独立修改，此时系统其它部分照样工作，本节点退出，系统的各部 分功能可以移动。如主计算机的一些功能可以移至工作站，工作站的功能在主计算机硬件允 许时也可以移至主计算机。工作站的数量可以增加，不需增加软件投资。l c u 的数量和功 能也可根据电厂的扩充而扩充。以上变动均不影响系统的正常工作。 计算机监控系统有判断不合适或者不希望的动作和状态的能力，其结果将产生报警或拒 绝执行或两者兼有。安全性包括以下三个方面： 1 操作安全性。 为系统每一功能和操作都提供检查和校核； 当操作有误时能自动地闭锁，并产生报警； 任何自动及手动操作都可以记录、存贮并做出提示； 按控制层次实现操作闭锁，其优先顺序为l c u 最高，主控级次之，中调最低。 2 通信安全性。 系统的设计将保证报文信息的一个信息错误不会导致系统关键性故障( 如外部 设备的误动作，系统主要功能故障或系统作业的故障) ； 定期地通过正常使用或通过测试信息来证实通道工作正常： 系统与远程终端及调度系统的远程通信的信息出错控制将保证在每1 0 4 位有三 1 位错误的限制下工作时未检测出位错误的概率不大于l o 1 0 ； 主机系统与l c u 之间，主机将对上行数据采集信息进行有效性合理性判断， 如果连续三次发生异常则判定通道故障并进行通道切换及报警。l c u 响应主 机发出的控制指令也应当接受三次，当三次数据相同且经判定无误后指令方可 执行，若其中有一次数据异常则判定为故障，同时闭锁该操作指令，并报警。 3 硬件、软件及圆件的安全性。 具有电源故障保护和自动重新启动的功能： 初始状态可以预置并进行重新预置； 有自检能力，检测出故障时能自动报警： 2 2 第2 秉筑的分析与实现 浙犬掌礓掌位论文 设备故障时可以自动切除和自动切换； 系统中任何地方单个元件的故障都不应造成生产设备的误动作； 软件具有自我防疫能力； l c u 地址使用固件。 由以上分析可知，监控系统在各个方面都能保证数据的正确性和实时性，在监控系统已 经建立并提供了数据接口和安全运行的基础上，将事故处理系统的嵌入到监控系统中，对监 控系统采集的数据进行二次分析和判断，实现实时的事故处理和事故分析。事故处理系统在 整个电厂监控系统的结构如图2 - 7 所示： 事赦处理系统 2 3 2 。系统的建立 2 3 2 1 实时数据来源 2 2 0 k v 开关站 图2 7 事故处理系统在监控系统中结构 1 1o kv 开关站 上级水电站 实时数据主要来自于厂调服务器中数据库的四张表：t 0 0 1 0 、t 0 0 2 0 、t 0 0 3 0 和t 0 0 4 0 ， 事故处理系统可以直接从厂调服务器中取数据。 1 t 0 0 1 0 。保存电气部分模拟量： 2 t 0 0 2 0 。保存扫查量( 光字牌信号) ； 一2 3 - 第2 章秉航的分析与蜜现 浙n 夫掌硕士掌位论文 3 t 0 0 3 0 。保存水轮机部分模拟量 4 t 0 0 4 0 。存放计算机监控系统的开关量。 在实时数据库中，所需的实时数据通过在数据库中建立对照表，将监控系统中的数据点 和后台数据库中的数据点对应起来，这样系统在经过实时显示和后台事故实时处理后，可将 历史数据保存在后台数据库。这样，事故处理系统将经过分析后的数据保存到日志中，为后 面离线分析提供了条件。其结构如图2 8 所示： 一：库 t 0 0 1 0 t 0 0 2 0l1 t 0 0 3 0 11 t 0 0 4 0 1 f ij 历史数据库 监控点与日恚数据点对照袭 肉向内商 图2 - 8 实时数据与历史数据关联结构 2 3 22系统模块原型的建立 根据上述分析的原型法，在建立系统的需求分析，根据软件开发的原则，提高各个模块 内聚度，降低耦合性，针对各个模块不同的特点，采用不同的原型分析以下几个模块，模块 设置如图2 - 9 所示： 2 4 第2 系统的分析与蜜现 浙大掌硕士掌位论文 图2 - 9 系统模块设置 实时显示模块一抛弃式原则； 事故实时处理模块一抛弃式原则； 以最少的数据检验技术的可行性，对比多种技术的效率，择优选用。 事故演习模块一递增式原则； 统计查询模块一递增式原则： 在用户不能完全明确需求的情况下，先建立最简单的功能模型，用户使用后提出了 修改的意见以及所需要增加的功能。直到完成相应的模块功能，使开发的系统模块与使 用的环境相适应。 仿真培训模块一演化式原则； 运行分析模块一演化式原则： 电量管理模块一演化式原则。 系统经过多次反复地修改，确定了系统最终功能，同时经过了多次开发的迭代过程， 增加了系统的稳定性。 2 3 23系统数据库的设置 2 5 第2 章系统的分析与蜜现浙犬掌硕_ 士掌位论文 为了提高系统数据库的复用性，该系统主要设置了以下几个数据库： 1 实时数据库 实时数据库为实时显示和事故实时判断提供了数据来源，当出现越限值时，通过事故实 时记录模块将越限值保存到后台事故演习库中，便于离线的查询分析。当进行事故组合的添 加时，为了确定事故类型以及数据来源，实时数据库提供了可以判断的数据类型，包括模拟 量、开关量和扫查量的来源。 2 历史数据库 历史数据库主要保存了系统设置、电量管理、仿真培训和统计查询等模块的数据，保存 了系统运行时的系统参数。其数据一部分由实时数据库经过处理得到，另一部分由运行人员 设定，可以进行离线数据查询以及历史数据的分析、管理运行人员培训、试题库管理等等。 3 事故演习库和事故预想库 这两个数据库是针对事故处理进行管理的，同时也是专家系统数据库( 黑板) ，用来存 储事故组合的数据、处理状态和指导意见。随着事故类型的不断变化，事故预想库的内容是 动态变化的。事故演习库中保存了离线事故判断的条件，以及推理的中间状态和目标。同时 在事故演习模块的使用过程中，保存了运行人员离线模拟事故演习的中间状态和结果。 为了实现数据的统一性，在不浪费资源的前提下，尽可能的实现系统的数据共享，各个 模块与数据库之间的关系如图2 1 0 所示。 鬲多 f 人类专家的知识被遗忘或在知识传递中损失： 领域专家的知识或经验稀少； 在许多场合下需要人类专家知识； 在危险场合下需要专家知识； 领域问题的难度和规模过大或过小。 领域问题的难度和规模是开发专家系统的另一个关键问题，如果领域问题的难度和规模 太小，会使开发专家系统失去意义；如果领域问题的难度和规模太大，则会使专家系统难以 建立。或建立后其处理效率也比较低。从知识库的规模来看，如果处理问题所需知识( 规则) 的数量在1 0 2 10 3 之间，则比较适合用来开发实用的专家系统。经过统计，在目前的环境 f ，事故类型的组合为儿千条左右，有常见的典型事故和比较少发生的特殊事故两类，判断 的对象有开关量，光字牌信号和模拟量等，针对性强。事故处理系统从规模和难度上看，比 较适合用专家系统的结构开发。 4 问题的领域范围不能太宽。由于受实际条件的限制，在知识获取、知识表示、知识 处理与应用等方面还没有一种有效的通用技术。因此，系统所处理的问题一般应限 制在一个相对较窄的领域内，而不能太宽。在事故处理系统中主要是对事故进行判 断分析，需要处理的对象明确，判断用的类型组合大部分可以用统一化的表示方法 处理。提高了事故处理的效率。 3 1 12领域专家的参与和专家知识的可表达性 1 有领域专家的参与，专家知识的可表达性与可获得性是开发专家系统的重要条件。 开发一个实用专家系统的重要条件之一是看是否有领域专家的参与，专家能明确表 达他们在解决领域问题时所采用的知识、经验、技能和方法。当有多个领域专家时， 这些专家应该能够在领域问题解决方法方面取得一致意见。否则，知识： 程师将无 3 0 一 苎! 兰! 苎苎苎竺兰竺芝竺竺 兰兰竺竺主竺竺竺兰 j _ _ 一 一 法从他们那里获取知识，建立高性能专家系统也将是一句空话 2 领域专家的经验应该是易获得的。问题领域的选择通常还与专家掌握该问题领域知 识的程度有关，即与专家求解问题的准确性和知识好坏程度有关。如果任务非常新， 难度又十分大，以至于为求解问题需要做一些基础性研究工作的话，则该任务也不 易用专家系统来解决。 根据专家系统开发的条件，由对事故处理系统进行可行性分析和需求分析可知： 1 运行人员已经有了多年的工作经验，很多的事故处理罪则已经形成了手册或规程的 形式，并且很多事故的类型已经由部门统一给出了处理的原则。知识和经验的来源 很丰富。同时处理的对象明确，主要是对事故进行分析，并给出指导性的处理原! l f 这样容易建立规范的