（电力系统及其自动化专业论文）电网调度防误操作及运行管理系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w 曲t h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m m o r ea n dm o r ee l e c t r i ci n s t r u m e n t s h a v eb e e np u ti n t ou s es ot h a tt h es t r u c t u r eo ft h ep e w e ts y s t e mb e c o m e sm o r e c o m p l i c a t e dt h a nb e f o r e t h ew o r kl p a do fp o w e rc u tr e p a i rc a u s i n gb yv a r i o u s p e r i o dr e p a i ra n dn e wu s e rp r o j e c th a sd o u b l e da n dr e d o u b l e d s ow en e e dt oo p e r a t e t h ed i s c o n n e c t i n gl i n k sf r e q u e n t l yt oc h a n g et h eo p e r m i o nm o d e i no r d e rt ok e e pt h e p o w e rs u p p l ya v a i l a b l ea n dk e e pp o w e rs y s t e mo p e r a t i o ni nas e c u r ea n ds t a b l es t a t e ， t h ed i s p a t c h e r sm u s tw r i t et h ec o r r e c to p e r a t i o nt i c k e t su s i n gt h e i ra b u n d a n c e e x p e r i e n c e sa n dp o w e rs y s t e ma n dd i s p a t c hr e g u l a t i o u b u ti nf a c tt h ea c c i d e n t s c a s i n gb ye r r o rd i s p a t c ha n de r r o ro p e r a t i o na r ea b o u t4 0p e r c e n to f t h et o t a la m o u n t s ow en e e das e to f e f i e e t i v ew a y st op r e v e n td i s p a t c he r r o r sa n do p e r a t i o ne r r o r s m p a d e rd e s c r i b e sas y s t e ma r c h i t e c t u r ew h i c hc a nm a n a g et h eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e me f f e c t i v e l y 。a n dm a k es i m u l a t i o no fp r e v e n t i v ee r r o ro p e r a t i o n 、 a p p l i c a t i o n 、d i s p a t c h i n g0 r d e rt i c k e t s 、w o r kt i c k e t so f o v e r h a u lu n i t s 、d i s c o n n e c t i n g l i n kw o r kt i c k e t so fo p e r a t i o nu n i t si naw h o l e i ti sd e v e l o po nt h eb a s i so ft h e k n o w l e d g eo f a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e n e t w o r kt o p o l o g i c a la n dw o r k f l o wm a n a g e m e n t i ta l s or e a l i z e st h ea u t o m a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o no fp r o d u c t i o np r o c e s s ： e n h a n c e ss a f ew o r k i n gc o e f f i e i e n ta n dw o r k i n ge 伍t i e n t i nt h es y s t e mw ec a ns h a r e t h ed a t aw i t l ls c a d aa n db a n d e dw i t l ld m i ss y s t e m m a n yf u n c t i o n ss u c h i s p r o d u c i n gt i c k e t sa u t o m a t i c a l l yo rm a n u a l l y , s i m u l a t i o n , p r o c e d u r ev e r i f y , e x e c u t i o n a n dm a n a g e m e n ta r ei n e l u d e dw h i c hu s e r sc a nm a i n t a i ne x p e d i e n t l y t h es y s t e mh a s b e e np u ti n t ou s ei nc h u z h o up o w e rs y s t e m ，i th i g h l yi m p r o v et h ei n t e l l i g e n c ea n d s e c u r i t yo f t h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n k e y w o r d s ：p r e v e n t i v e 臼 l o ro p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m ；n e t w o r kt o p o l o g y ； a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ；s y s t e mi n t e g r a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 第一章引言 第一章引 1 1 课题的提出及意义 1 日 电力系统是一个庞大复杂的系统，由几十个到几百个发电厂、变电所和千万个电力用 户，通过多种电压等级的电力线路，互相连接成网进行生产运行。同时，电能生产输送过 程迅速，发输用都在同一瞬间完成。全网发电出力和用电负荷必须时时达到平衡。因此， 作为一名调度员，调度指挥全网，必须心中有数。目前，各级调度员都基本实现于“电网 调度自动化系统”。调度员通过他能迅速取得实时、准确、可靠的电网实时信息，进行调频、 调压、调潮流，网络操作和事故处理，以保障用电质量和电网稳定运行。 现代电力系统的发展趋势是电网日益庞大，运行操作日益复杂，从而当电网发生故障 后其影响也愈益广大。另一方面用户对供电可靠性和供电质量的要求却越来越严格，这就 对电力系统运行调度人员和电力系统的自动化水平提出了更高的要求。如果一旦出现错误 操作，轻则引起非正常停电，造成不该有的损失：重则造成人员伤亡和大型设备损坏的恶性 事故，由此带来的直接经济损失和间接经济影响更是不可估量的。所以说，安全可靠的电 网设备操作是一个永恒的课题，非常值得我们以更多的资金和人力来深入地、进一步地进 行研究。实际运行中的电力系统，由于生产、检修等需要，经常要转换电气设备的运行状 态或改变系统的运行方式，这些都需要由一系列的倒闸操作来完成它的内容繁多，而电气 设备的误操作是造成电力系统事故的根本原因之一，它对电网设备及人身伤害极大。正确 的操作票是防止误操作的基础。电力系统有着生产紧密性、技术密集性的特点，要编写一 张正确的操作票要求运行人员不仅要有一定的专业水平，而且要对现场一、二次设备操作 规则、电网的运行状态以及操作前后状态改变带来的问题都要十分清楚。这是保证电力系 统安全的一项重要工作，对调度员来说也是一项繁复的智能性劳动。这些工作不仅要求调 度员具有良好的技术素质，还要具备丰富的运行经验，并且必须时刻保持高度的注意力。 稍有不慎，对电力系统的安全稳定运行将构成很大的威胁。不仅如此，人工开票仍然受到 时间、环境、健康的影响，日久天长难免要出差错。还有，某些设备的操作很复杂，其操 作内容多达几十项甚至上百项，特别是在紧急状态下，要求运行人员开出正确的操作票并 非易事传统的人工填票方式费时费力，对于比较复杂的系统确定某一操作任务相应的操作 序列往往要花费很长的时间，为保证操作票的正确性，还需要反复核对。为减轻调度员负 1 东南大学工程硕士毕业论文 担，国内外专家做了大量的工作，开发了计算机自动生成调度操作票系统。它是调度系统 规范化管理的重要内容之一，也使专业人员从繁重的重复劳动中解脱出来，集中精力研究 电网安全、经济运行中更深层次的问题，极大地解放调度员的劳动，排除人为因素造成的 差错，缓解调度员压力，减少误操作导致的难以用数字计算的电网效益、社会效益损失。 总之。不论从技术角度和安全等因素出发，还是从提高电网的自动化管理水平而言， 开发计算机自动生成操作票系统的意义都非常重大。它将有助于提高电力系统的安全运行 水平，获得极大的经济效益和社会效益。 进行倒闸操作来改变系统的运行方式，以确保供电可靠性及电网安全、稳定运行，在 这方面，电力系统已形成了一套行之有效的安全生产流程，其核心就体现在“两票”、“三 制”上，这是确保变电运行、检修、试验人员及其他工作人员的人身安全和设备安全的一 项重要的技术措施和组织措施。目前，检修工作申请票，工作票，调度操作任务票，倒闸 操作票的生成主要依赖手工或微机录入( 提供常规操作术语及典型票) 。而由于电网接线方 式复杂，一次和二次设备繁多，为了保证各种票面准确安全，必须由经验丰富，对电网结 构及调规、现场运规熟悉的人员来填写，但难免会出现错误。所以开发一套基于人 工智能理论，依托电网的网络结构拓扑和操作规程、专家经验结合生产管理流程的电网运 行管理系统，具有重大的现实意义。 1 2 研究概论 国内对这项工作的研究始于8 0 年代。国内一些高校及科研单位先后对这一方面进行了 定的研究，并开发了针对不同的变电站及各级调度中心的操作票专家系统。从发表的论 文及实际在现场运行的系统来看，大致有如下几种方法； ( 1 ) 基于产生式系统方式凹卅 这类专家系统一般利用prolog ，li sp 和basic 语言来实现。该类系统的 内核由数据库、知识库、推理机3 大部分组成。用产生式规则作为知识的表示方式。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1 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。 操作规则采用产生式规则系统，“if 条件then 结论”这种表示方法比较接近人的 2 第一章引言 思维方式，表达形式直观明了。另外，此类系统的程序大多采用turb opr olog 智 能语言编程，可支持一阶谓词逻辑，数据和程序的结构统一，语法简单，并且有自动模式匹配 和回溯的控制机制。此类系统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。此类系统的开发，意味着在电网设备操作中真正利用部分ai 技术。然 而，这类系统针对一个具体变电站开发，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用户可维 护性。而且，tur bopro1og 语言的图形功能较差，使得这类专家系统操作界面不 太友好，不具备直观操作效果。 ( 2 ) 查询开票方式呻3 这类专家系统把现场的典型操作票以数据库的形式存放。开发出对数据库内容进行管 理的维护平台，能对操作任务进行分类存储、检索、输出。每个操作任务的操作内容以整张 票的方式用文本形式进行存储，操作人员通过选择分类检索方法，就能调出相应的历史票并 对其进行编辑、修改，从而生成相应的操作票内容。 利用数据库维护技术，对操作票内容进行维护。其开票方式与现场的手工开票方式相似， 都是开票时以“历史典型”票为基准，进行开票，操作简单，运行人员容易掌握。数据库用户 维护平台可以开发得很友好，对于历史票面的编辑功能强大，使用方便。因而在现场使用较 为广泛，目前仍有很大的市场。另外，只要能够提供足够的典型票，开发人员能够在短时间内 为一个变电站或电厂开发出一套操作票系统，开发费用低、周期短。但是，系统没有推理过 程，无法识别所存储文本的操作内容是否正确，不具有智能性。由于各地的历史票不可能相 同，因而此类系统不具有通用性。 ( 3 ) 子程序、模块方式“1 此类系统通过对应用对象进行仔细分析，采用编制一段程序的方法来实现各类操作任 务的生成。整个系统由多个子程序构成，每个子程序对应一个操作任务，根据用户选择的任 务不同，运行相应的程序段。 推理机跟踪电网运行状态的能力取决于实际考虑问题的完善程度。考虑程度越完善， 其跟踪性能就越好：反之，效果就差。因为使用程序方法实现内容的生成，用户无法进行维护， 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。 ( 4 ) 图形校核开票方式n 们 此类系统开发出一种逼真的图形化的用户界面，用户通过用鼠标点取图上相应的电气 3 东南大学工程硕士毕业论文 元件来完成开票过程，每点取1 个元件即可自动生成l 条相应的操作指令。在某一操作步骤， 如果用户点取元件的顺序违反了操作安全规程，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。 “图形校核开票方式”操作票专家系统具有极其友好的用户界面，其操作界面模拟电力 系统的一、二次接线图，图形功能强大，具备直观、逼真的操作效果。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。但是它不能自动推理出操作票 内容。由于电力系统中二次设备的操作有很强的习惯性，使此类系统也很雄做到通用。 ( 5 ) 基于开关控制逻辑方式n ”1 此类系统的开发者认为：操作票自动生成系统就是根据操作任务来实现将电气设备由 一种运行状态到另一种运行状态转换的计算机求解系统。状态转换需经过一系列的倒闸操 作完成。倒闸操作实质上是一个逻辑式顺序控制问题。每个元件的操作必须遵循倒闸操作 规则，而倒闸操作规则可用开关控制逻辑表示。 该操作票专家系统操作规则，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2 3 = 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2 1 5 = 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。都需要用户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。 ( 6 ) 基于面向对象技术方式“盯 此类系统由于运用面向对象技术的不同又可分为用于开发图形编辑界面和用于专家系 统的知识表示2 种。( i ) 用于开发图形编辑界面。此系统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。这种专家系统的知识表示和 推理机中也用到了面向对象技术。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bus 类，开关抽象为br eaker 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el e 4 第一章引言 me1 1t 类。由于开关的种类不同，又从开关类中派生出线路开关、旁路开关和变压器开关 3 个子类。变压器再派生为两卷变压器和三卷变压器等。 该操作票专家系统应用了软件领域中的面向对象技术，使得图形编辑界面的开发更为 高效、灵活和简便。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。 操作票自动生成系统从近几年来看，国内外很多学者研究开发了很多、很好操作票专 家系统，取得了很多经验和成果，从目前正在使用的系统中看，存在着一些不足，主要表 现在通用性、自适应性、智能性较差。就其原因，主要包括：电力系统接线形式种类繁 多，难以统一固定的操作模式；主要都针对变电所内部接线，未将整个电网为考虑单位； 操作前状态不定，非标准状态下的操作票生成；操作票术语各地不同，怎样自定义操 作票的描述术语；未和生产流程中申请单位、工作票、倒闸操作票相结合，相互关联， 未能从根本上解决误操作问题；配网手拉手、网状等复杂供电方式出现，增加防误操作， 误调度的难度。如何解决这些问题成为解决电网防误操作的关键。 经过联机检索相关文献，发现大部分的系统主要是从调度操作任务票及模拟演示的调 度来看待，而没有将之纳入到整个生产过程。虽然能做到调度令的正确性，而不能保证检 修单位申请停电设备的完备正确。也不能保证设备运行操作单位对设备操作的相互闭锁功 能。应该说，这样一套系统的研制成功，应处于一定的领先水平。 1 3 论文的主要工作 本主主要是在电力系统现有检修申请单、工作票、调度操作任务票，运行单位倒闸操 作栗等，确保电网安全生产稳定运行的“两票三制”基础上，进一步探讨了如何保证相关 安全措施的完备性、正确性。特别是各个生产环节的防止误操作事故的发生。且主要从电 力系统的网络拓扑，变电所接线自动识别，运行状态判断，以如何结合工作流程防误操作、 防调度事故的发生等方面进行了研究。 在网络拓扑结构方面。本文主要是在分析变电所现在各种接线方式的基础上，分别从 变电所内部结线分析和变电所之间联络线的网络结线分析两方面进行了论述。在系统的推 理机部分，介绍了常用的推理方法和搜索策略，指出了可按照有向树进行推理，选用正向 推理、深度优先搜索和学习式搜索相结合的搜索策略，对系统的操作票生成进行推理，给 东南大学工程硕士毕业论文 出了系统的推理过程，系统的搜索速度较高。 在防误操作方面，首先简要分析了操作类型及现状，在此基础上，论述了变电所操作 必须服从的制约和规则，且利用产生式知识表示法生成电网防误操作规则库。通过正向推 理和反向推理技术简述如何依据调度人员指令去应用、处理这些规则。 在工作流管理方面，本文在研究电力调度部门具体工作模式的基础上，引入工作流技 术。将调度过程转化为计算机能处理的工作流模型，并开发出基于工作流的电力两票调度 系统。其主要工作如下：介绍了工作流管理技术的发展历程、基本概念、参考模型，并提出 针对本项目的研究目标。作出了详细的电力调度两票系统的需求分析，阐述了系统中工作 流的特点，建立了系统的总体结构、各功能模块及其一【作流相关模型，并完成了模型的实 例化。完成了调度两票和生产计划的工作流程设计，并实现了图形化，智能化。 6 第二章系统体系结构 2 1 体系结构 第二章系统体系结构 工作中请 图2 1 系统体系结构示意图 电网运行管理系统分别和调度自动化系统( s c a d a ) 、生产管理信息系统( p m i s ) 相连，通过前者( s c a d a 实时数据库) 取得当前开关、刀闸状态和实时负荷与自身通过一步一步模拟操作而得到的操作状态库相互 综合，得到电网当前的实际状态。通过后者( p m i s ) ，一方面可获得相关设备的静态数据，充分利用现有的 资源，另一方面利用生产管理信息系统中的工作票，调度命令票，操作票管理、流转功能，达到在各生产 相关单位的票面自动流转、审查，同时可进行打印输出，达到资源共享。 各相关生产单位在接到相应工作任务后，在其工作站( 以w e b 方式) 的主接线图上，发出相关命令， 可按步或自动生成相关单位的申请单，变电线路络一二种工作票，调度操作任务票及设备运行部门的倒闸 操作票。而系统基于电网拓扑结构，当前的运行方式及相关操作规则、知识，进行校验，达到准确、可靠。 7 东南大学工程硕士毕业论文 2 2 功能概述 本系统是一套基于人工智能的电网防误操作及运行管理系统，可以快速、准确、详细的反映电网运行 时所需要的设备状态信息，采用微软最新的编程技术，人性化的设计，系统简单易用，界面美观大方，能 让调度员、监控中心运行人员、配网运行人员及相关生产单位及时掌握电网的运行情况。施工单位能依据 此系统迅速生成正确的申请单、工作票。调度人员能形成正确的操作顺序命令票，运行人员能形成正确的 倒闸操作票。系统具有智能的防误操作功能，对不符合调度规则及现场五防运行规则进行闭锁，并结合工 作流程，有效地防止误操作事故的发生。同时系统还提供电网运行记录，操作记录，设备查询，缺陷流程 等管理功能。具体有： 1 、结线图浏览。 2 、状态查询：运行、热备用、冷备用、检修。 3 、电气操作：开关、刀闸拉合、挂拆接地线。 4 、防误操作闭锁。 5 、动态着色。 6 、模拟操作。 7 、检修工作流程。 现对系统的功能及其实现作如下具体描述： ( 一) 结线图浏览 系统按树形结构分层方式显示电力系统结线图。最上面是3 5 k v 及以上电网主结线图及地理主结线图。 全面地反映电网的结构及走向和连接方式，变电所以框式圆表示，可以最大限度地在一幅画面内显示全部 结线。联络线两侧同时显示开关状态，可以清晰的知道变电所内的开关状态。通过鼠标点击代表变电所的 框式圆就可以导航到此变电所的主结线图。 第二层为变电所的主结线图。它描述了变电所内部设备的连接方式，并且通过形状和颜色可以区分设 备的拉合状态和带电状态，单击变电所侧可以跳回到电网主线结图。而单击线路侧的图元可以跳转到线路 另一侧的变电所，灵活方便。 第三层为配网结线圈和地理走向线路图：配网结线图反映配电网的结构及互联方式，特别对于手拉手 供电的线路一目了然，便于快速掌握供电方式及供电路径。而地理走向线路图能全部反映配网上所有设备 及地理位置。系统通过树形结构设备查询方式，可以迅速定位到任何一台设备及杆塔 第四层为农电线路，其功能同配网线路。 ( 二) 状态查询： 当将鼠标移动到任何一个设备上时，在系统窗口底部的状态栏上就能自动显示该设备目前的状态。电 8 第二章系统体系结构 气设备的状态分四种：运行状态，热备用状态，冷备用状态，检修状态。系统能根据闸刀、开关及其和其 它主设备的连接关系、开合情况自动地识别结线方式并正确地显示设备状态。给调度员、现场运行人员提 供了极大的帮助。为进行正确的设备操作奠定了基础。 ( 三) 电力操作； 可操作设备可以用鼠标右键进行各种操作，比如开关闸刀的拉合，变电器消弧线圈档位的调整，自动 装置、控制熔丝、保护设备的投入或退出。通过相关的操作就可以改变设备状态。该系统将s c a d a 系统的 实时数据，作为开关、刀闸结合位置是否正确的判断依据之一。如不相符，则迅速结合告警信息，提示有 关人员进行处理。 ( 四) 防误操作闭锁 依据电气系统调度规程、现场运行规程对电气设备相关操作要求，系统已将防误操作规则固化到程序 中，只要按照系统给定的绘图方式画出电网主结线图，变电所主结线图，便自动形成防误操作闭锁和相互 关联。无需人为定义相关规则。该系统除能实现一般的五防规则外，还能正确地实现：联络线、系统解并 网等操作的防误闭锁功能。 ( 五) 动态着色 当对开关、刀闸进行操作时，系统能自动根据电源点判断来电方向，并按电压等级动态着色。当设备 及连线不带电时以黑色表示，主线路处于检修状态时，以灰色显示。对于l o k v 配网线路，为区别于抢手 供电线路，以不同的色标区别不同的线路。可以更清楚地将线路的供电路径显示出来。 ( 六) 模拟操作 系统有四种工作状态：初始化状态，正确调度状态，模拟操作状态，研究状态。 初始化状态：系统第一次投入运行时，必须将开关、刀闸设置到和现场位置相对应的状态。可通过相 关菜单命令进入。 正常调度状态：每次进入系统后就是正常调度状态。在正常调度状态下，不可进行任何设备操作。但 系统可通过实时数据来改变开关、刀闸状态。模拟操作状态：当新的工作申请到达时。需要形成调度操作 命令票。此时进入模拟操作状态，通过一步一步的操作，并且符合相关防误操作规则生成综合命令顺序票。 在没有工作任务时，是不可以进入模拟操作状态的。在模拟操作状态下所做的一切操作都不记录到数据库 中。而且当返回到正常状态时候，在模拟操作状态下对电网所做的改变也都恢复回来。 研究状态：此状态主要供学员培训之用，不影响其它系统的正常运行，所做的一切改变也不会反映到 其它系统中去。可通过相关菜单命令进入。 ( 七) 检修工作流程： 该系统从检修单位形成检修工作中申请单开始，一直到工作结束，电网设备恢复到原有状态的一系列 工作步骤和流程，固化到程序中。并且和防误规则相结合。使得每一步都不可超越，步步紧扣，将产生误 9 东南大学工程硕士毕业论文 操作、误调度的可能性降到最低。 2 3 系统运行环境 该套系统主要由以下子系统构成： 电网调度防误操作及运行管理子系统。 设备图元编辑子系统； 电网生成子系统； 本系统采用c s 模式开发基于i n t r a n e t 网络标准的系统运行平台： 服务器操作系统采用m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 客户端操作系统采用m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l w i n d o w sx p 数据库管理系统采用m ss q l2 0 0 0 c s 开发工具采用 i s i b n t 系统结构示意图： 图2 2 系统物理结构示意图 1 0 第三章电网拓扑结构 第三章电网拓扑结构 3 1 电力系统常用结线方式 电网的拓扑结构不同于能量管理系统( e m s ) 中的网络拓扑，后者主要关心的是随开关拉合电气结点 ( b u s ) 的变化，以便形成不同的计算岛，是面向电力系统分析的，主要用来计算潮流的分布等一些高级应 用软件的功能。而电网的拓扑结构主要是反映电力系统一、二次设备状态和连接关系，是运行操作人员 需实实在在与之打交道的实体。应能表达电网的任何接线方式及适应对相关实体主要的操作和状态的转 换。 电网中厂站的主接线方式各不相同，主要接线方式有：1 ) 单母线( 分段带旁路) ；2 ) 双母线( 分段 带旁路) ；3 ) 二分之三接线( 标准，非标准) i4 ) 桥形接线( 内桥、外桥) ；5 ) 单元接线：6 ) 角形接线；7 ) 变压器由母线组；8 ) 母联兼旁路或旁路兼母联，由于各种不同的厂站主接线，以及站间并非一对一的连 接关系( 有许多t 形接线方式) ，构成千变万化的电网拓扑结构。 3 2 变电所元件的描述 变电所的运行元件集可分成三个主要子集： 1 、开关元件一如断路器，隔离开关，接地闸刀和旁路开关 2 、连接元件如母线，变压器和线路； 3 、终端元件一如发电机和负荷。 图3 1 示出一个变电所的例子，将在下面用作基于规则系统的描述。这变电所包括下列元件； 负荷 c l ， i = l ，2 断路器 d i 。 i = l ，2 ，5 隔离开关s 1 j ， i = l ，j = o 一6 母线 j l ， i = i 4 变压器t i ， i = l ，2 发电机 g l i = l ，2 旁路开关b y i ， 接地闸刀s t i ， 线路1 i j ， 东南大学工程硕士毕业论文 3 3 变电所结线分析 图3 1 变电所接线示意图 变电站结线分析的任务是根据开关一元件关联表中的开关状态，确定每个变电站所包含的元件被闭 合的开关连接成多少个母线( b ) 。建立开关一元件关联表t k e 的转置t e l ( ，即将按开关号k 排列的元件号 e 表改为按元件号排列的开关号k 表，这可以采用分配排号法来实现。同样为了查找方便还需再建j - - 个变电站所必元件起点表t t e i 。这都可以归结为求反关联表，在程序中可以用一个函数米实现。如需求 不同表的反关联表，只需改变函数的调用参数即可。分析一个变电站的开关状态，把通过闭合开关联系 在一起的一组元件划分为一个母线，一个变电站可能划分为一个或几个母线。变电站结线分析的结果用 元件母线关联表t e b 表示，它是按元件号顺序排列的。内容仅包括该元件所属母线号。 3 4 网络结线分析 通过支路连接在一起的母线的集合，形成一个子系统( s ) ，整个网络可能划分一个或几个子系统。网 络结线分析即是将前面变电站分析得到的母线划分子系统的过程。网络分析的过程可以分成以下四个步 骤； 1 ) 、利用支路一元件关联表t l e 与刚才形成的元件一母线关联表t e b ，形成支路一母线关联表t l b 2 ) 、利用前面求反关联表的函数求得母线一支路关联表t b l ； 3 ) 、建立母线子系统关联表t b s ，这一过程仍采用堆栈技术，完全可以套用变电站结线分析的程 1 2 第三章电网拓扑结构 序； 4 ) 、利用母线一子系统关联表t b s 和支路一母线关联表t l b 可以得到支路子系统关联表t l s 。 目前本系统已能自动识别这些接线方式，无需人为定义只要将电网厂站接线图按要求画出，其拓 扑结构自动生成，大大减少了维护工作量，杜绝人为因素的发生。 3 5 基于深度和宽度的网络搜索算法 变电所路径搜索存在于不同的上下文之中。路径识别模块使用它检查某一元纠是否加电压( 如果从元 件到某一发电机有一通路，则该元件加了电压) 如果存在一个没有被供电的负荷。例如在一次故障后， 它应通过母线切换重新与电源联结。所以路径识别模块将检查从任何负荷到至少一个加了电压的元件是 否有一通路或可接通的电路。寻找最邻近的加电压元件与寻找从元件至某一台发电机最短的路径是等价 的问题。 将变电所的拓扑看作一张连接图，在任何负荷与任何发电机间能建立不同路径。这些路径形成一棵 树( 没闭合回路的图) ，在那里发电机是根，负荷是叶，而中间结点由其它部件形成。 这样，负荷几乎总是在树的最深层才能找到。这是一个拓扑启发生( 对多台发电机引入一台与所有发 电机联结的虚拟电源，以保留树的根的唯一性) 。“深度优先搜索”用作一种合适的搜索技术。利用家族 树的相似性，深度优先在兄弟级前检查子级。 相反，“宽度优先搜索”在子级前扩充兄弟级，被用于寻找到一个加电压元件的通路。在这种场合我 们使用负荷作为树的根。在变电所中，重要的加电压元件是母线。通常的负荷调动是将一个母线上的负 荷转移到另一母线上去。母线在接近负荷的层次上找到。 从原理上讲两种方法都能找到树的两个元件间存在的任何路径，只是找到这些路径的次序是不同 的。如果从一个负荷到发电机的所有路径包含至少一个断开元件，则闭合某些路径的元件可能不如另外 的一些。对于整个系统结构而言。一条路径的最优可能有不同的准则。 一条路径为最优： 1 、如果它能够用最少数目的开关操作构通，因为减少开关操作数目意味着减少开关时间和开关的意 外风险。 2 、如果一组路径使用最多数目的母线，因为增加母线的数目使短路电流最小，而加强了可靠性。 3 、如果它通过最少数目的元件，因为负荷的供电依赖于所有部件的成功运行。较少数目的部件意味 着较少可能的停电。 东南大学工程硕士毕业论文 图3 2 变电所搜索图 图3 3 路径搜索树 第四章操作防误 第四章操作防误 4 1 产生式知识表示法 产生式表示法就是由一个或n 个前提引出一个结论的知识表示形式，因此又叫前提一结论对，也叫规 则表示法。这是专家系统中用得最多的一种知识表示法。 产生式规则的一般形式为 i fc o n d i t i o n s ( 前提条件) t h e nc o n c l u s i o n s ( 结论) 它表示当前提条件全为真时。则有结论存在。其中条件可以是任何子句的逻辑组合( 与、或) ，但结论 只能是一个或多个结论的“合”取。 如：如果合上母联断路器则正、副母线电压相等，且为同一电源。 必须指出，表示前提和结论的知识也可用谓词逻辑、框架等其它各种知识表示法来表达。 用产生式方法表示知识的专家系统称为产生式系统( p r o d u c t i o ns y s t e m ) 。产生式系统的要概念最早 是由e l p o s t 在1 9 4 3 年提出的产生式规则而得来的。他用这种规则对符号串作替换运算。后来美国的 a n e w e l l 和h a s i m o n 在1 9 6 5 年利用它建立了人类的认识模型。同年美国斯坦福人学的e a f e i g e n b a u m 也是用这种产生式系统的结构设计了第一个化学分子结构专家系统d e n d r a l 。 产生式系统一般由以下三部分组成( 又叫三要素) ： ( 1 ) 总数据库它是人工智能系统的数据结构中心。存放描述被研究问题的各种事实状态( 初始、中 间、目标等叙述性知识) 。针对不同的应用领域，表示此领域的知识方法也可不同。可以是简单的数字、 图表、矩阵，也可以是文件结构。 ( 2 ) 产生式规则集存放作用在数据库上的，以规则形式表示的过程型知识。每条规则都有一定的条 件，当数据库中的内容满足这些条件时( 或称匹配时) ，就可调用这条规则。执行规则的结果会改变数据库 中的内容。 例要求寻找一条从初始状态到达目标状态的最短移动路线。对此例，如果采用空格牌移动规则时， 移动的规则可表示如下； 设空格牌位置用o l m 表示，其中i 。表示空格所在行( 自上到下依次为1 ，2 ，3 ) ，j o 表示空格所在列( 自 左到右依次为i ，2 ，3 ) ，则空格牌左走的条件是： 如果j o - 1 1 则o 左移 同理可得空格牌上移，左移及下移的规则表示式： i5 东南大学工程硕士毕业论文 如果i - 1 1则o 。上移 如果j 。+ 1 3则o 右移 如果i 。+ 1 3则0 l m 下移 使用这四步空格牌走步规则集，综合数据库内容不断改变，就可由初始状态走到目标状态。 ( 3 ) 控制系统一负责选择规则的决策系统，它对应着控制性知识。产生式系统的控制策略，实质上是 一个搜索过程，它要对一系列的规则进行试探，直到发现某一顺序列使数据库满足终止条件为止。 产生式系统的问题求解过程的步骤如下： ( 1 ) 将数据库初始化。 ( 2 ) 当存在某有用规则的前提能与数据库中的事实相匹配，则转( 3 ) ，否则转( 5 ) 。 ( 3 ) 使用规则。更新数据库，并将所用规则做上标记。 ( 4 ) 判断数据库里是否已有目标解。若是，则终止求解过程，否则转( 2 ) 。 ( 5 ) 要求更多的关于问题的信息，充实数据库。并转( 2 ) 。若不能提供所要信息，则求解失败。 产生式系统的特点： ( 1 ) 清晰性( 可读性) 一能清楚地反映人类在一个特定领域中，关于“做什么”的思维过程，固定的 “i f - t h e n ”格式，简单、清晰、易于表达、理解、检索和推理。 ( 2 ) 模块性一每条规则闻相互独立。不能调用，相互间的联系用上、下文的数据结构来实现，这种较 强的相互独立的模块性，给知识库的建立、扩充管理提供了方便。 ( 3 ) 灵活性一便于修改、增删、有利于加入启发性知识。规则组合后，又可用来表达深层知识。 ( 4 ) 解释性一能方便地实现向用户解释所得结论的依据是什么? 但简单的产生式系统由于各条规则 相对独立，知识的表达能力较低，且按顺序检索，在复杂问题求解过程中会出现组合爆炸，效率较低，解 释能力也只是重复已启用的产生式规则，而不能从本质上给出问题的原理性解释。经不起问几个为什么。 尽管产生式系统有上述缺点，但由于其知识表达简单，便用方便，是目前国内外的专家系统中采用的 知识表示方法最多的一种。 4 2 操作类型及现状 虽然申请单、工作票、调度操作任务票、倒闸操作票在电力系统中所处的地位不同，所表述的方式不 一样，但它们解决的问题都是确定需操作设备及范围、涉及电网中各电气设备的状态的转换。通常它们有 运行、热备用、冷备用，检修4 种可能的状态。一般我们将需操作的电气设备的集合以一个间隔来对待， 对它们主要有下列基本操作：1 ) 电力系统的解、并列操作；2 ) 电力系统的解、合环操作；3 ) 线路操作；4 ) 变压器操作；5 ) 母线倒闸操作；6 ) 线路操作；7 ) 隔离开关操作；8 ) 冲击合闸操作；9 ) 零起升压操作；1 0 ) 1 6 第四章操作防误 旁路代操作，因此，系统必须能够正确识别这些操作间隔并判断其运行状态。在正确实施间隔状态转换前， 必须判断操作合法性，在不合法时向用户发出警告。如在双母线母联合上情况下。出线倒母线( 热倒) ，第 一步是合上另一双母切换隔离开关，由于母联合着，二母线单位差为0 ，操作合法，但如母联打开，在合 另一双母切换隔离开关过程中，带负荷合隔离开关，造成三相弧光短路，又比如在出线断路器未打开情况 下，拉开出线隔离开关，则是带出线拉隔离开关，在线路检修时线路对侧线路接地刀闸合上，送电时忘记 拉开，本侧开关投上，则又造成三相短路。 4 3 防误操作规则描述 在图3 1 中闭合( 或作用) 的元件用黑色表示( 如断路器d 2 或隔离开关s 3 3 ) 。在本例中所有负荷均由发 电机9 1 供电。 变电所的元件操作服从某些制约： 如果断路器的操作不形成短路，则可以开或闭，隔离开关的规则较复杂，例如与隔离开关串联的断路 器断开时，它才可操作。当隔离开关s 2 2 断开和断路器d 2 断开，或者旁路开关闭合时，与母线相连的隔 离开关s 2 1 才能闭合。 假如现在隔离开关s 2 2 在断开状态时出故障，则对负荷c 2 的供电停止。至少有二种使c 2 接剑发电机 的可能性。第一种是闭合隔离开关c 2 1 ，然后合上旁路开关b y l 。在这种情况。我们不需要启动第二台发 电机，但要使二条母线均带电，这在某些情况下是不方便的。第一二种可能性是选择下列路径： c 2 ，d 2 。s 2 1 ，j l ，s 4 1 ，j 4 ，s 4 3 ，d 4 ，t 2 ，9 2 这相当于下列开关操作： 闭合s 2 1 ，闭合s 4 1 。闭合s 4 3 ，启动9 2 ，闭合d 4 为了只使用一条母线及一台发电机，现在要通过断开d 1 和d 5 ，断开s 1 2 和s 5 2 ，闭合s l l 和s 5 1 ，以 及重新闭合断路器d 1 和d 5 ，将负荷c l 和线路l 1 移到母线j l 。可以用断开断路器d 3 来代替断开断路器 d l 和d 5 。这种操作也切断对负荷c 2 供电，但可能从整体上说是最快的操作。所以，这些策略是与变电所 有关的，要作为一策略规则加以定义。 对于我们的工作，定义了一个较简化的变电所模型，只考虑拓扑信息( 如哪些元件相连) 。元件只有 三种状态一开、闭和故障失效。关于电压和电流，只用定性信息。例如，只注意哪个元件有电流通过。在 这简单模型中不考虑电流的定量值和被元件支持的最大电流。 4 4 基于规则的知识库系统 知识库包括事实库和规则库和其他数据库一样，知识库包括叫做事实的数据，它描述元件的固定特 1 7 东南大学工程硕士毕业论文 性。在本系统中，它包括诸如不同变电所元件的名字、类型和状态。 此外，知识库包括描述如何处理这些数据的指令。如果这些指令用i f t h e n 格式表示，即为基于规 则的系统。在我们要研究的情况下，操作规则被存放在知识库中，例如： 如果( i f ) 元件是一隔离开关，并且( a n d ) 没有电流通过这一元件，则( t h e n ) 可以断开。 对于i fat h e nb 规律，a 叫作规则的左侧( l h s ) ，b 叫作其也侧( r h s ) 。如果a 和b 是逻辑表达式， 它们可是真或伪，则a 叫前提，b 叫结论。 这些作为规则表示的事实和指令已经明确地表示和写下来，因为它们表示电力系统的公共不变的知 识。在电网调度规程。变电所现场运行规程中有比较全面描述，一般情况下每一个熟悉这些规程的 人就能操作这些元件。 注意，除了规则，还有一些特殊指令类型，它描述每一个元件在什么情况下允许强迫或禁止动作。例 如： 元件类型 断路器 动作 可以断开 可以闭合 情况 任何时候 不接地 4 4 1 事实