（电机与电器专业论文）保护定值在线校核专家系统的研究.pdf

堡芝塞堕垄垡堡堡主窭墨篓塑婴塞 a b s t r a c t t h er e l a ys y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ep o w e rs y s t e m a n da m a l f u n c t i o ni ni tw i l l l e a dt oh u g el o s s i t sn e c e s s a r yt oh a v er a p i da n d r i g h tr e l a y s n o w t h ee m ss y s t e m i sa p p l i e d a b r o a d i tm e e t s t h ed e m a n d so fo n l i n ev e r i f i c a t i o n t h i st h e s i su s e st h ek n o w l e d g eo fp o w e rs y s t e ma n dc o m p u t e rs c i e n c et oc a r r yo u tt h e e x p e r ts y s t e mo f o n l i n ev e r i f i c a t i o n a n dp u t sf o r w a r dam a t h e m a t i c sm o d e l t oa c c e l e r a t et h e s 1 叫m c i r c u i tc a l e n l a t i o n t h em e t h o db a s e do nt h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n t s r u n sw e l li nt h ec o n v e n t i o n a l s y m m e t r i c a ls y s t e m b u tw i t h t h e t h r e e p h a s e u n b a l a n c e dl i n e sa n dl o a d sa p p e a ri nt h e u l t r a v o l t a g ep o w e rs y s t e m t h ep h a s ec o m p o n e n t so p e r a t e s w e l l t h i sp a p e rp r e s e n t sa n a m e n d e dw a yt oc a l c u l a t et h e f a u l t s e p a r a t e s t h en e t w o r ki n t o s y m m e t r i c a lp a r t s a n d u n s y m m e t r i c a lp a r t s u s e ss e q u e n c ec o m p o n e n t s t os i m p l i f yt h en e t w o r ka n dp h a s ec o m p o n e n t s t oc a l c u l a t eu n s y m m e t r i c a lp a r t s b e c a u s et h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n tr e l a yi nt h eu l t r a v o l t a g ep o w e rs y s t e mi sf l i m s yw h e n t h en e t w o r ki sc h a n g e d t h es o f t w a r ei sd e s i g n e dt ov e r i f yt h ez e r o s e q u e n c ec u r r e n ts e t t i n g s u n d e rt h ev i s u a lb a s i c6 0d e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c e u t i l i z i n gt h ea c c e s s2 0 0 0 t h ee x p e r t s y s t e m c a r li d e n t i f yt h er e l a ys e t t i n g sq u i c k l yw h e nt h en e t w o r ki sc h a n g e d t h ee x p e r ts y s t e m i n c l u d e st h r e em o d u l e s n e t w o r kp a r a m e t e rd a t a b a s em o d u l e n e t w o r ks h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o n m o d u l e r e l a ys e t t i n gv a l u e 1 e r i f ym o d u l e t h e 1 i r d p a r to f t h et h e s i sr e f e r st h e f a u l tc a l c u l a t i o nm e t h o d t h i s p a r ta l s oi n t r o d u c e s t h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h ev ca n dv b t h ef o 油p a r te x p l a i n st h ek n o w l e d g eb a s eo f t h ee x p e r t s y s t e m t h e k bi sf o r m e do f a c c e s st a b l e s t h ef i f t hp a r ti n t r o d u c e st h er e a s o n i n gm e c h a n i s m a n du s e st h ec o o r d i n a t i o nr u l e st ov e r i f yt h es e t t i n g s t h ep a r ti n t r o d u c e st h ea d ot e c h n o l o g y t o o t h et h e s i si sb a s e do nt h ea c t u a ld e m a n do fp o w e rs y s t e m i no u re o u n o y w h e nt h e n e t w o r kt o p o l o g yi sg o i n gt ob ec h a n g e d t h ed i s p a t c hc e n t e rn e e d st h er e l a yd e p a r t m e n tt o c a l c u l a t ea n dv e i l f yt h es e t t i n g s t h e nt h eo p e r a t o rp r o d u c es h e e t s t h ep r o c e s si ss l o wa n d t e n d st oh a v em i s t a k e s t 1 1 es o f t w a r ef o r m st h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c et oi n f o r mt h eo p e r a t o rw i t hv i s u a l i z e d r e s u l t s t h es o f t w a r ei sa b l et os e c u r et h eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m k e y w o r d s r e l a yp r o t e c t i o n r e l a ys e t t i n g s o n l i n ev e r i f i c a t i o n e x p e r ts y s t e m i i 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究一j 作及取得研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文 卜不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我同 l 作的同志对 木研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 趋窆叠日期 大连理j 大学硕士学位论文 1 绪论 近三十年来 计算机技术广泛地影响着科学技术 生产 生活的各个领域 包 括电力系统继电保护技术的发展 从最初的研究适用于继电保护的各种算法 到具 体装置的研制 计算机式保护得到了快速的发展 现在 综合应用计算机技术 通 信技术的实时继电保护已成为继电保护技术发展的趋势 本文基于实时继电保护的 基本思想 在系统运行方式发生变化时 对现有保护定值进行在线校核 提出基于 e m s e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m 和专家推理的定值校核策略 并将之应用于阶段 式零序保护的在线校核中 为实时继电保护做了一些有意义的基础研究工作 1 1引言 电力工业作为基础产业 对国民经济的发展至关重要 一旦发生故障损失巨大 继电保护装置是电力系统重要组成部分 用于保证系统及其设备的安全 所以迅速 准确的继电保护系统是电力系统安全运行的重要保证 电网调度的一个主要任务就是调度操作 这些操作会引起拓扑结构及运行方式 的改变 就需要对保护定值方案进行校核 以保证在新的运行方式下各定值满足实 际运行需要 从目前我国的大多数地调系统来看 定值的校核工作一般是由调度员 提出校核请求 然后经继电保护人员根据新的拓扑结构进行短路计算 校验原保护 方案 再由调度员开列操作票 来完成包括定值修改在内的调度操作任务 此过程 耗时多 中间过程容易出现差错 随着微机保护的广泛应用 电力通信技术的不断 进步 电网能量管理系统 e m s 应用软件目益实用化 定值在线校核所需的电网和 保护信息能够即时的采集和传送 卜2 为实时电网分析在现代电网调度中的应用创 造了条件 在线定值校核专家系统可以提高电网调度系统的智能化水平及电网调度 的 e 确率 作为外挂在e m s 系统上的程序 此专家系统可以方便的应用于地区电网 的调度自动化系统中 也可供继电保护整定人员参考 并可成为实时继电保护实现 的基础 1 2 国内外相关研究的进展 继电保护方案的确定和整定计算是一项非常复杂的技术工作 需要以电网故障 分析为基础 按照严格而复杂的整定计算原则 进行大量的定值计算 比较和筛选 对于高压电网 为了保持整定计算的准确性 还要考虑线路之间的互感 3 及分支系 1 保护定值在线校核专家系统的研究 数 4 计算量非常庞大 要考虑很多可能的条件 一个整定方案由于整定配合方法 的不同 需要多种校核 花费大量的时间才得到一个最优的整定方案 5 6 目前 继电保护定值是离线计算获得的 按保护对应的系统最大运行方式来计算保护的动 作值 按对应的最小运行方式来校核灵敏度 定值在运行中保持不变 但是 在实 际运行中 系统运行方式是不断变化的 当处于某些特殊的运行状态时 系统中部 分保护的定值可能不能满足灵敏度和选择性的要求 存在事故隐患 如果保护只结 合当前运行方式进行实时整定 则不仅可以减少计算量从而节省时间 而且能提高 保护的灵敏性及选择性 这就是定值随网络结构变化的自适应保护的基本思想 自适应保护可以定义为依据电力系统运行情况和故障状态的变化实时改变保护 原理 特性 定值的保护 自适应保护系统在快速性 选择性 灵敏性方面优于常 规保护 从上世纪9 0 年代初期开始 人们就在积极探索微机型继电保护的自适应方式 提出了完善的自适应保护的定义 7 探索了不同的自适应保护方法 扩展了自适应 保护的范围 如以下几种不同的自适应方式 1 自适应继电保护装置 文献 8 介绍了一种作为输电线路距离保护的自适应距离 继电器的设计 实现以及其测试 同时对提出的继电器的性能与固定数据窗距离 继电器进行了比较 采用自适应数据窗口的距离继电器的动作速度比固定数据窗 继电器的动作速度要快 2 闭环的自适应控制回路 文献 9 提出了一种双回线自适应接地距离保护系统 它与传统距离保护的主要区别在于增添了自适应控制回路 自适应控制回路的主要 作用是根据被保护线路和系统有关部分所提供的输入量识别系统所处的状态 进一 步作出自适应的控制决定 3 人工神经网络 文献e l o 提出了用人工神经网络判断系统故障 用其自学习能力 实现故障的快速判别 文献 1 1 提出一种利用人工神经网络实现自适应电流保护的 方法 利用了人工神经网络所具有的强大的自适应能力 学习能力和模式识别能力 实现对电力系统中的各种故障情况的识别 解决电流保护中的灵敏度补偿和故障方 向识别问题 使电流保护对正方向各种故障都有足够的保护范围 而对反方向的各 种故障实行闭锁 从而实现电流保护的自适应 通过仿真程序计算证明结果正确可 用 尽管电力系统继电保护的自适应研究很早就被提出 但真正应用于系统的自适 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 应保护还没有出现 原因在于自适应保护需要大量的系统参数及实时的各个装置的 信息 在信息准确 充分的前提下自适应才有实际意义 而现有的自适应继电保护 系统未与能量管理系统 e m s 结合 一般是设计出一个保护方案 用仿真软件验证 方案思想的正确合理 并未进入实用化阶段 继电保护的定值在线校核可以说是自 适应保护的一部分 在线校核能够利用电力系统实时数据 是现有应用程序与e m s 系统结合的尝试 为了合理地选择保护的整定值 需要电网继电保护定值校核按照一定的整定计 算原则 以电网故障计算为基础 进行大量计算 比较和筛选工作 这其中既有可 以用数学方法描述的确定性问题 也有大量需要专家经验 运用专家启发性知识才 能处理的问题 因此将专家系统引入继电保护整定计算是解决这一问题的合适途 径 专家系统 e x p e r ts y s t e m 是一种计算机程序 它能在特定的领域起到该领 域人类专家应起的作用 人类专家具有非凡的能力是因为他们知识渊博 而计算机 系统具有强大的知识储存功能 并能随时更新 所以 在很多领域 专家系统已达 到人类专家的水平 这一点已经从专家系统的短暂历史中得到证明 其在电力系统 的应用也日益广泛 专家系统是由知识库和推理机组成 基于规则和事例的智能计算机程序 自8 0 年代就已经开展了专家系统在电力系统的应用研究 9 0 年 有人提出了用定值校核 的专家系统来帮助调度人员完善调度工作 当时提出的专家系统是基于p r o l o g 智能 语言的离线系统 之后 有人陆续提出了整定计算专家系统 如 文献 1 2 开发了 一个电网距离保护整定专家系统 用产生式规则设计知识库 用反向推理方法完成 智能化处理 文献 1 3 提出了准专家系统模式 其逻辑关系需要一定的人工干预 文献 1 4 针对地方电网的特点 基于面向对象技术和产生式规则知识表示 开发了 一套分散式整定专家系统 知识库易于维护 搜索范围小 效率高 文献 1 5 应用 专家系统理论及智能化程序设计思想 研制了一套高压电网零序电流保护整定专家 系统 采用框架结构与产生式规则结合的知识表示 实现了整定规则和整定机制分 离 提高了专家系统的适应性 文献 1 6 介绍了一个由关系型数据库软件a c c e s s 提 供数据库支持 采用面向对象的图形化程序设计方法设计的整定专家系统 上述专 家系统整定计算都是在离线状态下实现的 其定值校核部分值得借鉴 把专家系统 引入继电保护的定值校核 可以适应多种不同的运行方式 由确定及不确定条件判 3 一 保护定值在线饺核专家系统的坝芄 断出系统定值方案是否需要重新整定 1 3 编写定值在线校核专家系统的前提条件 1 3 1e m s 系统为在线校核提供系统运行数据 计算机以其高速 精确等特点为许多传统行业的发展注入了新的活力 从上世 纪7 0 年代开始 陆续出现了应用计算机提高继电保护功能的新技术 其中的 e m s s c a d a 系统是最重要的一项研究成果 它的主要作用是给电网调度人员提供电网 的实时信息 并对电网进行调度 管理和控制 e m s 系统在电力系统的大量应用使在 线校核成为可能 应用e m s 强大的功能 电网运行实时信息能够有效和准确的采集 为在线校核提供了系统运行数据 1 3 2 故障计算的方法 在线校核的前提是依据电力系统结构的变化进行故障分析 计算出相关的短路 电流 故障计算是电力系统的一项基本计算 通常应用的算法有对称分量法和相分 量法 对称分量法需假设网络是线性的 应用叠加原理 将三相网络分解为正 负 零序三个网络 并假定正常情况下网络是对称的 然后 再应用叠加原理 将各序 的电压 电流分解为正常分量和故障分量 然后根据故障点故障类型的边界条件 将三个序网连成一个完整的网络 计算出三个序网电压 电流的故障分量 再与正 常分量相加 便求得三序电压 电流的实际值 由三序电压电流可以计算出三相电 压电流 目前 网络结构越来越复杂 现代大型电力系统中不可避免地存在着部分不对 称网络 此时使用序分量法 不但序网连接复杂 而且复合序网通用性差 即故障类 型不同序网连接方式也随之改变 且只能计算那些由简单的纵向和横向故障组合而 成的一般性复杂故障 分析不对称电力系统中的各种故障 通常采用相分量法 1 7 相分量法是 1 8 根 据不同的故障情况来修改原来的系统导纳矩阵 然后解y y 的方程 然后求 出各个节点的各相电压 由故障求出的电压来求故障电流 相分量法比较直观但占 系统元件大多数的对称元件在对称分量坐标系中可解耦的优点将全部丧失 造成数 学模型复杂及计算量较大 完全基于对称分量法的常规故障计算方法在三相参数对称电力系统故障计算中 4 大连理工大学硕士学位论文 因对称元件在对称分量坐标系中可以解耦 即各序网之间不存在耦合关系 有着良好 的计算效率 近二十年来 基于对称分量原理的故障分析方法已有很大发展 具有 代表性的有基于序网概念的多端口网络分析法 1 9 补偿法 2 0 文献 2 1 上述 故障计算方法当网络 负荷都对称时 具有相当好的求解效率 但对网络或负荷不 对称的情况则无法使用 即使是单一故障 对称分量法的处理方法也不便于计算机 编程 文献 2 2 提出了不对称三相系统故障分析的新算法 在对称分量坐标系中不对 称三相潮流计算的隐式节点阻抗矩阵法 该文把每个节点导纳等效成一个3x3 阶的 子阵 该子阵仍旧是以0 1 2 组成序导纳进行计算 该算法直接利用三相潮流计算时 所形成的节点导纳阵因子表 实现了潮流 故障计算的有机结合 故障计算时还充 分利用了近年来发展的稀疏补偿法和稀疏向量法 相分量法比较直观但占系统元件大多数的对称元件在对称分量坐标系中可解耦 的优点将全部丧失 为克服相分量法的缺点 文献 2 3 提出了不对称电力系统故障分 析的对称分量法 这种方法不需要形成故障后全网的节点导纳阵 计算过程中利用了 对称元件在对称分量坐标系中可解耦的特性 将电力系统不对称部分与对称部分分 块处理 应用多端口戴维南定理和相序参数变换 把网络分成有源对称部分和无源不 对称部分 把三相参数不对称元件和故障统一处理成对电力系统对称部分的修正 这种方法最后还是要通过相序变换来计算边界节点电流 为进一步提高电力系统故 障计算的速度和效率 取消对故障类型和三相参数是否对称的限制 文献 2 4 基于大 系统分解协调法 将大规模电力系统分解成若干个相互问无电磁联系的子系统 把故 障处理成对子系统群拓扑结构变化的修正 并行或串行快速计算三相参数对称或不 对称电力系统任意复杂故障 电力系统中的三相不对称问题给对称分量法的应用带 来了困难 相分量法是研究电力系统三相不对称问题的主要方法之 文献 2 5 基 于相分量模型 提出了多态相分量法 可以处理电力系统各种不对称的问题 通过多 态化矩阵运算 实现了三相计算和单相计算的统一 研究了在电力系统网络发生各种 故障条件下多态相分量法的处理方法 实现了该法在电力系统故障分析领域中的应 用 文献 2 6 把网络的分块影射法用于大规模电力系统不对称短路的计算 把大规 模电力系统分隔为若干个子系统并用影射法求解每个子系统 求联络线电流将其转 换为各个子网络中联络线端点上的注入电流 在计算过程中用数学方法求各个子网 络的影射张量 文献 2 7 提出了用时域频域复合法求解不对称多相系统的故障电流 s 保护定值在线校核专家系统的研究 比传统的时域算法需要的计算机机时少 但时域的电源还有负荷模型与频域的输电 系统之间的接口转换比较麻烦 1 3 3 保护校核规程的初步探讨 从电网安全运行的角度出发 l l o k v 及以上电网的继电保护 必须满足可靠性 速动性 选择性及灵敏性的基本要求 可靠性由继电保护装置的合理配置 本身的 技术性能和质量及正常的运行维护来保证 速动性由配置的全线速动保护 相间和 接地故障的速动段保护及电流速动保护取得 选择性是指保护装置动作时 仅将故 障组件从电力系统中切除 使停电范围尽量缩小 以保证系统中的无故障部分仍能 继续安全运行 灵敏性是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能 力 应该在事先规定的保护范围内部故障时 不论故障的位置 短路类型如何 都 能灵敏的感受 正确反应 为了满足电网对继电保护提出的四性要求 必须合理地 选择保护的定值 以保持各保护之间的相互配合关系 因此做好电网继电保护定值 的整定计算工作是保证电力系统安全运行的必要条件 在线校核的重点是线路保护的校核 这是由于线路保护与相邻保护间存在配合 关系 因此其校核比较复杂 本文以零序保护为对象开展线路保护校核分析 针对 ll o k v 以上系统 一般配置阶段式零序保护和距离保护 因为距离保护的保护范围随 网络拓扑结构变化较小 其保护范围及时间的配合关系一般不需校正 零序保护随 系统网络拓扑结构的变化其保护范围变化就很大 需要重新验证其保护范围及配合 性是否满足要求 零序电流保护是一种主要的接地短路保护 整定原则应符合 2 2 0 5 0 0 k v 电网 继电保护装置运行整定规程 2 8 具体的整定原则有 5 1 零序i 段保护 躲开下一线路出口处单相和两相接地短路的可能最大零序 电流 并且引入可靠系数 2 零序i i 段保护 与下一线路的零序i 段配合 且考虑分支系数的影响 3 零序i i i 段保护 相当于相间短路的过电流保护 原则上是躲开下一线路出 口处相间短路时出现的最大不平衡电流 1 3 4 专家系统的实现方法 随着计算机软件技术的发展 专家系统也经历了凡种不同的形式 最初是黑板 模式 3 3 这种结构是以黑板框架为基础 所有独立的符号推理和数值计算部分分 别作为知识源 这些知识源通过分享全局数据库进行联系 这个全局数据库就是黑 一6 查垄望三奎堂堡主堂些堡塞 板 它用于存贮原始信息 中间及最终计算结果 供四个模块查询和修改 它是问 题求解过程的中间媒介 也是联系知识源间的通讯 如图1 1 l 一 一一一 一一 一一一一 图1 1 黑板式专家系统的总体结构图 f i g 1 1t h ef r a m eo fb l a c k b o a r de x p e r ts y s t e m 发展到现在专家系统的基本组成如图1 2 所示 其中第一个重要的组成部分是 知识库 它存储从专家那里得到的 关于某一领域的专门知识 第二个组成部分是 推理机 它具有依据一定策略进行推理的能力 图1 2 专家系统的总体结构 f i g 1 2t h ef r a m eo fe x p e r ts y s t e m 文献 2 9 就国内专家系统方面的研究进行了综述 分析了专家系统中几种常用 知识表示法的优缺点 指出了需进一步研究的方向 继电保护在线自适应整定的实 现能够改善保护系统的性能 在其中引入专家系统可用于校验每种保护的定值范围 并能根据网络的当前运行状态进行定值的在线自适应调整 还能检测不正确的保护 配合方式 给出最佳的调整方案 3 0 1 3 5 人机交互界面的发展 计算机设计主要包括功能设计和可用性设计 在计算机发展的初期 人们更注 重功能设计 强调数学逻辑 是一种 以技术为本 的设计 人机界面一直不为软 件开发人员所重视 认为这纯粹是为了取悦用户而进行的低级活动 2 0 世纪8 0 年代 7 堡芝塞堡垄些堕堡童窒墨竺竺婴茎 计算机设计转向了 以用户为本 的观念 开始注重可用性的设计 近年来 随着 计算机硬件技术的迅猛发展 计算机的存储容量 运行速度和可靠性等技术性能指 标有了显著的提高 新一代的计算机用户 在应用软件的可操作性以及软件操作的 舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求 除期望所用的软件拥有强大的功能外 更期望应用软件能尽可能的为他们提供一个轻松 愉快 感觉良好的操作环境 友 好的人机界面设计已经成为应用软件开发的一个重要组成部分 1 3 5 1 人机界面的发展简史 这里所指的人机界面的发展 是指计算机的用户界面上控制输入的方法 大致 经过了三代的演变 1 命令语言 界面方式是命令和询问方式 通信完全以正文形式并通过用户命令和 用户对系统询问的响应来完成 这种方式使用灵活 对熟练的用户有很高的工作效 率 但对一般用户来说要求高 易出错 并难于学习 它的错误处理能力也较弱 2 菜单选项 这种方式与命令行方式相比不易出错 减少用户的击键次数 但可能 出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形 不能一步到位 导致交互速度显得太慢 3 窗口点选界面 此类界面亦称w i s p 界面 即窗口 w i n d o w s 图标 i c o n s 菜单 m e n u s 指示器 p o i n t i n gd e v i c e 四位一体 形成桌面 d e s k t o p 这种方式能同 时显示不同种类的信息 使用户可在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的 联系 用户可通过下拉式菜单执行控制型和对话型任务 引入图标 按钮和滚动杆 技术 现有软件基本都是采用第三种交互方式 已开发的大量可视化电力系统软件只 要用户在图形上点击或拖动鼠标就可以完成操作 如文献 3 1 介绍的图形化电力系 统分析软件 文献 3 2 介绍的应用地理信息系统完成的静态安全分析软件等 用户 在使用的过程中更关心系统功能的完整以及系统适合实际现场的要求 因此 用户 界面的友好性至关重要 综上所述 电力系统继电保护定值的离线校核其原理及应用都很成熟 e m s 系统 及相关软件为校核的在线性提供了数据及计算方法 目前在线校核还只是进行了理 论上的初探 但随着电力系统内计算机的大量应用 继电保护也必然朝着实时整定 及自适应保护的方向发展 由于专家系统的独特的优点 将其应用到继电保护定值 校核中 能全面提高继电保护运行管理的自动化水平 确保保护整定的准确性 对 电力系统安全稳定运行 具有重要的现实意义和推广应用价值 是实现整定智能化 一只 查垄望三查兰堡主堂垡堡皇 的有效途径 1 4 课题任务及本论文的主要工作 本课题研究的内容是利用e f f s 提供的快速 丰富的信息资源 基于专家系统的 推理 通过可视化技术 以更直观的方式 提供给调度人员有关定值的实时在线校 核信息 基于上述内容 论文要解决的问题是 l 建立与e m s 系统的接口 把数据存储在知识库中 建立专家系统的事实集 2 根据现有的整定规则推导出零序保护校核的规则 存储在知识库中 建立起 专家系统的规则集 3 高级语言编程实现短路电流计算程序和专家系统的推理机制 根据短路点及 短路类型的不同进行短路电流计算并校核 4 利用可视化技术实现人机交互的友好界面及校核结果的报表 9 保护定值在线校核专家系统的研究 2 在线校核专家系统主体设计 为了便于未来系统的扩展 设计方案采用模块式系统 它由短路电流计算模块 专家系统知识库和专家系统推理机 人机交互界面等模块组成 本章主要从功能设 计角度出发讨论各个子系统的实现工具及完成的功能 确定一个完整的方案 2 1 系统功能设计 2 1 1 系统性能要求 系统的功能设计应主要满足以下性能要求 1 实用性 当调度人员要更改系统运行方式时 需要继电保护人员重新计算定值后给出结 果 缺少一种迅速 准确的保护定值校核的程序供调度人员参考 本应用软件能够 填补这样的空白 2 准确性 应能根据网络拓扑结构的变化确定短路计算的范围 即哪几条支路需要校核定 值 而且 进行短路计算时考虑到高压输电线路互感的影响 需要进行互感修正 除必要的参数近似取值外 所有电网参数都要从e m s 系统实时取得 以保证短路计 算准确 校核结果具有参考价值 3 友好性 系统设计要充分考虑到调度运行人员的操作和维护管理 人机对话功能应有友 好的界面 操作简便易于掌握 采用汉化菜单 适应运行人员的实际要求 2 1 2 系统实现指标 系统能够完成以下功能 1 能够与e m s 系统接口 取得电网参数数据 2 能够根据网络结构变化计算某些支路的故障电流 3 新计算出的短路电流存入知识库 备校核程序使用 4 用专家系统推理机制完成某些支路定值校核 5 最终的校核结果给出报表 2 2 系统组成及其各模块的功能 2 2 1 系统的设计思想及主体结构 一 0 大连理工大学硕士学位论文 专家系统是一个具有人类专家经验的计算机程序 是以知识为核心的系统 作 为保护定值校核的专家系统 本软件的设计在图1 2 的基础上增加了一个短路电流 计算模块 同时对知识库 推理机都有所改进 具体流程如图2 1 图2 1 校核专家系统结构 f i g 2 1 t h ef r a m eo fv e r i f i c a t i o ne x p e r t s y s t e m 由图可将此系统分为3 个模块 1 电网参数动态修改模块 2 短路计算模块 3 定值校核模块 其中电两参数动态修改模块作为该专家系统的知识库 为了构造知识库 我们 需要解决如何存储知识的问题 即知识的表示方法 短路计算模块由于与专家系统 的其他部分相对独立 需要考虑与其他模块的接口 定值校核模块即专家系统的推 理机制 推理机是专家系统的核心部件 其主要任务是控制知识库模块 数据库模 块及短路计算模块的工作流程以完成保护定值的校核计算 2 2 2子系统的功能及其实现工具的选择 2 2 2 1 电网参数动态修改模块 电网基本参数 线路定值 校核规则 短路电流等都作为知识存储在知识库中 知识表示是描述知识的语法和语义的集合 在专家系统中 知识有很多表示方式 如规则 框架 网络等 它们的共同的特点是满足可用性 可读性和可扩充性 作 为电力系统定值校核专家系统的知识库 利用e m s 系统实时反应网络拓扑结构的前 提 应该能够实时的更新其中存储的电网参数及定值 使其与新的运行方式一致 最初专家系统的知识库分为静态数据库和动态数据库 3 3 静态数据库存放网 1 1 保护定值在线校核专家系统的研究 络中线路 变压器和发电机等元件参数及保护配置等运行参数 它在整个计算过程 中不变 需要计算不同的网络时 由运行人员在计算前进行修改 动态数据库存放 保护定值计算过程中的中间计算结果和最后计算结果 包括各种运行方式下的计算 定值 按常规整定原则计算的初步定值 检验修正后的最终定值及所对应的运行方 式等 在系统运行过程中 可自动对其进行增加 删除及更改 这种存贮方式对少 量数据而言 尚可满足要求 而对大量数据而言 访问非常麻烦 且速度很慢 文献 1 5 应用专家系统理论及智能化程序设计方法 并结合常规的零序电流保 护整定计算思想 研制了一个高压电网零序电流保护整定计算的专家系统 该系统 采用框架结构与产生式规则相结合的知识表示方法 以电网结构为基础的精确推理 过程 实现了整定规则和整定推理机制相分离 用户可以随时将整定规则的变化反 应到规则库中 大大提高了专家系统的适应性 应用灵活 具有较强的适应性与可 维护性 随着电力网络的发展 计算机的应用 用户对软件的运行速度 计算精度要求 更高 所以对数据库的组织和管理的科学性 可维护性提出了更高的要求 与数据 库管理类似 对知识库的管理包括对知识的分类 组织和存储 知识的检索 知识 的增加 删除和更新 以及对知识的一致性 完整性和无冗余性的检验等等 经过 对比各种数据库操作系统 发现微软的a c c e s s 数据库系统功能强大 与其他视窗软 件具有类似的界面 数据可以方便的与o f f i c e 的其他组件如w o r d e x c e l 等进行交 换 其通用性 灵活性显而易见 a c c e s s 是目前比较流行的关系型数据库系统 不 仅可以对数据进行浏览 条件查询 增删等操作 还因为其关系型数据库的特点可 以保证数据的统一无冗余 本软件在数据库中设计了如 网络参数表 线路开关表 等共9 个表 t a b l e 分别存贮网络基本参数 保护配置参数 互感区参数 定值等 根据第一范式来设计规范数据库 又通过定义表内和表间的关系及索引 关键字等 手段 让各表之间相互联系 维持数据的一致性 2 2 2 2 与e m s 系统的数据交换 e m s 系统已经在电力系统获得了广泛的应用 基于其的高级应用软件需要与e m s 进行无缝数据交换 目前 国内外主要d i s 的数据库管理系统 d b m s 一般采用2 种 解决方案 1 专用数据库 2 专用数据库 商用关系型数据库 其中 专用数据库是各e m s 厂家自己设计开发的数据库管理系统 用于存取e m s 的实时数据 商用数据库一般用 于存取非实时数据 如历史数据 统计数据以及相应专用数据库的结构信息 基本信 1 2 大连理工大学硕士学位论文 息和系统配置信息 s c a d a g i s 各子系统的功能都是建立在统一的历史数据库 实 时数据库和网络支撑平台上 各应用功能都利用同样的网络和数据库接口函数 3 4 3 6 目前的专门数据库大都针对e m s d m s 系统专有的功能和特性要求设计和开发 用 户只能按照开发者预先定义的数据模式和结构输入输出数据 难以满足用户及应用 软件不断发展的要求 给用户造成升级和移植的不便 极大地增加了开发和维护费 用 为了克服这些困难 国家电力调度中心决定规范e m s 及相关软件系统所提供的接 口 使之标准化 3 7 国调中心采纳了国际电工委员会 i e c 制定的i e c 6 1 9 7 0 系列标 准 称为能量管理系统应用程序接口 e m s a p i e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 该标准希望通过定义标准应用程序接口 使 得应用和系统能够不依赖于信息的内部表示而存取公共数据和交换信息 i e c6 1 9 7 0 规定了新的e m s a p i 接口模型 是解决这一问题的有效途径 其中i e c 6 1 9 7 03 x x 定义了公用信息模型c i m c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l 提供t e m s 信息模 型的逻辑视图 3 8 3 9 是整个e m s a p i 框架的一部分 它规定了e m s a p i 的语义 c i m 是一个抽象模型 用一种所有应用程序都使用的通用方法来描绘现实世界对象 该模型包含这些对象的类和属性 以及它们之间的关系 c i m 不是数据库 而仅仅是数据模型 元数据 需要具体的语言来实现它 现在 主要的方法是基于可扩展标记语言 x m l 的静态文本交换法 x m l e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e 语言是近几年发展起来的元数据置标语言 是由w o r l dw i d e w e b c o n s o r t i u m 的x m l 工作组定义的 其目的是要克服h t m l 的不足 使网络传输文档规 范化 这是因为预定义的h t m l 无法适应已定义的众多文档类型 比如它无法充分描 述数据库 但是x m l 能满足要求 它能在每个数据库记录中标注每个信息域 可以 以不同的方式显示数据 搜索 排序等等 4 0 l 以其简单性 可扩展性 互操作性 开放性等特点受到关注和欢迎 在很多 方面得到应用 由于x m l 数据展现与表示是分开的 使其特别适合于实现异构系统 间的数据交互 x m l 语言与资源描述框架 r d f 结合 可以很好的描述符合c i m 的电 网模型 r d f x m l 格式正被许多e y s 供应商用来解决不同应用间 不同系统问数据交 换的问题 2 2 2 3 定值校核模块 定值校核模块是该系统的核心部分 它决定哪些线路需要校核 启动短路计算 1 3 保护定值在线校核专家系统的研究 程序 按照规程校核后给调度人员参考信息 推理机制以一定的推理策略 有效的 选择知识库中的知识 根据客户提供的信息完成上述功能 常用的推理策略有数据 驱动的从开始状态出发的正向推理 目标驱动的从目标状态出发的逆向推理及混合 式的双向推理 本文采用从数据驱动的正向推理 当信息满足知识库的条件时 就 可找到知识的结论 软件用v b 语言来实现推理机制 v b 语言是在原有b a s i c 语言的基础上发展起来 的 它既支持传统的面向过程的程序设计 又支持新的面向对象的程序设计 v b 6 0 新增的功能便于专家系统的编程 用户可以采用可视方式来创建应用程序的用户界 面和数据库接口 支持连接不同的数据库 从中存取数据 而且不用考虑数据库的 存储位置 可以使用数据库的标准操作语言s q l 来创建功能强大的 具有图形界面 的 访问数据库的应用程序 1 增强的数据访问能力 v b 提供了开放式的互联技术 包括a c t i v e xd a t a o b j e c t s v b 还为各种不同的数据库提供了全新的o l ed b 驱动程序 便于专家系 统访问知识库 2 新增了控件 新增的a d od a t ac o n t r o ld a t a g r i dc o n t r o l 等控件便于专家 系统的人机交互界面设计 3 新增的部件功能 v b 6 0 提供了各种基于部件的可视化开发工具 还可以创建 和重用c o m 部件 v b 6 0 的应用程序由窗口组成 这些窗口包括用户进行交互的控件 开发人员可以使 用所有的标准控件 如按钮 复选框 文本框等 以及特殊控件 如报表控件 从 而使应用程序的开发更加容易 2 2 2 4 知识库与主程序的连接 专家系统的推理机制在v i s u a lb a s i c6 0 下编程 需要到m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 的知识库中寻找相关数据 程序通过a d o 编程实现读写系统参数 实时更新知识库 的目的 4 1 3 a d o 使用了一种通用程序设计模型来访问一般数据 而不是基于某一种 数据引擎 它需要o l ed b 提供对底层数据源的链接 从d a o 到r d o 再到a d o 数据访问 接口越来越简单 接口层由厚变薄 效率越来越高 a d o 可以存取的数据范围更广 是 数据库技术发展的方向 2 2 2 5 短路计算模块 为了快速地计算实际电网的短路电流 软件用v i s u a lc 来编码 v i s u a lc 语言 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 功能丰富 表达能力强 使用灵活方便 可扩展好 在实用计算中 针对l l o k v 以 上高压电网的特点 三相三柱式变压器的零序电抗 线路的零序电抗 平行线间的 零序互感抗需要实测的参数 其余元件的阻抗值采用换算到额定频率的实测值 为 简化计算 可以在误差允许的范围内进行如下的假设 1 忽略发电机 变压器 线路的电阻 因为在高压电网中 综合等值阻抗的电 阻部分与电抗部分相比 只占1 0 一2 0 2 假设故障前故障点的电压等于额定电压 3 不计线路电容电流和变压器励磁电流的影响 4 在计算短路电流时 只计算短路电流的工频分量 5 以金属性短路作为计算故障电流的条件 v b 的推理机制调用v c 的计算程序就涉及到v b v c 的混合编程问题 本程序把 v c 的短路计算程序做成动态链接库 d l l 供v b 调用 将独立的程序模块创建为较小的 d l l 文件 并对它们单独编译和测试 在运行时 只有当e x e 程序确实要调用这些 d l l 模块的情况下 系统才会将它们装载到内存空间中 这种方式不仅减少了e x e 文 件的大小和对内存空间的需求 而且使这些d l l 模块可以同时被多个应用程序使用 d l l 中的函数和v b 中的函数声明在名称 返回类型 参数类型 参数个数等方面必 须完全相同 尤其要注意大小写的问题 首先在v c 中生成w i n 3 2d l l 工程 在这 个工程中添加几个函数供v b 用户调用 v b 调用d l l 的方法和调用w i n d o w sa p i 的方 法是一样的 先要声明v c 函数 d e c l a r ef u n c t i o nf u n c t i o nl i b m y d l l d 1 1 b y v a ln l e na si n t e g e r b u f f e r a si n t e g e r a si n t e g e r 这里m y d l l d l l 是v c 的d l l 的名字 在v b 中调用这个函数采用这样的语法 1 5 保护定值在线校核专家系统的研究 3 故障短路电流计算模块 尽管电力系统不断进步和发展 各种新的控制措施不断出现 各种高级应用软 件不断涌现 新的调度系统不断应用于实际中 但是 潮流计算和故障短路计算依 然是电力系统高级应用软件 控制措施的基础 故障分析作为电力系统分析计算的 重要分支 在电器设备的选择 电网规划 继电保护 自动装置的合理配置和参数整 定中占据着非常突出的地位 为了适应系统的要求 在软件设计中对短路电流计算 模型进行了相应的改进 针对高压电网中三相不对称线路的大量出现 传统的对称分量法及其序网连接 失效的问题 提出了把电网分成对称部分和不对称部分 综合应用序分量法和相分 量法的改进的故障计算方法 该方法以相分量故障处理方法为依据 在序坐标下化 简对称部分 等效到其边界节点 在相坐标下