面向对象的图示化变配电所二次系统的智能设计系统.doc

面向对象的图示化变配电所二次系统的智能设计系统 3周媛 ,冯林桥 ,张午阳(湖南大学 电气与信息工程学院 ,湖南 长沙4100 82 )摘 要 : 在分析现有供配电计算机辅助设计 ( Comp u te r2A ided D e sign, CAD )现状及发展趋势的基础上 ,针对变配电所二次设计的特点 ,提出了面向对象的图示化变配电所 二次智能设计的思想和方法 ,并构筑出该应用系统的结构模型 。运用先进的面向对象 、人工智能 、计算机图形处理和数据库等技术 ,实现一个集变配电所二次方案设计 、图形处理 、继电保护整定计算和二次设备选型等功能于一体的较完整的智能 CAD 集成系 统 。关键词 : 变配电所二次系统 ; 智能 CAD; 专家系统 ; 整定计算 ; 设备选型第一 作 者 : 周 媛( 1965 2) , 女 , 硕 士 研究 生 , 研 究 方 向 为 电 气 工 程 CAD 及信息管理 。中图分类号 : TM 63; TP 273 + . 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 25531 ( 2006) 0920048 205O b jec t2O r ien ted Gra ph ic In te ll igen t D e s ign Sy stemfor Secon da ry Sy stem of Sub sta t ion an d Power D istr ibu t ion S ta t ionFEN G L in 2qiao,ZHAN G W u 2yangZHOU Yuan ,( Co llege of E lec trica l and Info rm a tion Enginee ring, H unan U n ive rsity, Changsha 410082 , Ch ina)A b stra c t: O n the ba sis of ana lyzing the p re sen t situa tion and deve lopm en t trend of existing CAD fo r powe rsupp ly and d istribu tion, rega rd ing the fea tu re s of seconda ry de sign fo r sub sta tion and powe r d istribu tion sta tion, the ob jec t2o rien ted grap h ic in te lligen t de sign idea and m e thod fo r seconda ry system of sub sta tion and powe r d istribu tion sta tion we re p u t fo rwa rd and the struc tu ra l mode l of the app lica tion system wa s bu ilt. It rea lize s a comp a ra tive in te2 gra ted in te lligen t CAD system wh ich m ake s schem e de sign fo r seconda ry system of sub sta tion and powe r d istribu tion sta tion, grap h p roce ssing, p ro tec tive re laying se tting ca lcu la tion, seconda ry equ ipm en t se lec tion and so on in tegra2 tive, app lying advanced techno logy: ob jec t2o rien ted, a rtific ia l in te lligence, comp u te r grap h p roce ssing, da taba se and so on.Key word s: secon da ry sy stem of sub sta t ion an d power d istr ibu t ion sta t ion; in te ll igen t CAD; exper tsy stem; se tt in g ca lcu la t ion; equ ipm en t se lec t ion在单纯绘图或解决某些计算问题的初级阶段 2 ,设计功能相对薄弱 ,很大程度上只是将设计人员 思维活动的结果转化为计算机表达的工具 ,并未 将设计人员从繁重的工作中真正解放出来 。随着 计算机技术与人工智能方法的发展 ,人们对 CAD 技术的要求越来越高 ,具有支持整个设计过程的 智能 CAD 集成系统应运而生 。本文针对变配电所二次设计的特点 ,以面向对象的可视化开发环境为平台 ,利用专家系统强0 引言变配电所的二次系统主要是运用低压设备控制和管理其高压一次设备的运行 ,实现对一次设 备的监视 、报警 、测量 、控制 、继电保护 、记录及开关闭锁 、远方信息交换等功能 1 。为了保证变配 电所安全 、可靠地运行 , 二次部分的设计责任重大 。我国供配电 CAD 技术起步较晚 ,至今还停留应用与测试作更方便 、快捷 。统辅助完成 。二次回路设计专家系统主要由知识库 、数据库 、推理机 、知识库管理子系统 、解释子系 统等部分组成 3 。基本结构如图 2所示 。1 系统概述系统在传统电气 CAD 基础上 ,融合知识表示 与专家系统 ,构成变配电所二次 CAD 的框架结构 模型 。该系统主要由四大功能模块构成 : 变配 电所二次方案设计 ; 图形处理 ; 继电保护整 定计算 ; 二次设备选型 。以数据库为核心 , 将 各个功能模块连接成一个有机 、综合的整体 。变配电所二次智能设计系统根据一次系统基 本资料 ,按图 1 所示流程 ,逐步完成方案设计 、整 定计算 、设备选型 ,并同步生成代表设计成果的各 类工程图形 。图 2 二次回路设计专家系统基本结构图知识库存放变配电所二次设计必需的非数值型知识和经验条目 ,由规则库和变量库组成 。采 用关系数据库作为知识库的物理载体 ,存储知识 ,实现知识库与推理机相分离 。关系表格知识中的 选择查询功能能对知识库中的知识在深度和广度上方便地搜索 ,增加了知识库的通用性 、灵活性 、可扩充性 ,并可实现对知识库的统一管理 。规则库包括二次设计中相关的规程 、规范 、原 则 、标准和专家的实际经验知识 。采用 if - then产生式规则表示知识 ,它能清晰地表示知识的因果关系 ,准确 、灵活 ,符合人的思维方法 。由于二 次设计中规则数量较多 ,必须根据不同的二次回 路对规则进行分类 ,形成多个规则组 ,每个规则组图 1 变配电所二次智能 CAD 系统流程图综合考虑系统的各项功能 、组织结构 、扩充性要求以及开发环境的方便程度 ,选择 W indow s操 作系统 作 为 运 行 平 台 , 可 视 化 编 程 语 言 V isua l B a sic 作 为 开 发 工 具 , 后 台 数 据 库 采 用 M ic ro soft SQL Se rve r 2000 关系数据库 。对应一个数据表 。每条规则应设置规则号 、条件 、结论等 字 段 。 if 条 件 部 分 可 以 有 多 个 条 件 , 为“与 ”逻 辑 关 系 , 表 示 条 件 必 须 同 时 满 足 ; 对 于 “或 ”逻辑关系的条件则分别写成多条规则 。量名 、变量和对应值字段 。关系表达式对应一个数值型变量 ,约定“ ”为 2 ,以此作为规则库必须满足的语法规则 。 数据库包括静态数据库和动态数据库 。静态数据库存储一次系统结构参数和主设备参数 。一 次系统结构参数包括变配电所类型 、电源进线 、主 接线型式等 ; 主设备参数主要指变压器 、断路器 、线路 、电容器等的属性参数 ,如操动机构 、额定电 压 、额定容量 、运行方式等 。动态数据库存储专家 系统推理过程中的全部中间结果和最终结果 ,其 内容随着推理过程不断地变化 。根据不同的二次 回路 ,结合面 向 对象 的核 心思 想 4 , 将上 述数 据信息分类构建 。推理机是 一 组 程 序 , 用 于 控 制 、协 调 整 个 系 统 ,模拟专家完成设计 。变配电所二次方案设计 采用基于规则的推理 ,选取条件驱动的正向推理 作为主要的推理策略 ,并采用启发式的搜索方法 ,其推理流程如图 3 所示 。设计过程中 ,根据已知 的一次系统资料和与用户的交互获取必要的一次 参数作为条件 ,再以这些条件为基础对规则库的 内容进行检索和匹配 ,获得符合条件的二次回路 设计方案 。护 ,通过界面对话框完成规则的增加 、删除 、修改 、查询等主要操作 ,而不需要对程序进行额外的修改 。解释子系统的作用是记录推理过程并回答用 户提问 。这样可以使用户明白设计过程并可以此 为根据对设 计结 果 作出 判断 。如果 对 结果 不满 意 ,可以修改已知的事实条件或知识库重新进行 推理 。2. 2 图形处理在变配电所二次设计中 ,运用图形化平台完 成代表设计成果的各类工程图纸的绘制 、编辑和 生成 。同时 ,在计算机图形上实现数据输入和结 果输出 ,使分析计算形象 、直观 ,一目了然 。采用自己设计一个绘图系统的方法需要设计 绘图功能 ,而绘图程序的设计比较繁琐 ,且基于灵 活性的考虑 , 还 要实 现 和主 流绘 图 系 统 (如 A u to CAD )的兼 容问 题 5 。因此 , 本 文采 用 通 用 绘 图 系统 A u toCAD 的面向对象的 A c tiveX A u tom a tion技术 ,利用 VB 对 A u toCAD 进行二次开发 ,实现各 项图形功能 。2. 2. 1 交互式绘图点 、直线 、圆 、矩形等基本图元的绘制以及移 动 、缩放 、复制 、粘贴 、旋转等编辑操 作 由成 熟的A u toCAD 通用功能实现 。重点是在该绘图工具的 基础上 , 定制适用于变配电所二次设计的图形平 台 ,包括电气元件库 、电气功能单元库 、模板图库 的建立 。电气元件库中的图形主要由一次和二次设备对应的图形符号组成 ,如变压器 、线路 、电容器 、仪 表 、继电器 、操作开关 、按钮等 。将上述常用元件 做成 图 块 , 以 . dwg 的 文 件 格 式 保 存 在 A u toCAD 默认的“支持文件搜索路径 ”目录中 ,形成电气元件库 。并建立“元件句柄和代号 ”表 ,字段“句柄 ”存储图元的句柄值 ,字段“类型代号 ”存储这个图元代表的电气元件的代号 ,用以识别电气元件 。所 建电气元件库继电保护类部分元件如图 4 所示 。 一次系统的结构相对简单 ,二次系统的结构 较为复杂 , 特别是二次回路中的控制 、保护回路 等 。因此 ,有必要对二次系统进行逐层分解 ,可以 获得多种不 同类 型 的功 能单 元 , 如 电 流 /测 量 回继电保护装置是电力系统最重要的二次设备之一 ,它对电力系统的安全 、稳定运行起着极为重 要的作用 。因此 ,继电保护整定计算是变配电所 二次设计中一项必不可少的工作 。变配电所的继电保护整定主要是对主设备的整定计算 ,包括变压器 、线路 、电容器 、电动机等 。图 4 继电保护元件传统的手工整定计算和人工管理远远不能满足电力安全生产的要求 。本文采用面向对象的方法和 可视化编程技术 ,实现继电保护整定计算的图示 化和自动化 。基本结构如图 5 所示 。很高 ,将它们做成图块 ,以 . dwg的文件格式存储 。同理 ,建立模板图库存放变配电所二次标准设计 样图 ,包括二次原理图 、展开接线图和相对应的端 子排图 。在图形绘制时 ,可直接从库中调出相应的标准设计样图 ,在此基础上根据设计方案的具体要求进行修改和完善 ,形成最终的规则设计图 。2. 2. 2 智能绘图 为了方便 、快捷地实现图形的绘制和生成 ,图形系统除了交互操作功能外 ,还必须实现图形的自动生成 ,即智能绘图 。 图形的自动生成属于逻辑推理问题 ,利用图形专家系统实现该功能 ,其结构和原理与二次回 路设计专家系统类似 ,但区别于二次回路设计专 家系 统 基 于 规 则 的 推 理 , 采 用 基 于 实 例 的 推 理 ( Ca se2ba sed R ea son ing, CBR ) ,即通过访问知识库 中过去同类问题的解决方法 ,获得当前新问题的解决方法 6 。它用 实 例 表 示 问 题 的 状 态 描 述 及其求解策略 ,然后经过实例检索 、修改和存储的循 环过程实现目标问题的求解 。实例库由电气功能单元库组成 ,避开操作大 量图形数据 ,把对图形的操作转换成对数据库数 据的查询 。实例关系数据库按照实例的类型 、用 途等属性 ,划分并组织成多个不同层次的子库 ,建 立实例数据表 ,设置图名 、电压等级 、特征等数据项 ,对各实例进行标识和编码 。实例检索的常用图 5 继电保护整定计算基本结构图图形建模是实现图示化继电保护整定计算的基础 ,利用图形处理模块强大的绘图功能 ,实现变 配电所电气主接线图的绘制 。在该图形平台下 , 图形和数据不再是分离的 。原本只有几何轮廓的图块成为封装有知识属性及与外部接口的活动对 象 。通过鼠标操作事件 ,利用弹出式对话框实现 元件参数的输入 、修改及浏览 。整定计算结束后 , 可以将整定值输出显示在图上适当的位置 ,生成 所需定值图 。图形化的输入 、输出方式使数据对象生动 、形象 ,易于被用户所理解和接受 ,改进了 以往原始数据和计算结果依赖数据文件的落后形 式 。按整定条件列出整定计算公式集 ,整定人员根据公式反复进行调整核实 。对于整定计算得到的保 护定值计算结果 ,可采用报表的形式输出 ,形成定值单 。此外 ,可视化技术的运用 ,还使得定值计算结果能以定值图方式显示 ,用户可以很容易地查 找所需要的定值数据 。继电保护整定计算的关系数据库按照面向被整定设备的原则进行设计 ,它分为设备参数库和 保护定值 参数 库 两大 类 。设 备参 数 库存 储变 压 器 、线路等主设备参数 ,表结构的设计涵盖通过短 路电流计算软件获得数据的全部内容 ; 保护定值 参数库存储主设备的保护配置情况及各保护的定 值等相关参数 。2. 4 二次设备选型二次回路设 备 的选 择主 要 是 指 测 量 计 量 仪 表 、继电器 、操作开关 、按钮 、自动控制设备 、信号 设备和供电装置等的选型 。将不同厂家生产的设备及装置的型号和技术 参数存储在系统数据库中形成二次设备库 ,并按 设备分类构建 。二次设备既有单个的元器件 ,也 有成套的装置 ,如控制屏 、保护屏 、计量柜等 。设备选型包 括 自动 默认 和 人 工 选 择 两 种 形式 ,在需要对自动默认结果进行修改时 ,可以通过 人机交互界面从待选设备型号中选择某种型号 , 同 时显示相对应的技术参数界面 ,供用户选择比3 结束语本文采用面向对象思想和模块化程序设计方 法 ,将专家系统引入变配电所二次设计 ,实现集方 案设计 、图形处理 、继电保护整定计算和二次设备 选型于一体的智能系统 。它能大大提高电气设计 人员的工作效率 ,具有较高的实用价值 。文中采 用的技术和方法也 可推 广 到其 他领 域 的辅 助设 计 ,在一定程度上促进了智能 CAD 技术向高层次 发展 。【参 考 文 献 】 1 能源部西北电力设计院