（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）地方電網繼電保護整定專家系統(tǒng).pdf

華中科技大學碩士學位論文 a b s t r a c l p r o t e c t i o nr e l a ys e t t i n gp r o p e r l yi st i l ek e yo fr u n n i n gap o w e r 釅ds a f e l y ap e r f e c t s e t t i n g d e m a n d sm u c h e x p e r tk n o w l e d g e a n d a g r e a t d e a lo fe a l c u a t i o n s t h e d e v e l o p m e n t so fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s da n i f i c i a li n t e l l i g e n c e m a k ei t p o s s i b l et o a c c o m p l i s ht h i sw o r l b yc o m p u t e r r e g i o n a lp o w e rs y s t e mi s as p e c i a lk i n do fp o w e rg r i di nc h i n a ，a n di td i f f e rf r o mt h e n o r m a lp o w e r 商db yp o s s e s s i n ga l lk i n d so fs p e c i a lc h a r a c t e r s ，t h e r e f o r ei t sr e l a ys e t t i a g h a s p a r t i c a l a r i u ，s o m e t i m e s ，a n ds e t t i n gi t sr e i d ? sn e e d s m o f e e x p e r tk m ) w i e d g e a l m o s ta l lt r a d i t i o n a lr e l a ys e t t i n gs o f t w a r ea r ep r o g r a n l 】n e dt os e r v et h el a r g ep o w e r 謝d ，t h e yc a n tc o p a c f t tt h ed e s i r ec fr e g i o n a lp 3 w c rs y s l e m t h i sp a p e rs u m a r i z e s a n da n a l v z e st h e p a r 【i c u l a r i t y o f r e g i o n a l p o w e rs 、，s t e l t l an 。w o b j e c t o r i e n t a l d e c e n l r a l i z e de x p e r ts y s t e mi s p r e s e n t e d k n l e c a r lb ea d d e do rd e l e t e db yc o s a l t l e r s c o n v e m e n t l yt oa d a p tv n i j o u sp o w e ig r i d s b e h i n dt h ee x p e r ts y s t e m t h e r ei sap o w e r f u l d a t a b a s es y s t e m ，a n da l l1 4 n & o f d a t a ，i n c l u d i n gp o w e rs y s t e md a t aa n ds e t t i n gv a l u e s ，a l e m a n a g e db y i t t h i sr e l a ys e t t i n gs o f t w a r ei sc o m p o s e db yt h ee x p e n s y s t e m ，ad a t a b a s es y s t e ma n da f a i i u r e c a l c u l a t i n gm o d u l e i ：h a ss i m p l es t r n c n l r e s oi t i sv e r yc o n v e n i e n tt om a i n t a i ni t ， t h i ss o f t w a r eh a sl o t so ff u n c t i o r l ss u c ha sr e l a ) s e t t i n g n l ：t r l , t g e n l e n o fd a t a b a s es y s t e m a n dn ：a n a g e m e n to fr e l a yv a l u e s ，s oi tc a ns a t i s 竅 t ! a e r e l a ys e t t i n go fr e g i o n a lp o w e r s y s t e n t a f i 。rm c d e 囂i 苧n o ft h ew h g l er e l a y s e t t i l ! gs ) 7 s o n i s o l ! ea l g o r i t h m sm i dr e l a y - s e t t i n g f l o w sw h i c hf i to b j e c t - o r i e n t a lm e t h o da r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o ns e t t i n g e x p e r ts y s t e mo n n e t - o r i e n t a l d a t a b a s es y s t e m 一一一。一 u 華中科技大學碩士學位論文 1 緒論 1 1 引言 繼電保護是電力系統(tǒng)安全運行的保障。當系統(tǒng)由于自然的、人為的或設備故障等 原因，使電網發(fā)生故障或不正常狀態(tài)時，繼電保護裝置能夠迅速將故障部分切除， 保證電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，并最大限度的使電網的非故障部分能繼續(xù)可靠的供電。 并且，繼電保護不只是電力系統(tǒng)的一個重要部分，而且和電力系統(tǒng)的很多方面都用 聯系，尤其以和電網的規(guī)劃和電網調度關系最為密切“ 1 2 4 1 。 為了保證電網的安全，繼電保護必須滿足四個基本要求，即可靠性、選擇性、靈 敏性和速動性。而為了滿足這四性要求，充分發(fā)揮繼電保護的效能，必須合理的整 定定值，保證各保護的相互配合關系。所以說繼電保護能否在電力系統(tǒng)中發(fā)揮它應 有的作用，正確合理的整定是關鍵【2 】。 電網繼電保護整定是一項很繁瑣的工作，需要考慮的因素很多如電網的運行方 式、接線方式和電網元件的各種不同特性等。特別是隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電網規(guī) 模愈來愈大，接線方式和運行方式日趨復雜，加上各種電力電子設備的應用，大大 提高了保護整定的計算量和復雜性。 由于計算機技術的迅猛發(fā)展，尤其是計算機在電力系統(tǒng)的廣泛運用，使得擺脫繁 瑣的整定計算成為可能。實踐證明，用計算機進行整定計算可以大幅度提高計算速 度，確保定值準確可靠，充分發(fā)揮保護裝置的效能，防止人為因素產生的誤整定， 為電力系統(tǒng)的安全運行提供了可靠的保證。 1 2 繼電保護整定程序的歷史與現狀。 7 0 年代前，保護定值的計算主要是依靠人工，或加上一些簡單的工具( 各種短 路計算臺) 。其計算量大，花費時間長。例如，光是整定一個跨省電網的零序保護就 需要長達2 3 個月時間。而且計算時多只考慮少數的運行方式，在算法上往往采用 很多簡化方法來減! 步工怍量，使定瞧的精度受到限制，而且人工計算正確率無保障。 從7 0 年代開始，保護整定開始向利用數字計算機方向發(fā)展。原來定值計算中的 _ _ _ _ - _ _ ，- _ _ 一_ - _ _ _ _ _ _ ，_ - - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - l 華中科技大學碩士學位論文 故障分析計算轉而由計算機來完成。這樣一來，保護整定的工作量大大減小，因為 故障分析計算的工作量占整個工作的相當大的份量并且計算精度也發(fā)生了質的改 變，因為手工計算中為了減少勞動強度的簡化方法可以不再使用。但是這種利用計 算機計算短路電流的方法仍然需要計算人員用人工的方法調整計算內容、查找計算 結果，并用人工的方法最后算出定值。對計算人員的專業(yè)技術水平還有相當的要求。 7 0 年代中期以來，應用計算機進行電網保護整定的研究相繼展開，并取得了很 大的進展。各電力部門、相關高校陸續(xù)推出了一批相應的軟件。目前，這一項工作 已經取得了很大的進展，很多網局和省局及設計部門已經在生產和設計工作中廣泛 的使用這些軟件，并在生產中發(fā)揮了很大的作用。 人工智能是一門新的邊緣科學，其用途廣泛，應用靈活，已經滲透到了各門學 科當中，并展現了很好的前景。近年來，國內外也展開了把人工智能引入保護整定 計算工作的研究。人工智能的最大特點就是他可以模擬人的思維過程，把專家經驗 性的知識存于機器，讓機器自動完成整定計算中有時必須用人工干預才能完成的工 作【8 l 。使計算機也有專家推理的能力，讓計算機完成只有保護整定專家才能完成的整 定計算過程。本文所介紹的繼電保護專家系統(tǒng)就是這方面較好的探索。 1 3 現有的整定軟件的局限性 國內有關繼電保護整定的軟件已經在實用的有不少，大多為科研機構或高校和 電力部門聯合完成，如上海交大和上海市電力公司合作開發(fā)的整定軟件正用于上海 市電力公司和華東的其他一些地區(qū)；四川省電力調度通信局和四川大學在9 8 年也聯 合開發(fā)了保護整定計算系統(tǒng)。高校軟件方面的優(yōu)勢加上生產部門的運行經驗，使得 這些軟件在功能上基本上都能滿足電網安全運行的需要。但是由于整定計算的復雜 性和計箕柳技術發(fā)展的日新月異，使得傳統(tǒng)的這些軟件存在這樣或那樣的不足和使 用上的不方便。表現如下： 1 不適應地區(qū)性小電網?，F有的繼電保護整定軟件幾乎都是應用于l l o k v 以上 的超高壓電力系統(tǒng)，這些軟件是針對超高壓電力系統(tǒng)的特點開發(fā)的，不能很好的適 應予電壓等級較低，規(guī)模較小的地區(qū)性小電網，匿為小電覯在運行方式，拓撲結構 和電網元件屬堡圭塑塑塑塞墾皇塑查董堡奎i ! 至旦：量姿些莖簽= 墼查t 墊星塞：基 hh，_-，h_-_一一一 2 華中科技大學碩士學位論文 層電力企業(yè)難以接受。 2 缺乏數據庫管理功能。 3 沒有靈活的適應性。電力系統(tǒng)中存在大量的、模糊的、難以量化的因素，特 別是在地方小電網中，不確定、不規(guī)范的因素更多。所以這些軟件在應用于具體的 電網時，可能出現一些定值無法配合的現象。 4 缺乏操作的簡易性。有些整定軟件的圖形界面較差或者就根本沒有圖形界面， 圖形繪制和輸出能力較差，讓人望而畏難?；蛘呤擒浖谡ㄟ^程中需要運用整定 人員的大量整定經驗去于預軟件的運行，掌握起來非常困難9 】【3 2 】。 1 4 本文所作的工作 目前國內的繼電保護整定軟件雖然已經有了廣泛的應用，但是主要還是用于網 級、省級和部分地級電網。軟件開發(fā)商出于經濟效益的考慮，也主要把精力專著于 這些市場。而那些地方性的小電網，特別是那些以小水電為主的地方政府經營的小 電網，電網的特性和大電網有很大的不同。國內面向這種市場的保護整定軟件基本 還是空白。為了開發(fā)一種基于專家系統(tǒng)的用于地方電網的繼電保護整定軟件，作者 做了以下幾個方面的工作： j 根據地方電網的特點，提出適應這種特點的解決方案。 2 根據，繼電保護整定的基本要求和特點，提出了面相對象的分散式的專家系 統(tǒng)并進行專家系統(tǒng)、數據庠的設計。 3 主持系統(tǒng)的主框架的開發(fā)和核心部分的編程工作。 華中科技大學碩士學位論文 2 本系統(tǒng)概述 2 1 面向地方電網設計 在我國，大部分地區(qū)的電力負荷由國家電力公司所屬的大電網提供，但仍有相 當多的地方由地方政府所屬的地方電網供電。這些電網相對于國家電網來說，有自 己的特點，主要表現如下： 1 這些電網一般規(guī)模較小，但是自成體系，有自己的眾多電源和用戶，一般通 過一點和國家電網連接，以維持峰谷平衡和頻率穩(wěn)定。和國家電網屬于弱連接，所 以穩(wěn)定性差。 2 電網大多位于水利資源豐富的山區(qū)，自然氣候條件復雜，如年均雷暴日大 大多于其他地區(qū)，復雜的氣候條件往往能很大幅度提高電網事故的發(fā)生頻率。 3 由于電網建設資金為地方政府自籌，資金一般不太充足，所以電網的建設受 制于資金的短缺，電網網架往往很薄弱，設備落后，接線不規(guī)范，電網故障發(fā)生頻 率相對大于大電網。 4 電網內小水電豐富，小電源眾多，這些小水電一般庫容很小或者無庫容，調 節(jié)能力差，所以根據降水量的多少頻繁的開停機組，造成電網運行方式復雜。 地方電網的以上特點決定了電網供電的安全性、穩(wěn)定性差，故障頻繁。因此合 理整定各繼電保護的定值，保證繼電保護的選擇性，可靠性，速動性，靈敏性，對于 地方電網的安全可靠供電就尤其顯得重要了。 一個優(yōu)秀的整定方案的制定除了需要技術人員能正確的運用已有的整定原則， 而且需要技術人員有豐富的實踐知識，對各種特殊情況能夠靈活處理。在地方電網 中，這種需要特殊處理的情況則更加普遍，主要表現，礦f ： i 運行方式隨意性大使得系統(tǒng)內的保護定位難以銣調。 2 另外地方電網存在大量的短線路，愛線路的定值的配合問題，對于多數技術人 員來說是一個棘手的問題。 3 珞接線不規(guī)范，鍘如：難融進行定德配臺f j i j r 援方式還普逾存在子導地方 電同申，難以整定。 一一- 一 4 華中科技大學碩士學位論文 諸如此類的這些問題給繼電保護整定造成的困難并無一個程序化的解決方案， 且由于我國國情的原因，地方電網的技術人員的專業(yè)技術水平相對較低更加加劇 了這種矛盾的激烈程度。 為了解決地方電網保護整定的這些特殊問題，傳統(tǒng)的整定計算程序也顯得無能 為力，專家系統(tǒng)的引入就能很好的鰓決了這個問題，其優(yōu)勢就在于它能從整定計算 專家的實踐經驗中萃取啟發(fā)性知識，用以解決各種特殊情況。 本系統(tǒng)是針對地方電網的繼電保護整定開發(fā)的，保護整定功能是基于專家系統(tǒng) 的：數據管理是基于數據庫的。 2 2 本系統(tǒng)的特點 本保護整定系統(tǒng)具有結構簡單，維護方便，適應范圍廣泛等突出優(yōu)點。特點主 要如下： 1 本系統(tǒng)是基于專家系統(tǒng)和數據庫技術的。專家系統(tǒng)和數據庫技術都是新的計 算機技術，二者的結合能充分發(fā)揮各自的長處。專家系統(tǒng)用于保護整定計算和各種 特殊情況的處理，是整定計算的核心部分，數據庫用于整定所需要的各種數據的管 理，方便于用戶使用。 2 系統(tǒng)是模塊化的系統(tǒng)，結構清晰，各模塊功能相互獨立，便于維護。如下圖 ( 2 1 ) ： 圖2 1 保護整定系統(tǒng)結構圖 一 5 華中科技大學碩士學位論文 2 3 組成部分和各自功能 本系統(tǒng)主要由四部分組成：即人機界面，數據庫，故障計算模塊，專家系統(tǒng)( 定 值整定系統(tǒng)) 。 一人機界面是系統(tǒng)和用戶交流的通道，本系統(tǒng)中人機界面的功能如下： 1 通過其完成保護整定所需的數據的輸入，包括電網的拓撲結構，各元件參數， 系統(tǒng)運行方式參數。 2 用于待整定電網的特殊整定規(guī)則的輸入。 3 可以通過界面查詢各種電網參數、各線路保護的配置情況及定值數據，并可 以分類打印。 4 瀏覽規(guī)則庫中已有的規(guī)則。 二數據庫用于存儲各種整定用數據和計算過程中的中間數據，保護整定結果 數據也存于該數據庫，便于用戶檢索。 三故障計算模塊用于電網的各種假設的故障計算，有關電網故障計算的程序 由于研究較早，規(guī)范性較強，通用性好，所以現在已經非常成熟，上世紀八十年代 初就得到了廣泛應用。本系統(tǒng)中的故障計算模塊就是利用已有的電網故障計算程序， 對其加以改造，形成動態(tài)連接庫( d l l ) 文件，以便系統(tǒng)方便的凋用。 四專家系統(tǒng)模塊是本系統(tǒng)的核心部分，模塊利用數據庫內的系統(tǒng)參數和由故 障計算模塊算出的故障數據進行整定計算，并和數據庫進行數據交換，完成整定， 并把整定結果存人數據庫7 j 【”1 1 1 引。 _一_。一 6 華中科技大學碩士學位論文 3 面向對象的專家系統(tǒng) 3 1 專家系統(tǒng)的歷史與發(fā)展及其在電氣領域的應用 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) ，即所謂的機器智能的出現通常被認為 開始于1 9 6 0 年代左右，當時m i t 的j o h nm c c a r t h y 創(chuàng)立了l i s p 第一個用于人工 智能的語言。隨后出現了雛形的人工智能系統(tǒng)，如j o s e p hw e i z e n b a v m 的e l i z a 系 統(tǒng)。到了七十年代末，a i 的幾個特別領域，如自然語言處理，知識表達和問題求解 等取得了一些成功，這些成功的奠定了第一個商業(yè)化的a i 產品專家系統(tǒng)引入的基礎。 人工智能實用化研究中最引人注目的成果是各種專家系統(tǒng)的出現，并廣泛用于 各個行業(yè)，成為人類分析、決策、設計、診斷的有力工具，促進了人類智能與機器 智能的相互補充和相互滲透。專家系統(tǒng)是一個包含某個領域信息的程序，能利用知 識和推理過程來解決需要大量的經驗才能解決的復雜問題，像人類專家一樣。較早 的專家系統(tǒng)m y c i n 由斯坦福大學開發(fā)成功，能幫助內科醫(yī)生診斷疾病。到1 9 8 6 年， 專家系統(tǒng)發(fā)展到了它的第一次頂峰，這時的產品是一些小的知識系統(tǒng)，可以用于培 訓、現場管理及使雇員完成一些原來要密切監(jiān)督和具有豐富知識的人過問才能完成 的任務。因為它們能夠在不打亂主要程序的情況下在現有的事務環(huán)境中完成這個系 統(tǒng)，并且它們可以迅速提供足夠大的利益，因此，這些系統(tǒng)很快在工商業(yè)中得到應 用。第二個高潮可能會在今后的一段時間內出現，這個高潮以大型的綜合性專家系 統(tǒng)，大型的自然語音接口和智能程序設計為代表，不過這些系統(tǒng)的完善還有一些基 礎的工作要做，如突破機器學習的難點等”“”。 對于電力工業(yè)而言，專家系統(tǒng)在其中的應用已經成為一個重要的研究方向，第 一次成功應用的實例是將專家系統(tǒng)用于故障恢復。經過這些年的發(fā)展，些用于故 障診斷、電網規(guī)劃、預警處理的專家系統(tǒng)相繼研究出來”“。 3 2 面向對象的方法及其編程語言的介紹。 3 2 1 面向對象的思想 面向對象的方法是軟件領域一個全新的概念，這種方法的提出在軟件開發(fā)領域 _ 一- 一h 一 7 華中科技大學碩士學位論文 里產生了革命性的影響。面向對象的方法和人腦認識和分析自然界存在的客觀物體 的方法是一致的。 自然界是由一個個客觀對象組成，而這些對象又是相互聯系和交流的?；谶@ 種思想，面向對象的方法就是：在程序空間內，對客觀世界中的實體，利用數據抽 象的方法進行描述，即將一種數據結構和操作該數據的方法捆在一起，封裝在一個 程序實體內，從而實現了數據的隱藏和封裝，也就是把數據結構隱藏在操作的后面， 然后通過操作作為接口界面和外部的交流。 面向對象的系統(tǒng)包含了三個要素：對象、類、繼承。 對象是一個狀態(tài)和方法的封裝體。狀態(tài)即對象的數據結構的內容和值。方法是 一系列的實現步驟，它是由若干操作構成。 類是創(chuàng)建對象的樣板，它包含所創(chuàng)建對象的狀態(tài)描述和方法的定義。類的完整 描述包含了外部接口和內部算法以及數據結構的形式。 繼承提供了創(chuàng)建新類的一種方法，這種方法就是說，一個新類可以通過對已有 類進行修改或擴充來滿足新類的要求。新類除共享已有類的行為外，而且自己還具 有修改的或額外增添的行為3 捫。 3 , 2 2c + + 語言是一種功能強大的面向對象的編程語言 c + + 以前的各種程序設計語言都是面向功能的，稱為傳統(tǒng)的程序設計語言。使用 這些語言開發(fā)軟件效率很低，因為它首先要求編程者詳細了解所研究對象的具體細 節(jié)，包括它的功能、外觀、內部結構、各種狀態(tài)和基本原理，然后再考慮在程序中 如何用數據來描述它，還要花很大的精力來研究算法，設計一些函數來操作這些數 據，改變它的狀態(tài)，并實現功能。在傳統(tǒng)的程序設計中：程序= 算法+ 數據結構，既 算法和數據結構是一個不可分割的整體，特點如下： 算法總是離不開數據結構，算法是廂米c 方問數據結構f 所以算法只能適用與 特定的數據結構。 程序設計時，算法和數據結構是一對一的關系。 數據結構改變了，必須重新設計算法。 這種方法的開發(fā)效率難于提蠢，旦程序代碼豹可重用性和軟件可維護性很差。 c + + 是2 0 世紀8 0 年代早塑宴墨簽窶蝥奎堡塑塑二墅亙蜜! 蘭叁塑亙童：室墨至里l 一一一一一一一一 華中科技大學碩士學位論文 語言的基礎上增加了對面向對象程序設計的支持。其特點是即支持傳統(tǒng)的面向過程 的程序設計，又支持新的面向對象的程序設計。c + + 語言有c 語言的豐富的應用基 礎和開發(fā)環(huán)境的支持，在當前具有廣泛的應用。其突出特點表現如下： 1 支持數據封裝。 2 c 十+ 類中包含私有、公有和保護成員。 3 c + + 通過發(fā)送消息來處理對象。 4 允許友元函數來破壞封裝。 5 允許函數名和運算符重載。 6 支持繼承。 7 支持動態(tài)聯編吼 3 2 3 用c + + 語言構造專家系統(tǒng)的優(yōu)勢 c + + 語言有如此多的優(yōu)良特性，所以直到現在它還是應用最為廣泛的面向對象 的編程語言之一。用它來寫專家系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是它的通用性，因為大多數程序 員對人工智能的專門語言如l i s p , p r o l o g 了解很少。 實際上沒有哪一種專家系統(tǒng)不可以用c 十+ 這種語言來實現。事實上某些與程 序有關的實現用c + + t l 用專門的人工智能語言實現更容易，且它提供了結構化的框 架，同時不限制程序員的創(chuàng)造性。 現在越來越多的應用程序需要加入專家系統(tǒng)的元素，這些應用程序如果是用c + + 語言編寫，其中的專家系統(tǒng)元素用同一種語言編寫就有很大的優(yōu)勢，當然你可 以在其中鏈接由l i s p 語言寫的東西，但是這就意味著更多的管理和結合問題舢。 3 3 面向對象的專家系統(tǒng)的提出 2 3 1 傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)結構 在傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)( 圖3 - 1 ) 中每一個專家系統(tǒng)都由兩大部分組成：知識庫和推 理機。 知識庫是存放有關某一問題的信息和規(guī)則的數據庫，是專家知識的表現。知識 的表示方法多種多樣，各有長處，常見自有語義網絡表示法、框架表示法、邏輯表 達式法和規(guī)則表示法，其中用得最為廣泛的是基于規(guī)則的表示方法。 華中科技大學碩士學位論文 推理機是專家系統(tǒng)的一部分，其功能是對知識摩中的事實進行判斷，推出新的 事實或結論。它是模仿人類專家根據已有的大量專門知識進行高效求解復雜問題的 過程。所以專家系統(tǒng)的推理是以知識庫的知識為基礎的。設計推理機首先要考慮的 兩個最基本的方面是：推理機制和控制策略。總的來說推理分為正向推理、逆向推 理和混合推理。 正向推理是一種以事件為驅動的推理方式，系統(tǒng)根據原始事實，在知識庫中尋 找能與之匹配的規(guī)則。若找到，則將該規(guī)則的結論作為中間結果，利用這個中間結 果繼續(xù)和規(guī)則庫中的規(guī)則匹配，直到得出最終結果。 逆向推理則以目標為驅動。先提出假t 乜然后由此出發(fā)進一步尋找支持假設的 證據，當所需要得證據和用戶原始事實相符合，則推理成功。 混合推理兼有兩者的特點。 鄖颯誘人 圖3 - 1 傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)模型 3 3 2 知識的獲取和機器學習 能夠自動獲取知識是專家系統(tǒng)的最大特點之，機器學習是自動獲取知識的重 要途徑，通常來說，機器學習的乃斌由高到低分為l u 下幾個級別：機械記憶學習、 提問指導學習和通過實例總結學習。機械學習就是妻接把知識輸入知識庫，是最簡 單的學習。提問指導學習足當專家系統(tǒng)現有知識無法解決時，提出問題，由專家 對知識庫加以完善。我們常見的1 1 4 1 專家系玩采用孵一般是前兩種機器學習方法。 由于機器的自我總結學習的方式存在一些瓶頸問題難以解決，所以效果不太理想， 華中科技大學碩士學位論文 實現起來也比較困難。 3 3 3 面向對象的專家系統(tǒng)及其優(yōu)點 面向對象的思想來源于人類認識世界的方法，即世界是由相互作用的對象構成。 專家系統(tǒng)作為人工智能的一支，也是模仿人類思維過程的科學，把二者結合起來是 比較自然的事。 在面向對象的方法中，每一個現實世界的單個個體用一個對象表示。所以在專 家系統(tǒng)中，我們可以把每一個實際存在的個體表示成封裝有該個體知識積事實的對 象，這樣每一個對象就成了一個有關這個個體的小的知識系統(tǒng)( 專家系統(tǒng)) 。實際個 體之間的相互聯系和層次關系和知識系統(tǒng)對象之間的關系一一對應。所以這種方法 能夠很容易的使知識工程師把實際問題對應到專家系統(tǒng)中來，實際問題中的分類或 繼承結構對應專家系統(tǒng)的分類或繼承結構。這對于傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)來說是比較困難 的事，因為傳統(tǒng)的系統(tǒng)是基于數據結構和過程開發(fā)的【3 ”。 我們知道，知識的獲取對于專家系統(tǒng)至關重要。在傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)中，知識的 獲取一直是一個瓶頸問題，因為知識工程師和領域專家總是以不同的方式在考慮問 題，領域專家只對實際個體的性質和操作方法感興趣，這些東西是具體的，獨立的。 知識工程師則專注與數據庫，知識庫，推理機，對用一種方法解決各種問題感興趣。 這種思路的不同引起知識獲取的困難。但是面向對象的專家系統(tǒng)解決了這個問題， 因為知識工程師考慮的專家系統(tǒng)和領域專家考慮的實際個體完全對應。 3 4 整定專家系統(tǒng)基本設計思想 3 4 1 系統(tǒng)類的結構與分層 電網中的各種保護是相對獨立的，每個保護有各自的特性，但是在整定時又要 相互配合，是相互聯系的。所以，在這個面向對象系統(tǒng)中，每一個保護都被看成是 一個對象，每一個對象是一個相對獨立的封裝體，一個保護對象里封裝有該保護的 特性數據和該保護所處位置的電網參數、故障數據，還有該保護所要用到的整定規(guī) 則。這些對于每一個保護來說都是獨立的，其數據不因其他保護的改變而改變。 每一個保護是一個類的對象，這樣處理的好處在于：在整定時各個對象之間可 以靈活的通信，打破了傳統(tǒng)保護整定程序那種子程序式結構。在子程序式結構中， 一呻一 1 1 華中科技大學碩士學位論文 不同的保護由不同的子程序整定，如距離保護整定子程序、零序保護整定子程序、 接地距離保護子程序等，不同類型的保護歸在不同的子程序中，相互配合就比較麻 煩?？紤]到地方電網的不規(guī)范，不同類型的保護相互配合是經常的事。如在3 5 k v 電 網中，各線路的保護配置方式不一定相同，有的地方是三段式電流保護，有的線路 是三段式距離保護，還有的式電流電壓連鎖速斷保護、方向過流保護等等，且它們 之間也要互相配合。所以采用保護對象的方法能夠使這些不同類型的保護方便的相 互配合。 從專家系統(tǒng)的角度說，每一個這樣的對象便是一個小的專家系統(tǒng)( 如圖2 1 ) ， 對象內封裝的電網參數和故障數據就是專家系統(tǒng)的全局數據，對象內封裝的整定規(guī) 則就是專家系統(tǒng)的知識庫。另外，本專家系統(tǒng)采用的推理機制是簡單的正向推理， 所以推理機作為一個成員函數也包括在對象里，這樣的專家系統(tǒng)我們稱之為面向對 象的分散式專家系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)繼電保護整定系統(tǒng)的數據多且情況復雜，繼電保護整定規(guī)則的靈活多 變，如果采用常規(guī)的專家系統(tǒng)模型，會使得系統(tǒng)的全局數據庫龐大而復雜、整定規(guī) 則的搜索時間長，推理機的效率變低，更重要的是：這種專家系統(tǒng)的維護非常不方便， 因為用戶( 或知識工程師) 更新規(guī)則庫時面對的是抽象的庫，而不是和實物相對應 的對象。 該專家系統(tǒng)是基于產生式系統(tǒng)提出的，每一個保護類中封裝有一個產生式系統(tǒng)應 該有三個基本組成部分：全局數據，規(guī)則庫和推理機，此外還包括規(guī)則庫管理系統(tǒng) 和對數據進行操作的一些方法。 整個系統(tǒng)的保護數目繁多，根據其自然的分類和層次結構，對應如下的類的層次 結構( 圖3 2 ) ： 主譴五至硅 圖3 - 2 保護糞的層次結構 1 j j叵 華中科技大學碩士學位論文 同樣，每條整定規(guī)則也是一個類的對象，規(guī)則類包含規(guī)則通用的變量和函數， 各中保護類是規(guī)則類的繼承( 如圖3 - 3 ) 。系統(tǒng)數據類和保護數據類也有相同的繼承 機制，( 如圖3 - 4 ) 。 圖3 - 3 規(guī)則類的層次結構圖3 - 4 數據類的層次結構 由面向對象所提供的繼承機制，各保護類的對象可以自動繼承基類對象各種保護 所共有的參數、共用的保護整定原則和推理方法等。這種繼承機制對于專家系統(tǒng)的 開發(fā)是非常有用的。 各保護類，數據類和規(guī)則類除了他們自己的繼承關系外，不同類之間還存在相 互嵌套關系( 如圖3 - 5 1 。 圖3 - 5 各種類的嵌套關系 這種嵌套關系在保護類中用c + + 可以簡略的描述成如下形式： c l a s sp r o t 保護類 ( 華中科技大學碩士學位論文 p r i v a t e ： s y s t e m p a r a m e t e ra ： p r o t e c t p a r a m e t e rb r u l e + r ： p r o t ( ) ： p r o t ( ) ； 系統(tǒng)參數類對象 保護參數類對象 規(guī)則對象類鏈表 構造函數 析構函數 3 5 全局數據庫介紹 全局數據在產生式系統(tǒng)中用于存放描繪特定問題的有關各種臨時信息，應該包 含系統(tǒng)進行推理過程中所需要的各種信息。 在繼電保護整定專家系統(tǒng)中，全局數據包括兩個部分：系統(tǒng)數據和保護數據。 1 系統(tǒng)數據：系統(tǒng)數據包括該保護整定所需要的各種數據，如線路阻抗，保護 所在節(jié)點號，短路電流等。這些數據在保護整定計算之前就已經生成，由數據庫中 有關該保護的數據生成，在整定計算過程中數據不會發(fā)生改變。 2 保護數據：保護數據則包括該保護的特性參數、需要配合的相鄰元件的定值 和本保護各段定值。其中的一些數據是要在保護整定過程中需要動態(tài)改變的。 本專家系統(tǒng)中，這兩種數據采用c + + 中的特殊類s t r u c t 類來表示，且這些類 同樣采用繼承方式。因為在保護整定中，很多有關整個電網的參數是公共的。 s t r u c t 類的對象則作為保護類的成員封裝在保護類中，這種表示方式使全局數據 的結構更加清晰，簡潔，更利于維護。又因為規(guī)則總是和全局數據相匹配的，所以 全局數據的這種表示也使規(guī)則庫中規(guī)則的添加更方便。下面以系統(tǒng)數據為例進行說 明。 s t r u c t s y s t e m p a r a m e t e l f 系統(tǒng)參數基類 s t r i n g s u b s t a t i o n n a m e ；，f 所聯的變電站名 s t r i n g n e x t s t a t i o n n a m e ；傾聯對側變電站名 s t r i n g s w i t c 1 n u m b e r ：開關編號 i n tt h i s p o i n t ；保護所在側線路節(jié)點號 一一一 j d 華中科技大學碩士學位論文 i n t t h a t p o i n t ； 保護對側線路節(jié)點號 i n t l i n e n u m b e r ；保護所在線路編號 d o u b l e i m p o r t a n t ：線路的重要性系數 s y s t e m p a r a m e t e r ( ) ，構造函數 s y s t e m p a r a m e t e r ( ) ，析構函數 j ； s t r u c t d i s t a n c e s y s t e m p a r a m e t e r ：s y s t e m p a r a m e t e r ( ，足巨離保護系統(tǒng)參數子類 s t r i n g l i n e t y p e ；，保護所在輸電線型號 d o u b l e l i n e l e n g t h ；保護所在輸電線長度 d i s t a n c e s y s t e m p a r a m e t e r ( )構造函數 d i s t a n c e s y s t e m p a r a m e t e r ( )，析構函數 1 ； 距離保護系統(tǒng)參數s t r u c t 類是系統(tǒng)參數s t r u c t 類的子類，這種繼承避免了 對各保護所共用的數據結構的重復描述。另外，在地方電網的保護整定中，由于電 網運行方式和結構的特殊情況，不能得到很好配合的定值的情況相當多。有經驗的 保護整定人員遇到這種情況時往往采取盡量滿足重要線路，最后考慮次要線路的做 法a 所以在全局數據中加入“線路的重要性系數項，這對于地方電網的保護整是 至關重要的。 3 6 規(guī)則庫及其管理系統(tǒng) 3 6 1 規(guī)則結構 本系統(tǒng)采用產生式規(guī)則的知識表示方法。產生式規(guī)則是知識表示最簡單最常用的 形式。 一條規(guī)則分為前提和繕淪兩部分。舉例如下： r l 】1 e ： 前提： i f a 藝t o gi saf i s h ，五n dt h e 。i 。二o fz h ef i s h ss c a l e si sp i n k 1 5 華中科技大學碩士學位論文 結論：t h e nt h eo r i g i no f a c t o oi si n d i a 產生式規(guī)則由規(guī)則名，條件和結論三部分組成。由c + + 語言實現產生式規(guī)則具有 簡便，易讀，推理快等特點。 規(guī)則結構的主要優(yōu)點是： 1 模塊化：在眾多的規(guī)則所組成的庫中，每一條規(guī)則可以自由增刪、修改，象 一個獨立的知識塊，規(guī)則間的關系被問接的表示出來，而非直接調用。 2 一致性：規(guī)則庫中的各規(guī)則的結構是統(tǒng)一的。 3 自然性：用它可以很方便的表示專家的知識和經驗，解釋專家們是怎樣做他 們的工作的。 4 有利于表示啟發(fā)式知識，易于知識的獲取二 規(guī)則的前提部分是能和全局數據庫相匹配的任何模式。包含一些變量，這些變 量在匹配的過程中可能以不同的形式被約束。一旦匹配成功，則執(zhí)行規(guī)則的結論部 分。結論部分可以是使用約束變量的任意過程，也可以是某一結論【4 3 】。 3 6 2 實現規(guī)則結構的方法 規(guī)則有兩個部分：前提和結淪。前提足條件，在這些條件下規(guī)則被激活，它在 未知的環(huán)境中假定為真。規(guī)則的結論是規(guī)則激活的結果，當規(guī)則被激活時，它就為 真。如： 前提( 礤) 該線路長度小于1 0 h n 結論( t h e n ) 零序保護靈敏i 段停用 當試圖激活一個規(guī)則時，需要在知識庫中查找與前提相符的事實。在上面的例 子中，如果知識庫中包含這樣的事實： “該線路長度小于1 0 k m ” 那么這個規(guī)則將被激活，鼠 “零序保護靈敏l 段停用” 將被加入到知識庫中，如果前提中的事實沒有在知識庫中出現，就不會發(fā)生這 一切規(guī)則i 量不會被激活。 規(guī)則的激活通過增加或修改事實束影響知識霉，通常，用戶用來提取知識的規(guī) 則包含下面屬性： 華中科技大學碩士學位論文 規(guī)則前提f , r u l ep r e m i s e ) 規(guī)則結論( r u l ec o n c l u s i o n ) 規(guī)則動作( r u l ea c t i o n ) 規(guī)則解釋( r u l ee x p l a n a t i o n ) 規(guī)則確定性( r u l ec e r t a i n t y ) 規(guī)則可詢問性( r u l ea s k a b l e ) 規(guī)則前提和結論可以包含a n d 和o r ，是一個邏輯表達式。規(guī)則動作指明在規(guī)則 調用時所產生的一組動作。規(guī)則的解釋包含了對規(guī)則的解釋，它是描述為什么規(guī)則 為真的語句。規(guī)則確定性指明在前提為真時，結論為真的可能性。在繼電保護整定 系統(tǒng)中，規(guī)則為嚴格的整定原則，所以，符合規(guī)則前提的數據必然得到為真的結論。 本系統(tǒng)的規(guī)則多具有如下形式： 規(guī)則名i f ( 條件1 ) ( 條件2 ) ( 條件n ) t h e n ( 結論1 ) ( 結論2 ) ( 結論n ) 用c + + 語言實現產生式規(guī)則具有簡便、易讀、推理快等特點，c + + 是一種面 相對象的語言，具有類、指針和內存的動態(tài)分配功能，可以方便的實現專家系統(tǒng)的 功能。 我們可以把規(guī)則定義為對象，把規(guī)則的結構以及關于規(guī)則的推理使用定義成規(guī) 則類( r u l ec l a s s ) ，由規(guī)則類生成的所有規(guī)則對象( r u l eo b j e c t ) 生成一個向前的鏈表 組成規(guī)則庫，對規(guī)則庫的操作方法由規(guī)則類的操作方法提供。 規(guī)則庫的結構如圖所示： 以下是規(guī)則的c + ，溜述 c l a s sr u l e c h a r * l l a m c ；腳則名 華中科技大學碩士學位論文 l i s t * p r e m i s e ；規(guī)則前提 i n t * c o n c l u s i o n ；，規(guī)則結論 p u b l i c ： r u l e 4 n e x t ； r u l e ( c h a r * n ，i n tp 【 i m c i 】) ：規(guī)貝 j 構造函數 r u l e ( ) ；規(guī)則析構函數 i n tq u e r y ( ) ；推理函數 v o i dg e t n a m e 0 f c o u t n a m e ；】 ) ： ， 規(guī)則是由規(guī)則類的構造函數建立，規(guī)貝嘞態(tài)節(jié)點的存儲單元由析構函數釋放。 一條規(guī)則是一個知識體，其本身具有咨詢推理功能，這由j 見則類的函數q u e r y ( ) 實現。 規(guī)則是規(guī)則鏈的一個節(jié)點，這條規(guī)則鏈組成規(guī)則庫矧。 3 6 3 規(guī)則庫的組成 有關整定計算的規(guī)則大致可以分為如下三類： a 元級規(guī)則 是整定計算所依據的最基本整定原則，這些原_ 9 1 j 是各種保護整定都必須依照的。 如保護整定時最基本的步驟，這些規(guī)則封裝在保護基類中，可以被所有的保護類繼 承，它對具體的推理起指導作用，并且指導具體規(guī)則的選擇n 8 】。 如： 規(guī)則一：( x x 保護無給定的定值) t h e n ( 啟動該保護整定計算過程) 規(guī)則二：i f ( x x 保護定值已算出) t h e n ：啟動定值校驗) 所以，元級別規(guī)則庫相對穩(wěn)定，基本不要作涿加、刪除處理，且被具體保護對 象完全繼承。 b 基本規(guī)則 如部頒的基本整定原則，這類規(guī)則主要是針對比較規(guī)范的電力系統(tǒng)制定的，比 較詳細的規(guī)定了整定盼方法，對于常規(guī)的電力系統(tǒng)來說，根據這些規(guī)則就可以完成 一個電力系統(tǒng)的整定。這一類規(guī)則總的數鯧非常多，下面以接地距離保護規(guī)則為例 _，一“-u_4一一一?！耙?1 8 華中科技大學碩士學位論文 說明見表3 1 表3 - 1 接地距離保護整定規(guī)則 條件( i f )結論( t h e n ) l 線路長度小于1 0 k mi 段停用 2 線路長度為1 0 5 0 k i n1 段定值為線路阻抗的7 0 3 線路長度為5 0 2 0 0 k m1 段定值為線路阻抗的7 5 4 線路長度為2 0 0 k m 以上i 段定值為線路阻抗的8 0 5 相鄰元件為線路且該線路有接地l i 段和相鄰線路的i 段配合整定 距離保護 6 相鄰元件為線路且該線路有縱聯i i 段和相鄰線路的縱聯保護配合整定 保護 7 相鄰元件為線路且該線路有零序j i 段的時間和相鄰線路的零序電流保 電流保護護時間配合整定 c 特殊規(guī)則 對于相對不規(guī)范的地方電力系統(tǒng)來說，光有這一類規(guī)則還遠遠不夠，所以還需 要大量適用于地方電網的一些特殊情況的整定規(guī)則，這些規(guī)則需要專家系統(tǒng)從整定專 家那里取得。這些特殊規(guī)則在地方電網保護整定中是非常重要的。 如：在距離保護中，由于地方電網的運行方式變化劇烈，最大分支系數和最小 分支系數相差懸殊，所以進行i i i 段整定無法得到合理定值，當滿足靈敏度系數要求 時，定值整定得過大，則可能會發(fā)生配電網的故障越級多重跳閘，當減小定值不滿 足靈敏度系數，則可能相鄰保護ii i 段拒動，i i i 段亦無法動作，失去后備保護的功 能所以整定時究竟是偏重與哪方面就要依實際情況而定。針對這種情況需要用 到如下規(guī)則： 規(guī)則三：i f ( x x 線路的重要性系數小于a 且定值靈敏度不滿足要求) t h e n ( 按 滿足靈敏度系數整定) 規(guī)貝u 四：i f ( x x 線路的重要性系數大于a 且定值靈敏度不滿足要求) t h e n ( 按 滿足最大可靠性整定) _-一一 1 9 華中科技大學碩士學位論文 3 6 4 規(guī)則管理系統(tǒng) 由于規(guī)則已經按不同的性質封裝在不同的類中。所以每個類中的規(guī)則數目不大， 規(guī)則在規(guī)則庫中采取順序存放的方式，并不會給搜索知識帶來不便。規(guī)則的管理由 規(guī)則庫管理系統(tǒng)實現。規(guī)則庫的基本操作包括規(guī)則的修改、追加、刪除和瀏覽。這 些操作在本系統(tǒng)中由封裝在保護類中的方法來實現。且主要由以下四個方法來完成。 i n s e r t r u l e ( ) ：向對象的知識庫中插入新規(guī)則 d e l e r u l e ( ) ；，刪除對象的知識庫中的無效規(guī)則 e d i t r u l e ( ) ；，編輯規(guī)則 d i s p l a y r u l e ( ) ；，瀏覽規(guī)則 3 7 推理原理及其流程 推理機在專家系統(tǒng)中處于核心地位。整定計算專家系統(tǒng)常用的推理方式為邏輯 性推理，這種推理方式能夠保證在條件準確的前提下得出的結論也是正確的。所以 說，事實( 數據) 驅動的正向推理可以很好的滿足保護整定專家系統(tǒng)的需要。 保護整定過程實際上是一個由前提得出結論的嚴格正向過程，雖然在分散式專 家系統(tǒng)中，推理機分散在各個對象中。根據各對象的性質不