发电厂继电保护整定计算专家系统的研究
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摘 要：采用面向对象程序设计的方法，结合电厂实际情况，开发了一套继电保护整定计算专家系统。该系统具有良好的开放性，利用专家系统的知识库使操作原则独立存在，使程序具有很好的灵活性和可移植性。
关键词：专家系统；面向对象；继电保护；知识表示
在我国电力系统中，继电保护整定计算工具经历了由低级到高级的发展过程。以往，保护定值的计算主要依靠人工并辅以专用计算工具或完全由人工计算来完成，工作量大，计算时间长，计算精度不够。随着电网规模的不断扩大，保护定值的计算向利用数字计算机的方向发展。70年代中期，我国有关部门陆续开展了应用计算机进行电网继电保护整定计算的研究工作，这种方法可以直接给出整定值，使工作效率有了大幅度的提高，对提高计算准确性和防止出现差错等方面也提供了可靠保证［１，２］。
经过多年的研究，电力系统大量问题已经具备相应的数学模型和数值算法。随着人工智能，尤其是专家系统技术突飞猛进的发展，研究人员发现许多电力系统中难以用数学模型解决的问题需要靠专家经验解决。例如，发生故障时的事故判断和事故处理，主要由运行人员凭经验进行处理。所以专家系统的引入弥补了以往系统单靠数值求解的种种不足。专家系统在电力系统中的应用越来越广泛，这也为从事继电保护整定计算的科研工作人员开拓了一个更加广阔的前景。当前，发电厂电气元件的继电保护整定计算专家系统的研究与开发在国内尚不多见，还没有引起人们足够的重视。因此，研究和开发发电厂继电保护整定计算专家系统具有重要的理论和现实意义。
发电厂主设备的保护配置非常复杂，不同电厂的配置差异很大；而且不同厂家生产的保护装置其整定过程也存在差异，整定中需要用户的经验。如果依据某个典型电厂对其所配置的保护进行整定，很难实现软件的通用性，并使得软件的开发成本提高。所以设计一种具有良好扩充性和通用性的电厂主设备保护整定软件才能满足实际要求。本方案正是基于这种考虑，并且根据面向对象技术的特点提出来的。在这套方案中，整个电厂抽象成一个电厂类的对象(如图1)，这是因为面向对象的程序设计，首先要根据系统的特性定义相应的“类”。而进行知识的面向对象表示，首先应确定类层次结构。根据发电厂实际运行情况及本专家系统的具体要求，确定了图1所示的层次。
发电厂设备类型较多，就我们考虑的来说，有发电机、变压器、电动机、母线等。以变压器为例，可以将类库定义如下：
各类变压器在整定计算等方面方法相近，可以将它们定义于基类中。而不同型号的设备在计算时有或多或少的差异，可令相应的虚函数在派生类中被覆盖。从而减少工作量，提高程序效率。
例如，在所有变压器整定计算过程中，都要计算二次额定电流，而二次额定电流的计算方法都是相同的，于是可以将计算二次额定电流的函数定义到基类中。而对于具体的变压器整定，可以定义一个派生类，它既有自己独特的操作，又可以继承基类中的操作。例如：
类的层次结构和现实设备的物理层次结构完全相同。每一个对象内封装有相应的数据、方法、知识库、知识库管理系统和推理机。由面向对象所提供的继承机制，各保护类的对象可以自动继承基类对象各种保护所共有的参数，共用的保护整定原则和推理方法。这种继承机制对于专家系统的开发非常有益。
国内专家系统应用于电力系统所用的知识表示法有很多种，大体上是：产生式表示法；框架表示法；谓词逻辑表示法；语义网络表示法等等。产生式系统的知识是以孤立的事实和独立的规则集表示，这种表示简单明了，符合人类的逻辑规则，容易使人理解。这种方法易增添、易修改，如果用以针对特定系统作规模不大的专家系统，可以运用这种方法。框架表示法是上世纪70年代提出的方法。所谓框架就是一个有层次的结构，能由浅入深地描述问题，因此可以用来表示复杂的知识。谓词逻辑是一种最早用在人工智能领域的描述知识的方法之一。它能精确表达人类思维和推理，其演绎很严谨，但它是自然语言的一种简化，因此有局限性。语义网络也是一种结构化的语言，具有自然性、联想性、效率高等特点，但是它不能保护推理的严格性和有效性，是处于发展中的一种方法［２］。
2系统的组成 本专家系统是基于产生式系统提出的，它的构成如图2所示。
知识库存放的是整定规则和运行人员的经验知识。整定规则主要指国家颁布的整定原则。而运行人员的经验知识是指按照线路具体情况而生成的整定规则。理想的专家系统应该独立于计算程序，从而可以满足对它的移植。它还应该是开放的，以满足知识库的不断丰富。根据目前的情况，我们适合做一个带有面向对象性质的产生式规则知识库。
规则结构的基本要素包括：综合数据库，产生式规则和控制系统。
数据库是知识库的载体，综合数据库是规则结构中所使用的主要数据结构，用来描述问题的状态，在问题的求解中，它记录已知的事实，推理的中间结果和最终结论。
产生式规则的作用是对综合数据库进行操作，使综合数据库发生变化。产生式规则的一般形式是：
IF〈前提〉THEN〈动作〉或〈结论〉
有关整定计算的规则还有上下层次的关系。一般整定计算依据的基本规则，如部颁整定原则以及整定配合的最一般的原则，可以称其为上层规则。例如：
IF〈XX保护没有给定值〉THEN〈启动该保护整定计算〉
IF〈XX保护定值已算出〉THEN〈启动定值校验〉
具体保护除了通用规则外，往往有适用于本地特殊情况的规则，可以称之为下层规则。例如，在全星形接线的变压器中，如果采用的是晶体管型继电器，那么它在变压器外部发生接地故障时，由于从中性点进入的零序电流形成差电流，将会导致差动保护的误动作。所以应该将差动保护各侧电流互感器按Δ形接线，就可以避免误动。将其归纳为规则为：
IF〈全星形接线〉&&〈晶体管型继电器〉THEN〈差动保护各侧电流互感器按Δ形接线〉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，数据库模块及整定计算模块的工作流程以完成保护装置的整定计算。整定计算专家系统常用的推理方式为逻辑性推理，这种推理方式能够保证在条件准确的前提下得出的结论也是正确的。而这正是保护整定本身的特性，即在整定条件较为明确时，从条件寻找目标的过程正好符合领域专家进行整定计算的思维。推理方式分为正向推理、反向推理和混合推理三种，我们可以采用精确搜索正向推理的策略来开发推理机。
中试控股电力讲解保护整定的过程是不同的保护相互配合的过程，所以不同的保护类对象之间的数据交换是必需的。如果我们采用面向对象的思想来编程，恰好可以满足对象之间的信息交换机制。
电力系统故障分析是保护整定计算的基础。可视化的故障分析方法非常简单快捷。由于目前只能对被保护设备引出端短路的情况进行分析，所以允许设置故障点的位置必须有所限定。对发变组系统，故障分析应采用运算曲线法进行计算；对于6kV系统，故障分析应采用对称分量法。
保护整定软件是整个系统的重要核心，它为发电厂主设备所配置的保护提供整定工具。整定工具的实质是根据保护的整定原则而设计的整定界面，它使整定原则可视化地被用户理解，每一种整定工具对应着一个小模块。这种模块化设计使得软件具有很强的扩充性和发展性。整定的原则是按照电力工业部颁布的《中华人民共和国电力行业标准——大型发电机变压器继电保护整定计算导则》执行的。
继电保护图形库包括：发电厂电气主接线图、继电保护配置图、继电保护二次展开图、用于继电保护的图纸管理和可视化操作平台。电气主接线图给操作人员一个发电厂电气的总体概念，也是本系统的运行平台，这样现场人员在使用软件时，面对的是他非常熟悉的电气运行环境，能够方便地按照自己的思路进入各功能模块。继电保护配置图提供了各元件的保护配置情况。通过保护配置图，用户可以整定、查询和比较各保护的定值，查阅保护二次展开图。继电保护二次展开图的管理既庞大又复杂，对现场人员的技术素质要求也最高。目前许多现场人员看不懂二次展开图，这主要是因为继电保护动作具有一系列的逻辑闭锁和连锁反应。因此，二次展开图库不仅要将图纸输入计算机，更重要的是要建立各保护装置之间的关联关系，为现场人员阅读图纸和查找故障提供指导。这一工作也是本文系统的难点和特色之一。
软件运行平台是中文WINDOW98。数据库接口工具是Microsoft ODBC。ODBC的优点在于它使程序员无须关心他所要存取的数据源的类型、位置和格式等。他只需调用相同的API函数来和ODBC接口打交道即可，直接和某个特定的数据库交互则由ODBC来完成。这样，使程序员的工作量大为减轻。数据库开发软件是Microsoft Access中文版。
3应用实例 中试控股电力讲解本文系统的主体目前已经编制完成，规则库还在充实中。本系统试应用于黑龙江某地方电厂。运行结果(如表1)中所示，是该电厂发电机保护定值的一部分。经专家系统推理计算，表中详细列出拟在该电厂发电机上配置的保护类型、保护定值、灵敏度及动作时间等。实践证明，本系统的整定结果与专家知识的人工整定结果非常接近。
本系统把整定计算人员从复杂繁琐的日常工作中解放出来，提高了继电保护的运行管理水平，确保了保护整定的准确性，对于发电厂正常运行具有重要的现实意义。
4结论 中试控股电力讲解本文介绍了一个应用于发电厂继电保护整定计算的专家系统，该系统具有如下特点：
(1)充分利用了面向对象的思想，使得知识表示更直观清晰，也使得专家系统和面向对象的程序设计更方便快捷地结合。
(2)规则知识库相对独立于主程序，从而使系统更加开放，更易于移植和修改。
(3)本系统给出保护的配置图、二次展开图，为现场人员阅读图纸和查找故障提供指导。
(4)本系统系结合实例开发，有很强的实用性。
(5)人机界面友好，操作方便。
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