基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動生成系統(tǒng)

曾利， 孟文

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動生成系統(tǒng)

曾利， 孟文

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

針對電網(wǎng)操作票系統(tǒng)智能性不足的問題，運用專家系統(tǒng)技術實現(xiàn)倒閘操作票自動生成系統(tǒng)。通過分析電力系統(tǒng)特點，對操作票專家系統(tǒng)的兩大核心組成部分知識庫和推理機分別進行了研究，采用更簡潔的知識表示方式進行知識庫的設計，采用Rete算法對專家系統(tǒng)推理機制進行研究，完成了操作票專家系統(tǒng)的初步設計。同時，在Visual Studio2010開發(fā)環(huán)境中搭建基于Web的操作票系統(tǒng)基礎平臺，通過服務方式調(diào)用專家系統(tǒng)模塊實現(xiàn)了指定操作任務下操作步驟的自動生成，系統(tǒng)安全可靠，基本滿足了用戶的需求。

操作票；專家系統(tǒng)；知識庫；Rete算法；自動生成

0 引 言

電力操作票制度是我國電力系統(tǒng)運行管理中有效的安全措施[1]，編寫操作票是電力調(diào)度人員重要工作之一。隨著計算機技術和專家系統(tǒng)技術的日益發(fā)展和成熟，結(jié)合專家系統(tǒng)技術開發(fā)能代替工作人員完成開票的智能操作票系統(tǒng)應運而生。在電力大數(shù)據(jù)時代背景下，智能操作票系統(tǒng)需要將龐大的數(shù)據(jù)群進行更合理有效的提取與處理，目前操作票系統(tǒng)研究的熱點也集中在提高性智能性方面[2-5]。

Rete算法作為規(guī)則引擎模式中匹配效率最高的算法之一，通過犧牲部分內(nèi)存來保存并充分利用之前匹配過程中的信息，以提高匹配效率[6]。本文根據(jù)電力系統(tǒng)的特性，對電網(wǎng)操作票自動生成系統(tǒng)進行研究，提出系統(tǒng)的基本模型框架，并重點對專家系統(tǒng)進行設計，采用基于Rete算法的推理機制實現(xiàn)了操作票系統(tǒng)快速高效地自動開票。

1 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)的總體結(jié)構如圖1所示，主要由專家系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)模塊、開票模塊、知識管理模塊構成。數(shù)據(jù)模塊封裝系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的操作邏輯，其他模塊通過它實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互。專家系統(tǒng)模塊是整個系統(tǒng)的核心，主要負責操作票的邏輯推理。知識管理模塊負責專家系統(tǒng)知識庫的更新，如知識的新增修改。開票模塊主要完成操作任務的設置、校核與分解，與專家系統(tǒng)配合完成開票過程。操作票種類涉及典型票、歷史票、廢票等，操作票管理模塊實現(xiàn)各類操作票的查詢、修改、導入導出以及定期清理等工作。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構

2 專家系統(tǒng)知識庫的設計

專家系統(tǒng)的知識庫主要由事實庫和規(guī)則庫組成。事實庫中存儲推理需要的基礎事實及推理過程中產(chǎn)生的中間事實，基礎事實主要來源于電力系統(tǒng)的設備信息、設備連接關系、操作任務指令以及其他與系統(tǒng)運行相關的元事實，中間事實主要是推理產(chǎn)生的操作步驟。規(guī)則庫中存儲依據(jù)電力操作規(guī)程和操作經(jīng)驗建立的開票規(guī)則，以及對這些規(guī)則起約束、選擇和控制作用的元規(guī)則。

2.1 電力系統(tǒng)特性分析

對電力系統(tǒng)特性進行分析，有助于知識庫的合理設計。

電力系統(tǒng)操作具有順序性和關聯(lián)性的特點。電力規(guī)程規(guī)定設備四種基本工作狀態(tài)：運行、熱備用、冷備用和檢修，電力設備四種狀態(tài)層次間的轉(zhuǎn)換只能通過相鄰狀態(tài)傳遞進行，不能“越層”操作，這種“逐層操作”的特點即系統(tǒng)操作的順序性。由于電力設備間存在特定的連接關系，設備之間的操作既相互影響又相互制約，這集中體現(xiàn)在設備組內(nèi)的設備之間，即一種設備狀態(tài)的改變將導致關聯(lián)設備的狀態(tài)隨著改變，這種操作的影響即系統(tǒng)設備的關聯(lián)性。

2.2 操作票事實庫的設計

事實庫中存儲的核心事實是設備信息，它是整個系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)基礎。其中，設備事實需要包含設備的基礎信息與設備之間的連接關系，操作任務作為系統(tǒng)推理的啟發(fā)性事實，攜帶用戶設置的操作對象與狀態(tài)切換指令。

根據(jù)電力系統(tǒng)中的主要設備類型，抽象出母線、線路、變壓器、斷路器與刀閘設備類，建立設備事實模板，定義名稱、編號、電壓等級、狀態(tài)等基本屬性，然后通過數(shù)據(jù)庫模塊實現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互，將數(shù)據(jù)庫中的設備信息寫入到事實庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。

根據(jù)電力系統(tǒng)設備操作的關聯(lián)性特點，實際操作現(xiàn)場中各設備之間存在固定的連接關系，所以為設備類型設置組編號屬性，同一組內(nèi)的設備具有相同的編號。推理機在推理時可直接定位到目標操作對象所在的設備組內(nèi)進行搜索，因此不需要遍歷其他對象，保證了推理機高效的搜索效率。

2.3 操作票規(guī)則庫的設計

在特定的操作背景和操作規(guī)程的約束下，給定操作任務指令就可推理得到正確的操作步驟，其中操作規(guī)程以開票規(guī)則的形式寫入規(guī)則庫。根據(jù)電力系統(tǒng)操作的關聯(lián)性，設備之間遵循一定的操作順序，必須滿足電力操作規(guī)則，如“禁止帶電拉合刀閘”、“禁止帶接地刀閘合隔離開關”等。制定開票規(guī)則時，用規(guī)則優(yōu)先級來實現(xiàn)這種操作的關聯(lián)性，同一任務指令下形成對應的規(guī)則鏈。同時依據(jù)電力系統(tǒng)操作的順序性，在進行規(guī)則表示時，只需考慮相鄰狀態(tài)轉(zhuǎn)換的原子任務的開票規(guī)則，其他操作任務的推理結(jié)果由各原子任務推理結(jié)果按序合成，從而縮減了規(guī)則數(shù)量，減輕了專家系統(tǒng)的推理工作。

3 基于Rete算法的推理機制的設計

專家系統(tǒng)推理機制主要包括搜索、匹配、沖突裁決和觸發(fā)四個部分。傳統(tǒng)的推理引擎存在正向推理和逆向推理兩種方式[7]。本文采用基于Rete算法的正向推理機制來研究操作票的生成過程。

Rete算法通過形成一個規(guī)則集對應的Rete網(wǎng)絡，網(wǎng)絡對傳播的數(shù)據(jù)進行過濾，從網(wǎng)絡根節(jié)點出發(fā)往下走，匹配的數(shù)據(jù)將逐步減少，直至到達終節(jié)點，完成一個模式匹配過程[8]。

Rete網(wǎng)絡圖是一種數(shù)據(jù)流動圖，其網(wǎng)絡節(jié)點分為四種：根節(jié)點、類型節(jié)點、alpha節(jié)點和beta節(jié)點。其中，根節(jié)點為虛擬節(jié)點，是所有對象進入網(wǎng)絡的入口。類型節(jié)點存儲事實的類型，事實從對應的類型節(jié)點進入Rete網(wǎng)。alpha節(jié)點主要進行同對象類型內(nèi)的屬性約束，beta節(jié)點用來實現(xiàn)不同類型對象屬性的連接工作[9]。

下面以斷路器由運行轉(zhuǎn)冷備用的規(guī)則為例來闡釋Rete網(wǎng)絡的編譯算法。任務分解為運行轉(zhuǎn)熱備用(01)和熱備用轉(zhuǎn)冷備用(12)兩個原子任務，下面列出主要的開票規(guī)則：

規(guī)則1：IF操作任務為斷路器a由運行轉(zhuǎn)熱備用，THEN 斷開斷路器a

規(guī)則2：IF操作任務為斷路器a由熱備用轉(zhuǎn)冷備用，THEN 斷開線路側(cè)刀閘b

規(guī)則3：IF操作任務為斷路器a由熱備用轉(zhuǎn)冷備用并且線路側(cè)刀閘b在分位置，THEN 斷開母線側(cè)倒閘c

根據(jù)Rete網(wǎng)絡的編譯算法，建立規(guī)則匹配的網(wǎng)絡圖，如圖2所示，其中Ai(i=1,2,…,5)表示alpha節(jié)點，Bj(j=1,2,3,4)表示beta節(jié)點，Rk(k=1,2,3)表示規(guī)則。初始事實進入Rete網(wǎng)絡通過類型節(jié)點過濾形成alpha節(jié)點，A1和A2匹配成功形成B1，與R1匹配成功激發(fā)R1；R1執(zhí)行完畢后，原子任務12進入Rete網(wǎng)形成A5，A5相繼與A2、A3匹配得到B3，與R2匹配成功激發(fā)R2，B3繼續(xù)與A4匹配形成B4，與R3匹配成功而激發(fā)R3。

從圖2可以看出，圖中存在大量節(jié)點共享的現(xiàn)象，已經(jīng)完成模式匹配的節(jié)點會保存在內(nèi)存中，在執(zhí)行下一次匹配過程時可直接調(diào)用而避免重復操作，例如B3共享B2節(jié)點。Rete算法的這種節(jié)點共享和狀態(tài)保存的特點使得它比傳統(tǒng)模式匹配算法具有更高的執(zhí)行效率。

圖2 Rete網(wǎng)絡圖

4 推理開票的實現(xiàn)

隨著信息技術的發(fā)展，專家系統(tǒng)需要更簡潔的客戶端和友好的操作方式來更好地服務用戶[10]，本文以Visual Studio2010為開發(fā)平臺，MySQL為工具開發(fā)基于Web的智能操作票系統(tǒng)平臺，專家系統(tǒng)以模塊化方式嵌入系統(tǒng)基礎平臺。在用戶界面完成操作任務的設置、校核與分解后，開票界面通過Web服務的方式調(diào)用專家系統(tǒng)模塊，操作任務作為啟發(fā)事實寫入到事實庫，推理機通過Rete網(wǎng)絡的搜索匹配過程而激發(fā)規(guī)則，添加操作步驟到事實庫，最終將結(jié)果輸出到開票界面，如圖3所示。

圖3 推理開票

5 結(jié)束語

電網(wǎng)操作票系統(tǒng)的智能性一直是研究的熱點。本文采用模塊化的方式對倒閘操作票專家系統(tǒng)進行了研究與設計，各模塊之間協(xié)同配合，協(xié)作專家系統(tǒng)模塊共同完成了操作票的自動生成。模塊化的開發(fā)方式使系統(tǒng)具有良好的可移植性，同時專家系統(tǒng)可應用于其他智能系統(tǒng)的開發(fā)，安全可靠，大大降低了開發(fā)成本。

[1] 蘇盛, K K LI, 曾祥君,等.通用變電站操作票生成方法的研究[J].電網(wǎng)技術,2004,28(14):15-22.

[2] 莊海峰.智能調(diào)度操作票生成專家系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].安徽電力工程職業(yè)技術學院學報,2005,10(3):26-28.

[3] 林曉慶,任建文,張丙合,等.基于網(wǎng)絡重構的電網(wǎng)智能調(diào)度操作票系統(tǒng)開發(fā)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(7):143-147.

[4] 陳素芳,王凱.基于多智能體的電網(wǎng)操作票自動生成系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(15):49-53.

[5] 張豐,郭碧媛.變電站智能操作票系統(tǒng)與程序化操作系統(tǒng)結(jié)合方式探討[J].電力自動化設備, 2010,30(12):117-120.

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[8] 李德泉,劉遠航,周毅,等.一個基于Rete算法的可視化產(chǎn)生式系統(tǒng)[J].遼寧師范大學學報(自然科版), 2002,25(1):27-30.

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An Automatic Generation System for the Power Network Operation Order Based on the Expert System

Zeng Li1, Meng Wen2

(College of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

An automatic generation system is realized for the switch change operation order by means of expert system technology in view of inadequate intelligence of the power network operation order system. The two core components of the operation order expert system - knowledge base and inference engine - are studied through analysis of the characteristics of the electrical power system. The knowledge base is designed in a more compact knowledge representation mode, and the inference engine of the expert system is studied by means of Rete algorithm. Thus, we complete our preliminary design of the operation order expert system. In the meanwhile, a Web-based basic platform of the operation order is built up in Visual Studio 2010 development environment. The expert system module is called in the service mode to realize automatic generation of operational sequences based on assigned operation task. The system is safe and reliable and can basically meet the requirements of users.

operation order； expert system； knowledge base； Rete algorithm； automatic generation

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.019

TM732

A

1000-3886(2017)01-0064-02

曾利(1991-)，女，四川巴中人，碩士生，專業(yè)：機械電子工程，研究方向為電力SCADA系統(tǒng)開發(fā)。 孟文(1966-)，男，四川德陽人，博士，副教授，碩士生導師，西南交通大學機械工程學院老師，主要從事智能控制技術及應用方面的研究教學工作。

定稿日期: 2016-07-19