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年月 电 力 系 统 自动 化 u t o rn a t io n oAf le e t r i e P o w e r S y s t e m s 第 卷第期 E 电力 系统故 障诊 断神经 网络专 家 系统 的一 种 实现方式 ’ 顾 雪平 盛 四 清 张 文某某 华 北 电 力学 院 电力 系 · 高 曙 杨 以涵 · XX 【摘 要 】 时 人 工 神 经 网 络 和 专 家 系统 结 合 应 用 于 电 力 系 统 故 障 诊 断 问 题 进 行 了研 究 , 提 出 了 电 力 系统 故 障 诊 断神 经 网 络 专 家 系统 的 一 种 实现 方 式 。 该 结 构 方 案 中 , 采 用 三 层 前 向 B P 网 络作 为 故 障诊 断 的 核 心 部 分 , 与 传统 的 专 家 系统相 结 合 组成 混合 式的 神 经 网 络 专 家 系统 。 基 于 该 方 案 建造 的 故 障诊 断 神 经 网 络 专 家 系统 综 合 了 专 家 系 统 和 人 工神 经 网 络 各 自的 优 点 , 充 分 利 用 专 家 系统 的 推 理 判 断 能 力 和 人 工 神 经 网 络 的 学 习 和 容 错 能 力 , 比单 独 利 用 专 家 系 统或 人 工 神 经 网 络 的 电 力 系统故 障诊 断 系统 具有 更 好 的性 能 。 [ 关 键 词 1 神 经 网 络 专 家 系统 故 障诊 断 开发 工 具 电 力 系统 1 引言 电力 系 统 发 生 故 障 时 , 要 求 调 度 人 员 迅 速 、 准 确 判 断 故 障元 件 和 故 障性 质 , 及 时 处 理 故 障 , 恢 复 系统 正常运 行 。 由于 现代 电力 系统 规模很 大 , 当电力 系统发 生故 障 时一般会 有 大量 的报警 信息 集 中 涌 现 , 调 度 员 要 在 极 短 的 时 间 内抓 住 报 替 实 质 , 判 断 故 障元 件 有 时 十 分 困 难 。 人 工 智 能 ( A )I 技 术能够 用 来解释 报警 信息 、 诊 断故 障和辅 助调度 员进行恢 复 操作 。 基 于 A l 的电力 系统 故 障诊断是 根据 保护 动作 信息 和断路器 的跳 闸信息来 判 断故 障元 件和 分 析故 障性 质 。 目前研 究 的故 障诊 断方法 的两 种主要类 型 是 : ( l ) 专 家系统 ( E S ) 方 法 E S 擅 长 逻 辑 推 理 和 符 号 信 息 处 理 , 所 以 适 合 于 电力 系 统 故 障 诊 断 问 题 。 然 而 , E S 自身 的 一 些 缺 点 限 制 了 它 的广 泛 应 用 。 ①E S 的推理时 间取 决 于某某 的复 杂程度 , 在实 际应用 中 , 复 杂 问题 的求解 时间 较长 , 可 能不 满足 实时运 行 的要求 ; ② 对于 一个复 杂 的任 务 , E S 可能 产生组 合爆 炸问题 ; ③E S 的容错 能 力较 差 , 这使 其处 理在线 环境 中含 噪声信 息 的能 力较 弱 ; ④E S 的知识 获 取能 力较 差 , 这是 专家 系统开发 的一 个瓶 颈 问题 。 ( 2) 人 工 神 经 网 络 ( A N N ) 方 法 近 年来 , 国内外在 A N N 应 用于 电力 系统故 障诊断 领域进 行 了大 量 的研究 , 基 于 A N N 的故 障 1 9 9 5 一 0 1 一 2 3 收 稿 ; 国家 自然 科 学 基 金 和 国家 教 委 博 士 点 科 研基 金 资 助 项 目 。 顾 雪 平 , 男 , 1 9 6 4 年 生 , 硕 士 , 讲 师 , 主 要 研 究领 域 为人 工 神 经 网 络 和 专 家 系 统 在 电 力 系 统 中 的 应 用 。 盛 四 清 , 男 , 1 9 6 5 年生 , 讲 师 , 在 读 博 士 生 . 主要 从 事 电力 系 统 故 障 诊 断 、 专 家 系 统 和 人 工 神 经 网 络 在 电 力系统中应用的科研工作 。 张文 勤 , 男 , 1 9 3 5 年 生 , 教 授 , 主 要 从事 电 力 系统 分 析 与 控 制 , 电 力 系 统 稳 定 , 专 家 系统 、 神 经 网 络在 电 力 系统 中 的 应 用 等 方 面 的 科 研 和 教 学 工 作 。 · 学 术论 文 与 应 用 研 究 · 顾 雪 平 等 电 力 系统 故 障 诊 断 神 经 网 络 专 家 系 统 的一 种实 现方 式 诊 断系统具 有执行 速度快 、 鲁某某 性 好 和学 习功能 强等特 点 。 的 响应 时 间与所 求解 问题 的复杂 性无 关 , 然 而 , A N N 的某些 缺 点限 制 了 A N N 在线应 用于 大规模的 电力 系统 。 ① A N N 不 具 备表达 电 网 拓 扑 结构 的 能 力 , 一 般 仅能用 于 具 有 固 定接 线 方 式 的 小规模 电网 ; ②A N N 与符 号数据 库交 互 的功 能较弱 ( 例如 : A N N 难 于 同 S C A D A 直接相连 ) ; ③A N N 不擅 长处理启 发性知 识 ; ④ A N N 缺 乏 解 释 自身行 为 和 输 出 结 果 的 能 力 。 由 于 A N N 和 E S 各 有 其 自身 的 优 缺 点 , 以 往 孤 立 地 对 A N N 或 E S 应 用 的 研究 都暴 露 出很 大 的 局 限 性 , 所 以将 A N N 和 E S 结 合 进 行研 究 , 开发 神 经 网 络 专家 系 统 ( A N N E )S 已 成 为 一 个 必 然 的 趋 势 。 目前 , 国 内 外 都 在 着 手 进 行 这 方 面 的 研 究 〔` 一 3〕 。 本 文 研 究 了 A N N 和 E S 结 合 用 于 电力 系 统故 障诊断 的问题 , 提 出 了一个 可 以 应 用于大 规模 电力系统 故障诊 断的 A N N E S 的 实现 方案 。 该 A N N E S 结 合 三 层 前 向某某 经 网 络 和 专 家 系 统 , 包 括 故 障诊 断 系 统 、 知 识 获 取 系 统 、 电 网 静 态 数 据 库 的 建 立 和 维 护 系 统 、 解 释 系 统 和 人 机 界 面 系 统 , 充 分 利 用 A N N 和 E S 各 自的 特 点 , 用 A N N 作 为 故 障诊 断系统 的核 心 , 故 障诊 断 的知识库 由 A N N 的连 接权矩 阵表达 , E S 负 责输人 输 出和解 释 功 能 , 电网拓 扑结 构和保 护配 置用 框架 知识表达 法形成电网静 态数据 库川 , 由 A N N 和 E S 结合构成 的 学习 系统允 许某某 户用故 障实 例 训练 A N N , 从而 , A N N ES 可方便地 获取 通 用的故 障诊 断 知识 。 基 于该 结构方 案 建造 的神经 网络 专家 系 统综合 了 A N N 和 E S 各 自的优点 , 具 有 快速 、 容错 和学 习 能 力 强 等 特 点 , 将有 可 能 在 线 应 用 于 大 规模 电 力 系统 的 故 障诊 断 。 本 文 的 实 现 方 案 , 以 辽 西 电 网 为 对 象 , 开 发 了 一 个 用 于 故 障诊 断 的 原 型 系 统 , 该 电 网 包 括 约 20 个 变 电 站 和 40 余条 线 路 , 离 线测 试证 明某某 方案 是可 行的 。 2 电力 系统故 障诊 断 A N N E S 的 总体 结构 . 21 A N N 和 E S 的结 合方 式 研 究 A N N 和 E S 结合 运 用 的 目的是 充分 利用 E S 的推理 判断 和知识 表 达 能力及 A N N 的 快 速 执行 和 学 习 能 力 , 开 发 一 个能 在线 运 用于 大 规模 电力 系 统 的 A N N E S 。 一 个 关键 的 问 题是 如何将 两 者有 效地 结合起 来 。 目前研究 表 明 , A N N 和 E S 的结 合 可 通过两 种途 径实 现 。 第 一 种途径 是 A N N 和 E S 的 全 面 统一 , 即 由 A N N 全 面 代替 E S , 完 全 用 A N N 来 构 成 专家 系 统比 5 口。 在 这 种 方 式 中 F S 的知识 表达和 逻辑 推理 功能 完全 由 A N N 的数值运算 来 实现 , 该 方式 实 现 比较 困难 , 并且 实际上 仅 仅 利 用 了 A N N , 因 而 不 能 克 服 A N N 的 固 有 缺 点 ; 第 二 种 途 径 是 A N N 和 E S 的 局 部结合 2jL , 该 方 式 将 A N N 作 为 E S 的功 能模块 , 知识表达 可 由 A N N 和 E S 结 合实 现 , 由 E S 控 制整个 推理 过程 并 负责 A N N 的输人 输 出 , 该 种方 式 能综合 A N N 和 E S 的优点 , 实现 也较 容 易 , 是 一种 比较 可 行 的 结 合方 式 。 本 文某某 A N N 和 E S 的局部 结 合方 式提 出 了电力 系统 故障诊 断 A N N E S 的一种 实现方 法 。 该 思 路 可 由图 1 所 示 的 模 型 来 表 达 。 . 22 A N N ES 的总体结构 一个用于 电力 系统故 障诊 断 的通 用神经 网络专 家系统 的总 体结构 如 图 2 所示 。 该 神经 网络专 家 系 统 包 括 (1 ) 推 理 机 ; ( 2) A N N 运 算 器 和 连 接 权 矩 阵 ( A N N E S 的 知 识 库 ) ; (3 ) 静 态 数 据 库 — — 电 网 拓 扑结 构与 保护 配 置 数 据 库 ; ( 4) 动态 数 据 库 包括 实时信 息 、 过 程某某 录和推 理结 论等 子 数 据 库 ; ( 5) 静 态 数 据库 管 理 系 统 ; ( 6) 学 习 系 统 ( 知 识 获 取 ) ; (7 ) 解 释 系 统和 人 机 界 面 系 统 。 在该 A N N E S 中 , 利 用静 态数 据库 管理 系统 , 用户 可方便地 建造 任 何某某 个实 际 电网的静 态数 据库 。 然后 , 专家 能够通 过学 习 系统 将 其具有 的故 障诊断 知识教授 给 神经 网 络 专家 系统 。 在 完成 21 8 5 年9 9 月 9 电力 A u ma it o 系 统 自动化 t oEn e eo f i e l t r e P o w rSe m ys t s 第 1 卷9第 期 9 这 些 工 作 后 , 一 个 用 于 具体 电力 系统 的 神 经 网 络 专家系 统 即 告 完 成 。 因 此 , 该 系 统 实 际 上 是 一 个 有 效 的专家 系统 开发 工 具。 基 于 A N N 的 系 统 不 具 备 对 自己 行 为 的 解 释 能 力 和 与 符 号 数 据 库的 连 接能 力 , 以 该 A N N E S 中 , 解释 系统和 人 机界 面 系统 由 E S 构成 。 E S 负责系统 和 SC A D A 之 间 的接 口 , 并对 A N N 的输 人 输 出进行处理 , 对 系统的行 为和输 出结果进 行解 释。 庆:A D A 专家系 统 知 神经 网 络 识获 取 专家 系 统 调度员 图1 F ig A NN 和鹅 的结 合 方 式 wa 1 A 『 y t o i n t e a t e I名 a n d AN N 甲 动 态 数据 库 ( 黑 板 ) 实 时 信 息 I 过程 记 录 } 推 理 结 论 川| 习| 数 据 库 管 理 统 系 用 解释系统 巨 婴工俪画 馨 l进 保与护配置 网电拓扑结构 ~ 用户 — 一 数 { 一一一一」 据!} ANN } 库 曰一 一 一一 一一 一 一一 ~ 川 知识库 } 运 算器 !二二恶蕊 3 A N N 模 型和 A N N E S 的 知识库 A N N E S 采 用 图 3 所 示 的三 层 B P 网 络作 为诊 断模块 , 其输 人为经 过 E S 专家 图 2 神 经 网络 专 家 系 统 的 总 体结 构 hT F ig . 2 即 罗 e n e r a l eo n fi r a t io n of z、 N N ES 处理 的故 障特征 , 输 出为待 诊断元 件 的故障状 态 。 该 诊断 系统 按 电 网元件 的类 型将 A N N 模块分 为 三 类 , 他 们 是 : ( l) 用 于 母 线 故 障诊 断 的 A N N ; ( 2) 用 于 输 电 线 路某某 障诊 断 的 A N N ; ( 3) 用 于 变 压 器故 障诊 断的 A N N 。 A N N E S 的 电网故 障诊断知 识贮存 在 A N N 的 连某某 矩 阵 中 , 权矩 阵 w 即为 知识 库 。 在 E S 的控制 下 , A N N 模块 对 所 有 的 可 能故 障元 件 依次 进行诊 断 , 最终 找 出真 正 的 故障 元件 。 4 A N N E S 的 推理 机构 神经网 络专家 系统的推理机 是系统的核心 , 它 负责控 制整 个推 理 流程 , 协 调 A N N 和 E S 的工作 。 该 系统 的推理 机采 用 模块 化结 构 , 由完成 各种不 同 功 能 的 E S 模块 和 A N N 模块 组成 。 在推理 过程 中 , 推 理 机 的各模 块 之 间通 过 动 态 数据 库 或磁 盘 文 件 交换 信息 。 推 理机 的 结构 如 图 4 所 示 。 吞: 一 1 输 出层 (o) 5 A N N E S 的 电网 静 态 数据 库及 其管理 系统 . 51 通 用 的电网结 构 知识 表达 方法 A N N E S 采 用 框 架 法 表 达 电 网 的 拓 扑 结构 知 识 , 这使 得 A N N E S 能 用 于大规模的 电力 系统克服 输人层 (; ) 隐 含层 ( j) 图 3 三 层前 向 AN N 模型 hT F ig 3 re la y e r A N N n t d e l 了 单 独 利 用 A N N 时 仅 能 用 于 小 系 统 的缺 点 。 文 献 [ 4 j 所 提 出 的 以 电 气设 备为 核心 的 电 网 结 构 知 识 的通用 表达 方法 可 表达 任何 电网 的拓扑结 构 、 保护配 置 和设备 参 数 。 · 学 术 论 文 与 应 用 研 究 · 顾 雪 平 等 电力 系 统 故 障 诊 断 神 经 网 络 专 家 系统 的一 种 实 现 方 式 2 5 2 静 态 电网数据 库及 其 管 理系 统 . 报警处理 基 于某某 〕 的电 网结 总 控 构通用 知识表 达法 , 将 电网 的 器 制 结构和设备参数表示为一 个 分层 结构 的静 态数 据库 , 数 据 学习 系统 故障诊断 故障诊断 ( A N N ) 4 母 线 故 障 诊断 变 压器 故 障诊 断 库 的结构 如 图 5 。 为 了方 便 数 据 库的 建造 和维 护 , A N N E S 诊断系统包括一个数据库 管 F lg 4 图4 推理机结构 乡 户J e 瓦 t ec t u er o f i n f e r e n e e e n n e 理 系统 , 该管 理系 统 , 能方 便地 建造 数据 库 , 修改、 扩 充和 查询 数据 库 , 并能对 数据 库的正 确性 和一 致性 进行 验证。 数据 库管理 系统 的结 构如 图 6。 6 A N N Es 的学习“某某” A N N E S 利 用 A N N 作 为 其 故 障诊 断 模 块 , 知 识 库 表 达 为 A N N 的 权 矩 阵 , 通 过 训 练 A N N 修 改 其权 矩 阵完成 知识 获取 , 因此 , 知 识获 取 比较 容易 。 A N N E S 包含 一个 由 A N N 和 E S 结合完 成 的学 习训练 系统 , 通过 输 人 电网 的故 障实例 给学 习某某 , 专 家可 以 将 通用 的 电网故障诊 断知识教 授给 A N N E S 。 学 习某某的结 构 如图 7 , 在 图 7 所示 的系统 中 , ES 作为专家和 A N N 之 间联系 的桥 梁 , 负责 将故 障实例 转 化为 三类 A N N 的训 练样本 , 并 对样 本进 行 检测 和评估 , 然 后 E S 调用合 适 的 训 练某某 法对 三类 A N N 分 别进 行 训练 , 产 生含有 通用 的故 障诊 断知识 的权矩 阵 ( 即 A N N E S 的知 识 库 ) , 在 该 系 统 中 共有 三 个 权 矩 阵代 表三 类 不 同元 件 的 故 障诊 断 知 识 库 。 输 电 线路 静 态 数 据 库 数 据 库 建立 数 据 学 库 数 据 库 修 改 和扩 充 习 管 理 系 统 数据库验证 实例输人 样本建造 样本评估 学习 训练 母线故障样本 线路某某障样 本 母线 八N N 训 练 线路 AN N 训 练 图 5 电 网 静态 数 据 库 结 构 . iF g 5 tS a t ie d a at ha 哭 o f e lec t ir e 坛 n e r、 , o r 图 6 数 据 库 管理 系统 的 结 构 iF .g 6 of M 乡 l n a n g sy s t e m s t a it e ds t a 肠 哭 变 压 器 A N N 训练 iF .g 7 图 7 学 习 系 统结构 lA e h i r ec ut r e of le a r n in g 即 s et m 了 结论 本文提 出 了电力 系统故 障诊 断 A N N E S 的一 种结构 方案 , 用该结 构 方案可较方便 地构造 用于 电力 系统故 障诊 断 的 A N N E S , 该方 法结 合运 用 A N N 和 E S 两者 的优点 , 可有效 地提 高某某 系统 的运行 速度 、 容错 能 力和 学 习 能力 。 基 于 该 方案开 发 了辽 西 电网 故障诊 断 原型 系统 , 证 明本文 提 出 的 实 现 方 案 是 可 行 的 , 这 对 大 规 模 电 力 系统 在 线 故 障诊 断 问 题 的 解 决具 有 重 要 意 义 。 参考文 献 1 W Q G u X P , Y a n g Y H , Z h a n g l e t a . I n t e g r a t io n o 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 fa u lt l m e e e n ts , an h y br id A N N E S e a n be b u il t b y m e a n s o f t h e e o m bin a t io n o f E S a n d A N N . T he a dv a n r a g e s o f A N N a n d E S a r e f u lly e m p lo y e d in t he A N N E S . T h e r e f o r e , t h e A N N E S 15 m o r e P o w e r f u l t h a n a t r a d i t i o n a l e x P e r t s y s t e m . K e yw o r ds S y s te m l n e u r a n e t w o r k e x P er t s y s te m fa u lt dia g n o s is e x p e r t s y s t e m t o o ls Po w e r [文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]请点击下方选择您需要的文档下载。

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