Разработка экспертной системы анализа коммутационного состояния электрических сетей

Актуальность темы

диссертации. Создание и развитие новых технологий эксплуатации технических систем направлено на максимально полную автоматизацию технологических процессов и основано на переходе от вытеснения человека машиной на уровне «механических» операций к передаче машине некоторых интеллектуальных функций. На этом пути в настоящее время общезначимым (для различных профессиональных областей) является разработка специализированных экспертных (оперирующих со знаниями) систем.

В рамках создания новой технологии автоматизированной эксплуатации.

• ЭлС в нашей стране за последние два десятилетия был разработан ряд ЭкС типов «тренажер» и «советчик». Ведущие роли в этом принадлежат сотрудникам ВНИИЭ Любарскому Ю. А., Головинскому И. А. и др., создавшим ЭкС «МИМИР», «ОПТИМЭС», «КОРВИН». Аналогичными широко используемыми ЭкС являются «МОДУС» компании «МОДУС» и «TWR12» ЗАО «Энергетические технологии» .

К достоинствам указанных ЭкС можно отнести наличие подсистем анализа схемы коммутации ЭлС, расчёта режимов, распознавания образов. Использована процедурная БЗ, определенная на множестве.

• неориентированных графов. Заявлено о работе над редактором БЗ в составе АРМ’а пользователя.

Недостатками являются слабость категориально-понятийной БД в отражении свойств сети различного уровня общности (элемент, структура, функция, класс состояния, назначение) и многоуровневого представления самой сети (элемент, часть, подсеть), основанного на выделении её особенностей.

В работах Емельянова И. В. [39], Горевого Д. В. [29] эти недостатки во многом были устранены, однако представленная в них ЭкС была разработана для решения задачи синтеза — выработки бланков оперативных переключений в первичных и вторичных цепях ЭлС.

Это затрудняет постановку и решение задач анализа КС ЭлС:

• идентификации класса состояния сети,.

• локализации его качественных составляющих и.

• оценки возможностей изменения в желаемых направлениях.

В печатных работах создателей ЭкС отсутствуют постановки этих задач и понимание необходимости их решения (с доведением до технологических форм общих или локальных рапортов и сводок) для автоматизации процесса ОДУ ЭлС. Есть лишь упоминания о решении ряда задач «топологического» анализа с целью проверки допустимости оперирования с КА при переводе ЭлС из одного КС в другое.

Рассмотренные ЭкС не являются в полной мере «интеллектуальными». В них ИП не выделены в самостоятельную категорию.

Представленные положения обосновывают актуальность данной работы, направленной на универсализацию анализа как метода:

• в частном случае — идентификации свойств ЭлС различного уровня общности инвариантно типам схем электрических соединений её функциональных подсистем;

• в общем — познания объектов инвариантно их содержания.

Цель работы состояла в разработке ЭкС анализа КС ЭлС при осуществлении ОДУ, категориально-понятийный аппарат которой обеспечивал бы необходимый уровень общности представления сетей и оперирования с их свойствами.

Для достижения цели была поставлена и решена задача идентификации КС ЭлС и локализации его качественных составляющих инвариантно таким свойствам ЭлС как тип схемы электрических соединений функциональных подсистем (ячейка, РУ), класс подсистем (ячейка, РУ, ПС, РЭС и др.). Выполнена декомпозиция этой задачи на следующие подзадачи:

1. формализации и выделения в самостоятельную категорию ряда интеллектуальных логических процессов, которые классифицированы и иерархически организованы,.

2. построения категории (понятия и процедуры определения) ЭлС как совокупности функциональных подсистем для анализа КС сети,.

3. выделения видов анализа (элементный, структурный, функциональный, кластерный) КС ЭлС в абсолютной и относительной (по отношению к нормальной или иной базовой схеме) постановках его задач,.

4. формализации анализа от составления заданий до представления результатов в виде рапортов и сводок на языке пользователя,.

5. разработки компьютерных анализатора КС ЭлС и синтезатора рапортов и сводок о КС,.

6. разработки компьютерных редакторов БД и БЗ ЭкС.

Методология и методы исследования. Методологической базой построения ЭкС являются так называемые «системный», «объектно-ориентированный» и «экспертный» подходы к решениям задач формализации. В рамках этих подходов используются:

1. философия «топоцентризма» (утверждающая универсализацию организационной структуры объектов),.

2. фреймовая многоуровневая модель объекта,.

3. формализованный интеллект (операции и процессы). Применены методы теорий графов, множеств, формальной логики.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована корректным использованием теорий систем и электроэнергетики, специализированных математических теорий (графов и множеств) и методов формальной логики, а также непротиворечивыми выводами, положительными экспертными оценками результатов решения тестовых щ задач.

Положения, выносимые на защиту:

1. Решение задачи автоматизации анализа КС ЭлС в контуре ОДУ ЭЭС возможно на основе методологии, комплексно использующей «системный», «объектно-ориентированный» и «экспертный» подходы.

2. Автоматизация анализа-синтеза КС в контуре ОДУ ЭлС инвариантно схемам их электрических соединений обеспечивается ЭкС, базирующейся на:

• понятии ЭлС, как совокупности вложенных сетей,.

• унифицированном представлении объектов в виде многоуровневых фреймов, собранных на основе обобщения, и.

• использовании ИП, формализованных в процедурной БЗ.

3. Представление объектов в виде многоуровневого фрейма, собранного на основе обобщения и имеющего единую структуру для объектов разного рода, позволяет применять к ним одни и те же вычислительные процедуры и логические ИП, тем самым сокращая БЗ, необходимую для решения задач.

4. Представление ЭлС как совокупности вложенных сетей позволяет применять к их описанию единую форму (многоуровневую фреймовую модель), определять их через набор сетевых функций (с трансформацией этих определений в топологические — через задание ограничивающих элементов), применять к понятиям подсетей разных уровней одни и те же ИП (и вычислительные процедуры).

5. Данные о схеме коммутации (структурного характера) позволяют оценить класс КС, судить об экономичности режимов и качестве напряжения.

6. Решение задачи оценки надёжности электроснабжения по критерию (л-1) возможно неимитационным «методом подсчета» степеней вершин агрегированного графа сети. Алгоритм решения применим к связным графам любого типа: цепи, деревья, содержащим контуры и «мосты» (разделяющие рёбра).

Научная новизна работы:

1. решена задача формализации анализа КС ЭлС для разработки (интеллектуальных) подсистем, автоматизирующих ОДУ ЭЭС;

2. предложена и применена оригинальная универсальная понятийно-категориальная основа для построения ЭкС анализа КС ЭлС, позволяющая определять ЭлС и её функциональные подсистемы независимо от их класса через задание классов ограничивающих уровень элементов и их свойств;

3. предложены и применены формальные модели интеллектуальных логических процессовв отличие от других исследований ИП классифицированы, иерархически организованы, рассматриваются как многоуровневые объекты и могут быть использованы в рамках ЭкС к анализу других объектов;

4. в отличие от других ЭкС формализованы кластерный, функциональный, структурный и элементный виды анализа КС ЭлС в абсолютной и относительной постановках, позволяющие выполнить идентификацию КС и локализовать его качественные составляющие, характеризующие свойства схемы коммутации сети на различных уровнях общности;

5. предложены «оценочные» структурные методы определения полноты и качества выполнения ЭлС своих функций;

6. разработаны оригинальные методы и вычислительные процедуры анализа графа ЭлС для идентификации его системных свойств:

• фрагментирования — выделения функциональных подсистем (уровней) ЭлС от ячейки до РЭС и вышеприменена трансформация функционального определения уровня в.

Ф элементное (задание классов, ограничивающих уровень элементов и их свойств);

• дефрагментирования — построения иерархической модели уровней сети ЭлСприменена трансформация определения функционального подчинения уровней в определение их топологической вложенности;

• агрегирования графа ЭлС для снижения размерности задачи анализа КСподуровни заменяются их топологическими (во внешней связности) и функциональными эквивалентами меньшего порядка (множество реальных элементов замещается меньшим разнообразием типов — сохраняются те элементы, которые обеспечивают выполнение анализируемых функций);

• неимитационной оценки структурного резервирования потребителей электроэнергии по критерию (и-1).

Практическая ценность работы. Автоматизация решения задач анализа в контуре ОДУ позволит понизить:

1. влияние «человеческого фактора» на надёжность ЭЭС,.

2. интеллектуальную нагрузку на диспетчеров и.

3. предъявляемые к ним профессиональные требования к точности и детальности знаний.

Анализ КС ЭлС инвариантен таким свойствам ЭлС как тип схемы электрических соединений функциональных подсистем (ячейка, РУ), класс подсистем (ячейка, РУ, ПС, РЭС и др.).

Характеристики логико-математических процедур ЭкС, позволяют использовать её в режиме реального времени для анализа КС схем ПС и РЭС.

Назначение ЭкС может быть переориентировано на использование в качестве обучающей подсистемы тренажёра оперативного персонала.

Реализация результатов. Разработанные в диссертации методы и.

• алгоритмы легли в основу программного комплекса АРМ «Коммутационное состояние и переключения в электрической сети», создававшегося по заказу ЦЦС ОАО «Новосибирскэнерго». На основе проведённых исследований были разработаны:

1. объектно-ориентированная БД, содержащая:

• понятийные основы построений уровней ЭлС, их иерархии и агрегированной модели ЭлС,.

• уровневые модели ЭлС некоторых ПС из состава ОАО «Новосибирскэнерго» ;

2. редактор БД с графическим интерфейсом;

3. процедурная БЗ, содержащая модули функционально-топологической фрагментации-дефрагментации ЭлС (выделения уровней и построения их иерархии);

4. объектно-ориентированная БД, содержащая:

• понятийные основы для проведения анализа КС ЭлС,.

• его результаты (архив);

5. редактор БД с графическим интерфейсом;

6. редактор заданий на проведение анализа КС и его результатов;

7. процедурная БЗ, содержащая модули анализа КС ЭлС;

8. справочная система.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на научных семинарах кафедры автоматизированных электроэнергетических систем НГТУ, на международных конференциях «KORUS' 99», «KORUS' 2000», «KORUS' 2001» .

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 4-х публикациях.

1. Достигнутый уровень разработки ЭкС анализа КС ЭлС в версии 2.55а сопоставим с другими ЭкС, направленными на автоматизацию ОДУ ЭЭС, использующимися и разрабатывающимися в настоящее время в нашей стране, по «показателям интеллектуальности» (структурированности данных и «открытости») и существенно превосходит в части постановки и решения задачи анализа КС ЭлС.

2. Практически достигнутый уровень разработки ЭкС является пониженным относительно теоретического. Такое несоответствие вызвано приоритетностью решения задачи формализации анализа синтеза КС ЭлС над задачей повышения интеллектуальности ЭкС в соответствии с пожеланиями заказчика (ОАО «Новосибирскэнерго») и сложностью, решаемых задач. Это выразилось в: • применении многообразия специализированных структур

(фреймов) к представлению данных, использующихся в подсистемах, последовательно разрабатывавшихся в диссертациях [40], [39], [81], [29]. • применении вычислительных и логического вывода процедур и функций на многообразии специализированных структурах данных (фреймах), • желании понизить размерность задачи первичного тестирования подсистем ЭкС наложением ограничений на их связи и устранением эффекта взаимовлияния.3. Развитие ЭкС направлено на снятие принятых ограничений версии.

2.55а и расширение множества её основных и вспомогательных функций. Это позволит сделать третий шаг на пути интеллектуализации ЭкС (открыть доступ к ИП в явном виде), осуществлять анализ КС ЭлС в относительной постановке, замкнуть контур решения задач анализа синтеза в ОДУ ЭлС и улучшить восприятие результатов анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе поставлена и решена задача формализации анализа КС ЭлС для разработки (интеллектуальных) подсистем, автоматизирующих ОДУ ЭЭС. Решение получено на основе комплексной методологии, включающей с себя единообразное представление объектов, в виде многоуровневых фреймов, собранных на основе обобщения и вовлечении их в логические ИП, доступные к применению в явном виде. Эти методы формализации, применённые к объектам области анализа КС ЭлС, позволили решить задачу идентификации КС ЭлС и локализации его качественных составляющих инвариантно таким свойствам ЭлС как тип схемы электрических соединений функциональных подсистем (ячейка, РУ) и класс подсистем (ячейка, РУ, ПС, РЭС и др.).Дана оценка возможностей формализованного анализа свойств ЭлС различного уровня общности на основе данных о её схеме коммутации. Показано, эти данные структурного характера позволяют оценить класс КС, судить об экономичности режимов и качестве напряжения. Логико-математические процедуры ЭкС, позволяют использовать её в режиме реального времени для анализа КС схем ПС и РЭС. Это даёт возможность снижения нагрузки на персонал диспетчерских служб ЭлС, получения экспресс-оценок КС ЭлС при внезапных или плановых изменениях в её схеме коммутации, что, в конечном итоге, обеспечивает безопасность персонала, сохранение оборудования, надежность и экономичность электроснабжения. Возможность продуктивного восприятия диспетчером схемы ЭлС и оперирования с её свойствами обеспечивается агрегированием исходной схемы, «относительным» видом анализа, конкретизацией формулировок заданий на анализ, отражением состояния ЭлС и схемы её коммутации многоуровневым образом в рапорте о КС, составленном на профессиональном языке. Разработанные в диссертации методы и алгоритмы легли в основу программного комплекса АРМ «Коммутационное состояние и переключения в электрической сети». В его состав включены разработанные автором подсистемы функционально-топологического членения ЭлС на подсети и анализа её КС.