邵德珉，劉 杰，李 斌

（1.太原供電公司，山西 太原 030012；2.山西電力檢修公司，山西 太原 030032；3.太原科技大學(xué)，山西 太原 030032）

安全不間斷運(yùn)行是現(xiàn)代電網(wǎng)應(yīng)具有的基本功能，而衡量電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性指標(biāo)，則由故障次數(shù)和故障的停電時(shí)間來決定。實(shí)踐表明，電氣裝置的絕緣閃絡(luò)與擊穿是停電的主要原因，所以科學(xué)合理地選擇電網(wǎng)電氣裝置的絕緣水平，對(duì)于保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。絕緣配合技術(shù)是在考慮運(yùn)行環(huán)境和過電壓保護(hù)裝置特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)電網(wǎng)可能出現(xiàn)的過電壓科學(xué)合理地選擇電網(wǎng)電氣裝置的絕緣水平。而隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，特別是在特高壓電網(wǎng)中，空氣間隙的放電電壓在操作過電壓呈現(xiàn)出飽和特性，從而使得電網(wǎng)中電氣裝置的絕緣占據(jù)電網(wǎng)設(shè)備總投資的比例越來越高。而且超（特）高壓電網(wǎng)輸送容量巨大，對(duì)應(yīng)的絕緣故障后果將非常嚴(yán)重，因此，絕緣配合問題更值得關(guān)注。目前絕緣配合的方法主要有慣用法和統(tǒng)計(jì)法，用慣用法處理絕緣配合問題時(shí)，通常是使電氣設(shè)備的絕緣水平（以其耐受電壓來表征）與作用的最大過電壓值之間保留一定的裕度，以保證電氣設(shè)備運(yùn)行的安全。實(shí)質(zhì)上，該裕度是用于補(bǔ)償在估計(jì)最大過電壓和確定最低耐受電壓時(shí)的誤差。目前對(duì)電氣設(shè)備非自恢復(fù)型內(nèi)絕緣采用慣用法進(jìn)行絕緣配合，而對(duì)于絕緣子和空氣間隙這類自恢復(fù)型絕緣而言，其絕緣閃絡(luò)電壓是一個(gè)隨機(jī)變量，而且作用于絕緣的過電壓也是一個(gè)隨機(jī)變量。當(dāng)獲知它們的信息之后，通過概率理論應(yīng)用統(tǒng)計(jì)手段進(jìn)行絕緣配合設(shè)計(jì)。

目前使用的絕緣配合方法僅考慮單獨(dú)類型的過電壓與電氣裝置耐壓之間的關(guān)系，事實(shí)上，各種類型過電壓與電氣裝置耐壓性能之間是復(fù)雜的網(wǎng)狀因果關(guān)系結(jié)構(gòu)，本文嘗試用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來表示過電壓與電氣裝置絕緣性能之間的關(guān)系，利用C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)CLIPS（C Language Integrated Production System） 實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)狀關(guān)系的結(jié)構(gòu)與推理分析，為絕緣配合設(shè)計(jì)與分析提供定量依據(jù)。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)帶有條件概率的有向無環(huán)圖DAG（Directed Acyclic Graph）：節(jié)點(diǎn)表示隨機(jī)變量，節(jié)點(diǎn)間的弧反映了隨機(jī)變量間的條件依賴關(guān)系，指向節(jié)點(diǎn)A的所有節(jié)點(diǎn)稱為A的父節(jié)點(diǎn)。與每個(gè)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的條件概率表CPT（Conditional Probability Table）列出了此節(jié)點(diǎn)相對(duì)于其父節(jié)點(diǎn)所有可能的條件概率?？梢娫摼W(wǎng)絡(luò)是基于概率分析和圖論的一種不確定性知識(shí)表達(dá)和推理的模型。從直觀上看，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為一個(gè)賦值的復(fù)雜因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)變量，即一個(gè)事件，各變量之間的弧表示事件發(fā)生的直接因果關(guān)系。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)表達(dá)了定性知識(shí)，即事件之間的因果聯(lián)系；邊緣概率和條件表達(dá)了定量知識(shí)，即原因?qū)Y(jié)果的影響程度。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的推理原理基于Bayes概率理論，推理過程實(shí)質(zhì)上就是概率計(jì)算過程。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)利用隨機(jī)變量間的條件獨(dú)立性，將一個(gè)聯(lián)合概率分布直觀地表達(dá)為一個(gè)圖形結(jié)構(gòu)和一系列的條件概率表，經(jīng)消除變量計(jì)算可求出任一單變量的概率分布或部分變量的概率分布。在已知某些證據(jù)變量取值的情況下，可計(jì)算感興趣的節(jié)點(diǎn)變量或節(jié)點(diǎn)變量集合即查詢變量（變量組）的條件概率分布。最基本和最主要的條件概率的推理形式有以下三種。

因果推理：原因推知結(jié)論——由頂向下的推理，目的是由原因推出結(jié)果。已知一定的原因（證據(jù)），經(jīng)推理計(jì)算，求出在該原因的情況下結(jié)果發(fā)生的概率。

診斷推理：結(jié)論推知原因——由底向上的推理。目的是在已知結(jié)果時(shí)，找出產(chǎn)生該結(jié)果的原因。已知發(fā)生了某些結(jié)果，經(jīng)推理計(jì)算，得到造成該結(jié)果發(fā)生的原因和發(fā)生的概率。該推理常用在故障診斷中，目的是找到故障發(fā)生的原因。

支持推理：辯解推理——提供解釋以支持所發(fā)生的現(xiàn)象。目的是對(duì)原因之間的相互影響進(jìn)行分析。

2 C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)CLIPS

C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)CLIPS是“C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)（C Language Integrated Production System）”的首字母縮略詞。它是美國航空航天局/約翰遜太空中心（NASA/Johnson Space Center）用C語言設(shè)計(jì)的，是可移植性高、成本低和易于外部集成的系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。典型的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的要素如圖1所示。

用戶界面（User Interface）——用戶和專家系統(tǒng)之間的通信機(jī)制。

解釋機(jī)（Explanation Facility）——解釋系統(tǒng)的推理給用戶。

工作內(nèi)存（Working Memory）——通過決定哪些規(guī)則滿足事實(shí)或目標(biāo)，并授予規(guī)則優(yōu)先級(jí)，然后執(zhí)行最高優(yōu)先規(guī)則來進(jìn)行推理。

議程（Agenda）——由推理機(jī)創(chuàng)建的一個(gè)規(guī)則優(yōu)先級(jí)表，這些規(guī)則匹配工作內(nèi)存中的事實(shí)或目標(biāo)。

知識(shí)獲取機(jī) （Knowledge Acquisition Facility）——為用戶建立一個(gè)知識(shí)自動(dòng)輸入方法，進(jìn)行知識(shí)編碼。

圖1 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)

推理機(jī)決定哪些規(guī)則的前提被事實(shí)滿足，專家系統(tǒng)中用來求解的問題的兩個(gè)常用推理策略是正向鏈 （Forward Chaining） 和 反 向 鏈 （Backward Chaining）。為了特殊需要而使用的其他方法可能包括：手段—目的—分析、問題簡化、回溯、規(guī)劃—生成—測(cè)試、逐級(jí)規(guī)劃和最小滿足原則、約束處理。正向鏈?zhǔn)菑氖聦?shí)到結(jié)論的推理，反向鏈則是從假設(shè)即要得到的結(jié)論，到事實(shí)的推理。

3 基于貝葉斯網(wǎng)CLIPS實(shí)現(xiàn)絕緣配合

3.1 基本思想

絕緣配合設(shè)計(jì)目前主要根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)法或參照試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)進(jìn)行，通過CLIPS編程實(shí)現(xiàn)電氣裝置各種類型過電壓與電氣裝置耐壓性能之間的貝葉斯網(wǎng)因果關(guān)系。利用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)正向鏈和反向鏈對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)貝葉斯網(wǎng)因果推理和診斷推理，不僅可以通過概率理論和貝葉斯網(wǎng)理論的特點(diǎn)處理絕緣配合中信息不完全的不確定性問題，而且可以通過對(duì)已投產(chǎn)電氣裝置絕緣相關(guān)的運(yùn)行記錄的知識(shí)抽取，增加專家系統(tǒng)的規(guī)則庫容量進(jìn)而對(duì)規(guī)則進(jìn)行規(guī)范化、精確化。通過反復(fù)的正向鏈推理和反向鏈推理，在獲得CLIPS專家系統(tǒng)自增益的同時(shí)，為絕緣配合設(shè)計(jì)與分析提供合理的定量依據(jù)。

3.2 算法框架

本文所述算法的框架圖如圖2所示。

圖2 貝葉斯網(wǎng)絕緣配合

4 模擬驗(yàn)證

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用層次式協(xié)同合作的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)推理的方法，其總體結(jié)構(gòu)由智能推理單元和多個(gè)數(shù)據(jù)表構(gòu)成。其中“專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則庫”、“推理機(jī)”、“控制模塊”構(gòu)成了專家系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)。這種合作系統(tǒng)能綜合若干個(gè)變電站的多個(gè)方面的絕緣配合經(jīng)驗(yàn)，互相協(xié)作共同解決復(fù)雜的問題。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與運(yùn)行維護(hù)人員的交互，完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出以及推理命令的發(fā)出，它采用Windows環(huán)境下完全漢化的人機(jī)界面，具有操作簡單、一目了然的優(yōu)點(diǎn)。專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則庫分別處理不同層次和不同性質(zhì)的任務(wù)。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則庫不涉及具體細(xì)節(jié)，而是從更高層次對(duì)所有推理方法進(jìn)行協(xié)調(diào)、管理和控制，使各個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則完成其自身的任務(wù)并對(duì)設(shè)計(jì)推理結(jié)果加以分析和綜合評(píng)價(jià)，得出最終的設(shè)計(jì)推理結(jié)論，以完成復(fù)雜的推理過程。各規(guī)則源可以隨時(shí)了解其他規(guī)則源的工作結(jié)果，同時(shí)也可以將自己的推理結(jié)果反饋在推理機(jī)上以達(dá)到相互交流推理的目的?？刂颇K從專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則庫識(shí)別和選取可用規(guī)則，并將找到的規(guī)則進(jìn)行解釋執(zhí)行，以事件驅(qū)動(dòng)方式激活推理，完成絕緣配合適應(yīng)性的推理流程，規(guī)則庫存儲(chǔ)系統(tǒng)的絕緣配合數(shù)據(jù)以及專家系統(tǒng)推理結(jié)論、實(shí)際檢查結(jié)果等。這為今后專家系統(tǒng)的不斷改進(jìn)、修正以及積累絕緣配合設(shè)計(jì)的原始材料提供良好的參考。

針對(duì)上述方法，筆者基于CLIPS實(shí)現(xiàn)了可以進(jìn)行正反向推理的專家系統(tǒng)，依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按樸素貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)了規(guī)則和條件概率表（如圖3所示），進(jìn)行了正反推理驗(yàn)證，準(zhǔn)確率在87%。

圖3 樸素貝葉斯網(wǎng)

模擬驗(yàn)證表明，該方法在一定程度上可以動(dòng)態(tài)地結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷地合理系統(tǒng)規(guī)則，提高推理的準(zhǔn)確性，模型簡單有效，推理速度快，具有較好的實(shí)用價(jià)值。