基于貝葉斯原理的高電壓絕緣配合實現(xiàn)方法

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，山西 太原 030032）

安全不間斷運行是現(xiàn)代電網(wǎng)應(yīng)具有的基本功能，而衡量電網(wǎng)安全運行的可靠性指標，則由故障次數(shù)和故障的停電時間來決定。實踐表明，電氣裝置的絕緣閃絡(luò)與擊穿是停電的主要原因，所以科學合理地選擇電網(wǎng)電氣裝置的絕緣水平，對于保證電網(wǎng)的可靠運行起著至關(guān)重要的作用。絕緣配合技術(shù)是在考慮運行環(huán)境和過電壓保護裝置特性的基礎(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，對應(yīng)的絕緣故障后果將非常嚴重，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)計法，用慣用法處理絕緣配合問題時，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)備運行的安全。實質(zhì)上，該裕度是用于補償在估計最大過電壓和確定最低耐受電壓時的誤差。目前對電氣設(shè)備非自恢復型內(nèi)絕緣采用慣用法進行絕緣配合，而對于絕緣子和空氣間隙這類自恢復型絕緣而言，其絕緣閃絡(luò)電壓是一個隨機變量，而且作用于絕緣的過電壓也是一個隨機變量。當獲知它們的信息之后，通過概率理論應(yīng)用統(tǒng)計手段進行絕緣配合設(shè)計。

目前使用的絕緣配合方法僅考慮單獨類型的過電壓與電氣裝置耐壓之間的關(guān)系，事實上，各種類型過電壓與電氣裝置耐壓性能之間是復雜的網(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)是一個帶有條件概率的有向無環(huán)圖DAG（Directed Acyclic Graph）：節(jié)點表示隨機變量，節(jié)點間的弧反映了隨機變量間的條件依賴關(guān)系，指向節(jié)點A的所有節(jié)點稱為A的父節(jié)點。與每個節(jié)點相聯(lián)系的條件概率表CPT（Conditional Probability Table）列出了此節(jié)點相對于其父節(jié)點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表達和推理的模型。從直觀上看，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為一個賦值的復雜因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點表示一個變量，即一個事件，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)表達了定性知識，即事件之間的因果聯(lián)系；邊緣概率和條件表達了定量知識，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，推理過程實質(zhì)上就是概率計算過程。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)利用隨機變量間的條件獨立性，將一個聯(lián)合概率分布直觀地表達為一個圖形結(jié)構(gòu)和一系列的條件概率表，經(jīng)消除變量計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，可計算感興趣的節(jié)點變量或節(jié)點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，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。目的是對原因之間的相互影響進行分析。

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)計的，是可移植性高、成本低和易于外部集成的系統(tǒng)，用于實現(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)之間的通信機制。

解釋機（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)則滿足事實或目標，并授予規(guī)則優(yōu)先級，然后執(zhí)行最高優(yōu)先規(guī)則來進行推理。

議程（Agenda）——由推理機創(chuàng)建的一個規(guī)則優(yōu)先級表，這些規(guī)則匹配工作內(nèi)存中的事實或目標。

知識獲取機 （Knowledge Acquisition Facility）——為用戶建立一個知識自動輸入方法，進行知識編碼。

圖1 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)

推理機決定哪些規(guī)則的前提被事實滿足，專家系統(tǒng)中用來求解的問題的兩個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—測試、逐級規(guī)劃和最小滿足原則、約束處理。正向鏈是從事實到結(jié)論的推理，反向鏈則是從假設(shè)即要得到的結(jié)論，到事實的推理。

3 基于貝葉斯網(wǎng)CLIPS實現(xiàn)絕緣配合

3.1 基本思想

絕緣配合設(shè)計目前主要根據(jù)電力行業(yè)標準，使用經(jīng)驗安全系數(shù)法或參照試驗模型數(shù)據(jù)進行，通過CLIPS編程實現(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)正向鏈和反向鏈對應(yīng)實現(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，而且可以通過對已投產(chǎn)電氣裝置絕緣相關(guān)的運行記錄的知識抽取，增加專家系統(tǒng)的規(guī)則庫容量進而對規(guī)則進行規(guī)范化、精確化。通過反復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，為絕緣配合設(shè)計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 模擬驗證

本系統(tǒng)實現(xiàn)采用層次式協(xié)同合作的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計推理的方法，其總體結(jié)構(gòu)由智能推理單元和多個數(shù)據(jù)表構(gòu)成。其中“專家經(jīng)驗規(guī)則庫”、“推理機”、“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)能綜合若干個變電站的多個方面的絕緣配合經(jīng)驗，互相協(xié)作共同解決復雜的問題。人機界面實現(xiàn)系統(tǒng)與運行維護人員的交互，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界面，具有操作簡單、一目了然的優(yōu)點。專家經(jīng)驗規(guī)則庫分別處理不同層次和不同性質(zhì)的任務(wù)。經(jīng)驗規(guī)則庫不涉及具體細節(jié)，而是從更高層次對所有推理方法進行協(xié)調(diào)、管理和控制，使各個經(jīng)驗規(guī)則完成其自身的任務(wù)并對設(shè)計推理結(jié)果加以分析和綜合評價，得出最終的設(shè)計推理結(jié)論，以完成復雜的推理過程。各規(guī)則源可以隨時了解其他規(guī)則源的工作結(jié)果，同時也可以將自己的推理結(jié)果反饋在推理機上以達到相互交流推理的目的?？刂颇K從專家經(jīng)驗規(guī)則庫識別和選取可用規(guī)則，并將找到的規(guī)則進行解釋執(zhí)行，以事件驅(qū)動方式激活推理，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、實際檢查結(jié)果等。這為今后專家系統(tǒng)的不斷改進、修正以及積累絕緣配合設(shè)計的原始材料提供良好的參考。

針對上述方法，筆者基于CLIPS實現(xiàn)了可以進行正反向推理的專家系統(tǒng)，依據(jù)電力行業(yè)標準DL/T620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計標準，按樸素貝葉斯網(wǎng)結(jié)構(gòu)學習了規(guī)則和條件概率表（如圖3所示），進行了正反推理驗證，準確率在87%。

圖3 樸素貝葉斯網(wǎng)

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