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摘要：提出一种用开关逻辑表示电力系统的网络拓扑结构、系统运行状态和设备操作的方法，并将该方法应用于电力系统主接线图的绘制和调度操作票的自动生成，开发出一种基于开关逻辑的电力系统图形和操作票自动生成系统。该系统具有图形生成直观、知识表示统一、规则修改容易、推理过程简单和通用性强等特点。
关键词：开关逻辑 电力系统 操作票 自动生成
分类号：TM 734
开列操作票是发电厂、变电站运行中一项不可缺少而又相当繁琐的工作，并且经验性较强。随着计算机应用在发电厂、变电站的日益普及，电力系统已普遍采用计算机辅助开列操作票，目前一些研究人员已经开发了很多智能型的电网调度操作票专家系统［1～5］。
智能操作票系统是将专家系统技术应用于电力系统的一个较早而且较为普遍的应用领域。专家系统主要由四部分组成，即推理机、知识库、数据库和人机接口［6］，而其核心就是知识表示和推理机制。本文首先提出一种用开关逻辑表示电力系统的网络拓扑结构、系统运行状态和设备操作的方法，然后从专家系统的知识表示和推理机制出发，根据电网调度的实际情况，阐述一种基于开关逻辑的电力系统图形和操作票自动生成系统的开发途径。
1 电力系统的开关逻辑表示方法
1．1 网络拓扑结构的开关逻辑表示
通过计算机开列操作票时，必须先让计算机了解整个电力系统的结构。电力系统的接线方式多种多样，面对复杂的电力系统接线方式，计算机如何正确识别，这是使用计算机开列操作票的第一步［7，8］。
联接在输配电系统中的主要设备有断路器和刀闸，断路器分为出线断路器、旁路断路器和母联断路器，刀闸分为联络刀闸和接地刀闸。虽然断路器和刀闸之间有多种配合方式，但通过对各种接线方式的分析，可以找出一种通用的联接方式，它由断路器K和刀闸L１～L８组成，如图1所示。
图1 通用出线结构
大多数情况下，一条出线所连接的断路器和刀闸都可表示为某一通用结构的一部分。若用二进制逻辑变量1，0表示出线中电气设备的存在与否，则一条出线间隔可表示为一组0，1序列，称之为“网络拓扑结构逻辑序列”。
例如，出线拓扑结构逻辑序列：
位置 K（L０）L１ L２L３L４L５L６ L７L８
位置逻辑值 1 1 1 0 0 0 1 0 0
表示该出线间隔包括断路器K和刀闸L１，L２，L６，这正好表明了图2所示的出线结构。
图2 出线结构示例
1.2 系统运行状态的开关逻辑表示
输配电系统中的一次设备(断路器、刀闸)和二次设备(保护、保险)只有两种工作状态：“开”或“合”，用逻辑变量“0”表示设备的“开”状态，用逻辑变量“1”表示设备的“合”状态，为了便于识别，跟网络拓扑结构逻辑序列对应起来，用状态位S0，S1～S8分别表示K(L0)，L1～L8处设备的状态，对于未使用的设备，其状态位为0，因而系统运行状态可表示为一组0，1序列，称之为“系统运行状态逻辑序列”。
例如，若图2所示出线的运行状态为断路器K、刀闸L1，L6处于合状态，刀闸L2处于开状态，则其运行状态逻辑序列可表示为
状态位 S０S１ S２S３S４S５S６ S７S８
状态逻辑值 1 1 0 0 0 0 1 0 0 。
1．3 设备操作的开关逻辑表示
类似地，用0，1序列表示欲操作的某个设备，若某设备被操作，则该设备对应位的逻辑值为“1”，其余位为“0”，称这一逻辑序列为“设备逻辑序列”。用逻辑变量“0”表示设备的“断开”或“切”操作，用逻辑变量“1”表示设备的“合上”或“投”操作，这一变量称为“设备操作逻辑值”。若将操作逻辑值放在设备逻辑序列前面，则某个设备的一项操作可表示为一组0，1序列，称之为“设备操作逻辑序列”。
例如，“合上开关”可表示为：1  0 0 0 0 0 0 0 0，第一位黑体“1”表示“合上”操作，第二位斜体“1”表示欲操作的设备是“开关”；同理，0 0 0 0 0 0 0 0 0表示“断开刀闸L１”。
从以上可以看出，网络拓扑结构、系统运行状态和设备操作都可用二值逻辑变量表示。这种二值逻辑类似于开关的“开”、“合”两种状态，因而称之为“开关逻辑”。
2 图形和操作票自动生成系统
该系统有以下几部分组成：网络拓扑结构数据库、系统运行状态数据库、图形自动生成、规则库、推理机和人机接口。下面着重讨论基于开关逻辑的电力系统的图形自动生成、知识表示和推理机制问题。
2．1 图形自动生成系统
输配电系统的网络拓扑结构和运行状态的开关逻辑序列分别存放在网络拓扑结构数据库和系统运行状态数据库中，图形生成系统定时从这两个数据库读取数据，刷新图形画面。
从网络拓扑结构数据库中读取的一组数据是输配电系统中的一条出线的拓扑结构的逻辑序列，若逻辑序列中某一位的位置逻辑值为“0”，则系统生成的出线图形中没有该位置的元件图形，若其位置逻辑值为“1”，则系统生成的出线图形中画出该位置的元件图形。从系统运行状态数据库中读取的一组数据是输配电系统中的一条出线的各元件状态的逻辑序列，若逻辑序列中某设备位的状态逻辑值为“0”，则系统生成的出线图形中该元件处于“开”的位置，若其状态逻辑值为“1”，则系统生成的出线图形中该元件处于“合”的位置。
由于开关逻辑表示在网络拓扑结构和系统运行状态中的通用性，所以以上过程对任何出线形式都适合，因而应用开关逻辑进行图形自动生成具有编程简单和移植性好的特点。
2．2 基于开关逻辑的知识表示
网络拓扑结构和系统运行状态表示成开关逻辑序列以后，专家系统的知识也可建立在开关逻辑的基础之上。
假设开关或刀闸的位置逻辑值为Lｉ，状态逻辑值为Sｉ，对i＝0，…，8，定义“合”逻辑因子为
Cｉ＝Lｉ∧Sｉ，Lｉ＝1且Sｉ＝1时，Cｉ＝1。(1）
“开”逻辑因子为
Oｉ＝Lｉ∧（ Sｉ），Lｉ＝1且Sｉ＝0时，Oｉ＝1。(2）
其中，∧为“并”运算，为“非”运算。
从以上两式可以看出：
（1） 当Cｉ＝1时，表明该出线存在i位置的开关或刀闸且处于“合”状态；
（2） 当Oｉ＝1时，表明该出线存在i位置的开关或刀闸且处于“开”状态。
从网络拓扑结构数据库和系统状态数据库读取相应的数据后，进行上述运算，就可辩识出线的接线方式和设备的运行状态。
电力系统倒闸操作必须遵循一定的操作规程，所以对某一种接线方式的某一项操作只有一种操作顺序。为了便于计算机识别，定义各元件的操作允许逻辑表达式为OPERATE（Lｉ），i＝0，1，…8，只有OPERATE（Lｉ）＝1时，才允许操作元件Lｉ。
例如，对图2所示的出线，定义各元件的操作允许逻辑表达式为
OPERATE（K）＝(C１∧C６）∨（C２∧C６），（3）
OPERATE（L１）＝O０∧O6，（4）
OPERATE（L２）＝O０∧O６，（5）
OPETATE（L６）＝O０∧O１。（6）
其中，∧为“并”运算，∨为“或”运算。
上述（3）式表明，只有当刀闸L１和L６都在“合”状态或刀闸L２和L６都在“合”状态时，才允许操作断路器K。
2．3 基于开关逻辑的推理机制
根据网络拓扑结构和系统运行状态的开关逻辑表示以及各元件的操作允许逻辑表达式，可以求解出某项操作任务的倒闸操作顺序［9］。在求解过程中，要遵循如下原则：
（1） 只有当元件X的操作允许表达式OPERATE（X）＝1时，才允许操作该元件；
（2） 求解的目标是使系统从初始状态转换到目标状态；
（3） 某元件在上一步操作之后，不允许操作回原状态。
为了说明求解过程，现举一个简单的例子。图3所示的一条对用户供电的出线，其网络拓扑结构开关逻辑序列为1 1 0 0 0 0 1 0 0。现欲使其从停电状态转换到供电状态，也就是说，初始状态开关逻辑序列为0 0 0 0 0 0 0 0 0，目标状态开关逻辑序列为1 1 0 0 0 0 1 0 0。求解过程如下：
图3 初始态和目标态
（1） 列出元件K，L１，L６的所有状态组合，确定初始状态为S0，目标状态为Sｄ。根据（1）（2）式的定义，计算Cｉ和Oｉ，i＝0，1，…，8，根据（3）～（6）式的定义，计算每一种状态组合时各元件的操作允许逻辑表达式的值，结果如表1所示。
表1 元件工作状态
 |
S0
S１
S２
Sｄ |
K |
L１ |
L６ |
OPERATE（K） |
OPERATE（L１） |
OPERATE（L６） |
| 0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
| 0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
| 0 |
1 |
1 |
|
0 |
1 |
| 1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
| 1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
（2） 从表1可以看出，S0对应的行中只有OPERATE（L１）＝1，表明只有刀闸L１满足操作允许逻辑，因而刀闸L１才允许被操作，执行“合上刀闸L１”，记为第一步操作，操作后状态记为S１。
（3） S１行中有OPERATE（L１）＝1，OPERATE（L６）＝1，根据原则（3），只有刀闸L６满足操作允许逻辑，执行“合上刀闸L６”，记为第二步操作，操作后状态记为S２。
（4） 同理，S２行只有开关K满足操作允许逻辑，执行“合上断路器K”，操作后状态记为Sｄ。
根据以上推理，可得到该操作任务的倒闸操作顺序为：“合上刀闸L１，合上刀闸L６，合上断路器K”。因而，可用开关逻辑形式表示该项操作任务的操作序列为
1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 。
由于操作任务的初始状态和目标状态以及操作允许逻辑的“单向性”，可以确保推理结果是唯一的。
以上只举了一个简单的例子，实际电力系统比图3复杂得多，当应用这种开关逻辑方法推理操作票时，应该考虑到各种复杂结构的出线以及与其它出线的关联。由于篇幅有限，这里不再展开讨论。
总之，在网络拓扑结构和系统运行状态用开关逻辑表示后，各操作规则的知识表示也可用开关逻辑表示，因而开关逻辑可将操作票所涉及到的操作规则统一表示出来，解决了知识表示的统一性问题。所以，建立在此基础上的推理机制具有通用性，用这种方法开发的专家系统将具有广泛的应用价值。
3 结论
本文提出了一种用开关逻辑表示电力系统的网络拓扑结构、系统运行状态和设备操作的方法，并将该方法应用于电力系统主接线图的绘制和调度操作票的自动生成，开发了一种基于开关逻辑的电力系统图形和操作票自动生成系统。应用开关逻辑进行图形自动生成和知识表示具有如下特点：
（1） 应用开关逻辑进行图形自动生成具有编程简单和移植性好的特点；
（2） 将电力系统的网络拓扑结构和系统运行状态表示成开关逻辑形式，具有统一的表示形式，便于用逻辑符号和逻辑表达式描述规则；
（3） 规则表示成开关逻辑形式，简单明了，推理过程简单；
（4） 规则易于修改，通过修改元件的操作允许逻辑表达式可达到修改规则的目的；
（5） 可维护性和通用性强。
参考文献
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