基于贝叶斯原理的高电压绝缘配合实现方法

邵德珉，刘 杰，李 斌

（1.太原供电公司，山西 太原 030012；2.山西电力检修公司，山西 太原 030032；3.太原科技大学，山西 太原 030032）

安全不间断运行是现代电网应具有的基本功能，而衡量电网安全运行的可靠性指标，则由故障次数和故障的停电时间来决定。实践表明，电气装置的绝缘闪络与击穿是停电的主要原因，所以科学合理地选择电网电气装置的绝缘水平，对于保证电网的可靠运行起着至关重要的作用。绝缘配合技术是在考虑运行环境和过电压保护装置特性的基础上，根据电网可能出现的过电压科学合理地选择电网电气装置的绝缘水平。而随着电网电压等级的提高，特别是在特高压电网中，空气间隙的放电电压在操作过电压呈现出饱和特性，从而使得电网中电气装置的绝缘占据电网设备总投资的比例越来越高。而且超（特）高压电网输送容量巨大，对应的绝缘故障后果将非常严重，因此，绝缘配合问题更值得关注。目前绝缘配合的方法主要有惯用法和统计法，用惯用法处理绝缘配合问题时，通常是使电气设备的绝缘水平（以其耐受电压来表征）与作用的最大过电压值之间保留一定的裕度，以保证电气设备运行的安全。实质上，该裕度是用于补偿在估计最大过电压和确定最低耐受电压时的误差。目前对电气设备非自恢复型内绝缘采用惯用法进行绝缘配合，而对于绝缘子和空气间隙这类自恢复型绝缘而言，其绝缘闪络电压是一个随机变量，而且作用于绝缘的过电压也是一个随机变量。当获知它们的信息之后，通过概率理论应用统计手段进行绝缘配合设计。

目前使用的绝缘配合方法仅考虑单独类型的过电压与电气装置耐压之间的关系，事实上，各种类型过电压与电气装置耐压性能之间是复杂的网状因果关系结构，本文尝试用贝叶斯网络结构来表示过电压与电气装置绝缘性能之间的关系，利用C语言集成产生式系统CLIPS（C Language Integrated Production System） 实现该网状关系的结构与推理分析，为绝缘配合设计与分析提供定量依据。

1 贝叶斯网络

贝叶斯网络是一个带有条件概率的有向无环图DAG（Directed Acyclic Graph）：节点表示随机变量，节点间的弧反映了随机变量间的条件依赖关系，指向节点A的所有节点称为A的父节点。与每个节点相联系的条件概率表CPT（Conditional Probability Table）列出了此节点相对于其父节点所有可能的条件概率。可见该网络是基于概率分析和图论的一种不确定性知识表达和推理的模型。从直观上看，贝叶斯网络表现为一个赋值的复杂因果关系网络图，网络中的每一个节点表示一个变量，即一个事件，各变量之间的弧表示事件发生的直接因果关系。贝叶斯网络的结构表达了定性知识，即事件之间的因果联系；边缘概率和条件表达了定量知识，即原因对结果的影响程度。

贝叶斯网络的推理原理基于Bayes概率理论，推理过程实质上就是概率计算过程。贝叶斯网络利用随机变量间的条件独立性，将一个联合概率分布直观地表达为一个图形结构和一系列的条件概率表，经消除变量计算可求出任一单变量的概率分布或部分变量的概率分布。在已知某些证据变量取值的情况下，可计算感兴趣的节点变量或节点变量集合即查询变量（变量组）的条件概率分布。最基本和最主要的条件概率的推理形式有以下三种。

因果推理：原因推知结论——由顶向下的推理，目的是由原因推出结果。已知一定的原因（证据），经推理计算，求出在该原因的情况下结果发生的概率。

诊断推理：结论推知原因——由底向上的推理。目的是在已知结果时，找出产生该结果的原因。已知发生了某些结果，经推理计算，得到造成该结果发生的原因和发生的概率。该推理常用在故障诊断中，目的是找到故障发生的原因。

支持推理：辩解推理——提供解释以支持所发生的现象。目的是对原因之间的相互影响进行分析。

2 C语言集成产生式系统CLIPS

C语言集成产生式系统CLIPS是“C语言集成产生式系统（C Language Integrated Production System）”的首字母缩略词。它是美国航空航天局/约翰逊太空中心（NASA/Johnson Space Center）用C语言设计的，是可移植性高、成本低和易于外部集成的系统，用于实现基于规则的专家系统。典型的基于规则的专家系统的要素如图1所示。

用户界面（User Interface）——用户和专家系统之间的通信机制。

解释机（Explanation Facility）——解释系统的推理给用户。

工作内存（Working Memory）——通过决定哪些规则满足事实或目标，并授予规则优先级，然后执行最高优先规则来进行推理。

议程（Agenda）——由推理机创建的一个规则优先级表，这些规则匹配工作内存中的事实或目标。

知识获取机 （Knowledge Acquisition Facility）——为用户建立一个知识自动输入方法，进行知识编码。

图1 基于规则的专家系统

推理机决定哪些规则的前提被事实满足，专家系统中用来求解的问题的两个常用推理策略是正向链 （Forward Chaining） 和 反 向 链 （Backward Chaining）。为了特殊需要而使用的其他方法可能包括：手段—目的—分析、问题简化、回溯、规划—生成—测试、逐级规划和最小满足原则、约束处理。正向链是从事实到结论的推理，反向链则是从假设即要得到的结论，到事实的推理。

3 基于贝叶斯网CLIPS实现绝缘配合

3.1 基本思想

绝缘配合设计目前主要根据电力行业标准，使用经验安全系数法或参照试验模型数据进行，通过CLIPS编程实现电气装置各种类型过电压与电气装置耐压性能之间的贝叶斯网因果关系。利用基于规则的专家系统正向链和反向链对应实现贝叶斯网因果推理和诊断推理，不仅可以通过概率理论和贝叶斯网理论的特点处理绝缘配合中信息不完全的不确定性问题，而且可以通过对已投产电气装置绝缘相关的运行记录的知识抽取，增加专家系统的规则库容量进而对规则进行规范化、精确化。通过反复的正向链推理和反向链推理，在获得CLIPS专家系统自增益的同时，为绝缘配合设计与分析提供合理的定量依据。

3.2 算法框架

本文所述算法的框架图如图2所示。

图2 贝叶斯网绝缘配合

4 模拟验证

本系统实现采用层次式协同合作的过电压保护和绝缘配合设计推理的方法，其总体结构由智能推理单元和多个数据表构成。其中“专家经验规则库”、“推理机”、“控制模块”构成了专家系统的主体结构。这种合作系统能综合若干个变电站的多个方面的绝缘配合经验，互相协作共同解决复杂的问题。人机界面实现系统与运行维护人员的交互，完成数据的输入和输出以及推理命令的发出，它采用Windows环境下完全汉化的人机界面，具有操作简单、一目了然的优点。专家经验规则库分别处理不同层次和不同性质的任务。经验规则库不涉及具体细节，而是从更高层次对所有推理方法进行协调、管理和控制，使各个经验规则完成其自身的任务并对设计推理结果加以分析和综合评价，得出最终的设计推理结论，以完成复杂的推理过程。各规则源可以随时了解其他规则源的工作结果，同时也可以将自己的推理结果反馈在推理机上以达到相互交流推理的目的。控制模块从专家经验规则库识别和选取可用规则，并将找到的规则进行解释执行，以事件驱动方式激活推理，完成绝缘配合适应性的推理流程，规则库存储系统的绝缘配合数据以及专家系统推理结论、实际检查结果等。这为今后专家系统的不断改进、修正以及积累绝缘配合设计的原始材料提供良好的参考。

针对上述方法，笔者基于CLIPS实现了可以进行正反向推理的专家系统，依据电力行业标准DL/T620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计标准，按朴素贝叶斯网结构学习了规则和条件概率表（如图3所示），进行了正反推理验证，准确率在87%。

图3 朴素贝叶斯网

模拟验证表明，该方法在一定程度上可以动态地结合运行经验，不断地合理系统规则，提高推理的准确性，模型简单有效，推理速度快，具有较好的实用价值。