電力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷綜合管理系統(tǒng)

1、電力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷綜合管理系統(tǒng)          80年代以前,因電網(wǎng)電壓等級低,容量小,故障的損失和影響都不大,人們普遍采用預防性維修制. 進入80年代,特別是近十年以來,超高壓和特高壓輸變電技術(shù)的迅速發(fā)展,電網(wǎng)容量很大,覆蓋面廣, 發(fā)生事故的后果越來越嚴重.例如1986年4月前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站四號機組發(fā)生嚴重事故,致使 2 000多人死亡,直接經(jīng)濟損失達30億美元.因此設備監(jiān)測和故障診斷問題引起了越來越多的關注,尋找故障原因的過程包括狀態(tài)監(jiān)測、故障原因分析及劣化趨勢預測等內(nèi)容,為確診故障點

2、、及早采取維修、防護等補救措施是非常關鍵的.在運行電壓下對電力設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)測,不僅可以真實反應設備的運行狀態(tài),而且可以不停電,減少停電所帶來的損失.現(xiàn)在隨著計算機、傳感器、通信及信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是引入模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析等先進故障診斷技術(shù),使設備綜合管理系統(tǒng)在電力行業(yè)進一步得到推廣.本文提出一種易于現(xiàn)場運行和設備信息管理的系統(tǒng),該系統(tǒng)針對故障發(fā)生的復雜性,對專家系統(tǒng)的知識庫、推理機等部分進行合理設計,取得了較高的診斷率.      1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)可分為現(xiàn)場控制部分和主控室工控機監(jiān)控管理部分.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

3、.系統(tǒng)的基礎是對電氣設備特征量的在線監(jiān)測.首先運行人員發(fā)送采集命令給現(xiàn)場控制單元,由該單元自動采集各種信息,如開關量:斷路器、隔離開關等;模擬量:電壓、電流、溫度、氣體含量等,它們經(jīng)濾波,抗干擾等處理后通過CAN總線上傳到工控機.采用CAN總線,是因為它是一種多主結(jié)構(gòu)的總線,具有通信介質(zhì)可選,短結(jié)構(gòu)傳輸,CRC較驗以及錯誤節(jié)點自動關閉功能,因此可保證信號傳輸?shù)目煽啃?具有較強的抗干擾能力.本系統(tǒng)硬件主要包括現(xiàn)場控制單元CAN總線模塊和工控機的CAN總線接口模塊.微控制器選用 MCS-96系列的單片機80C196KC,CAN總線接口由控制器SJA1000和控制器接口芯片82C250組成. SJA

4、1000具有完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部特性,與獨立CAN總線控制器PCA82C200完全兼容, 并有支持CAN2.0B協(xié)議,擴展接收緩沖器,增強錯誤處理能力和驗收濾波功能等新增功能.SJA1000可以直接進行CAN總線互聯(lián),為了增強驅(qū)動能力,使用了總線收發(fā)器82C250與之配合.現(xiàn)場控制單元節(jié)點號由MCU讀取地址選擇撥碼開關決定. 工控機將被測設備的數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上, 同時保存到數(shù)據(jù)庫,并與知識庫中的規(guī)則及知識橫向分析及比較,若不能得到確切的診斷結(jié)論,自動調(diào)出臺帳及歷史數(shù)據(jù)進行縱向分析比較,經(jīng)診斷模塊分析處理,獲得一些信號的特征數(shù)據(jù)提供給運行人員來判斷設備的運行狀態(tài).如果縱比時特征

5、量發(fā)生了突變或持續(xù)增大,則可以基本診斷為設備有某種潛伏性故障,再與同類曾發(fā)生故障設備的特征量或三相中的另兩相特征量的變化量變化規(guī)律相比(要注意三相間電磁干擾導致三相監(jiān)測數(shù)據(jù)的客觀差異),提示有關部門的人員是否有必要停電檢修或采取其它預防措施.      2綜合管理系統(tǒng)設計      2.1運行操作界面具有良好的擴充性和友好的操作性的界面對管理系統(tǒng)非常重要.雖然目前許多單位已開發(fā)了多種類型的在線監(jiān)測系統(tǒng),并已在部分變電站運行,但大多存在人機界面比較單一的缺陷,多以表格和文本的形式為主來反映監(jiān)測信息

6、,這給運行人員實時掌握設備的情況帶來了不便.本系統(tǒng)以面向Windows 設計的Delphi6作為基本開發(fā)工具之一,利用其面向?qū)ο笤O計特點,把所監(jiān)測的設備變成各種基本圖元, 利用基本圖元構(gòu)成類似一次設備接線圖的界面,這樣就能隨時全面監(jiān)測所有設備的情況,利用鼠標點擊某設備所屬的圖元,即能了解其運行狀態(tài)等,這有助于提高了電氣設備自動化管理水平.      2.2信息分析與管理的機理      1)分析診斷模塊(專家系統(tǒng)).      知識庫的構(gòu)成. 知

7、識庫是存儲完成任務所需要的各種知識,是專家知識和經(jīng)驗的集合.如何將大量的專家經(jīng)驗表示成知識,并建立知識庫,是專家系統(tǒng)研究的重點. 依據(jù)故障診斷系統(tǒng)的固有特點,我們選用的知識表示方法,是采用基于規(guī)則的產(chǎn)生式表示法.規(guī)則是表示知識的基本單位,用產(chǎn)生式規(guī)則表示的知識所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為產(chǎn)生式系統(tǒng).它具有模塊性強,易于增加、修改信息,并能有效表達啟發(fā)式知識等特點.可根據(jù)人的經(jīng)驗程度、數(shù)據(jù)可靠程度,給出可信度因子,便于實現(xiàn)不精確推理的優(yōu)點很適于故障診斷的特性要求.例如,利用油溫來判斷變壓器運行狀況, 其規(guī)則簡單表示為:IF變壓器油油溫高于“注意值”,THEN一級報警工作其中,左半部分確定了該規(guī)則可應用的先決

8、條件,右半部分描述了應用這條規(guī)則所采取的行動或得出的結(jié)論.即滿足條件后,就可以對數(shù)據(jù)庫進行操作,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等等.為便于知識庫的管理、方便維護,知識庫以外部數(shù)據(jù)庫的形式存在,而不作為主程序的部分,用戶可視具體情況根據(jù)需要進行調(diào)用,避免盲目無謂的搜索.整個知識庫是由4大模塊組成:專門存儲專家診斷經(jīng)驗知識的模塊;存儲設備歷史檔案、原始數(shù)據(jù)的模塊;存儲設備性能指標、健康狀態(tài)的參照標準的模塊;故障集模塊.故障集模塊是將設備較常見的典型的故障組成知識模塊或規(guī)則集合.例如變壓器常見的典型故障有:鐵芯多點接地故障、匝間短路、相間短路、進水受潮、引線故障以及漏磁導致過熱性故障等.由于某些知識較為復雜,單一規(guī)則難以

9、表述,故而在規(guī)則表述上有時需加入“與”、“或”邏輯.另外,變壓器由本體及組件(套管,分接開關,冷卻系統(tǒng)等)等組成,與此相對應,在故障知識庫的建立上也有各自的規(guī)則庫.      推理機制選擇. 為了提高診斷的科學性和可靠性,在搜索推理之前,設置了數(shù)據(jù)檢驗環(huán)節(jié),根據(jù)故障信息的連續(xù)跟蹤記錄,檢查這些數(shù)據(jù)的合理性,剔除壞數(shù)據(jù),因為錯誤數(shù)據(jù)將會導致錯誤的結(jié)論.同時,在推理過程中,必要時需對中間結(jié)果進行判斷.考慮到設備故障的特點,我們采用了正反向混合推理.這種推理方式,通常是先根據(jù)原始信息,通過正向推理幫助提出不太肯定的結(jié)論,然后,再用反向推理尋找支持這個

10、結(jié)論的證據(jù),反復這個過程,直到得出結(jié)果.例如對變壓器故障特點分析,由于運行中的變壓器始終處在電與熱的雙重效應作用下,在不同部位可形成不同性質(zhì)的故障,而在故障的發(fā)展過程中又可能發(fā)生部位的轉(zhuǎn)移.在實際中,變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的故障往往并非單一的、而是多重的、錯綜復雜的,且故障信息有時也會呈現(xiàn)不確定性.例如,變壓器的某些放電性故障,初始階段的發(fā)展較為緩慢,在某些特定條件下,如過電壓,有可能形成一種間斷性的放電現(xiàn)象, 當條件改變時,這種放電有可能熄滅,當條件適合時又會重復放電,進而形成較大或連續(xù)的放電現(xiàn)象;又如,一般來說,變壓器無論是過熱性故障,還是放電性故障,當涉及固體絕緣時就會有CO,CO2產(chǎn)生.但實踐

11、表明,用CO和CO2含量來確定固體絕緣材料分解狀況時,有其不確定性.由于油中溶有一定量的 O2,即使是裸金屬故障,也會產(chǎn)生CO,在放電情況下尤為明顯.CO2也有可能在游離狀態(tài)下生成CO.因此在處理氣相色譜分析時,只有當各組分含量達到了注意值或產(chǎn)氣率限值,已有理由判斷變壓器內(nèi)部存在故障時,才能進一步用三比值法,同時結(jié)合其它特征量如微水、油溫等來判斷其故障性質(zhì).變壓器的信息數(shù)據(jù).      動態(tài)庫. 用來存放初始數(shù)據(jù),推理過程的中間結(jié)果等.其中初始數(shù)據(jù)主要是來自現(xiàn)場的信息,如電流互感器的泄漏電流,變壓器的DGA(油中氣體分析)測試結(jié)果,微水含量,油

12、溫等.      支撐庫. 用來存放某些必要的運算方法.整個系統(tǒng)的一般工作過程是,根據(jù)初始數(shù)據(jù)和當前動態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容,在知識庫中搜索可匹配的產(chǎn)生式,不斷以新的中間結(jié)果修改替代數(shù)據(jù)庫內(nèi)容.在此期間,若有必要時,還可以詢問用戶,以求獲得其他補充信息,這些從用戶得到的信息,也被記錄在數(shù)據(jù)庫中,并將參與到后續(xù)的推理過程中,專家系統(tǒng)就是如此,搜索、匹配、推理,循環(huán)不斷地改變著數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容,直至求得最終結(jié)果.      自學習技術(shù). 對于電氣設備,我們可通過運行實踐,得到診斷處理設備故障的經(jīng)驗,但是按照專家系

13、統(tǒng)的要求,完整的記錄卻較難得到.因此,一般認為正常設備的數(shù)據(jù)分布在一定的范圍內(nèi),當超過這一范圍時,設備存在不良狀態(tài)的可能性大大增加.故在規(guī)則運用方面, 構(gòu)造完善的基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的自學習機制,通過實踐,不斷地改進、擴充和反復修改規(guī)則庫,從而充分利用有限的特征信息,完成故障的報警和診斷,同時提高規(guī)則的有效組織方式;最終使之成為可靠、成熟、完善的高性能的專家系統(tǒng).      2)數(shù)據(jù)管理模塊. 本系統(tǒng)不但需要對操作人員提出報警提示和故障推斷,還需為其提供數(shù)據(jù)操作服務,因此一個完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必不可少,它將為故障推斷提供數(shù)據(jù)支持,同時也便于操作人員

14、及時準確地了解設備歷史和當前的狀況.為此我們選用了Oracle 8作后臺數(shù)據(jù)庫.它是一種面向網(wǎng)絡計算的數(shù)據(jù)庫 (Database for Network Computing)并支持對象關系模型的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品,能夠管理巨大數(shù)量的數(shù)據(jù),并且在線處理吞吐量高,能夠保證系統(tǒng)運行的快速性.Ora- cle數(shù)據(jù)庫是真正的Client/Server體系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 其核心是Oracle數(shù)據(jù)庫服務器,它具有多線程多線索的體系結(jié)構(gòu). 數(shù)據(jù)管理分為數(shù)據(jù)修改模塊,數(shù)據(jù)查詢模塊,系統(tǒng)管理模塊幾部分.      數(shù)據(jù)修改模塊. 該模塊主要完成對Oracle數(shù)據(jù)庫中設備的有

15、關數(shù)據(jù)進行添加、修改、刪除的功能.可以選擇打開在 Oracle數(shù)據(jù)庫中的任意一個表,但需根據(jù)權(quán)限添加新的數(shù)據(jù),或修改有誤的數(shù)據(jù),或刪除已存在的數(shù)據(jù).也可以選擇在任意位置添加、修改或刪除數(shù)據(jù), 為防止誤操作,修改和刪除數(shù)據(jù)時,都給出提示.      數(shù)據(jù)查詢模塊. 該模塊通過菜單及快捷鍵方式實現(xiàn)各種查詢功能.菜單項要包括查詢設定、按設備編號查詢、按屬性參數(shù)查詢和任意項查詢,查詢設定主要是對查詢方式進行設定;按查詢方式可以選擇要查詢的地區(qū), 并給出查詢時間范圍,以及對該設備的那些內(nèi)容進行查詢;按屬性參數(shù)查詢方式可以選擇要查詢的屬性參數(shù),查詢時間范圍

16、,以及對那些設備的該內(nèi)容進行查詢;任意項查詢方式可以查詢Oracle數(shù)據(jù)庫中的任意一項.按下各個查詢方式的“查詢鍵”,可以在 Oracle數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢,查詢結(jié)果以列表形式顯示;界面設生成報表按鈕,可將查詢結(jié)果以標準格式生成報表并設打印功能.      系統(tǒng)管理模塊. 該模塊采用菜單形式實現(xiàn)對設備故障診斷系統(tǒng)的安全管理,提供添加/刪除用戶,修改用戶密碼,用戶使用權(quán)限的授予和去除的操作,從而通過對系統(tǒng)使用權(quán)限的管理,保證了設備數(shù)據(jù)的安全性.      3結(jié)論隨著我國電網(wǎng)容量的迅速增大和電壓

17、等級的不斷提高,供電系統(tǒng)的可靠性顯得越來越重要,采用電力設備綜合管理系統(tǒng)能有效發(fā)現(xiàn)設備的早期隱性故障,為設備檢修維護提供方便.未來設備監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將集中在三點:高速、智能、遠程.因此,對于大型關鍵設備,研究開發(fā)采用總線技術(shù)、智能診斷技術(shù),基于網(wǎng)絡的設備遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng),可使企業(yè)在數(shù)據(jù)采集、處理、分析診斷、管理等方面獲得前所未有的技術(shù)和決策支持.參考文獻:1周東華,葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯控制M.北京:清華大學出版社,2000.2劉少宇,郭宗軍.專家系統(tǒng)在變電站設備診斷中的應用J.高電壓技術(shù),2001,27(5):17-19.3吳福保,李延滿.ON2000一體化配電網(wǎng)綜合調(diào)度自動化系統(tǒng)J.電力系統(tǒng)自動化,2001,26(22):70-73