電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷綜合管理系統(tǒng)

1、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jí)低,容量小,故障的損失和影響都不大,人們普遍采用預(yù)防性維修制. 進(jìn)入80年代,特別是近十年以來(lái),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(lái)越嚴(yán)重.例如1986年4月前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站四號(hào)機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重事故,致使 2 000多人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)30億美元.因此設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷問(wèn)題引起了越來(lái)越多的關(guān)注,尋找故障原因的過(guò)程包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障原因分析及劣化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等內(nèi)容,為確診故障點(diǎn)

2、、及早采取維修、防護(hù)等補(bǔ)救措施是非常關(guān)鍵的.在運(yùn)行電壓下對(duì)電力設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),不僅可以真實(shí)反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),而且可以不停電,減少停電所帶來(lái)的損失.現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)、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(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等先進(jìn)故障診斷技術(shù),使設(shè)備綜合管理系統(tǒng)在電力行業(yè)進(jìn)一步得到推廣.本文提出一種易于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和設(shè)備信息管理的系統(tǒng),該系統(tǒng)針對(duì)故障發(fā)生的復(fù)雜性,對(duì)專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)等部分進(jìn)行合理設(shè)計(jì),取得了較高的診斷率.      1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)可分為現(xiàn)場(chǎng)控制部分和主控室工控機(jī)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(chǔ)是對(duì)電氣設(shè)備特征量的在線監(jiān)測(cè).首先運(yùn)行人員發(fā)送采集命令給現(xiàn)場(chǎng)控制單元,由該單元自動(dòng)采集各種信息,如開(kāi)關(guān)量:斷路器、隔離開(kāi)關(guān)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(guò)CAN總線上傳到工控機(jī).采用CAN總線,是因?yàn)樗且环N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(yàn)以及錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉功能,因此可保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?具有較強(qiáng)的抗干擾能力.本系統(tǒng)硬件主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制單元CAN總線模塊和工控機(jī)的CAN總線接口模塊.微控制器選用 MCS-96系列的單片機(jī)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(dú)立CAN總線控制器PCA82C200完全兼容, 并有支持CAN2.0B協(xié)議,擴(kuò)展接收緩沖器,增強(qiáng)錯(cuò)誤處理能力和驗(yàn)收濾波功能等新增功能.SJA1000可以直接進(jìn)行CAN總線互聯(lián),為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力,使用了總線收發(fā)器82C250與之配合.現(xiàn)場(chǎng)控制單元節(jié)點(diǎn)號(hào)由MCU讀取地址選擇撥碼開(kāi)關(guān)決定. 工控機(jī)將被測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上, 同時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù),并與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則及知識(shí)橫向分析及比較,若不能得到確切的診斷結(jié)論,自動(dòng)調(diào)出臺(tái)帳及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向分析比較,經(jīng)診斷模塊分析處理,獲得一些信號(hào)的特征數(shù)據(jù)提供給運(yùn)行人員來(lái)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài).如果縱比時(shí)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(shè)備有某種潛伏性故障,再與同類曾發(fā)生故障設(shè)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(dǎo)致三相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的客觀差異),提示有關(guān)部門的人員是否有必要停電檢修或采取其它預(yù)防措施.      2綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)      2.1運(yùn)行操作界面具有良好的擴(kuò)充性和友好的操作性的界面對(duì)管理系統(tǒng)非常重要.雖然目前許多單位已開(kāi)發(fā)了多種類型的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并已在部分變電站運(yùn)行,但大多存在人機(jī)界面比較單一的缺陷,多以表格和文本的形式為主來(lái)反映監(jiān)測(cè)信息

6、,這給運(yùn)行人員實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的情況帶來(lái)了不便.本系統(tǒng)以面向Windows 設(shè)計(jì)的Delphi6作為基本開(kāi)發(fā)工具之一,利用其面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)特點(diǎn),把所監(jiān)測(cè)的設(shè)備變成各種基本圖元, 利用基本圖元構(gòu)成類似一次設(shè)備接線圖的界面,這樣就能隨時(shí)全面監(jiān)測(cè)所有設(shè)備的情況,利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊某設(shè)備所屬的圖元,即能了解其運(yùn)行狀態(tài)等,這有助于提高了電氣設(shè)備自動(dòng)化管理水平.      2.2信息分析與管理的機(jī)理      1)分析診斷模塊(專家系統(tǒng)).      知識(shí)庫(kù)的構(gòu)成. 知

7、識(shí)庫(kù)是存儲(chǔ)完成任務(wù)所需要的各種知識(shí),是專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的集合.如何將大量的專家經(jīng)驗(yàn)表示成知識(shí),并建立知識(shí)庫(kù),是專家系統(tǒng)研究的重點(diǎn). 依據(jù)故障診斷系統(tǒng)的固有特點(diǎn),我們選用的知識(shí)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(shí)的基本單位,用產(chǎn)生式規(guī)則表示的知識(shí)所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為產(chǎn)生式系統(tǒng).它具有模塊性強(qiáng),易于增加、修改信息,并能有效表達(dá)啟發(fā)式知識(shí)等特點(diǎn).可根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)程度、數(shù)據(jù)可靠程度,給出可信度因子,便于實(shí)現(xiàn)不精確推理的優(yōu)點(diǎn)很適于故障診斷的特性要求.例如,利用油溫來(lái)判斷變壓器運(yùn)行狀況, 其規(guī)則簡(jiǎn)單表示為:IF變壓器油油溫高于“注意值”,THEN一級(jí)報(bào)警工作其中,左半部分確定了該規(guī)則可應(yīng)用的先決

8、條件,右半部分描述了應(yīng)用這條規(guī)則所采取的行動(dòng)或得出的結(jié)論.即滿足條件后,就可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等等.為便于知識(shí)庫(kù)的管理、方便維護(hù),知識(shí)庫(kù)以外部數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)行調(diào)用,避免盲目無(wú)謂的搜索.整個(gè)知識(shí)庫(kù)是由4大模塊組成:專門存儲(chǔ)專家診斷經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的模塊;存儲(chǔ)設(shè)備歷史檔案、原始數(shù)據(jù)的模塊;存儲(chǔ)設(shè)備性能指標(biāo)、健康狀態(tài)的參照標(biāo)準(zhǔn)的模塊;故障集模塊.故障集模塊是將設(shè)備較常見(jiàn)的典型的故障組成知識(shí)模塊或規(guī)則集合.例如變壓器常見(jiàn)的典型故障有:鐵芯多點(diǎn)接地故障、匝間短路、相間短路、進(jìn)水受潮、引線故障以及漏磁導(dǎo)致過(guò)熱性故障等.由于某些知識(shí)較為復(fù)雜,單一規(guī)則難以

9、表述,故而在規(guī)則表述上有時(shí)需加入“與”、“或”邏輯.另外,變壓器由本體及組件(套管,分接開(kāi)關(guān),冷卻系統(tǒng)等)等組成,與此相對(duì)應(yīng),在故障知識(shí)庫(kù)的建立上也有各自的規(guī)則庫(kù).      推理機(jī)制選擇. 為了提高診斷的科學(xué)性和可靠性,在搜索推理之前,設(shè)置了數(shù)據(jù)檢驗(yàn)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?yàn)殄e(cuò)誤數(shù)據(jù)將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論.同時(shí),在推理過(guò)程中,必要時(shí)需對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行判斷.考慮到設(shè)備故障的特點(diǎn),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(guò)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(gè)

10、結(jié)論的證據(jù),反復(fù)這個(gè)過(guò)程,直到得出結(jié)果.例如對(duì)變壓器故障特點(diǎn)分析,由于運(yùn)行中的變壓器始終處在電與熱的雙重效應(yīng)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(guò)程中又可能發(fā)生部位的轉(zhuǎn)移.在實(shí)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(cuò)綜復(fù)雜的,且故障信息有時(shí)也會(huì)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(guò)電壓,有可能形成一種間斷性的放電現(xiàn)象, 當(dāng)條件改變時(shí),這種放電有可能熄滅,當(dāng)條件適合時(shí)又會(huì)重復(fù)放電,進(jìn)而形成較大或連續(xù)的放電現(xiàn)象;又如,一般來(lái)說(shuō),變壓器無(wú)論是過(guò)熱性故障,還是放電性故障,當(dāng)涉及固體絕緣時(shí)就會(huì)有CO,CO2產(chǎn)生.但實(shí)踐

11、表明,用CO和CO2含量來(lái)確定固體絕緣材料分解狀況時(shí),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(huì)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(shí),只有當(dāng)各組分含量達(dá)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(shí),才能進(jìn)一步用三比值法,同時(shí)結(jié)合其它特征量如微水、油溫等來(lái)判斷其故障性質(zhì).變壓器的信息數(shù)據(jù).      動(dòng)態(tài)庫(kù). 用來(lái)存放初始數(shù)據(jù),推理過(guò)程的中間結(jié)果等.其中初始數(shù)據(jù)主要是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試結(jié)果,微水含量,油

12、溫等.      支撐庫(kù). 用來(lái)存放某些必要的運(yùn)算方法.整個(gè)系統(tǒng)的一般工作過(guò)程是,根據(jù)初始數(shù)據(jù)和當(dāng)前動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容,在知識(shí)庫(kù)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(kù)內(nèi)容.在此期間,若有必要時(shí),還可以詢問(wèn)用戶,以求獲得其他補(bǔ)充信息,這些從用戶得到的信息,也被記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中,并將參與到后續(xù)的推理過(guò)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(kù)的內(nèi)容,直至求得最終結(jié)果.      自學(xué)習(xí)技術(shù). 對(duì)于電氣設(shè)備,我們可通過(guò)運(yùn)行實(shí)踐,得到診斷處理設(shè)備故障的經(jīng)驗(yàn),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(rèn)為正常設(shè)備的數(shù)據(jù)分布在一定的范圍內(nèi),當(dāng)超過(guò)這一范圍時(shí),設(shè)備存在不良狀態(tài)的可能性大大增加.故在規(guī)則運(yùn)用方面, 構(gòu)造完善的基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的自學(xué)習(xí)機(jī)制,通過(guò)實(shí)踐,不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和反復(fù)修改規(guī)則庫(kù),從而充分利用有限的特征信息,完成故障的報(bào)警和診斷,同時(shí)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(duì)操作人員提出報(bào)警提示和故障推斷,還需為其提供數(shù)據(jù)操作服務(wù),因此一個(gè)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(shí)也便于操作人員

14、及時(shí)準(zhǔn)確地了解設(shè)備歷史和當(dāng)前的狀況.為此我們選用了Oracle 8作后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù).它是一種面向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的數(shù)據(jù)庫(kù) (Database for Network Computing)并支持對(duì)象關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)行的快速性.Ora- cle數(shù)據(jù)庫(kù)是真正的Client/Server體系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng), 其核心是Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)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(duì)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)備的有

15、關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改、刪除的功能.可以選擇打開(kāi)在 Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的任意一個(gè)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(shí),都給出提示.      數(shù)據(jù)查詢模塊. 該模塊通過(guò)菜單及快捷鍵方式實(shí)現(xiàn)各種查詢功能.菜單項(xiàng)要包括查詢?cè)O(shè)定、按設(shè)備編號(hào)查詢、按屬性參數(shù)查詢和任意項(xiàng)查詢,查詢?cè)O(shè)定主要是對(duì)查詢方式進(jìn)行設(shè)定;按查詢方式可以選擇要查詢的地區(qū), 并給出查詢時(shí)間范圍,以及對(duì)該設(shè)備的那些內(nèi)容進(jìn)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(shí)間范圍

16、,以及對(duì)那些設(shè)備的該內(nèi)容進(jìn)行查詢;任意項(xiàng)查詢方式可以查詢Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的任意一項(xiàng).按下各個(gè)查詢方式的“查詢鍵”,可以在 Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,查詢結(jié)果以列表形式顯示;界面設(shè)生成報(bào)表按鈕,可將查詢結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)格式生成報(bào)表并設(shè)打印功能.      系統(tǒng)管理模塊. 該模塊采用菜單形式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)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(guò)對(duì)系統(tǒng)使用權(quán)限的管理,保證了設(shè)備數(shù)據(jù)的安全性.      3結(jié)論隨著我國(guó)電網(wǎng)容量的迅速增大和電壓

17、等級(jí)的不斷提高,供電系統(tǒng)的可靠性顯得越來(lái)越重要,采用電力設(shè)備綜合管理系統(tǒng)能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期隱性故障,為設(shè)備檢修維護(hù)提供方便.未來(lái)設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)將集中在三點(diǎn):高速、智能、遠(yuǎn)程.因此,對(duì)于大型關(guān)鍵設(shè)備,研究開(kāi)發(fā)采用總線技術(shù)、智能診斷技術(shù),基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(xiàn):1周東華,葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯(cuò)控制M.北京:清華大學(xué)出版社,2000.2劉少宇,郭宗軍.專家系統(tǒng)在變電站設(shè)備診斷中的應(yīng)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(dòng)化系統(tǒng)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,26(22):70-73