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江西电网变电设备专家诊断系统研究
jiang_0514 发表于 2009/8/20 10:10:38 1678 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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作者：江西省电力科学研究院 薄海旺，章叔昌，童军心 来源：赛尔输配电产品应用变压器及仪器仪表卷 总第83期
摘要：随着江西电网的高速发展，变电设备数量大幅度增长，对设备的可靠性要求也越来越高。为准确掌握变电设备的运行状态、增强电网设备的安全可靠性、提高电网的经济效益和社会效益，江西省电力科学研究院深入开展变电设备专家诊断系统研究，建立了江西电网变电设备专家诊断系统中心站，并在110、220和500千伏三个不同电压等级的变电站分别设立客户端，开展设备状态评估和诊断工作，应用效果良好。
关键词：变电设备，设备状态，专家诊断，中心站，客户端
1背景
开展变电设备的状态诊断是贯彻电力生产“安全第一，预防为主”的重要措施之一，特别是随着电网的不断扩展和加强，电网中大容量、高电压、长距离的输变电设备日益增多，传统的预防性试验和定期检修已经不能满足电网发展的要求。依据江西电网专业化发展思路以及变电设备新的检修模式的进一步推行，需要运用现代管理理念和管理技术，采用有效的监测手段和分析诊断技术，准确掌握设备状态，科学地制定检修策略。
目前，国家电网公司正在大力推行输变电设备的状态检修工作，十多个网省公司已经通过状态检修工作验收。开展状态检修需要综合设备各方面信息，结合设备的历史和现状，应用系统工程的方法进行综合分析和判断以准确掌握设备状况，在设备状态评价的基础上制度检修策略。状态检修工作的核心是确定设备的状态，依据设备状态开展相应的试验、检修工作。准确掌握设备状态，靠一个或几个专家难以实现，而是需要依靠高效率、高准确性的专家诊断系统。另外，随着设备故障物理学的发展、诊断理论、模糊数学理论的形成以及微处理技术、传感技术、信息技术、人工智能、互联网技术的进步，设备的状态检测技术和检测装置得到了大量开发和应用，为变电设备专家诊断系统的建立奠定了有力的技术支持和物质基础。
变电设备专家诊断系统的应用可有效地减少变电设备的突发性事故、提高设备的安全可靠性、提高设备的可用率、降低设备的强迫停运率、维修费用及延长设备的使用寿命。为快速、及时、准确和全面掌握设备状态，并尝试逐步试点进行变电设备的状态检修工作，江西电科院深入开展了变电设备专家诊断系统研究，建立变电设备专家诊断系统中心站，并选择三个变电站（500kV南昌变电站、220kV昌东变电站及110kV罗家集变电站）为试点建立客户端，录入设备基础资料和相关信息，进行变电设备试验、缺陷管理与状态诊断，并用于指导设备的预试检修工作。
2系统架构
构建基于与设备有关的技术规则和知识库、设备离线和带电状态量、模糊数学理论、人工神经网络技术为核心，充分利用网络技术、数据库技术、设备状态带电监测技术、油中气体色谱分析法（DGA）等先进技术，对变电设备的状态进行综合分析和诊断的人工智能变电设备专家诊断系统，建立江西电网变电设备专家诊断系统中心站。本系统的建设采用三层架构(B/A/S模式)，系统采用集中部署方式，应用系统的技术架构如图1所示。整套系统的软件以多层架构为主框架体系，以工作站为基本单元，客户端采用Windows2000/XP平台，支持B/S方式,支持自动更新，为专业人员和管理人员提供各自所需的前台界面。
系统登录
变电站状态预警 设备管理（接口）、缺陷管理、试验管理…… 知识库维护、神经网络结构、样本维护、专家诊断系统…… 系统管理平台 扩展接口 省公司MIS系统
应用服务平台（应用服务器、系统中间件） 在线数据
系统平台（主机、操作系统、数据库系统、存储）
网络平台 其他系统
图1变电设备专家诊断系统技术架构
该系统的总体框图见图2，数据库服务器和Web服务器（IBMXSERIES_3650）设在专家诊断系统中心站。变电设备带电监测装置所检测到的实时状态数据可通过局域网传送至中心站，参与对变电设备进行状态诊断。整套系统的软件以多层架构为主框架体系，通过IE浏览器组件插件方式访问中心站，支持自动更新、拨号接入（RAS）的多层次用户系统结构。拨号登录的用户只要具有相应帐号，且登录网络支持RAS，均能享受与局域网上的客户端一样的服务。整套系统的正常运行主要依
图2系统网络架构图
托电力系统的高速数据网（局域网），同时，该系统与省公司生产管理系统实现数据接口，设备台帐等数据可进行定期自动更新。
3变电设备专家诊断系统软件
应用人工智能技术，建立设备状态综合分析平台。通过采集设备个体的各种状态量数据（带电检测数据、历史试验数据、缺陷信息、运行信息等），对设备进行跨专业的综合推理和分析，得出对设备状态的评价结论，对设备的检修维护提出对策和建议。
该软件主要由智能分析系统和针对油浸式设备的DGA系统所组成。
3.1智能分析系统的基本组成
1）基于信息融合技术的人工智能；
2）模糊集合原理；
3）援例分析技术；
4）时间序列预测技术。
智能分析系统的基本结构见图3。
图3智能分析系统基本结构
知识库用来存储设备结构参数、相关规范和标准、经常出现的故障现象、每个故障现象引起的原因、可能性大小的经验判据及是否发生的充分或必要条件等与设备相关的知识；数据库用于存放设备技术参数、监测设备状态必要的历史测量数据（包括各种带电数据和离线数据）等资料；推理机由翻译程序和调度程序组成，主要负责在数据库和知识库基础上，综合运用各种规则进行一系列推理来尽快寻找故障源、对设备的未来状态做出预测评价、提出相应的专家决策；解释子系统是解释系统本身的推理过程及推理结果的程序，并回答用户问题；知识获取程序主要是获取专家知识，并为知识库的修改、扩充提供手段；用户接口具有使系统能够方便地与用户进行对话的功能。
3.2针对油浸式设备的DGA系统
根据绝缘油中溶解的气体成分来诊断油浸式设备的故障（DissolvedGasAnalysis，简称DGA），是当前被广泛采用的一种状态检测手段。常规的诊断方法，除了直接比对有关标准规程外，还使用三比值法、电研法、TD图法等作为参考判据。但这些算法均存在一个根本的缺陷，就是只能根据较明显的超标数据做出孤立简单的判断，而难以发现深层次的隐含问题。
为此，本系统引入人工智能神经网络技术，开发了新一代智能型的DGA诊断系统。建立起科学缜密的DGA神经网络模型，分析多种气体组分的相关性，从而可寻找出细微的故障征兆、预测设备未来可能发生的故障及其从无到有的变化趋势，并推测造成这些故障的主要原因。在充分发展DGA神经网络技术的同时，也提供TD图法、三比值法、四比值法、免疫算法等进行分析，以供参考比较。本DGA系统的数据来源，以人工取油样的测试数据为主，来自油色谱在线监测装置的数据也可接入系统，但目前仅作为参考。
3.3状态量来源
反映设备状态的状态量全部来自江西省电力公司现有的生产管理系统（MIS系统），诊断系统能够访问MIS系统的设备台帐、试验、缺陷、在线等数据，实现系统软件与省公司生产管理系统进行无缝式接口，数据尤其是基本台帐数据可以适时更新。专家诊断系统是基于数据平台架构的分析平台，能够提供统一的数据接口，用于存储各种分析诊断所需数据，包括设备台帐数据、缺陷数据、试验数据、在线数据、运行数据等。离线状态量主要包括：设备台帐数据、历年试验数据、历年缺陷数据、运行记录、油务试验数据等。
状态量设定相应的权重，可确定为关键状态量、重要状态量和一般状态量。在分析中可以根据权重进行加权计算，以反映关键状态量的重要程度。状态量的权重分类参考国家电网公司企业标准Q/GDW-2008《输变电设备状态检修试验规程》及其它同类标准、规程规定。
3.4系统知识库
系统知识库包括以下内容，并且可随时增加、修改、补充或删除（最高权限）。
1）定义设备的状态量集合；
2）状态量评价等级划分，制定对设备状态进行等级划分或状态评分的规则；
3）各项状态量的推理规则集；
4）各项状态量纵横比较规则集（三相比较、同类设备比较、历史变化率比较等）；
5）各项状态量对于导电、绝缘、机械三大性能的隶属度；
6）状态量的相关性评价规则（重要程度、相互影响等）；
7）规程、规范、反措、专家经验、典型案例等。
3.5推理判据来源
国家及部颁标准（规程、规范）、反事故措施、设备生产厂商的技术指标、有关应用导则、专家经验总结、大量典型案例分析、同类型设备状态量的横向、纵向比较、信息融合原理等。
系统采用的推理判据可以根据技术的进步、标准的修订，进行增加、删除或修改（最高权限）。
3.6相关接口
为生产现场使用的各种检测设备（包括离线设备和带电检测设备）定制数据交换接口，使设备数据能够直接输入变电设备专家诊断系统，以供监控、查询、统计和分析，保证这些数据的准确性、及时性和可利用性，尽量减少人工录入工作。目前，由于设备的在线监测手段尚不健全，系统暂未引入在线监测数据，仅仅预留有相关的数据接口。随着在线监测技术的不断完善与专家诊断系统研究的深入开展必将引入在线运行数据以实时监控设备状态。
4系统应用
4.1应用简介
变电设备专家诊断系统中心站设置在江西电科院，系统的正常运行主要依托电力系统的高速数据网（局域网），任何已接入电力系统内部网络的变电站均可作为客户端。目前该系统已经录入了500kV南昌变电站、220kV昌东变电站及110kV罗家集变电站的设备台帐及近五年的高压、油务试验数据，并投入试运行，即当前的诊断系统仅限于以上三个变电站一次设备诊断。该系统充分利用基于信息融合技术的人工智能、模糊集合原理、援例分析技术、时间序列预测技术、神经网络技术、免疫算法等先进技术和方法，实现对以上三个变电站一次设备的运行状态进行监视和预警功能。
4.2系统主页面（预警界面）
进入系统的主页面基本格式如图4所示，系统登录后，页面显示所有受监视的变电站：500kV南昌变电站、220kV昌东变电站及110kV罗家集变电站，按照电压等级依次排列，并可用不同的颜色显示变电站设备处于良好、正常、注意、异常、危急等不同的设备状况。
图4变电设备专家诊断系统主页面
该系统可实现的主要功能包括：变电设备台帐管理、变电试验管理、变电试验维护、设备状态评估、状态检修分析维护、权限管理和系统管理。
（1）变电设备台帐管理
设备台帐资料来自于省公司MIS系统，由MIS系统通过技术接口一次性导入。变电站间隔维护可以对现有变电站间隔进行维护，一次设备录入可进行设备台帐修改。对于部分设备台帐信息录入格式不规范（缺相、型号等）的情况，在此可进行修改，便于设备挂接、试验阀值管理等。设备参数查询主要针对变电站一次设备按照一定的条件进行快速查询。设备生产厂家维护栏主要是对各种一次设备的生产厂家信息进行管理维护。
（2）变电试验管理
变电试验管理主要是对一次试验流程的闭环管理，包括试验的任务定义，数据录入和各级审核等整个试验过程。系统以直观的图表和动画方式动态监控试验工作流程，保证试验流程的闭环和及时性。全面记录历年各项试验（高压、油务、化学、检修等专业的所有试验）的详细信息，包括试验内容、试验数据、气候环境、试验设备、审核状态、各环节责任人和时间段等。
（3）变电试验维护
试验维护模块实现对试验性质、试验项目及子项目、试验公式、试验类型和试验阀值的初始定义维护，并将相关内容进行挂接，还实现了对试验报告格式的定义。试验项目维护模块用于编辑试验项目以及其子项目，并将试验项目与做该试验的设备类型挂接。试验类型维护模块实现试验类型的增加、删除以及试验类型与设备型号、试验项目的挂接。试验阀值维护模块实现试验标准的编辑以及对标准阀值的增加、编辑、删除等功能。周期定义模块实现对预试、交接试验等的周期性定义、修改。试验维护集成模块实现了试验项目、类型挂接，阀值修改、公式周期定义等功能，适用于批处理试验项目维护。
（4）设备状态评估
设备状态评估模块是专家诊断系统的核心部分，系统获取设备的各种数据参量，以模糊数学理论、人工神经网络技术为核心，充分利用网络技术、数据库技术、设备状态带电监测技术、油中气体色谱分析法（DGA）等先进技术对设备进行综合诊断分析。设备状态分析和状态评估是专家诊断系统的终极目标，也是系统的基本功能。状态评估查询模块用于查询变电站所有一次设备的评估结果。
（5）状态分析维护
设备状态评估是以一定的导则为支撑而进行，本系统判断导则、判据的制定主要参考国家电网公司企业标准Q/GDW168-2008《输变电设备状态检修试验规程》、DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》及江西省电力公司颁发的一些检修规程及反事故措施等。
（6）权限管理
超级用户拥有最高的用户权限，可对其他用户的权限进行管理，包括设置、更改用户名、密码及用户权限等。保证不同用户高效、快速地访问授权范围内的系统资源。
（7）系统管理
系统针对不同用户赋予不同的权限，系统管理是仅有超级用户才能访问的系统模块，通过此模块可进行系统模块管理、代码管理。系统运行过程中自动生成事件日志，对访问人、访问时间、访问模块、操作功能及操作时间等准确记录在案，便于追溯。
员工以自己特定的工号和口令访问系统，系统根据访问人不同的角色权限，自动提供不同的功能范围，并生成相应的菜单树（或无权限操作的功能菜单不显示）。对于运行在同一环境中的第三方应用软件系统，可根据实际情况定制软件接口，实现与本系统的集成互联、数据共享。
4.3应用举例
目前，利用江西电网变电设备专家诊断系统可以对三个试点变电站的一次设备（包括变压器、断路器、互感器、电抗器、避雷器等）进行状态诊断。下面以南昌供电公司220kV昌东变电站＃1主变为例，应用该系统对＃1主变进行设备试验管理、设备状态诊断及评估等。
（1）试验管理。点击试验信息，则显示该设备的所有试验记录及根据周期计算下次试验的时间信息，并可查看该设备的高压试验信息和油务试验信息，双击试验信息，即可看到相应的试验报告，
图5设备试验报告
如图5所示。试验报告有两种模式：一种通过网络浏览的模式，可详细查看各项试验项目数据等信息；另外一种是execl格式的标准试验模板，是省电力公司为实施试验标准化管理而制定的统一模板。可通过“历史试验项目查询”查看历史试验数据查询，还可自动绘制将历次试验数据曲线，选择历次试验数据即可生成历次试验数据曲线，如图6是对油色谱试验中的甲烷含量的历次数据进行比较。有时候需要对比试验数据的变化率，则选择“显示变化率”即可显示各个数据曲线的变化情况。
图6历年试验数据对比（油务，甲烷）
（2）状态分析与评估。系统根据设备定义好的状态量进行分析，显示设备状态是否正常及设备得分情况和检修策略，根据不同状态量的扣分及状态量权重按照导则进行分档，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ档分别代表设备处于良好、正常、注意、异常和危急状态。同时，系统可输出诊断报告，主要包括设备信息，状态量分析，未消除缺陷及试验周期情况，故障点判断及应采取的措施，状态评估过程等。分析过程根据试验数据及相关状态量评估条件，包括油色谱分析（三比值、四比值、电研发、TD图法等）结果，结果显示该主变为良好状态。
进行设备状态评估时，用户可直接选择220kV昌东变电站＃1主变本体或根据不同的需要选择不同的状态量进行设备状态评估。若点击变压器组复选框，则所有状态量全部选中，如图7所示。设备状态量选中后可点击状态分析，出现分析结果。在此过程中可以看到系统按照各个状态量逐项利用不同的算法进行分析，内容涵盖电气状态量、检修状态量、油气状态量，并进行机械性能、导电性能及绝缘性能分析，根据不同状态量的扣分及状态量权重按照导则进行分档，状态分析如图8所示。分析结果显示：电气状态量、检修状态量、油气状态量均为Ⅰ档，机械性能与状态量无关，导电性能和绝缘性能也都是Ⅰ档，均处于良好状态。
图7设备状态量选择
图8设备状态分析与评估
5系统的应用成果
变电设备专家诊断系统运用神经网络、援例推理等人工智能技术，综合离线、在线数据，结合现场人员多年宝贵经验，可以对设备状态进行有效检测和诊断。2008年9月开始，该系统进入试运行阶段，南昌供电公司及超高压分公司检修班组通过系统内部网络可以登录客户端查看试点站的变电设备运行状态，并据此合理安排预试定检工作。在实际应用过程中，通过对变压器等设备的历次试验数据比较，发现了部分设备的隐患，同时在系统上可以查询到历次的试验数据、缺陷数据（家族性缺陷、未消除缺陷等）及运行数据等，方便进行设备的数据查询工作。
利用江西电网变电设备专家诊断系统准确诊断设备状态，大幅度提高电网供电的安全可靠性、变电设备的生产管理水平，该系统的应用是实现江西电力变电设备管理规范化工作目标的重要一环。虽然目前江西尚未开展状态检修工作，但该系统可对设备检修起到一定的参考作用，并对下一步开展设备状态检修、提供检修策略具有积极的辅助指导作用，为状态检修的开展奠定坚实的基础，具有显著的经济效益和社会效益。同时，系统具有良好的平台开放性和扩展性，可比较方便地推广应用到其他变电站。
6系统的软件特色及完善化
技术先进，系统在设计和程序开发中大量运用国际上最新、最先进的技术，不断提高的软件质量保持着在电力应用软件领域的领先地位：1）国内最早采用三层结构技术开发模式；2）完全实现浏览器方式客户端（无须预装任何客户端程序），同时又能高效处理复杂的交互功能；3）采取多种技术手段，解决了本系统与相关硬件（检测、监控仪器）、软件（其它应用系统）之间错综复杂的接口问题，充分保障数据的及时性、完整性和一致性。
开放性和标准化，系统采用开放和标准的网络、操作系统、数据库系统和应用软件平台，力求集成系统的各个层次之间相互独立，通过标准的接口进行连接。这是实现网络互连、应用互操作、资源共享、高效运行和统一管理的前提，同时为今后的发展和扩充铺平了道路。
安全可靠性高，三层体系结构使数据库与WEB服务隔离，客户端只与WEB交互，提高了数据库的安全性。同时，网络层上可以通过网络路由、防火墙与外部有效隔离；内部有完整的用户权限管理、密码加密等方法加强系统的安全性。服务器采用双机备份、冗余磁盘阵列等配置，充分保证数据和系统运行的可靠性。
人性化的功能设计，各功能模块之间在程序上是相互独立的，但在逻辑上又密切关联，操作人员可以根据需要随时引用相关的模块和数据，而不需频繁地在菜单树中退出和进入。用直观的曲线、图表等方式展现各种数据和流程的变化发展过程，令人一目了然，轻松应对。大量提供自定义工具和模板，台帐参数结构、报表格式、专家知识库等很多方面都可由用户自定义维护（不必修改程序），大幅提高了系统的适应性。
状态信息的获取途径有多种，系统在今后的完善过程中应将设备的在线监测数据、红外测温结果及不良工况等参量引入数据库，并对日常巡检中的外观检查、维护等情况按一定周期录入以进一步扩展状态量范围。专家诊断系统还需要不断地改进和完善诊断规则，并根据电力业务及新技术的发展，不断充实知识库的内容，使系统更好的为电力安全提供保障。