張 彪,王渝紅,李興源,胡 強(qiáng),肖 屏,王 雷,尹陽(yáng)陽(yáng)
(1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院,四川 成都610065;2.遼寧省電力有限公司檢修分公司,遼寧 沈陽(yáng)610021)
狀態(tài)評(píng)價(jià)作為高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)檢修工作中承上啟下最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),為下一步進(jìn)行檢修決策提供科學(xué)依據(jù),評(píng)價(jià)質(zhì)量的高低將直接影響整個(gè)狀態(tài)檢修的成效[1,2]。
目前設(shè)備狀態(tài)檢修制度還不夠完善、檢修人員技術(shù)素質(zhì)不適應(yīng)狀態(tài)檢修的要求,在確定設(shè)備狀態(tài)的過(guò)程中大多使用人工手段進(jìn)行評(píng)價(jià),這導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)評(píng)價(jià)主觀因素強(qiáng)和隨意性大,設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)得不到真實(shí)、及時(shí)和有效的反映,從而在一定程度上影響到電力設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行,給社會(huì)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[3,4]。從大量的文獻(xiàn)來(lái)看,目前通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有完全的、廣泛的應(yīng)用與推廣。因此設(shè)計(jì)一套有針對(duì)性、靈活性的軟件分析系統(tǒng)來(lái)評(píng)價(jià)直流設(shè)備的狀態(tài)具有很大的適用意義。而隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)等的發(fā)展,可基于這些理論、技術(shù)通過(guò)軟件來(lái)構(gòu)建一個(gè)狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng),應(yīng)用這個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
本文首先對(duì)高壓直流設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行需求分析,確立專(zhuān)家系統(tǒng)的功能,然后從總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩方面對(duì)狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行分析和說(shuō)明。再次對(duì)狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的核心部分——評(píng)價(jià)中心模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析,提出了一種塔形層次評(píng)價(jià)方法。最后介紹了狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。
目前,基于狀態(tài)評(píng)價(jià)的設(shè)備狀態(tài)檢修已經(jīng)在交直流設(shè)備檢修過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。而借助計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)評(píng)價(jià)還未普及,因此設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)檢修具有很重要的意義。
在設(shè)計(jì)高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)檢修的評(píng)價(jià)系統(tǒng)前需要進(jìn)行一定的需求分析,這也是軟件設(shè)計(jì)的前提。在設(shè)計(jì)狀態(tài)檢修的評(píng)價(jià)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況、設(shè)備的試驗(yàn)情況有足夠充分的了解,充分考慮用戶的業(yè)務(wù)操作需求。評(píng)價(jià)系統(tǒng)所采用的軟件設(shè)計(jì)方法的可靠性論證分析也是必要的。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的成熟,為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了保證。本文所設(shè)計(jì)的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流主設(shè)備的各狀態(tài)量信息進(jìn)行采集與處理,能夠根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)量信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)分以及判定出設(shè)備的狀態(tài)等級(jí),最終能夠自動(dòng)提出相應(yīng)的檢修策略或建議。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還具有查詢統(tǒng)計(jì)的功能,對(duì)于更高級(jí)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)可以將設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也列為狀態(tài)評(píng)價(jià)功能的范疇。以上提到的這些需求都是在設(shè)計(jì)高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)時(shí)充分考慮的,全部納入了需求分析的范疇。
狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)作為開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修工作的一個(gè)重要的軟件支撐評(píng)估平臺(tái),它以高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)檢修導(dǎo)則、評(píng)價(jià)導(dǎo)則等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)價(jià)工作信息化、自動(dòng)化以及智能化,并能滿足設(shè)備狀態(tài)檢修管理新技術(shù)、新方法和新策略變化發(fā)展的要求。從實(shí)際應(yīng)用的角度,設(shè)計(jì)的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)該具有安全性、適用性、開(kāi)放性、靈活性以及方便管理維護(hù)等特點(diǎn)[5]。
在進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照先總體設(shè)計(jì),再詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行??傮w設(shè)計(jì)主要是確定整個(gè)狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)該由數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶界面、評(píng)價(jià)中心組成。評(píng)價(jià)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)評(píng)價(jià)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能所需要的數(shù)據(jù)。用戶界面一般包括輸入和輸出兩部分,其主要完成控制命令的輸入和評(píng)價(jià)結(jié)果的顯示。評(píng)價(jià)中心是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的核心部分,它集結(jié)有系統(tǒng)所需的推理數(shù)學(xué)模型,其核心是將狀態(tài)推理分析、預(yù)測(cè)分析、決策分析融合在一起的人工智能分析[6];評(píng)價(jià)中心主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)量信息的采集與處理、狀態(tài)評(píng)分、狀態(tài)定級(jí)以及檢修決策。圖1為設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的總體框架圖。
圖1 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)總體框架
狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)主要包括直流設(shè)備中心設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)中心設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)管理中心設(shè)計(jì)。圖2為設(shè)計(jì)的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)界面體系圖。
圖2 狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)界面體系
設(shè)備中心收集有高壓直流輸電設(shè)備如換流閥、換流變壓器、交直流濾波器、平波電抗器等主設(shè)備的相關(guān)信息。評(píng)價(jià)中心是該系統(tǒng)的核心部分,它將完成設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià),能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備信息的采集與處理、設(shè)備狀態(tài)評(píng)分、設(shè)備狀態(tài)定級(jí)以及提出檢修策略或建議等。系統(tǒng)管理中心主要是為了順應(yīng)新技術(shù)發(fā)展要求,便于整個(gè)系統(tǒng)的更新與維護(hù),并且提供數(shù)據(jù)庫(kù)、評(píng)價(jià)中心模塊與外界交換信息的接口[7]。
在開(kāi)展直流設(shè)備狀態(tài)檢修過(guò)程中需要收集有關(guān)設(shè)備的大量信息,這些信息大致分為兩類(lèi)即 “靜態(tài)數(shù)據(jù)”和 “動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”[8]。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括設(shè)備的固有特性,比如設(shè)備的銘牌參數(shù)、生產(chǎn)廠家、出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài) (如設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、定期試驗(yàn)數(shù)據(jù)、故障情況等)、檢修試驗(yàn)數(shù)據(jù)、家族性缺陷數(shù)據(jù)等[9]。
設(shè)備的狀態(tài)信息是開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修的基礎(chǔ),所取得的數(shù)據(jù)信息必須要準(zhǔn)確可靠,完整規(guī)范,合乎要求。要使采集到的數(shù)據(jù)信息滿足以上特點(diǎn)就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。對(duì)于收集的數(shù)據(jù)中的 “靜態(tài)數(shù)據(jù)”一般來(lái)說(shuō)都是滿足要求的,不會(huì)有很大的變化,可以直接使用和分析。而對(duì)于“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)”則往往不能直接使用,主要是由于在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置收集到的關(guān)于某一狀態(tài)量的數(shù)據(jù)往往都不是單一不變的,而是很多組隨機(jī)動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)不是每一個(gè)都可以使用,并用于評(píng)估設(shè)備的狀態(tài)。所得到的狀態(tài)量數(shù)據(jù)都是一些 “生”數(shù)據(jù),都需要預(yù)處理成“熟”數(shù)據(jù)。
對(duì)從直流設(shè)備處獲得的分析對(duì)象的原始數(shù)據(jù)即 “生”數(shù)據(jù),根據(jù)狀態(tài)評(píng)價(jià)的要求需要進(jìn)行必要的過(guò)濾、換算、組合等數(shù)據(jù)加工和處理,使其成為反映設(shè)備狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)據(jù)。圖3為設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)處理的功能模塊圖。
圖3 數(shù)據(jù)處理的功能模塊
針對(duì)監(jiān)測(cè)裝置采集到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),常用的狀態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法有:平均值法、加權(quán)平均法、取中間值法以及逐次處理的濾波法[10]。
高壓直流設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),采用的是國(guó)家電網(wǎng)公司推行的直流設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的扣分評(píng)分制度。由于直流輸電設(shè)備的狀態(tài)量比較多,為了使得整個(gè)評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)清晰,便于評(píng)分項(xiàng)目的管理,本文提出一種塔式結(jié)構(gòu)的層次評(píng)價(jià)體系。這種體系結(jié)構(gòu)具體的每一層次的劃分是基于直流設(shè)備狀態(tài)量的分類(lèi)。根據(jù)直流設(shè)備狀態(tài)量的選取和分類(lèi),可以將高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系分為4 個(gè)層次。圖4給出了高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)塔式結(jié)構(gòu)的層次體系圖。
圖4 高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)塔式層次體系
在這個(gè)評(píng)價(jià)體系中,第一層 (即最高層)是設(shè)備狀態(tài)等級(jí);第二層是設(shè)備整體評(píng)價(jià)結(jié)果;第三層是設(shè)備部件的扣分值;第四層 (即最底層)是設(shè)備狀態(tài)量的扣分值。
3.2.1 設(shè)備狀態(tài)評(píng)分
在設(shè)備狀態(tài)評(píng)分過(guò)程中每個(gè)狀態(tài)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一般是不同的,這就為狀態(tài)評(píng)分增加了一定的難度。設(shè)備單個(gè)狀態(tài)量扣分多少主要取決于該狀態(tài)量在反映設(shè)備健康狀況的重要程度以及狀態(tài)量自身的劣化程度。文獻(xiàn) [11,12]提出根據(jù)重要性將狀態(tài)量分為一般狀態(tài)量和重要狀態(tài)量并給定相應(yīng)的權(quán)重值;根據(jù)狀態(tài)量的劣化程度將狀態(tài)量的從輕到重分為4級(jí),即為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,并給定對(duì)應(yīng)的基本扣分值。表1給出了設(shè)備狀態(tài)量的權(quán)重、劣化程度及對(duì)應(yīng)扣分值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)備單個(gè)狀態(tài)量應(yīng)扣分值可按式(1)進(jìn)行計(jì)算,即
式中:Si——狀態(tài)量應(yīng)扣的分值;Bi——狀態(tài)量的基本扣分值;Wi——狀態(tài)量的權(quán)重。
設(shè)備部件的扣分值是將該部件包括的狀態(tài)量的加權(quán)扣分值相加得到,即
式中:S——某部件的扣分值;Si——部件的第i個(gè)狀態(tài)量的加權(quán)扣分值。
3.2.2 設(shè)備狀態(tài)定級(jí)和檢修策略
設(shè)備狀態(tài)等級(jí)的確定一般是以設(shè)備狀態(tài)評(píng)分為依據(jù),設(shè)備的扣分值越大,則設(shè)備的狀態(tài)越差。設(shè)備的基本狀態(tài)與狀態(tài)量的扣分值之間的大致關(guān)系可用如圖5所示的曲線表述,圖5中的正常區(qū)、注意區(qū)、異常區(qū)、嚴(yán)重區(qū)分別對(duì)應(yīng)設(shè)備的4種基本狀態(tài),即正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)以及嚴(yán)重狀態(tài)[13]。
表1 狀態(tài)量的權(quán)重、劣化程度及對(duì)應(yīng)扣分值
圖5 設(shè)備狀態(tài)與狀態(tài)量的扣分值之間關(guān)系
在對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)等級(jí)判定時(shí)要充分考慮設(shè)備部件的狀態(tài)等級(jí)和整體的狀態(tài)等級(jí)。對(duì)于部件的狀態(tài)等級(jí)判定時(shí)值得注意的是判斷設(shè)備處于正常狀態(tài)或注意狀態(tài),應(yīng)充分考慮單項(xiàng)扣分和合計(jì)扣分,當(dāng)它的單項(xiàng)扣分和合計(jì)扣分兩者之一不在相應(yīng)狀態(tài)的扣分范圍內(nèi),其將不屬于相應(yīng)的狀態(tài),它實(shí)現(xiàn)的是一種 “與”的關(guān)系。而對(duì)于異常狀態(tài)或嚴(yán)重狀態(tài)則往往只需考慮它的單項(xiàng)扣分,只要單項(xiàng)扣分達(dá)到要求就評(píng)定為相應(yīng)的狀態(tài)。部件狀態(tài)等級(jí)的判定可以用如圖6所示的流程圖表示。
圖6 狀態(tài)等級(jí)判斷流程
圖6中S1表示設(shè)備處于正常狀態(tài)范圍單項(xiàng)扣分的上限值,S2表示設(shè)備處于注意狀態(tài)范圍單項(xiàng)扣分的上限值,S3表示設(shè)備處于異常狀態(tài)范圍單項(xiàng)扣分的上限值。
設(shè)備狀態(tài)的整體評(píng)價(jià)結(jié)果的判定應(yīng)綜合考慮其各個(gè)部件的結(jié)果,整體評(píng)價(jià)結(jié)果判定的一般形式為
其中,A 為各部件狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果,在此作為判定的條件,B為整體評(píng)價(jià)結(jié)果。其判定過(guò)程可表述為:
當(dāng)A= {所有部件的評(píng)價(jià)結(jié)果為正常狀態(tài)},則B={正常狀態(tài)};
當(dāng)A= {任一部件的狀態(tài)為注意狀態(tài)、異常狀態(tài)或嚴(yán)重狀態(tài)},則B= {max {注意狀態(tài),異常狀態(tài),嚴(yán)重狀態(tài)}};
其中:“max函數(shù)”表示B的結(jié)果為條件A 中所有狀態(tài)中最嚴(yán)重的狀態(tài)。
根據(jù)確定的設(shè)備狀態(tài)等級(jí),結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司制定的檢修決策原則,可以得到如表2所示的狀態(tài)等級(jí)與檢修建議相對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
表2 設(shè)備狀態(tài)等級(jí)與檢修建議
基于.NET 平臺(tái),采用Microsoft Visual Studio 2010軟件開(kāi)發(fā)、面向?qū)ο蟪绦蜷_(kāi)發(fā)語(yǔ)言C++以及Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了高壓直流輸電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作便捷、功能美觀。使用該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)首先進(jìn)行狀態(tài)量信息的錄入,在設(shè)備中心找到所要進(jìn)行評(píng)價(jià)的設(shè)備,載入設(shè)備的狀態(tài)量信息,點(diǎn)擊“信息錄入”按鈕即可完成數(shù)據(jù)的錄入。對(duì)于狀態(tài)量的基本扣分值與權(quán)重不需要手動(dòng)輸入,只要信息錄入后評(píng)價(jià)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)去完成它們之間的映射關(guān)系。
狀態(tài)量信息錄入完成后,用鼠標(biāo)點(diǎn)擊狀態(tài)評(píng)價(jià)欄的“確定”按鈕,即可完成設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià),狀態(tài)評(píng)價(jià)的結(jié)果以表格形式顯示有設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備的加權(quán)扣分值、設(shè)備的狀態(tài)等級(jí)以及系統(tǒng)提出的檢修建議等。另外,用戶還可以導(dǎo)出表格,打印設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的結(jié)果。檢修人員在必要的時(shí)候可以查詢狀態(tài)評(píng)價(jià)信息以及修改設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的規(guī)則。此狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)已經(jīng)成功用于某省電力公司檢修分公司,并取得了較好的效果。
隨著狀態(tài)檢修技術(shù)在高壓直流輸電設(shè)備檢修中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,為達(dá)到狀態(tài)檢修所要求的 “應(yīng)修必修、修必修好”目的,必須對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行有效地、可靠地評(píng)估。而高壓直流輸電設(shè)備眾多,進(jìn)而狀態(tài)評(píng)估的工作量較大,往往導(dǎo)致評(píng)估效果不佳。本文研發(fā)一個(gè)借助于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的高壓直流輸電設(shè)備狀態(tài)檢修的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng),可以有效的解決上述問(wèn)題。該評(píng)價(jià)系統(tǒng)具有高可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性,能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)并且提出檢修建議,可以在一定程度提高狀態(tài)評(píng)價(jià)的可靠性和檢修的效率,具有較強(qiáng)的實(shí)用性,可以為設(shè)備檢修人員所采用。此高壓直流輸電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)主要功能在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后期處理,若在此基礎(chǔ)上對(duì)狀態(tài)評(píng)價(jià)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)展與優(yōu)化,使它與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段結(jié)合,可以更好地提高設(shè)備監(jiān)視和狀態(tài)評(píng)價(jià)的自動(dòng)化水平,更廣泛地為高壓直流輸電系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)檢修服務(wù)。
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