高压直流输电设备状态评价专家系统研究

张 彪，王渝红，李兴源，胡 强，肖 屏，王 雷，尹阳阳

（1.四川大学 电气信息学院，四川 成都610065；2.辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳610021）

0 引 言

状态评价作为高压直流输电设备状态检修工作中承上启下最为关键的环节，为下一步进行检修决策提供科学依据，评价质量的高低将直接影响整个状态检修的成效［1，2］。

目前设备状态检修制度还不够完善、检修人员技术素质不适应状态检修的要求，在确定设备状态的过程中大多使用人工手段进行评价，这导致状态评价主观因素强和随意性大，设备的实际状态和发展趋势得不到真实、及时和有效的反映，从而在一定程度上影响到电力设备的安全稳定可靠运行，给社会带来较大经济损失和社会影响［3，4］。从大量的文献来看，目前通过计算机来实现高压直流输电设备的状态评价专家系统在国内还没有完全的、广泛的应用与推广。因此设计一套有针对性、灵活性的软件分析系统来评价直流设备的状态具有很大的适用意义。而随着计算机软硬件技术、网络技术、专家系统等的发展，可基于这些理论、技术通过软件来构建一个状态评价专家系统，应用这个评价系统对设备的运行状态进行评价。

本文首先对高压直流设备状态评价专家系统的设计进行需求分析，确立专家系统的功能，然后从总体设计和详细设计两方面对状态评价专家系统的构建进行分析和说明。再次对状态评价专家系统的核心部分——评价中心模型进行了详细的分析，提出了一种塔形层次评价方法。最后介绍了状态评价专家系统的实现与应用。

1 评价系统的需求分析

目前，基于状态评价的设备状态检修已经在交直流设备检修过程中得到了广泛的应用。而借助计算机来实现直流设备状态的自动评价还未普及，因此设计一个状态评价专家系统对开展设备状态检修具有很重要的意义。

在设计高压直流输电设备状态检修的评价系统前需要进行一定的需求分析，这也是软件设计的前提。在设计状态检修的评价系统时应对设备的运行情况、设备的试验情况有足够充分的了解，充分考虑用户的业务操作需求。评价系统所采用的软件设计方法的可靠性论证分析也是必要的。而计算机技术的发展以及程序开发语言的成熟，为评价系统的开发提供了保证。本文所设计的状态评价专家系统需要实现对直流主设备的各状态量信息进行采集与处理，能够根据设备的状态量信息对设备进行状态评分以及判定出设备的状态等级，最终能够自动提出相应的检修策略或建议。设计的系统还具有查询统计的功能，对于更高级的评价系统可以将设备的风险评估也列为状态评价功能的范畴。以上提到的这些需求都是在设计高压直流输电设备状态评价专家系统时充分考虑的，全部纳入了需求分析的范畴。

2 评价系统的设计

状态评价专家系统作为开展状态检修工作的一个重要的软件支撑评估平台，它以高压直流输电设备状态检修导则、评价导则等相关标准为依据，实现状态评价工作信息化、自动化以及智能化，并能满足设备状态检修管理新技术、新方法和新策略变化发展的要求。从实际应用的角度，设计的状态评价专家系统应该具有安全性、适用性、开放性、灵活性以及方便管理维护等特点［5］。

2.1 评价系统的总体设计

在进行状态评价专家系统设计时应按照先总体设计，再详细设计步骤进行。总体设计主要是确定整个状态评价专家系统的框架结构。一个典型的评价系统应该由数据库、用户界面、评价中心组成。评价系统的数据库用来存储评价系统为实现其相应的功能所需要的数据。用户界面一般包括输入和输出两部分，其主要完成控制命令的输入和评价结果的显示。评价中心是评价系统的核心部分，它集结有系统所需的推理数学模型，其核心是将状态推理分析、预测分析、决策分析融合在一起的人工智能分析［6］；评价中心主要实现状态量信息的采集与处理、状态评分、状态定级以及检修决策。图1为设备状态评价专家系统的总体框架图。

图1 设备状态评价专家系统总体框架

2.2 评价系统的详细设计

状态评价专家系统的详细设计主要包括直流设备中心设计、评价中心设计以及系统管理中心设计。图2为设计的状态评价专家系统界面体系图。

图2 状态评价专家系统界面体系

设备中心收集有高压直流输电设备如换流阀、换流变压器、交直流滤波器、平波电抗器等主设备的相关信息。评价中心是该系统的核心部分，它将完成设备的状态评价，能够实现设备信息的采集与处理、设备状态评分、设备状态定级以及提出检修策略或建议等。系统管理中心主要是为了顺应新技术发展要求，便于整个系统的更新与维护，并且提供数据库、评价中心模块与外界交换信息的接口［7］。

3 状态评价中心模型

3.1 状态量信息的采集与处理

在开展直流设备状态检修过程中需要收集有关设备的大量信息，这些信息大致分为两类即 “静态数据”和 “动态数据”［8］。静态数据包括设备的固有特性，比如设备的铭牌参数、生产厂家、出厂试验数据等。动态数据包括设备的实时运行状态 （如设备的实时监测数据、定期试验数据、故障情况等）、检修试验数据、家族性缺陷数据等［9］。

设备的状态信息是开展状态检修的基础，所取得的数据信息必须要准确可靠，完整规范，合乎要求。要使采集到的数据信息满足以上特点就需要对数据进行一定的处理。对于收集的数据中的 “静态数据”一般来说都是满足要求的，不会有很大的变化，可以直接使用和分析。而对于“动态数据”则往往不能直接使用，主要是由于在设备运行过程中通过监测装置收集到的关于某一状态量的数据往往都不是单一不变的，而是很多组随机动态变化数据，这些数据不是每一个都可以使用，并用于评估设备的状态。所得到的状态量数据都是一些 “生”数据，都需要预处理成“熟”数据。

对从直流设备处获得的分析对象的原始数据即 “生”数据，根据状态评价的要求需要进行必要的过滤、换算、组合等数据加工和处理，使其成为反映设备状态的状态量数据。图3为设备状态数据处理的功能模块图。

图3 数据处理的功能模块

针对监测装置采集到的动态数据，常用的状态数据预处理方法有：平均值法、加权平均法、取中间值法以及逐次处理的滤波法［10］。

3.2 状态评价及检修建议

高压直流设备的状态进行评价，采用的是国家电网公司推行的直流设备状态评价的扣分评分制度。由于直流输电设备的状态量比较多，为了使得整个评价体系结构清晰，便于评分项目的管理，本文提出一种塔式结构的层次评价体系。这种体系结构具体的每一层次的划分是基于直流设备状态量的分类。根据直流设备状态量的选取和分类，可以将高压直流输电设备状态评价体系分为4 个层次。图4给出了高压直流输电设备状态评价塔式结构的层次体系图。

图4 高压直流输电设备状态评价塔式层次体系

在这个评价体系中，第一层 （即最高层）是设备状态等级；第二层是设备整体评价结果；第三层是设备部件的扣分值；第四层 （即最底层）是设备状态量的扣分值。

3.2.1 设备状态评分

在设备状态评分过程中每个状态量评判标准一般是不同的，这就为状态评分增加了一定的难度。设备单个状态量扣分多少主要取决于该状态量在反映设备健康状况的重要程度以及状态量自身的劣化程度。文献 ［11，12］提出根据重要性将状态量分为一般状态量和重要状态量并给定相应的权重值；根据状态量的劣化程度将状态量的从轻到重分为4级，即为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，并给定对应的基本扣分值。表1给出了设备状态量的权重、劣化程度及对应扣分值之间的对应关系。设备单个状态量应扣分值可按式（1）进行计算，即

式中：Si——状态量应扣的分值；Bi——状态量的基本扣分值；Wi——状态量的权重。

设备部件的扣分值是将该部件包括的状态量的加权扣分值相加得到，即

式中：S——某部件的扣分值；Si——部件的第i个状态量的加权扣分值。

3.2.2 设备状态定级和检修策略

设备状态等级的确定一般是以设备状态评分为依据，设备的扣分值越大，则设备的状态越差。设备的基本状态与状态量的扣分值之间的大致关系可用如图5所示的曲线表述，图5中的正常区、注意区、异常区、严重区分别对应设备的4种基本状态，即正常状态、注意状态、异常状态以及严重状态［13］。

表1 状态量的权重、劣化程度及对应扣分值

图5 设备状态与状态量的扣分值之间关系

在对设备进行状态等级判定时要充分考虑设备部件的状态等级和整体的状态等级。对于部件的状态等级判定时值得注意的是判断设备处于正常状态或注意状态，应充分考虑单项扣分和合计扣分，当它的单项扣分和合计扣分两者之一不在相应状态的扣分范围内，其将不属于相应的状态，它实现的是一种 “与”的关系。而对于异常状态或严重状态则往往只需考虑它的单项扣分，只要单项扣分达到要求就评定为相应的状态。部件状态等级的判定可以用如图6所示的流程图表示。

图6 状态等级判断流程

图6中S1表示设备处于正常状态范围单项扣分的上限值，S2表示设备处于注意状态范围单项扣分的上限值，S3表示设备处于异常状态范围单项扣分的上限值。

设备状态的整体评价结果的判定应综合考虑其各个部件的结果，整体评价结果判定的一般形式为

其中，A 为各部件状态评价结果，在此作为判定的条件，B为整体评价结果。其判定过程可表述为：

当A＝ ｛所有部件的评价结果为正常状态｝，则B＝｛正常状态｝；

当A＝ ｛任一部件的状态为注意状态、异常状态或严重状态｝，则B＝ ｛max ｛注意状态，异常状态，严重状态｝｝；

其中：“max函数”表示B的结果为条件A 中所有状态中最严重的状态。

根据确定的设备状态等级，结合国家电网公司制定的检修决策原则，可以得到如表2所示的状态等级与检修建议相对应的关系。

表2 设备状态等级与检修建议

4 系统的实现与应用

基于.NET 平台，采用Microsoft Visual Studio 2010软件开发、面向对象程序开发语言C＋＋以及Microsoft SQL Server 2008数据库开发了高压直流输电设备的状态评价专家系统。该系统操作便捷、功能美观。使用该系统对设备进行状态评价时首先进行状态量信息的录入，在设备中心找到所要进行评价的设备，载入设备的状态量信息，点击“信息录入”按钮即可完成数据的录入。对于状态量的基本扣分值与权重不需要手动输入，只要信息录入后评价系统会自动去完成它们之间的映射关系。

状态量信息录入完成后，用鼠标点击状态评价栏的“确定”按钮，即可完成设备状态评价，状态评价的结果以表格形式显示有设备名称、设备的加权扣分值、设备的状态等级以及系统提出的检修建议等。另外，用户还可以导出表格，打印设备状态评价的结果。检修人员在必要的时候可以查询状态评价信息以及修改设备状态评价的规则。此状态评价专家系统已经成功用于某省电力公司检修分公司，并取得了较好的效果。

5 结束语

随着状态检修技术在高压直流输电设备检修中的应用越来越广泛，为达到状态检修所要求的 “应修必修、修必修好”目的，必须对设备的状态进行有效地、可靠地评估。而高压直流输电设备众多，进而状态评估的工作量较大，往往导致评估效果不佳。本文研发一个借助于计算机平台的高压直流输电设备状态检修的状态评价专家系统，可以有效的解决上述问题。该评价系统具有高可靠性、经济性和灵活性，能够自动实现设备状态评价并且提出检修建议，可以在一定程度提高状态评价的可靠性和检修的效率，具有较强的实用性，可以为设备检修人员所采用。此高压直流输电设备的状态评价专家系统主要功能在监测数据的后期处理，若在此基础上对状态评价专家系统进一步进行扩展与优化，使它与设备状态监测手段结合，可以更好地提高设备监视和状态评价的自动化水平，更广泛地为高压直流输电系统的设备状态检修服务。

［1］LI Jinglu，LI Qingshan.Condition based maintenance technology of electric power system［M］.Beijing：China Water Power Press，2011：15－20 （in Chinese）.［李景禄，李青山.电力系统状态检修技术 ［M］.北京：中国水利水电出版社，2011：15－20.］

［2］Yin Hua，Wang Yong，Wu Gaolin，et al.Discussion on condition－based maintenance for electric equipment in Chongqing electric power corporation［C］／／International Conference on High Voltage Engineering and Application，2008.

［3］SONG Renjie，WANG Xiaodong.Research on assessment and analysis system of condition－based maintenance for power transmission and transformation equipment［J］.RELAY，2008，36（9）：54－57（in Chinese）.［宋人杰，王晓东.输变电设备状态检修评 估 分析系统 的 研究 ［J］.继 电 器，2008，36 （9）：54－57.］

［4］ZHANG Hongliang.Discussion on online monitoring system design and application at Jinping II hydropower station［J］.Sichuan Water Power，2013，32 （1）：73－75 （in Chinese）.［张宏亮.锦屏二级水电站机组状态在线监测系统设计与应用探讨［J］.四川水力发电，2013，32 （1）：73－75.］

［5］YE Jiude.Design and implementation of condition－based maintenance evaluation management system for electric power equipment［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011：20－21 （in Chinese）. ［叶久德.电力设备状态检修评价管理系统设计与实现 ［D］.成都：电子科技大学，2011：20－21.］

［6］DENG Nanmin.Design of condition－based maintenance system of electric power equipment［J］.Huadian Technology，2008，30 （12）：51－52（in Chinese）.［邓难民.电力设备状态检修处理系统设计 ［J］.华电技术，2008，30 （12）：51－52.］

［7］ZHOU Jianguo，LI Honglei，ZHAO Wenbin.On－line analysis and condition－based maintenance technology for transmission and transformation equipment based on digital platforms［J］.East China Electric Power，2009，37 （7）：1078－1079（in Chinese）.［周建国，李红雷，赵文彬.基于数字化平台的输变电设备在线分析和状态维修技术 ［J］.华东电力，2009，37（7）：1078－1079.］

［8］LIU Jinsong，LI Xiaolu，LIU Dong，et al.Analysis on data service foundations of state maintenance system for power transmission and transformation equipment［J］.East China Electric Power，2010，38 （2）：216－219（in Chinese）.［柳劲松，李晓露，刘东，等.输变电设备状态检修系统的基础数据服务平台分析 ［J］.华东电力，2010，38 （2）：216－219.］

［9］WANG Jiaming，LIU Wenying，WEI Fan，et al.Study on policies of condition based maintenance of transmission and distribution equipment combined with life cycle cost management［J］.Power System Protection and Control，2011，39 （5）：77－80（in Chinese）.［王佳明，刘文颖，魏帆，等.基于寿命周期成本管理的输变电设备状态检修策略研究 ［J］.电力系统保护与控制，2011，39 （5）：77－80.］

［10］TENG Fusheng.Power system dispatching automation and energy management system［M］.Sichuan：Sichuan University Press，2004：20－21 （in Chinese）.［滕福生.电力系统 调度自动化和能量管理系统 ［M］.四川：四川大学出版社，2004：20－21.］

［11］Q／GDW 498－2010，Guide for condition evaluation of HVDC converter valve ［S］.Beijing：State Grid Corporation of China，2010.

［12］LA Yuan，WANG Hongbin，CHEN Zhongdong.Research on condition based maintenance strategy of transmission and transformation equipments based on condition evaluation and risk assessment［J］.Guangdong Electric Power.2010，23（10）：36－37（in Chinese）.［喇元，王红斌，陈忠东.基于状态评价及风险评估的输变电设状态检修策略的研究 ［J］.广东电力，2010，23 （10）：36－37.］

［13］WU Xu，ZHANG Jianhua，WU Linwei，et al.Method of operational risk assessment on transmission system cascading failure［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32 （34）：74－82（in Chinese）.［吴旭，张建华，吴林伟，等.输电系统连锁故障的运行风险评估算法 ［J］.中国电机工程学报，2012，32（34）：74－82.］