張 彪，王渝紅，李興源，胡 強，肖 屏，王 雷，尹陽陽

（1.四川大學 電氣信息學院，四川 成都610065；2.遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽610021）

0 引 言

狀態(tài)評價作為高壓直流輸電設備狀態(tài)檢修工作中承上啟下最為關鍵的環(huán)節(jié)，為下一步進行檢修決策提供科學依據(jù)，評價質量的高低將直接影響整個狀態(tài)檢修的成效［1，2］。

目前設備狀態(tài)檢修制度還不夠完善、檢修人員技術素質不適應狀態(tài)檢修的要求，在確定設備狀態(tài)的過程中大多使用人工手段進行評價，這導致狀態(tài)評價主觀因素強和隨意性大，設備的實際狀態(tài)和發(fā)展趨勢得不到真實、及時和有效的反映，從而在一定程度上影響到電力設備的安全穩(wěn)定可靠運行，給社會帶來較大經(jīng)濟損失和社會影響［3，4］。從大量的文獻來看，目前通過計算機來實現(xiàn)高壓直流輸電設備的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)在國內還沒有完全的、廣泛的應用與推廣。因此設計一套有針對性、靈活性的軟件分析系統(tǒng)來評價直流設備的狀態(tài)具有很大的適用意義。而隨著計算機軟硬件技術、網(wǎng)絡技術、專家系統(tǒng)等的發(fā)展，可基于這些理論、技術通過軟件來構建一個狀態(tài)評價專家系統(tǒng)，應用這個評價系統(tǒng)對設備的運行狀態(tài)進行評價。

本文首先對高壓直流設備狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的設計進行需求分析，確立專家系統(tǒng)的功能，然后從總體設計和詳細設計兩方面對狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的構建進行分析和說明。再次對狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的核心部分——評價中心模型進行了詳細的分析，提出了一種塔形層次評價方法。最后介紹了狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用。

1 評價系統(tǒng)的需求分析

目前，基于狀態(tài)評價的設備狀態(tài)檢修已經(jīng)在交直流設備檢修過程中得到了廣泛的應用。而借助計算機來實現(xiàn)直流設備狀態(tài)的自動評價還未普及，因此設計一個狀態(tài)評價專家系統(tǒng)對開展設備狀態(tài)檢修具有很重要的意義。

在設計高壓直流輸電設備狀態(tài)檢修的評價系統(tǒng)前需要進行一定的需求分析，這也是軟件設計的前提。在設計狀態(tài)檢修的評價系統(tǒng)時應對設備的運行情況、設備的試驗情況有足夠充分的了解，充分考慮用戶的業(yè)務操作需求。評價系統(tǒng)所采用的軟件設計方法的可靠性論證分析也是必要的。而計算機技術的發(fā)展以及程序開發(fā)語言的成熟，為評價系統(tǒng)的開發(fā)提供了保證。本文所設計的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)需要實現(xiàn)對直流主設備的各狀態(tài)量信息進行采集與處理，能夠根據(jù)設備的狀態(tài)量信息對設備進行狀態(tài)評分以及判定出設備的狀態(tài)等級，最終能夠自動提出相應的檢修策略或建議。設計的系統(tǒng)還具有查詢統(tǒng)計的功能，對于更高級的評價系統(tǒng)可以將設備的風險評估也列為狀態(tài)評價功能的范疇。以上提到的這些需求都是在設計高壓直流輸電設備狀態(tài)評價專家系統(tǒng)時充分考慮的，全部納入了需求分析的范疇。

2 評價系統(tǒng)的設計

狀態(tài)評價專家系統(tǒng)作為開展狀態(tài)檢修工作的一個重要的軟件支撐評估平臺，它以高壓直流輸電設備狀態(tài)檢修導則、評價導則等相關標準為依據(jù)，實現(xiàn)狀態(tài)評價工作信息化、自動化以及智能化，并能滿足設備狀態(tài)檢修管理新技術、新方法和新策略變化發(fā)展的要求。從實際應用的角度，設計的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)應該具有安全性、適用性、開放性、靈活性以及方便管理維護等特點［5］。

2.1 評價系統(tǒng)的總體設計

在進行狀態(tài)評價專家系統(tǒng)設計時應按照先總體設計，再詳細設計步驟進行?？傮w設計主要是確定整個狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的框架結構。一個典型的評價系統(tǒng)應該由數(shù)據(jù)庫、用戶界面、評價中心組成。評價系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫用來存儲評價系統(tǒng)為實現(xiàn)其相應的功能所需要的數(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價結果的顯示。評價中心是評價系統(tǒng)的核心部分，它集結有系統(tǒng)所需的推理數(shù)學模型，其核心是將狀態(tài)推理分析、預測分析、決策分析融合在一起的人工智能分析［6］；評價中心主要實現(xiàn)狀態(tài)量信息的采集與處理、狀態(tài)評分、狀態(tài)定級以及檢修決策。圖1為設備狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的總體框架圖。

圖1 設備狀態(tài)評價專家系統(tǒng)總體框架

2.2 評價系統(tǒng)的詳細設計

狀態(tài)評價專家系統(tǒng)的詳細設計主要包括直流設備中心設計、評價中心設計以及系統(tǒng)管理中心設計。圖2為設計的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)界面體系圖。

圖2 狀態(tài)評價專家系統(tǒng)界面體系

設備中心收集有高壓直流輸電設備如換流閥、換流變壓器、交直流濾波器、平波電抗器等主設備的相關信息。評價中心是該系統(tǒng)的核心部分，它將完成設備的狀態(tài)評價，能夠實現(xiàn)設備信息的采集與處理、設備狀態(tài)評分、設備狀態(tài)定級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新技術發(fā)展要求，便于整個系統(tǒng)的更新與維護，并且提供數(shù)據(jù)庫、評價中心模塊與外界交換信息的接口［7］。

3 狀態(tài)評價中心模型

3.1 狀態(tài)量信息的采集與處理

在開展直流設備狀態(tài)檢修過程中需要收集有關設備的大量信息，這些信息大致分為兩類即 “靜態(tài)數(shù)據(jù)”和 “動態(tài)數(shù)據(jù)”［8］。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括設備的固有特性，比如設備的銘牌參數(shù)、生產(chǎn)廠家、出廠試驗數(shù)據(jù)等。動態(tài)數(shù)據(jù)包括設備的實時運行狀態(tài) （如設備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、定期試驗數(shù)據(jù)、故障情況等）、檢修試驗數(shù)據(jù)、家族性缺陷數(shù)據(jù)等［9］。

設備的狀態(tài)信息是開展狀態(tài)檢修的基礎，所取得的數(shù)據(jù)信息必須要準確可靠，完整規(guī)范，合乎要求。要使采集到的數(shù)據(jù)信息滿足以上特點就需要對數(shù)據(jù)進行一定的處理。對于收集的數(shù)據(jù)中的 “靜態(tài)數(shù)據(jù)”一般來說都是滿足要求的，不會有很大的變化，可以直接使用和分析。而對于“動態(tài)數(shù)據(jù)”則往往不能直接使用，主要是由于在設備運行過程中通過監(jiān)測裝置收集到的關于某一狀態(tài)量的數(shù)據(jù)往往都不是單一不變的，而是很多組隨機動態(tài)變化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不是每一個都可以使用，并用于評估設備的狀態(tài)。所得到的狀態(tài)量數(shù)據(jù)都是一些 “生”數(shù)據(jù)，都需要預處理成“熟”數(shù)據(jù)。

對從直流設備處獲得的分析對象的原始數(shù)據(jù)即 “生”數(shù)據(jù)，根據(jù)狀態(tài)評價的要求需要進行必要的過濾、換算、組合等數(shù)據(jù)加工和處理，使其成為反映設備狀態(tài)的狀態(tài)量數(shù)據(jù)。圖3為設備狀態(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

針對監(jiān)測裝置采集到的動態(tài)數(shù)據(jù)，常用的狀態(tài)數(shù)據(jù)預處理方法有：平均值法、加權平均法、取中間值法以及逐次處理的濾波法［10］。

3.2 狀態(tài)評價及檢修建議

高壓直流設備的狀態(tài)進行評價，采用的是國家電網(wǎng)公司推行的直流設備狀態(tài)評價的扣分評分制度。由于直流輸電設備的狀態(tài)量比較多，為了使得整個評價體系結構清晰，便于評分項目的管理，本文提出一種塔式結構的層次評價體系。這種體系結構具體的每一層次的劃分是基于直流設備狀態(tài)量的分類。根據(jù)直流設備狀態(tài)量的選取和分類，可以將高壓直流輸電設備狀態(tài)評價體系分為4 個層次。圖4給出了高壓直流輸電設備狀態(tài)評價塔式結構的層次體系圖。

圖4 高壓直流輸電設備狀態(tài)評價塔式層次體系

在這個評價體系中，第一層 （即最高層）是設備狀態(tài)等級；第二層是設備整體評價結果；第三層是設備部件的扣分值；第四層 （即最底層）是設備狀態(tài)量的扣分值。

3.2.1 設備狀態(tài)評分

在設備狀態(tài)評分過程中每個狀態(tài)量評判標準一般是不同的，這就為狀態(tài)評分增加了一定的難度。設備單個狀態(tài)量扣分多少主要取決于該狀態(tài)量在反映設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 ［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)量并給定相應的權重值；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，即為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，并給定對應的基本扣分值。表1給出了設備狀態(tài)量的權重、劣化程度及對應扣分值之間的對應關系。設備單個狀態(tài)量應扣分值可按式（1）進行計算，即

式中：Si——狀態(tài)量應扣的分值；Bi——狀態(tài)量的基本扣分值；Wi——狀態(tài)量的權重。

設備部件的扣分值是將該部件包括的狀態(tài)量的加權扣分值相加得到，即

式中：S——某部件的扣分值；Si——部件的第i個狀態(tài)量的加權扣分值。

3.2.2 設備狀態(tài)定級和檢修策略

設備狀態(tài)等級的確定一般是以設備狀態(tài)評分為依據(jù)，設備的扣分值越大，則設備的狀態(tài)越差。設備的基本狀態(tài)與狀態(tài)量的扣分值之間的大致關系可用如圖5所示的曲線表述，圖5中的正常區(qū)、注意區(qū)、異常區(qū)、嚴重區(qū)分別對應設備的4種基本狀態(tài)，即正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)以及嚴重狀態(tài)［13］。

表1 狀態(tài)量的權重、劣化程度及對應扣分值

圖5 設備狀態(tài)與狀態(tài)量的扣分值之間關系

在對設備進行狀態(tài)等級判定時要充分考慮設備部件的狀態(tài)等級和整體的狀態(tài)等級。對于部件的狀態(tài)等級判定時值得注意的是判斷設備處于正常狀態(tài)或注意狀態(tài)，應充分考慮單項扣分和合計扣分，當它的單項扣分和合計扣分兩者之一不在相應狀態(tài)的扣分范圍內，其將不屬于相應的狀態(tài)，它實現(xiàn)的是一種 “與”的關系。而對于異常狀態(tài)或嚴重狀態(tài)則往往只需考慮它的單項扣分，只要單項扣分達到要求就評定為相應的狀態(tài)。部件狀態(tài)等級的判定可以用如圖6所示的流程圖表示。

圖6 狀態(tài)等級判斷流程

圖6中S1表示設備處于正常狀態(tài)范圍單項扣分的上限值，S2表示設備處于注意狀態(tài)范圍單項扣分的上限值，S3表示設備處于異常狀態(tài)范圍單項扣分的上限值。

設備狀態(tài)的整體評價結果的判定應綜合考慮其各個部件的結果，整體評價結果判定的一般形式為

其中，A 為各部件狀態(tài)評價結果，在此作為判定的條件，B為整體評價結果。其判定過程可表述為：

當A＝ ｛所有部件的評價結果為正常狀態(tài)｝，則B＝｛正常狀態(tài)｝；

當A＝ ｛任一部件的狀態(tài)為注意狀態(tài)、異常狀態(tài)或嚴重狀態(tài)｝，則B＝ ｛max ｛注意狀態(tài)，異常狀態(tài)，嚴重狀態(tài)｝｝；

其中：“max函數(shù)”表示B的結果為條件A 中所有狀態(tài)中最嚴重的狀態(tài)。

根據(jù)確定的設備狀態(tài)等級，結合國家電網(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)等級與檢修建議相對應的關系。

表2 設備狀態(tài)等級與檢修建議

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

基于.NET 平臺，采用Microsoft Visual Studio 2010軟件開發(fā)、面向對象程序開發(fā)語言C＋＋以及Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫開發(fā)了高壓直流輸電設備的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作便捷、功能美觀。使用該系統(tǒng)對設備進行狀態(tài)評價時首先進行狀態(tài)量信息的錄入，在設備中心找到所要進行評價的設備，載入設備的狀態(tài)量信息，點擊“信息錄入”按鈕即可完成數(shù)據(jù)的錄入。對于狀態(tài)量的基本扣分值與權重不需要手動輸入，只要信息錄入后評價系統(tǒng)會自動去完成它們之間的映射關系。

狀態(tài)量信息錄入完成后，用鼠標點擊狀態(tài)評價欄的“確定”按鈕，即可完成設備狀態(tài)評價，狀態(tài)評價的結果以表格形式顯示有設備名稱、設備的加權扣分值、設備的狀態(tài)等級以及系統(tǒng)提出的檢修建議等。另外，用戶還可以導出表格，打印設備狀態(tài)評價的結果。檢修人員在必要的時候可以查詢狀態(tài)評價信息以及修改設備狀態(tài)評價的規(guī)則。此狀態(tài)評價專家系統(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。

5 結束語

隨著狀態(tài)檢修技術在高壓直流輸電設備檢修中的應用越來越廣泛，為達到狀態(tài)檢修所要求的 “應修必修、修必修好”目的，必須對設備的狀態(tài)進行有效地、可靠地評估。而高壓直流輸電設備眾多，進而狀態(tài)評估的工作量較大，往往導致評估效果不佳。本文研發(fā)一個借助于計算機平臺的高壓直流輸電設備狀態(tài)檢修的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)，可以有效的解決上述問題。該評價系統(tǒng)具有高可靠性、經(jīng)濟性和靈活性，能夠自動實現(xiàn)設備狀態(tài)評價并且提出檢修建議，可以在一定程度提高狀態(tài)評價的可靠性和檢修的效率，具有較強的實用性，可以為設備檢修人員所采用。此高壓直流輸電設備的狀態(tài)評價專家系統(tǒng)主要功能在監(jiān)測數(shù)據(jù)的后期處理，若在此基礎上對狀態(tài)評價專家系統(tǒng)進一步進行擴展與優(yōu)化，使它與設備狀態(tài)監(jiān)測手段結合，可以更好地提高設備監(jiān)視和狀態(tài)評價的自動化水平，更廣泛地為高壓直流輸電系統(tǒng)的設備狀態(tài)檢修服務。

［1］LI Jinglu，LI Qingshan.Condition based maintenance technology of electric power system［M］.Beijing：China Water Power Press，2011：15－20 （in Chinese）.［李景祿，李青山.電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修技術 ［M］.北京：中國水利水電出版社，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，王曉東.輸變電設備狀態(tài)檢修評 估 分析系統(tǒng) 的 研究 ［J］.繼 電 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）.［張宏亮.錦屏二級水電站機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用探討［J］.四川水力發(fā)電，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）. ［葉久德.電力設備狀態(tài)檢修評價管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn) ［D］.成都：電子科技大學，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）.［鄧難民.電力設備狀態(tài)檢修處理系統(tǒng)設計 ［J］.華電技術，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）.［周建國，李紅雷，趙文彬.基于數(shù)字化平臺的輸變電設備在線分析和狀態(tài)維修技術 ［J］.華東電力，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）.［柳勁松，李曉露，劉東，等.輸變電設備狀態(tài)檢修系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)服務平臺分析 ［J］.華東電力，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，劉文穎，魏帆，等.基于壽命周期成本管理的輸變電設備狀態(tài)檢修策略研究 ［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，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.電力系統(tǒng) 調度自動化和能量管理系統(tǒng) ［M］.四川：四川大學出版社，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，王紅斌，陳忠東.基于狀態(tài)評價及風險評估的輸變電設狀態(tài)檢修策略的研究 ［J］.廣東電力，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）.［吳旭，張建華，吳林偉，等.輸電系統(tǒng)連鎖故障的運行風險評估算法 ［J］.中國電機工程學報，2012，32（34）：74－82.］