楊之望, 王魯楊

(1.上海電力設(shè)計院有限公司, 上海 200025; 2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

21世紀(jì),智能電網(wǎng)的研究已成為電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。從最新智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢來看,人工智能(Artificail Intelligence,AI)[1]技術(shù)在輸電線路在線監(jiān)測和狀態(tài)維修方面的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。AI將為電力工業(yè)的發(fā)展開辟全新的途徑。

1 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

為了提高輸電線路安全運行水平、故障診斷和綜合防災(zāi)的能力,電力工程師經(jīng)過多年的研究,運用AI實現(xiàn)了對線路影響較大的自然災(zāi)害信息的監(jiān)測、診斷、分析、預(yù)報,建立了保障輸電線路安全運行智能化監(jiān)測的理念。在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā),可以對輸電線路的避雷器、絕緣子、覆冰、舞動以及輸電線路安全運行等故障進行預(yù)診斷,安裝有針對性的傳感器,全天候監(jiān)測線路運行狀況,可以增強線路的安全可靠性,從而實現(xiàn)線路監(jiān)測的智能化。

1.1 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)由兩部分組成:第一部分由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集主要由高性能的傳感器和視頻探頭來進行,可以對避雷器、絕緣子、覆冰、舞動、傳輸導(dǎo)線增容和安全運行等進行全方位的監(jiān)測,前端系統(tǒng)對所收集數(shù)據(jù)進行處理后,通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心;第二部分由后端分析處理系統(tǒng)構(gòu)成,后端主要由AI方式處理相應(yīng)信號,得出監(jiān)測輸電線路的實時診斷結(jié)論。為了實現(xiàn)輸電線路的在線監(jiān)測,開發(fā)了輸電線路智能化監(jiān)測的總體框架,如圖1所示。

圖1 輸電線路智能化監(jiān)測框架

在輸電線路的監(jiān)測系統(tǒng)中,傳感器的性能是在線監(jiān)測的關(guān)鍵。傳感器的實質(zhì)是用來模擬人類的感官功能,對輸電線路運行的狀態(tài)(電流強度、電壓等級、線路溫度)和環(huán)境條件(溫度、日照、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等)進行全方位的監(jiān)測。在線監(jiān)測的設(shè)備主要包括測導(dǎo)線溫度的紅外傳感器;測電流的傳感器;監(jiān)測環(huán)境氣象變化的傳感器(包括氣溫、濕度、光照、風(fēng)速等);監(jiān)測避雷器和絕緣子污閃、覆冰、舞動的傳感器、遠(yuǎn)程視頻裝置等。近年來,國內(nèi)外輸電線路和鐵塔上的探測熱點紛紛安裝各類傳感器,直接采集相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù),及時傳輸至監(jiān)控中心。

1.2 數(shù)據(jù)信號的無線傳輸

無線通信技術(shù)的發(fā)展,實現(xiàn)了信號的高速傳輸和網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋。在輸電線路探測熱點部位安裝傳感器,采集監(jiān)測數(shù)據(jù)信號,經(jīng)無線通信網(wǎng)絡(luò)GPRS/CDMA/3G[2],可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)(包括線路運行溫度、環(huán)境狀況、避雷器和絕緣子泄漏電流、覆冰、舞動幅度等實時數(shù)據(jù))和監(jiān)測圖像的實時傳輸。

無線通信技術(shù)將現(xiàn)場取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻信號輸送到監(jiān)控中心,可以有效地完成輸電線路智能化監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)的同步傳輸,通過GPRS技術(shù),集成輸電線路運行在線監(jiān)測數(shù)據(jù),與AI的故障診斷技術(shù)相結(jié)合,建立起一體化的監(jiān)測信息平臺,可以實現(xiàn)對輸電線路的智能化監(jiān)測。

2 AI監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

AI輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,在于它具有創(chuàng)新性、前瞻性和實用性。智能化監(jiān)測、診斷系統(tǒng)由專家系統(tǒng)(Expert System,ES)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificail Neural Network,ANN)組成。

2.1 輸電線路在線監(jiān)測專家系統(tǒng)

ES是AI應(yīng)用和研究最活躍和最廣泛的課題。它具有啟發(fā)性、透明性和靈活性。輸電線路在線監(jiān)測專家系統(tǒng)[3]的開發(fā),是根據(jù)監(jiān)測收集的數(shù)據(jù)來推斷輸電線路故障的原因,其結(jié)構(gòu)由知識庫、數(shù)據(jù)庫、解釋機制、推理機和人機接口5部分組成。

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)通過輸電線路中避雷器、絕緣子污閃、覆冰、舞動、線路安全運行和遠(yuǎn)程可視等傳感監(jiān)測手段獲得的數(shù)據(jù)信號,建立ES靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫;推理機制采用正向推理;ES的核心是知識庫,輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)知識的表達(dá)采用產(chǎn)生式規(guī)則,把知識表示成一般的IF-THEN(條件—結(jié)論)形式,知識的獲取遵循領(lǐng)域知識和現(xiàn)場運行經(jīng)驗。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的知識庫建成模塊化結(jié)構(gòu),各模塊間相互獨立,由協(xié)調(diào)器控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作。當(dāng)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)運行時,首先啟動輸電線路遠(yuǎn)程可視監(jiān)測模塊,獲取現(xiàn)場的可視圖像,然后啟動避雷器模塊、絕緣子污閃模塊、覆冰監(jiān)測模塊、舞動監(jiān)測模塊、輸電線路安全運行模塊,最后根椐各模塊各自的分析結(jié)果,啟動綜合分析模塊,進行全面的判斷。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)可對運行中的輸電線路作出早期故障診斷結(jié)論,對現(xiàn)場運行人員提供參考意見。

2.2 專家系統(tǒng)知識庫

輸電線路專家系統(tǒng)知識庫的開發(fā),取決于領(lǐng)域?qū)＜业闹R和運行人員的經(jīng)驗。其知識庫由避雷器監(jiān)測模塊、絕緣子監(jiān)測模塊、覆冰監(jiān)測模塊、舞動監(jiān)測模塊、線路運行監(jiān)測模塊和遠(yuǎn)程可視監(jiān)測模塊組成。知識庫模塊如圖2所示。

圖2 知識庫模塊示意

2.2.1 絕緣子監(jiān)測模塊

絕緣子是一種特殊的絕緣控件,用來支持導(dǎo)線的絕緣體[4]。絕緣子受到自然環(huán)境污穢和工業(yè)污穢時,會沉積在瓷表面上形成污穢層。被污染的絕緣子在電壓的作用下,遇到一定的外部條件,會發(fā)生沿面污穢閃絡(luò)現(xiàn)象。污閃會對輸電線路運行構(gòu)成重大威脅。因此,絕緣子的好壞對線路的安全運行十分重要,絕緣子既要有足夠的機械強度,又要有絕緣良好的電氣性能。

利用泄漏電流值可反映絕緣子的污穢程度,泄漏電流適合于在線測量。隨著絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測裝置的出現(xiàn),在絕緣子上安裝電流傳感器,可以實時監(jiān)測泄漏電流的大小(通常將動態(tài)泄漏電流Ih報警值設(shè)為40 mA)。將測量的數(shù)據(jù)信號通過GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心,由AI依據(jù)泄漏電流信息,診斷絕緣子的污穢程度,作出污閃發(fā)生的預(yù)警告示。

2.2.2 避雷器監(jiān)測模塊

金屬氧化鋅避雷器是一種保護性能優(yōu)越、質(zhì)量輕、耐污穢、性能穩(wěn)定的避雷設(shè)備,在輸電線路中,其可以有效地限制線路的過電壓,大大減少輸電線路遭雷擊的跳閘故障。 在正常工作電壓時,流過避雷器的電流極小(微安或毫安級),當(dāng)過電壓作用時,電阻急劇下降,泄放過電壓的能量,達(dá)到保護輸電線路絕緣免受過電壓危害的效果。

近年來,國內(nèi)輸電線路廣泛采用金屬氧化鋅避雷器[5]。避雷器應(yīng)用后,會因其內(nèi)部受潮、閥門片自身老化、環(huán)境污染等因素造成損壞,甚至發(fā)生爆炸事故。在日常維護中,現(xiàn)場人員對避雷器瓷套表面的污染狀況作定期檢查,測量絕緣電阻和泄漏電流,一旦發(fā)現(xiàn)避雷器絕緣電阻明顯降低或被擊穿,立即更換,以保障避雷器性能的完好。相關(guān)專家深入研究了避雷器在線監(jiān)測機理,提出了泄漏電流值與避雷器性能的對應(yīng)關(guān)系。將監(jiān)測泄漏電流的傳感器安裝在避雷器的對應(yīng)部位,對避雷器外表面泄漏電流(阻性電流Ir,正常值設(shè)為0.4～0.6 mA)進行采樣,取得相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),通過GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心,人工智能判斷避雷器的性能、狀態(tài),及時作出故障診斷預(yù)報。

2.2.3 覆冰監(jiān)測模塊

在環(huán)境溫度接近或低于0 ℃時,凍結(jié)在導(dǎo)線表面白色透明或不透明的冰層稱為輸電線路覆冰現(xiàn)象。輸電線路覆冰在我國分布比較廣泛[6],研究輸電線路覆冰影響因素與覆冰形成的機理,對覆冰的預(yù)測幫助很大。電力專家經(jīng)過多年的研究,確定了影響輸電線路覆冰的因素有:氣象因素、季節(jié)因素、高度因素、線路走向和導(dǎo)線自身因素等。分析各種氣象參數(shù)(風(fēng)速、濕度、溫度、雪花等)對覆冰的影響,計算覆冰的數(shù)據(jù)模型,定性分析覆冰狀況,推算覆冰的厚度和發(fā)展趨勢,采用合適的防冰、除冰方法,對保障線路的正常運行有著重要意義。

輸電線路覆冰厚度監(jiān)測可以分為圖像法、稱重法等。輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)采用線路視頻監(jiān)測技術(shù)、力學(xué)載荷計算方式、傾角變化弧垂技術(shù)等綜合方法來監(jiān)測線路的覆冰狀況。其裝置主要由前端智能攝像機、微氣象傳感器和拉力傾斜傳感器構(gòu)成。由傳感器采集到的覆冰的相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖像信號,通過GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò),將實時信號傳輸至監(jiān)控中心,由AI分析和診斷覆冰狀況,推算出覆冰的厚度和發(fā)展趨勢,發(fā)出導(dǎo)線覆冰的預(yù)警信號。

2.2.4 舞動監(jiān)測模塊

輸電線路舞動會引起導(dǎo)線斷裂、金具磨損、桿塔傾倒、線路跳閘等故障,造成大面積停電等嚴(yán)重事故。輸電線路舞動的發(fā)生是一種由于空氣動力不穩(wěn)定而產(chǎn)生的現(xiàn)象,是導(dǎo)線在風(fēng)的影響下產(chǎn)生的一種低頻率、大振幅的自激振動。目前,對輸電線路舞動的研究主要集中在導(dǎo)線舞動的機理和導(dǎo)線力學(xué)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)方面,對已發(fā)生或可能發(fā)生舞動的線路,需及時調(diào)整防舞方案,采取加裝防舞器等措施。

風(fēng)激勵是導(dǎo)線舞動的直接原因。通過在線路上安裝環(huán)境氣象(風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等)傳感器、振動(幅度)傳感器,或在塔桿上安裝視頻傳感器,可以實時監(jiān)控輸電線路的狀態(tài)[7]。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重舞動形態(tài)時,傳感器將獲取的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信號,通過GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心,由AI作出診斷,發(fā)布舞動故障的預(yù)警報告。

2.2.5 線路運行監(jiān)測模塊

加強輸電線路的管理,保障輸電線路的安全運行,是電力行業(yè)的工作重心。輸電線路需要科學(xué)合理的設(shè)計[8],面對我國用電緊張的局面,實施輸電線路動態(tài)增容尤為需要。通常導(dǎo)線溫度限額是70 ℃,由于導(dǎo)線綜合機械強度在70～90 ℃內(nèi)幾乎不變,在保障輸電線路安全的前提下,將輸電線路運行溫度由規(guī)定的70 ℃提升到80 ℃或90 ℃,可大大提高線路輸電能力。同時,為了保證輸電的安全,要加強輸電線路的日常巡視、檢查、維修等工作,在線路維護過程中,進行線路檢測可以及時發(fā)現(xiàn)線路中存在的安全隱患,檢測效果直接影響到線路維護工作的有效性。

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā),可以對輸電線路狀態(tài)維修起到?jīng)Q定性的作用。在線路上和鐵塔上安裝各類傳感裝置,便于對輸電線路的運行狀態(tài)(導(dǎo)線溫度、額定電壓、電流強度)和環(huán)境條件(氣溫、風(fēng)速、日照等)進行全方位的監(jiān)測。輸電線路在線監(jiān)測采集的實時信號由監(jiān)測傳感器獲取,數(shù)據(jù)信號經(jīng)GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心,由AI對輸電線路的性能、狀態(tài)及存在的早期潛伏性故障作出診斷。

2.2.6 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測模塊

輸電線路遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測系統(tǒng)由高清攝像機和低功耗視頻主機及供電系統(tǒng)組成。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括圖像數(shù)據(jù)采集壓縮編解碼技術(shù)、3G無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(包括遠(yuǎn)程傳輸TCP/IP協(xié)議)、太陽能及蓄電池供電技術(shù)、信號處理及診斷技術(shù)等。系統(tǒng)可以對輸電線路、塔桿、避雷器、絕緣子、覆冰、導(dǎo)線風(fēng)偏、舞動等狀況實行不間斷的監(jiān)測,對線路周邊通道環(huán)境情況,包括施工、樹木生長等情況進行監(jiān)控,以便隨時掌握輸電線路的安全狀況,實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)的檢修和管理,提升生產(chǎn)運行管理的水平。

輸電線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)由圖像編碼器、圖像監(jiān)控流媒體服務(wù)器和客戶端監(jiān)控軟件組成。圖像編碼器將實時采集的數(shù)據(jù)信號,經(jīng)壓縮編碼處理后,通過無線GPRS/CDMA/3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至視頻監(jiān)控中心的流媒體服務(wù)器,在監(jiān)控中心登錄客戶端監(jiān)控軟件,對視頻流進行解碼,并由計算機控制顯示高性能圖像傳感器獲取的現(xiàn)場圖像,即可以看到攝像頭拍攝的現(xiàn)場視頻畫面,從而實現(xiàn)圖像的瀏覽、監(jiān)控,再統(tǒng)一由AI處理相關(guān)信息。

2.3 輸電線路的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

ANN是AI的一個重要分支,是一種模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,具有很強的學(xué)習(xí)和推理能力,能夠發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中的非線性關(guān)系?；贏NN原理的故障診斷與基于ES原理的故障診斷相比,最大的區(qū)別是不需要做知識獲取、知識表達(dá)和知識庫建立的工作。ANN是一種信息處理系統(tǒng),具有并行分布處理、自適應(yīng)、聯(lián)想記憶等優(yōu)點。它采用了反向傳播(Back Propagation,BP)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有模式分類能力,可以較好地處理故障診斷中的一些模糊問題。ANN僅需相關(guān)專家所提供的大量現(xiàn)場信息,運用大數(shù)據(jù)加一定的學(xué)習(xí)算法進行樣本訓(xùn)練,形成ANN故障診斷樣本集。它是一種智能型工具。

輸電線路人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā),增強了線路的在線監(jiān)測、狀態(tài)維修和故障診斷的能力。輸電線路人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,ANN的輸入層、隱含層和輸出層維數(shù)是由輸電線路故障診斷狀態(tài)來決定的。其網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

輸電線路人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用3層BP網(wǎng)絡(luò),只包含一個隱含層,隱含層神經(jīng)元的個數(shù)是通過經(jīng)驗和樣本訓(xùn)練過程中對輸電線路故障因素與準(zhǔn)確率的比較,觀察收斂速度和目標(biāo)誤差達(dá)到的效果來決定的;輸入層節(jié)點個數(shù),選取從傳感器直接獲取的特征數(shù)據(jù),對應(yīng)輸電線路特性和故障診斷中的特殊地位,選擇傳感監(jiān)測信號中的運行溫度參數(shù)T、氣象參數(shù)F、電壓等級U、電流強度I等作為輸入層節(jié)點的特征輸入元素;輸出層節(jié)點個數(shù)選定為4個特征量,分別對應(yīng)輸電線路運行中常見的4種狀態(tài),即線路輸出Y1值表示為正常的程度,Y2值為過熱,Y3值為故障,Y4值為老化的程度。ANN每個輸出元素的值在0～1,0～1之間數(shù)值的大小表示對應(yīng)輸電線路故障起因的程度。當(dāng)Y2,Y3,Y4的值大于0.5時,表示已存在故障;數(shù)值越趨近1,則表示輸電線路故障越嚴(yán)重。

3 AI診斷實例

上海某供電局2015年3月17日架空輸電線Y10W-100/260型避雷器在線測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 避雷器泄漏電流采樣數(shù)據(jù)

輸電線路在線監(jiān)測專家系統(tǒng)診斷結(jié)論:塔11259N A相避雷器存在問題,應(yīng)更換;塔11217N B相避雷器應(yīng)清洗;塔11298N C相避雷器正常。

輸電線路人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)論:塔11259N A相避雷器Y3值為0.937 5,A相避雷器存在問題(故障性質(zhì)趨嚴(yán)重),應(yīng)更換;塔11217N B相避雷器Y2值為0.787 5,過熱應(yīng)清洗;塔11298N C相避雷器Y1值為0.517 5,屬正常運行范圍。

現(xiàn)場專家處理意見:塔11259N A相避雷器嚴(yán)重?fù)p壞,采取措施,更換避雷器;塔11217N B相避雷器須清洗;塔11298N C相避雷器正常。

4 結(jié) 語

AI的實現(xiàn)需要大量硬件的支撐,而軟件工程更是AI的核心技術(shù)。近年來,AI在輸電線路狀態(tài)檢測和故障診斷中的開發(fā)和應(yīng)用,極大地提高了輸電線路在線監(jiān)測的智能化水平,保障了輸電線路的安全、可靠,降低了事故的發(fā)生率。隨著AI輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的逐步推廣,AI正越來越顯示出強大的生命力。