基于智能电网的设备在线监测与故障诊断

     0 引言

　　随着电网现代化程度的不断提高，以及建设“统一坚强”智能电网目标的提出，电气设备从事故检修到定期检修，再到状态检修的转变是技术发展的必然趋势。与原先的事故检修和定期检修不同是，状态检修必须以先进的在线监测为基础。

　　在线监测、故障诊断、实施维修构成了电气设备在线状态检修的内涵，而智能电网的建设又为电气设备在线监测与故障诊断提供了新的发展机遇，同时也提出了新的要求。本文所叙述的在线监测仅限于电气主设备和辅助控制设备，其他的诸如无功电压、线损等在线监测不在表述的范围之内，但是它们之间有许多相同或相似之处，可供借鉴。

　　1 智能电网的特点

　　智能电网是指电网的智能化，是建立在集成的、高速的双向通信网络的基础之上。通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法，以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。其主要特征包括自愈、抵御攻击，提供满足用户需求的电能质量，容许不同发电形式的接入，启动电力市场，以及资产的优化、高效运行。

　　智能电网将进一步拓展对电网全景信息( 指完整的、正确的、具有时间断面的、标准化的电力流、信息流、业务流等信息) 的获取能力。以坚强、可靠、通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础，以服务生产全过程为需求，整合系统各种实时生产和运营信息，通过加强对电网业务流实时动态的分析、诊断和优化，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整和精细的电网运营状态图，并给出相应的辅助决策支持，以及控制实施方案和应对预案，地实现更为精细、准确、及时、绩优的电网运行和管理。

　　2 传统电网与智能电网电气设备的区别

　　2. 1 传统电网电气设备

　　传动电网电气设备多是基于电磁原理的发电机、变压器、电流互感器、电压互感器等等，有些如变压器等设备，是没有自动控制功能，更没有通信功能。绝缘主要是依靠传统的绝缘介质，如空气、绝缘油、绝缘纸、SF6气体等，设备的绝缘介质一旦受到破坏，就会因不能自动恢复而不得不退出运行。而断路器和隔离开关又都是依靠机械的连接或分开某个物理断点来工作的，其可靠性得不到保证。

　　2. 2 智能电网电气设备

　　智能电网采用的主要是智能电子设备(IED)，大量采用非常规互感器( 电光互感器、电子互感器等)、智能传感器和智能断路器，使电网可观测(能监测电网中所有元件的状态)、可控制(能控制电网中所有元件的状态)和自动化(可自适应并实现自愈)。

　　智能电网中的设备将充分应用材料、超导、储能、电力电子和微电子技术等方面的研究成果，以提高功率的密度、供电的可靠性、电能质量和电力生产的效率。同时，智能电网将广泛应用先进的设备技术，以提高输配电系统的性能。通过采用新技术，以及在电网和负荷特性之间寻求的平衡点，提高电能质量;通过改造和应用各种设备，如基于电力电子技术和新型超导体技术的设备，提高电网输送容量和可靠性。其在线监测的特点是:

　　(1) 与传统电网电压设备在线监测不同的是，智能电网在线监测的范围不再局限于某个元件或装置，而是涵盖了发电侧、电网侧和用户侧所有的状态信息，甚至可监测到家庭用户的电器设备，是基于广域的全网状态信息。

　　(2) 高速、双向、实时、集成的通信系统，使智能电网成为一个动态的、实时的信息和电力交换互动的大型现代化电网的基础设施，同时也是智能电网在线监测的基础。只有这样，才能通过高速通信网络来实现对设备的运行状态进行在线监测，以获取设备的实时运行状态。

　　(3) 智能电网将更多地使用智能电子设备、智能传感器，以及其他工具来测量电力系统中的元件和用户参数等状态信息，并对整个系统的状态进行*估。这些数据都是准实时数据，对掌握电网整体的运行状况具有重要的意义。同时，还可利用向量测量单元来实现电网的早期预警，如基于广域测量系统WAMS 的电力电网安全防护技术等。

　　3 智能电网在线监测与故障诊断技术的应用

　　3. 1 基于多Agent 的在线监测系统

　　未来智能电网的在线监测与故障诊断功能将引进预设的系统，在系统允许的范围内，与先进控制技术相结合，采取自动的控制行为，使设备运行在状态;或者在恰当的时间给出需要维修设备的信号，从而实现设备的在线状态检修，而基于多Agent 的在线监测系统将是一个主要的实现方式。

　　Agent 是一个具有自主性、反应性、进化性和社会性特点的、物理的、或抽象的实体，通常还具有人类的智能特性，如知识、信念、意图和愿望等等。通常，将多个Agent 组成的系统称为多Agent系统(MAS)。MAS 是多个可计算的Agent 的集合，它们分工明确，能作用于自身和环境，并与其他智能体通讯，从而实现处理不完全、不确定知识的功能。它不仅使系统的准确率提高，还能在系统运行过程中发现和挖掘知识，提高学习的能力，同时便于实现远程故障诊断系统。

　　利用Agent 技术，可以解决传统人工智能诊断系统不能解决的实时性等条件的限制，增强诊断系统对动态环境的适应性和对不完全信息的处理能力，实现网络环境下的分布式计算和问题求解;实现故障诊断中的并发信息检测、事务处理、动态实时规划、推理及搜索。

　　多Agent 分析系统质量好坏的关键是其知识库中知识的质量和数量。目前的在线分析系统知识库中的数据主要有以下几个方面的

　　一是正常运行时或可用状态下的试验数据，包括出厂试验数据和平时的试验、检验数据;二是故障时的试验数据，包括故障后的试验数据和破坏性试验时的数据;三是在线的实时监测数据。一般来说，系统中的系统程序与知识库是相互独立的，用户可通过改变、完善知识库中的内容来提高系统的性能。

　　如何处理采集来的海量数据将是在线监测和故障诊断系统的关键所在，同时也是系统流程中的重要一步，数据处理的速度和质量将直接影响整个系统的运行效率。首先需要依靠数学工具，如先进的算法和计算方式，对数据进行有效的辨识和分类;然后，对分类后的数据建立模型，进行分析、判断和求解;，进行归纳、判断，得到问题的控制策略。

　　具体的在线监测和故障诊断系统流程图如图1 所示。

图1 多Agent 的在线监测系统流程图。

　　根据图1，针对不同的问题，对流程进行优化、细分，以期得到的，或者恰当的诊断结果和控制方案。

　　3. 2

　　以采电网中某元件A1为例，如图2 所示。

图2 某电力网络结构图

　　具体分析过程是:首先，A 区域的分析决策系统对A1元件的数据进行分析处理，当监测到该元件异常时，通过计算得到A1可能发生故障的概率为，同时向B、C、D 区域的分析决策系统请求，得到同类型元件的相关数据，A1可能发生故障的概率为;亦可向其他相关联的分析决策系统请求相关数据，得到其故障概率为。

　　根据与不同概率相对应的权值得到A1元件的故障概率为：

　　具体如何计算概率，需根据不同的问题来采用相应的算法。同时，A 区域分析决策系统判断A1元件停运对相关用户可能造成的负荷损失为，请求相关的B，C，…，N等系统提供的功率支援分别为，从而得到相关用户实际造成的负荷损失为：

　　进一步计算，得出的经济损失E1，E2，E3，…，En。其中，经济损失是由实时电价、何时停电、停电时间长短等因素共同决定。具体数据由A 的分析决策系统向能量管理系统(EMS) 询问得到。

　　，经过决策判断，得出A1元件的故障概率、故障级别和合适的停电检修时间。

　　4 对智能电网在线监测系统要求

　　智能电网的建设是以坚强的实体电网为基础的，在线监测系统为实体电网的稳定运行提供了可靠保障。

　　在智能电网建设中，线监测诊断系统涉及到许多关键技术，如:先进的参数量测技术，高速、可靠的通信技术，数据处理与信息管理技术，智能调度与控制技术。因此，智能电网在线监测系统必须与智能电网建设同步发展，故要求(1) 具有快速、有效的响应时间，或者是诊断时间。诊断结果要尽可能地准确，控制策略要实现化，某些情况下可给出问题的几种解决方案，并提交系统运行人员进行判断。

　　(2) 具有自我学习、自我调整和自我完善的功能。可根据外部环境的变化，进行知识库的自动调整、修改和完善。

　　(3) Agent 可根据所处环境，在系统中进行灵活的访问和迁移。在网络计算环境中，甚至可将自己迁移到网络中的其他主机上，大大提高了分析、诊断的灵活性，实现自我复制与衍生。

　　(4) 为有效地利用数据资源，知识库中的数据可与其他系统公用。

　　(5) 与先进的控制技术相结合。在线监测系统与控制系统相结合，对电网进行实时分析、诊断和预测，确定并采取适当的措施，以消除、减轻和防止供电中断和电能质量的扰动。

　　5 结语

　　智能电网在线监测与故障诊断系统不同于以往传统的故障诊断方法，也不同于基于信号处理和解析模型的方法，一种是随着人工智能发展起来的基于知识的故障诊断方法;不需要监测对象的数学模型，具有某些“智能”特性，是一种很有发展前途的方法。智能电网的在线监测与故障诊断系统将更多地与智能控制技术相结合，实现电网的自动控制，体现智能电网自我恢复( 自愈)的特点。但由于客观现实的复杂、多样性，使得的知识领域有时很难提炼到用规则来表示这一步，使系统的发展受到一定的限制。