CN103017818B - 一种智能开关柜故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能开关柜故障诊断系统及方法。所述系统包括下位机、实时数据库和专家系统。所述方法通过检测装置进行数据采集，并上传至上层数据库中；知识库存储故障诊断的领域知识，采用基于产生式的知识表示法，知识库中规则的建立基于柜内机械故障、电气故障、温湿度故障及绝缘特性的判断，采用机器学习对知识规则进行维护；采用基于产生式规则的推理及反向推理的混合推理机制，先采用广度搜索来判断故障区域，再采用深度优先搜索算法作为搜索策略，从知识库中选择知识规则与已知实事进行匹配。本发明提高了设备故障诊断的效率及准确性，为及早发现设备故障并检修提供了帮助，提高了设备运行可靠性。

Description

一种智能开关柜故障诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能开关柜故障诊断系统及方法，对智能开关柜内机械特性、绝缘特性、电能质量及智能操控单元进行实验数据采集，并利用专家知识对采集的数据进行分析判断，并给出故障诊断结果。

背景技术

智能开关柜是重要的电气产品，适用于发电厂、石油、化工、冶金、纺织、高层建筑等行业，作为输电、配电及电能转换之用。电气设备的故障的产生是有很多因素造成的。任何系统的异常现象，即使系统无法达到期望特性的现象，都可以称之为故障。

智能开关柜的在线监测及故障诊断是由信号采集、信号处理、状态识别与诊断决策构成。高压开关柜常见的监测内容包括绝缘性能监测、机械特性监测及电气性能监测。通常对电压、电流、功率和功率因数、有功和无功电能、电网频率以及断路器分/合工作状态等的检测功能，对过电流、短路、不平衡运行、电机启动、接地、过电压、欠电压等的保护等进行监测。具体包括：通过检测影响触头磨损量的开断电流和燃弧时间来判断触头的电寿命，通过检测关键部件的机械振动、分/合闸线圈电流和电压的波形变化、控制回路通断状态以及操动机构储能完成状况等信号来判断断路器的机械故障。高压开关柜的故障诊断主要是指机械和电气方面的故障。机械故障主要包括绝缘水平低、拒分及拒合、载流回路过热等；电气故障主要是指馈电线路的故障。

专家系统是利用知识和推理过程来解决需要大量的经验才能求解的复杂问题。一般的专家系统包括四个部分:知识库、推理机、综合数据库、人机界面。归纳来说诊断专家系统的工作过程为:系统对所采集的状态信息数据进行处理,将特征数据送入综合数据库,然后依据知识库中对应的诊断知识,由推理机采用其相应的推理方式,对设备的运行状态做出判别,并由解释模块按照其对应解释性知识对其诊断结果做出解释。

专家系统在故障诊断领域的应用非常广泛，长期以来，在航空、航天、电力、机械、化工、船舶等许多领域，故障检测与诊断技术与专家系统相结合，使工程的安全性与可靠性得到保证。

专家系统对系统设备的状态进行判断、识别故障的早期征兆、对故障部位及其严重程度和故障发展趋势做出判断,并根据分析诊断结果,在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前主动实施维修，避免事故进一步扩大化，为电气设备安全、稳定、长周期、全性能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能开关柜故障诊断系统及方法，其监测及进行故障诊断的模块包括开关柜内智能操控单元的温湿度显示模块、真空断路器机械特性、绝缘特性监测、电能质量监测。本发明提高了设备故障诊断的效率及准确性，及早发现设备的故障，为运行检修提供了有效地帮助，进而也提高了电力设备的运行的可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种智能开关柜故障诊断系统，包括下位机、实时数据库和专家系统，其中下位机包括智能操控单元、真空断路器机械特性监测单元、绝缘特性监测单元和电能质量监测单元，专家系统包括监测模块、推理机、综合数据库、故障诊断模块和知识库，智能操控单元、真空断路器机械特性监测单元、绝缘特性监测单元和电能质量监测单元通过以太网与实时数据库通信，实时数据库分别与监测模块和综合数据库通信，监测模块串接推理机后与综合数据库通信，知识库存储故障诊断的领域知识以及接收综合数据库内的实时监测信息，故障诊断模块接收综合数据库内的实时监测信息并进行故障诊断得到诊断结果。

一种智能开关柜故障诊断系统的诊断方法，开关柜内采用下位机中的智能操控单元、真空断路器机械特性监测单元、绝缘特性监测单元和电能质量监测单元进行数据采集并经过数据处理后通过以太网将实时数据上传至实时数据库中，实时数据库分别将实时数据传送至监测模块和综合数据库；推理机接收监测模块监测得到的实时数据并进行推理得到推理结果传送至综合数据库，知识库存储综合数据库实时数据，知识库采用基于产生式的知识表示法，知识库中规则的建立基于开关柜内机械故障、电气故障、温湿度故障及绝缘特性的判断，根据专家经验建立知识规则；故障诊断模块接收综合数据库内的实时监测信息并进行故障诊断得到诊断结果。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述一种智能开关柜故障诊断系统，其中专家系统包括维修机制模块，所述维修机制模块接收综合数据库内的实时监测信息、推理机输出的推理结果以及故障诊断模块输出的诊断结果得到维修信息。

前述一种智能开关柜故障诊断系统的诊断方法，其中推理机采用基于产生式规则的推理及反向推理的混合推理方法。

前述一种智能开关柜故障诊断系统的诊断方法，其中故障诊断模块采用先广度搜索来判断故障区域，再启发式深度优先搜索判断故障源作为搜索策略,从知识库中选择知识规则与已知实事进行匹配。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1．全面考虑到开关柜内的需要监测及进行故障诊断的模块。在此系统中，对智能操控单元的温湿度显示模块、真空断路器机械特性、绝缘特性监测、电能质量监测这几个模块的参量进行了监测与故障诊断。

2．将冲突消解原则应用于智能操控单元中的温湿度显示环节。综合考虑开关柜内温度、湿度及电流量三者之间的对风机及加热器的开启的影响，并考虑到柜外的温度及湿度对柜内温湿度的影响。较之只考虑柜内温度及湿度，不考虑电流量及柜外温湿度对柜内温湿度的影响，可以更加准确控制风机及加热器。

2．将专家知识应用到开关柜绝缘特性中。下位机通过RS485通信将采集到的数据上传至上位机，上位机利用专家知识对数据进行分析判断，给出开关柜内的放电的放电类型及放电等级，当放电等级较高时，给出故障报警信号。

3．将机器学习应用到专家系统中。知识库中规则的建立基于开关柜内机械故障、电气故障、温湿度故障及绝缘特性的判断，根据专家经验建立知识规则，为了便于知识工程师和领域知识专家改进和扩充知识库,实现对知识规则的增、删、改等操作，在此采用机器学习对知识规则进行维护。

4．采用广度搜索来判断故障区域，再采用深度优先搜索确定故障发生部位，可以缩小搜索空间。

5．推理过程采用混合推理过程，先采用基于产生式规则的推理过程，得出可能的故障部件，再由该故障部件出发，反向推理得出该故障部件会引发的征兆，再确定故障源。

附图说明

图1是本发明故障诊断专家系统结构；

图2是本发明故障诊断的层次分类图；

图3是本发明诊断学习运行流程图；

图4是本发明故障诊断推理过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示是开关柜故障诊断专家系统的结构图。本发明的智能开关柜故障诊断专家系统包括数据库、知识库及推理机。其中数据库系统中的数据是由开关柜内智能操控单元、真空断路器机械特性、绝缘特性监测、电能质量监测等模块，在下位机中开关柜内各个模块中通过检测装置进行数据采集，经过数据处理后通过以太网上传至上层数据库中；知识库存储故障诊断的领域知识，知识库采用基于产生式的知识表示法，知识库中规则的建立基于开关柜内机械故障、电气故障、温湿度故障及绝缘特性的判断，根据专家经验建立知识规则，为了便于知识工程师和领域知识专家改进和扩充知识库,实现对知识规则的增、删、改等操作，在此采用机器学习对知识规则进行维护；推理机采用基于产生式规则的推理及反向推理的混合推理机制；采用先广度搜索来判断故障区域，再启发式深度优先搜索判断故障源作为搜索策略,从知识库中选择知识规则与已知实事进行匹配,提高了推理的效率,减少了搜索时间。

如图2所示，基于智能开关柜建立知识库时，需要考虑到以下故障：智能操控单元的温湿度显示模块，柜外温度、湿度与柜内电量均对柜内的温湿度有影响，从而关系到风机与加热器的开启，当温度或湿度高于设定的最高值时需要给出报警信号；真空断路器机械特性中的断路器的行程、超程、分（合）闸状态、弹跳次数等特征量，对于断路器故障发生时的保护拒动和开关的拒动、误动等不确定情况的判断，行程及弹跳是否正常；绝缘特性模块中，主要针对局部放电及泄漏电流进行监测，开关柜内的放电通常分为很多种，有尖波放电，脉冲放电，电晕放电等，通过模式识别，进行特征提取，最后通过下位机上传的数据，进行信号处理，状态识别，最后根据专家经验按照设定的故障级别给出放电类型及放电等级，泄漏电流通过传感器进行信号采集，再进行信号处理，利用专家知识，对泄漏电流严重程度进行分析判断，给出诊断结果；电能质量模块兼容电能质量分析和电能计量监测的功能，这一模块对于断相、电压失压、失流、三相电流不平衡等异常事件进行监测，并将数据上传至上位机进行数据分析及处理，判断出故障发生位置。

此发明中采用产生式规则，它是一种知识描述或约定法则。通常用于表示具有因果关系的知识，是以“如果满足这个条件，就应当采取某些操作”形式表示的语句，其形式上采用IF-THEN的形式。在此系统中，对于柜内温湿度、局部放电、泄漏电流、机械特性及电能质量等方面均可根据专家经验，给出产生式规则。例如

IF   柜内温度高于设定温度

     柜内温度低于最高温度

THEN 打开风机

IF   柜内温度高于设定温度

     柜内温度高于最高温度

THEN 超温报警

IF   柜内湿度高于设定湿度

THEN  打开加热器

IF    检测到电压失电

THEN  故障报警

根据专家经验，可以将放电现象划分为放电较轻，比较严重，非常严重三个等级。当放电等级为较轻时，可以暂时不管；当放电等级为比较严重时，就该去检修；当放电等级为非常严重时，就该停机彻底维护。对于泄漏电流，同理，也可以根据专家经验给出泄漏电流严重程度给出等级划分，原理同上。机械特性部分，例如断路器故障发生时的保护拒动和开关的拒动、误动等不确定情况的判断，行程及弹跳是否正常，建立规则；电能质量模块，这一模块对于断相、电压失压、失流、三相电流不平，建立规则。

如图3所示为诊断学习的流程图。知识的获取和管理模块提供知识规则的维护功能。它便于知识工程师和领域知识专家改进和扩充知识库,实现对知识规则的增、删、改等操作。诊断系统的核心问题是它的学习能力问题，知识的自动获取一直是故障诊断专家系统的难点，解决知识获取的途径是机器学习，即让机器能够在实际工作中不断地总结成功和失败的经验教训，对知识库中的诊断知识进行调整和修改，以丰富和完善系统知识。机器学习是提高诊断专家系统的主要途径，也是提高诊断系统智能性的重要标志。再次专家系统中，可以采用机器学习对知识规则进行维护。

如图4所示为故障诊断推理过程图。故障推理的过程就是由已知的故障现象寻找故障原因的过程。本专家系统对知识库先采用广度搜索来判断故障区域，再采用深度优先搜索确定故障发生部位，可以缩小搜索空间。推理过程采用混合推理过程，先采用基于产生式规则的推理过程，得出可能的故障部件，再由该故障部件出发，反向推理得出该故障部件会引发的征兆，再确定故障源。

由产生式规则推理得出的故障源往往有多个，当数据库中与规则的条件部分相匹配时，按规则的操作部分去执。但是被触发的规则不一定总是启用规则，因为可能同时存在有几条规则的条件部分被满足，这时就需要利用冲突消解原则解决冲突。在此系统中的智能操控单元的温湿度显示模块，柜外温度、湿度与柜内电量均对柜内的温湿度有影响，从而关系到风机与加热器的开启。当温度过高时，需要打开风机，让柜外的的空气进来，以降低柜内空气。但是当外界空气进来时，柜内的湿度也会受到影响。当湿度发生变化时，高于设定值时需要打开加热器以降低柜内湿度。当加热器打开，柜内温度又会受到影响。并且当风机或者加热器打开，电流量增大，也会对柜内的温度产生影响。所以温度、湿度与电量三者建立规则时会产生冲突。在此系统中我们采用引入优先级来解决冲突问题。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种智能开关柜故障诊断系统，包括下位机、实时数据库和专家系统，其特征在于，所述下位机包括智能操控单元、真空断路器机械特性监测单元、绝缘特性监测单元和电能质量监测单元，所述专家系统包括监测模块、推理机、综合数据库、故障诊断模块和知识库，所述智能操控单元、真空断路器机械特性监测单元、绝缘特性监测单元和电能质量监测单元通过以太网与实时数据库通信，实时数据库分别与监测模块和综合数据库通信，监测模块串接推理机后与综合数据库通信，知识库存储故障诊断的领域知识以及接收综合数据库内的实时监测信息，故障诊断模块接收综合数据库内的实时监测信息并进行故障诊断得到诊断结果；所述专家系统还包括维修机制模块，所述维修机制模块接收综合数据库内的实时监测信息、推理机输出的推理结果以及故障诊断模块输出的诊断结果得到维修信息。

2.一种如权利要求1所述的一种智能开关柜故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，开关柜内采用下位机中的智能操控单元、真空断路器机械特性监测单元、绝缘特性监测单元和电能质量监测单元进行数据采集并经过数据处理后通过以太网将实时数据上传至实时数据库中，实时数据库分别将实时数据传送至监测模块和综合数据库；推理机接收监测模块监测得到的实时数据，并采用基于产生式规则的推理及反向推理的混合推理方法进行推理，得到推理结果传送至综合数据库，知识库存储综合数据库实时数据，知识库采用基于产生式的知识表示法，知识库中规则的建立基于开关柜内机械故障、电气故障、温湿度故障及绝缘特性的判断，根据专家经验建立知识规则；故障诊断模块接收综合数据库内的实时监测信息，并采用先广度搜索来判断故障区域，再启发式深度优先搜索判断故障源作为搜索策略,从知识库中选择知识规则与已知实事进行匹配和故障诊断，得到诊断结果。