基于專家系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測與控制平臺

徐保友, 王 森, 馮維華, 楊衛(wèi)國

(國家電網(wǎng) 濟(jì)寧供電公司, 山東 濟(jì)寧 272000)

基于專家系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測與控制平臺

徐保友, 王 森, 馮維華, 楊衛(wèi)國

(國家電網(wǎng) 濟(jì)寧供電公司, 山東 濟(jì)寧 272000)

為解決現(xiàn)場運(yùn)行中電能質(zhì)量控制盲目性的問題,提出一種基于專家系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測與控制平臺。對電能質(zhì)量專家系統(tǒng)的知識庫、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫和人機(jī)交互界面等四個關(guān)鍵組成部分進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì),經(jīng)分析證明電能質(zhì)量監(jiān)測與控制平臺實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)電能質(zhì)量的高效、智能控制和優(yōu)化決策。

電能質(zhì)量; 專家系統(tǒng); 智能控制; 優(yōu)化決策

0 引 言

近年來,隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及分布式電源大規(guī)模并網(wǎng),同時各種非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷的使用不斷增加,電網(wǎng)電能質(zhì)量不斷惡化,而用戶對電能質(zhì)量的要求卻越來越高[1]。目前電能質(zhì)量研究主要集中在電能質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域,而對電能質(zhì)量的判斷和治理還沒有比較實(shí)用的方法。對于電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題,電網(wǎng)運(yùn)行人員主要憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理,包括投入無功補(bǔ)償裝置、濾波裝置或投/切負(fù)荷等。這些處理方法具有很大的盲目性,對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了很大的威脅。

對于電網(wǎng)電能質(zhì)量控制這一復(fù)雜問題,僅依靠人工決策來解決是十分困難的。專家系統(tǒng)作為人工智能的一個重要的方向,具有集成化和智能化的特點(diǎn)。集成化體現(xiàn)在它能夠集成大量的專家知識和經(jīng)驗(yàn),為解決復(fù)雜問題提供知識基礎(chǔ);智能化體現(xiàn)在它能夠模仿人類專家的知識,為解決復(fù)雜問題提供可行的參考決策方案[2]。為此將電網(wǎng)電能質(zhì)量控制與專家系統(tǒng)結(jié)合,成為未來發(fā)展的一種重要趨勢。

本文討論了幾種常見的電能質(zhì)量問題產(chǎn)生機(jī)理、危害以及治理措施,提出了一種基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與控制架構(gòu),并分別對電能質(zhì)量專家系統(tǒng)的知識庫、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫和人機(jī)交互界面等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

1 電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制

從工程實(shí)用角度來講,電能質(zhì)量可以分為電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。

電壓質(zhì)量反映了供電部門向用戶分配電力是否合格,通常包含電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓瞬變現(xiàn)象、電壓波動與閃變、電壓暫降(暫升)與中斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。

電流質(zhì)量與電壓質(zhì)量密不可分。既要保證電流波形為正弦波形,還要保證電流波形的相位與電網(wǎng)電壓一致。電流質(zhì)量通常包含諧波/簡諧波污染、相位不一致、噪聲等。

供電質(zhì)量的技術(shù)含義指電壓質(zhì)量和供電可靠性。供電可靠性包括用戶平均停電時間、用戶平均停電次數(shù)和供電可靠率;非技術(shù)含義指服務(wù)質(zhì)量,已成為供電質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

用電質(zhì)量包含技術(shù)和非技術(shù)兩層含義。用電質(zhì)量的技術(shù)含義主要指用戶電力負(fù)荷對公用電網(wǎng)的干擾水平;用電質(zhì)量的非技術(shù)含義包括用戶是否按時、如數(shù)繳納電費(fèi)等。

本文主要討論電壓暫降、電壓波動與閃變、電力諧波等三種常見的電能質(zhì)量問題產(chǎn)生機(jī)理、危害以及治理措施。

(1) 電壓暫降。引起電壓跌落的原因很多,如故障、感應(yīng)電動機(jī)起動、變壓器激磁涌流等,還涉及故障類型、故障位置、大氣層放電等不確定性因素[3]。電壓暫降由電壓跌落的幅值和持續(xù)時間來界定,電壓跌落幅度取決于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和故障點(diǎn)的位置。電壓暫降對使用敏感設(shè)備的用戶危害很大,會造成工業(yè)過程局部或全部停頓;調(diào)速裝置失靈,增加產(chǎn)品次品量;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器出現(xiàn)故障,丟失客戶端數(shù)據(jù)等。

治理電壓暫降需要電網(wǎng)企業(yè)和電力用戶協(xié)調(diào)解決。對于電網(wǎng)企業(yè)來說,要盡力提高供電的可靠性,減少故障的發(fā)生。如改變供電方式,對重要用戶采用雙回線或環(huán)網(wǎng)供電,以減少故障發(fā)生時對用戶端的影響;在線路中裝設(shè)電壓暫降緩解裝置,如不間斷電源(UPS)和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)等。對于電力用戶來說,要降低用電設(shè)備對電壓暫降的敏感度,需要電力用戶與設(shè)備制造商協(xié)調(diào)解決,讓電力設(shè)備制造商按自身的要求對敏感用電設(shè)備的敏感度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2) 電壓波動與閃變。電壓波動和閃變主要由大型沖擊性負(fù)荷引起,如電弧爐、大型整流裝置、電氣化鐵路等。沖擊性負(fù)荷引起的無功功率的大幅波動,造成了電網(wǎng)電壓的大幅波動,如持續(xù)一段時間,則為電壓波動和閃變[4]。電壓波動和閃變的危害主要有以下幾方面:① 引起部分電氣設(shè)備不能正常工作,影響電氣設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行;② 造成白熾燈的閃爍,對人們的生活帶來不利影響;③ 可能會直接造成一些電力設(shè)備的停運(yùn),影響正常的生產(chǎn)活動。

治理電壓波動與閃變的措施主要有:① 改變對大型非線性沖擊負(fù)荷的供電方式,如采用獨(dú)立的線路或獨(dú)立的變壓器供電,以減小對整個電網(wǎng)的沖擊;② 采用電壓波動與閃變抑制裝置,如靜止無功補(bǔ)償器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、磁控電抗器、有源電力濾波器和電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器等,能在一定程度上抑制電網(wǎng)電壓的波動和閃變。

(3) 電力諧波。諧波和簡諧波問題主要是由于電網(wǎng)中的電力電子裝置等非線性負(fù)載造成的[5]。電力諧波的危害是多方面的:① 導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常工作,影響了生產(chǎn)的進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量;② 可能會導(dǎo)致電網(wǎng)中的電容器和電抗器發(fā)生諧振,產(chǎn)生過電流,損壞電氣設(shè)備甚至威脅人身安全;③ 可能會導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動作,對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,需要對電網(wǎng)諧波進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測和定量分析,主要方法有傅里葉變換法、瞬時無功功率法、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。電網(wǎng)諧波監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)諧波監(jiān)測系統(tǒng)

控制電力諧波主要有受端治理、主動治理和被動治理等三種方法。受端治理方法就是要提高用電設(shè)備抵御諧波干擾能力,這需要電力用戶與設(shè)備制造商協(xié)調(diào)解決;主動治理方法從諧波產(chǎn)生的根源出發(fā),使諧波源不產(chǎn)生諧波或少產(chǎn)生諧波,如采用功率因數(shù)校正技術(shù)、多脈動技術(shù)、多重化技術(shù)、變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)和分布式電源柔性并網(wǎng)技術(shù)等;被動治理方法通過加設(shè)無源濾波器或有源電力濾波器等濾波裝置來補(bǔ)償或吸收非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波,最終使電網(wǎng)電流諧波水平滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 電能質(zhì)量控制專家系統(tǒng)

為提高電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的經(jīng)濟(jì)性和智能化水平,本文構(gòu)建一種基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與控制架構(gòu),通過專家系統(tǒng)為現(xiàn)場運(yùn)行提供決策參考。電能質(zhì)量控制專家系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電能質(zhì)量控制專家系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 電能質(zhì)量知識庫建立

專家知識存儲在知識庫中,知識庫的知識就是專家思維的映射。進(jìn)行電力諧波監(jiān)測與治理需要首先建立專家系統(tǒng)知識庫。電能質(zhì)量專家系統(tǒng)知識庫根據(jù)分析、評價、解決的過程可以分為電能質(zhì)量擾動點(diǎn)判別知識庫、擾動源類型判別知識庫、電能質(zhì)量擾動水平評價知識庫和電能質(zhì)量治理方案選擇知識庫等4個知識庫。這4個知識庫有各自的獨(dú)立功能而又互相配合,可給出可行的解決方案,為電能質(zhì)量治理提供決策參考。

2.2 推理機(jī)建立

推理機(jī)是專家知識與治理方案之間的橋梁,合理的推理機(jī)制是保證專家系統(tǒng)正常運(yùn)作的關(guān)鍵[6]。推理機(jī)根據(jù)知識庫和電網(wǎng)信息庫的信息采用一定的推理機(jī)制,推導(dǎo)出合適的電能質(zhì)量治理方案。本文采用正向推理機(jī)制。該推理機(jī)采用if-then推導(dǎo)機(jī)制,可以根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫和知識庫的信息進(jìn)行推理,從而判斷出電力諧波源的位置和類型,并進(jìn)一步在濾波器知識庫和SVC知識庫中找出相應(yīng)的治理方案。專家系統(tǒng)解釋機(jī)制流程如圖3所示。

圖3 專家系統(tǒng)解釋機(jī)制流程

2.3 綜合數(shù)據(jù)庫建立

電能質(zhì)量專家系統(tǒng)綜合知識庫由標(biāo)準(zhǔn)庫、前提庫、成立事實(shí)庫、電網(wǎng)基本數(shù)據(jù)庫和治理結(jié)果庫等5部分構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)庫包含各種電能質(zhì)量問題的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);前提庫對專家系統(tǒng)中的一些符號等作出規(guī)定。事實(shí)庫是由用戶提供的電能質(zhì)量擾動信息,如故障母線編號等。電網(wǎng)基本數(shù)據(jù)庫用于存儲檢測得到的各電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量信息,如電壓、電流、諧波含量和三相不平衡度等信息。治理結(jié)果庫用于存儲采用治理方案治理投入后反饋回來的電網(wǎng)信息,便于檢驗(yàn)電能質(zhì)量問題的治理效果。

2.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面是專家系統(tǒng)與用戶的接口部分,具備解釋功能和學(xué)習(xí)功能。專家系統(tǒng)最終通過解釋器將解釋的結(jié)果反映到人機(jī)交互界面上,如列出多個可行的解決方案供用戶選擇,用戶根據(jù)自身需要來選擇合適的方案,然后專家系統(tǒng)據(jù)此得到投入/切除設(shè)備的參數(shù);判斷擾動源的位置和類型,并可以計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)為擾動源的概率;判斷母線擾動水平是否超標(biāo),并列出超標(biāo)母線。人機(jī)交互界面如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互界面

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及電網(wǎng)技術(shù)的不斷更新,人機(jī)交互界面還需要提供用戶對知識庫和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增添和更新的功能,主要包括增加擾動源類型和治理方案類型。增加新的擾動源類型時,需要對綜合數(shù)據(jù)庫中的前提庫和擾動源類型判斷知識庫進(jìn)行更新;增加新的治理方案時,需要對綜合數(shù)據(jù)庫中的前提庫和治理方案知識庫進(jìn)行更新。

3 結(jié) 語

目前電網(wǎng)電能質(zhì)量控制主要憑借運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,缺少智能性和經(jīng)濟(jì)性的決策依據(jù)。從專家系統(tǒng)理論出發(fā),分析了專家系統(tǒng)在電能質(zhì)量監(jiān)測和治理中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性,提出了一種基于專家系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理平臺,為電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量智能在線監(jiān)測和控制提供參考。

[1] 焦東升,陸冬良,應(yīng)俊豪,等.動態(tài)電能質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(5):110-114.

[2] 王晶,束洪春,陳學(xué)允.人工智能和數(shù)學(xué)變換用于電能質(zhì)量的研究綜述[J].繼電器,2004,32(2):34-39.

[3] 高效,彭建春.電壓暫降的定量評價與失電損失分?jǐn)俒J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(12):22-26.

[4] 李天云,趙妍,韓永強(qiáng),等.Hilbert-Huang變換方法在諧波和電壓閃變檢測中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(2):73-77.

[5] 徐保友,黃摯雄.基于改進(jìn)比例諧振控制的電力有源濾波器研究[J].低壓電器,2011(24):35-38.

[6] 楊繼濤,胡明,吳瓊,等.電網(wǎng)調(diào)度操作票專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].繼電器,2004,32(15):45-47.

【欄目設(shè)置】

綜述、研究與探討、標(biāo)準(zhǔn)研究、專題講座、產(chǎn)品與應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)、智能建筑、供配電、電氣設(shè)計(jì)、防雷技術(shù)、照明技術(shù)、電氣安全、消防安全、節(jié)能技術(shù)、新能源應(yīng)用。

Power Quality Monitoring and Control Platform Based on Expert System

XU Baoyou, WANG Sen, FENG Weihua, YANG Weiguo

(Jining Power Supply Company, State Grid, Jining 272000, China)

This paper proposed a power quality monitoring and control platform based on expert system,in order to solve the blindness problems of power quality control in site operation.Four key components of the expert system knowledge base,reasoning mechanism,integrated database and human-computer interface were analyzed and designed.The power quality monitoring and control platform realizes the efficient and intelligent control of power quality,and optimization decision.

electric energy quality; expert system; intelligent control; optimization decision

徐保友(1984—),男,工程師,從事電網(wǎng)設(shè)備檢修和維護(hù)、電能質(zhì)量控制工作。

TU 855

B

1674-8417(2015)03-0033-04

2014-11-17

王 森(1974—),男,技師,從事電網(wǎng)設(shè)備檢修和維護(hù)、電能質(zhì)量控制工作。

馮維華(1973—),男,高級技師,從事電網(wǎng)設(shè)備檢修和維護(hù)、電能質(zhì)量控制工作。

楊衛(wèi)國(1967—),男,技師,從事電網(wǎng)設(shè)備檢修和維護(hù)、電能質(zhì)量控制工作。