真空灭弧室真空度测量及寿命管理专家系统和使用方法

摘要

本发明涉及一种电网中基于专家系统的真空灭弧室真空度测量和寿命管理的方法。包括：专家系统主模块、剩余寿命预测模块和寿命管理模块、磁控法真空度测量装置和屏蔽罩电位法真空度测量装置；专家系统主模块分别与剩余寿命预测模块和寿命管理模块、磁控法真空度测量装置和屏蔽罩电位法真空度测量装置连接。磁控法真空度测量装置和屏蔽罩电位法真空度测量装置在线测量的数据提供给专家系统，专家系统基于测量数据的可信度知识库提供结果，输出寿命管理信息。本发明可以测量电网中真空灭弧室的真空度，又能够预测剩余寿命，能够实现不在线的监测，避免在线测量设备的接入而降低电力系统的可靠系数。满足开关电器状态检修的需要，实现真空开关智能化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空灭弧室真空度测量及寿命管理专家系统和使用方法，具体是电网中基于专家系统的真空灭弧室真空度测量和寿命管理的方法。

背景技术

目前电网中真空灭弧室在生产过程中有可靠的真空度测量方法，因此产品出厂参数是可信的，但这些测量方法不能用于出厂后的产品。出厂后真空度的准确测量一直是个问题。包括申请者在内的国内外研究者，都曾致力于已经安装在开关柜中的真空灭弧室真空度监测的研究，测量网上灭弧室真空度的方法主要有脉冲磁控放电法、波克尔电光转换法、屏蔽罩电位法、放电声发射法、双波纹管法、冷阴极真空规管法和发射电流衰减速度法等等。这些方法可以分为在线监测和“在网上测量”两大类：第一类是在线监测，就是测量装置处于常开状态，时时测量并显示测量数据，测量装置是常开状态；第二类是在网上测量，就是不需要从开关柜内拆卸真空灭弧室而能够测量其真空度，测量装置是常闭状态，对电网可靠性影响较小。CN97241647.1公开了一种真空灭弧室真空度的免拆卸测量装置，主要由一种硅钢片叠装成型的“C”形铁芯，在外面套上绕制的线圈，置于真空灭弧室一侧的无障碍空间中，实现灭弧室真空度的免拆卸测量目的。CN200810123365.8公开了一种真空灭弧室真空度在线检测方法，在灭弧室外部充满SF₆气体作为外绝缘气体，且在外绝缘气体中混合有5～15％重量的氦气作为标示气体，通过检测真空管中的氦气来检测真空度，一旦真空管发生泄漏，就可在真空管中测到该气体的存在。本申请者在2009年的第六届模糊系统和知识发现国际会议上发表的论文《Application of fuzzy neural networks to vacuum level measuring》中，提出了基于模糊神经网络判断测量传感器是否失效的方法。

第一类的在线真空度监测系统的使用，即使与电网没有电气连接，也增加了电力系统的复杂系数，降低了电网的可靠性，因此各种在线监测方法在电网中的实际推广应用受到了限制。第二类在网上测量装置，又失去了监测的作用，测量真空度后缺乏对数据的建库和分析处理，更没有预测剩余寿命和寿命管理的功能。

国家标准中规定，真空灭弧室的出厂寿命要保证20年，即在20年内真空度不应劣于1.33×10^-2Pa。真空度劣于1.33×10^-2Pa即标志着真空度寿命的结束。在没有外界不可抗因素的作用下，真空度的变化有其自身的规律，而且是变化非常缓慢的渐变量。因此，我们以第二类的在网上测量真空度的技术为基础，由软件设定一定的时间间隔，自动启动测量装置定期测量真空度，代替时时在线测量，然后建立专家系统，分析不同时间间隔内真空度的变化趋势，找出真空灭弧室真空度特有的变化规律，预测灭弧室的剩余寿命，建立寿命管理系统。这样既可以把对电网运行可靠性的影响降到最小，又可以监测真空灭弧室的真空度状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空灭弧室真空度测量及寿命管理专家系统和使用方法，可以克服已有技术的缺陷。它是建立完备的包括软硬件部分的专家系统，能够实现不在线的监测，又不会降低电力系统的可靠性，还可以增加测量数据综合分析和真空灭弧室的剩余寿命管理功能，满足开关电器状态检修的需要，实现真空开关智能化。

本发明提供的真空灭弧室真空度测量及寿命管理专家系统包括：专家系统主模块、剩余寿命预测模块和寿命管理模块、测量装置；测量装置包括磁控法真空度测量装置和屏蔽罩电位法真空度测量装置；专家系统主模块分别与剩余寿命预测模块和寿命管理模块、磁控法真空度测量装置和屏蔽罩电位法真空度测量装置连接。磁控法真空度测量装置和屏蔽罩电位法真空度测量装置在线测量的数据提供给专家系统，专家系统基于测量数据的可信度知识库提供的模型结果，依据测量数据的可信度结果输入输出模块，通过推理操作模块输出寿命管理信息。

所述的专家系统主模块包括：知识库、综合数据库、推理机、人机接口、解释机构以及知识获取机构。

由于真空度测量、寿命预测问题没有算法解，需要在不精确或不确定或不完全的信息基础上进行推理，作出结论，因此采用专家系统。专家系统是人工智能的一个重要分支，是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能解决的困难问题。

按专家系统的特性及处理问题的类型，可分为如下10类：解释型；诊断型；预测型；设计型；规划型；控制型；监测型；维修型；教育型；调试型。本专家系统兼有预测型和诊断型两方面特征。真空灭弧室剩余寿命预测是预测型特征；系统硬件部分工作异常的诊断属于诊断型特征。

本专家系统包括：知识库、综合数据库、推理机、人机接口、解释机构以及知识获取机构六个部分。

(1)知识库  知识库用于存取和管理问题求解需要的专家知识和经验，包括事实、可行操作与规则等。如与领域问题有关的理论知识、常识性知识；作为专家经验的判断性知识、启发式知识，描述各种事实的知识，如与该领域有关的定义、定理和确定的或不确定的推理法则等。知识库只有知识存储、检索、编辑、增删、修改和扩充等功能。一个专家系统的能力很大程度上取决于其知识库中所含知识的数量和质量。知识库的建造包括知识获取以及知识表达。

知识获取按自动化程度划分，有非自动知识获取和自动知识获取两种形式。非自动知识获取要解决的问题是如何从专家那里获得专门知识；自动知识获取涉及模式识别和归纳推理。

知识表示的核心是选择计算机能理解的形式，表达所获取的专家知识并存人知识库中。本专家系统主要采用一阶谓词逻辑表示法和产生式表示法进行知识表示。其表现分别形式为：

一阶谓词逻辑表示法，HIGHER(x，y)：x比y高。当定义了x是前次真空度测量值，y是本次真空度测量值后，这表达式的含义就是本次真空度测量值低于前次真空度值。

产生式表示法，IF P THEN Q。其中P是前提，Q是结论。例如当定义了P表示本次真空度测量值低于前次真空度值，则有结论Q：本次测量过程正常。

(2)综合数据库综合数据库也称总数据库、动态数据库、工作存储区或简称数据库，它是问题求解过程中符号或数据的集合，有时也统称为事实。它用于存放所需的原始数据和推理过程中产生的中间信息(数据)，包括原始信息、推理的中间假设和中间结果、推理过程的记录等。因此数据库中的事实可以而且也是在经常变化的。

在本专家系统中，过程中的实时信息通过过程接口装置(包括硬件和软件)送入数据库，实时地增加和删改数据库的内容。

(3)推理机  推理机是专家系统的组织控制机构，在它的控制和管理下，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。它在一定的推理策略下，根据数据库的当前状态，按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中与当前问题有关的知识进行分析、判断和决策，推出新的事实或结论，或者执行某个操作。推理机的程序与知识库的具体结构和组成无关，即推理机与知识库是相分离的，这是本专家系统的主要特征。它的优点是对知识库的修改和扩充无须改动推理机。

系统综合应用知识表示方法和传递算法，匹配算法及冲突消解策略。根据问题的复杂程度以及问题求解的情况随时调整推理的策略。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。

(4)解释机构  解释机构负责对求解过程作出说明和解释，回答用户提出的问题。对用户输出推理的结果。解释机构的工作通常要用到数据库中推理过程的中间结果、中间假设和记录，以及知识库中的知识。系统的透明性主要决定于解释机构的性能。在故障诊断步骤中，解释机构成为重要的输出通道。

(5)知识获取机构  知识获取机构负责建立、修改与扩充知识库，以及对知识库的一致性、完整性等进行维护。知识获取机构具有知识变换手段，能够把与专家的对话内容交换成知识库中的内部知识，或用以修改知识库中已有的知识。

知识库中的知识获取有两种途径：一是通过“人工移植”的方法获得，即本专家系统的设计者将专家的知识经过分析整理后，以计算机能理解的形式输入知识库。另一种途径，是采用机器学习等方法来自动获取知识。具体地说，知识获取机构通过用户对每次求解的反馈信息、实时检测到的过程信息以及控制结果，自动进行知识库的修改和完善。并可在系统求解过程中自动积累，形成一些有用的中间知识，自动追加到知识库中去。实现专家系统的自学习。

(6)接口  本系统中主要是指人机接口。人机接口是用户与系统的信息传递纽带，负责用户到专家系统、专家系统到用户的双向信息转换，即信息的计算机内部形式和人可以接受的形式之间的转换。它使系统与用户间能够进行对话。用户能够输入数据，提出问题，了解推理过程及推理结果；系统可通过人机接口，要求用户回答问题，进行必要的解释。本系统中，人机接口主要是可视化的窗口。

为了保证系统安全稳定运行，本系统对不同的用户权限进行了设定。设有操作人、监护人、管理员口令。专家系统权限设定为用户级，管理员级和超级用户级。其中，用户级(operator)只面对普通操作人员，是最低权限，只能进行决策推理和一般知识录入；管理员级(administrator)面对有丰富现场知识的工艺员(工程师)，可以进行专家知识录入；超级用户级(super)为最高权限，对象为专家系统的设计和维护人员，可以打开所有的数据库，并进行增删修改。

专家系统的的核心部分是知识库、综合数据库和推理机构。一个专家系统的设计主要也是要解决这方面的问题。

磁控法测量真空度时，真空度与放电电流有单值对应关系。

所述的磁控法真空灭弧室真空度测量装置主要包括：真空灭弧室1，两触头间拉开额定开距，高压电源5，励磁线圈6和线圈励磁电源7：励磁线圈6用支架固定在真空灭弧室1的中部，励磁线圈6的两个端面与真空灭弧室1间隙大致相等，高压电源5的引线接到真空灭弧室的上端接线端子，放电电流信号线接下端接线端子。

所述的屏蔽罩电位法真空度测量装置主要包括真空灭弧室，屏蔽罩，探头，开关柜。探头3用专用绝缘支架固定，放置在真空灭弧室1和开关柜4机壳之间，接好电位值输出线连接。图4(b)的屏蔽罩电位法等效电路中，C₁是中间屏蔽罩2和触头导电杆之间的等效电容，C₂是中间屏蔽罩2和测量探头之间的等效电容，C₃是探头3和开关柜4机壳之间的等效电容，C₄为对地的耦合电容。

本发明提供的真空灭弧室真空度测量及寿命管理与专家系统的使用方法：

1)在电网(任何地点，全部电压等级)中运行的真空开关年检时，开关柜断开高压电，真空开关分闸，打开上、下隔离开关。打开开关柜柜门。

2)将磁控法真空灭弧室真空度测量装置中的传感器部分的安装固定：励磁线圈用专用支架固定在被测真空灭弧室的中部，使真空灭弧室大致位于两线圈端面的正中。高压电源的引线接到真空灭弧室的静端(上端)接线端子，放电电流信号线接动端(下端)接线端子。

3)将屏蔽罩电位法真空度测量装置中的探头用专用绝缘支架固定，放置在真空灭弧室和开关柜机壳之间，接好电位值输出线。

4)启动专家系统，用两种方法分别测量真空度，由专家系统给出测量可信度，得出真空度测量值。具体步骤：

(1)取系统前一次实测的真空度值、前一次测量的具体时间以及这段时间内的短路开断次数，计算出当前真空灭弧室真空度的理论值。

(2)取当前真空度的实际测量值，与理论值对比。如果两差值在允许范围内，则认定当前测量值，根据此测量值计算灭弧室剩余寿命，把剩余寿命和真空度值记录数据库中，完成此次测量；

(3)如果实测值优于计算值且超出允许范围，再把此次实测值与前一次实测值对比。若劣于前次实测值，则系统认定此次的计算值为正确；若优于前次实测值，认定本次测量无效，提示检查系统。

(4)如果实测值劣于计算值且超出允许范围，专家系统调入真空度测量可信度值。若可信度正常，则判定真空开关出现异常，提示检查真空开关工作记录，找出原因；若可信度异常，则认定本次测量无效，提示检查系统。

本发明用于已经安装在电网中的真空灭弧室，不属于在线监测。但能够不必从电网的开关柜内拆卸真空灭弧室，测量的数据经过专家系统处理后，能够预测真空度的变化，预测剩余寿命。在专家系统的控制下，联合应用两种方法，测量网上真空灭弧室的真空度，应用数据融合技术解决真空度测量值的可信度问题。再由真空灭弧室漏气特性和灭弧室内的各种材料的吸气、放气特性，考虑正常运行和短路开断大电流电弧期间放气量，建立动态的真空度模型，预测真空度的变化，由专家系统的推理机与实测真空度进行对比分析并修正，预测真空灭弧室剩余寿命并进行寿命管理。

本发明提供一种真空灭弧室真空度测量及寿命管理专家系统和使用方法，可以克服已有技术的缺陷。它是建立完备的包括软硬件部分的专家系统，能够实现不在线的监测，又不会降低电力系统的可靠性，还可以增加测量数据综合分析和真空灭弧室的剩余寿命管理功能，满足开关电器状态检修的需要，实现真空开关智能化。

附图说明

图1是本发明整体结构组成示意图。

图2是专家系统主模块运行结构图。

图3是本发明真空度测量流程框图。

图4是屏蔽罩电位法真空度测量装置和等效电路。

图5是磁控放电法真空度测量装置图。

图6是本发明专家系统与寿命管理流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示，以专家系统主模块101为核心的包括软、硬件的综合系统。专家系统主模块101与磁控法真空度测量装置201和屏蔽罩电位法真空度测量装置202连接。专家系统主模块101还连接剩余寿命预测模块301和寿命管理模块302。

专家系统主模块101的组成：主程序模块可分为：知识库模块、综合数据库模块、推理机模块、人机接口模块、解释机构模块以及知识获取机构模块。组成和连接方式与运行程序如图2所不。简要描述如下：

本专家系统的核心部分是知识库、综合数据库和推理机。

系统的知识库用于存取和管理求解问题所需要的专家知识和经验，包括事实、可行操作与规则等。本系统中，知识的获取，有非自动知识获取和自动知识获取两种形式。

而系统推理所用的原始数据和推理过程中产生的中间信息(数据)，保存在综合数据库。因此综合数据库中的事实是在经常变化的。

推理机是专家系统的组织控制机构，在它的控制和管理下，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机与知识库是相分离的，这是本专家系统的主要特征。它的优点是对知识库的修改和扩充无须改动推理机。

系统的推理机综合应用知识库中的各种知识表示方法和传递算法，匹配算法及冲突消解策略。根据问题的复杂程度以及问题求解的情况随时调整推理的策略。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而非简单地搜索现成的答案。

人机接口模块就是屏幕上的可视化窗口，它执行解释机构模块设定的程序，实现专家系统与人的对话。知识获取机构负责建立、修改与扩充知识库，以及对知识库的一致性、完整性等进行维护。

本发明的真空灭弧室真空度测量装置是由磁控法真空度测量装置201和屏蔽罩电位法真空度测量装置202组成，如图3所示，测量过程是在专家系统主模块101启动后，按既定程序进行的。屏蔽罩电位法真空度测量装置202和磁控法真空度测量装置201在不同量程段内，灵敏度不同，预先经过互补性设计。两种测量装置的准确度通过可信度参数体现，由专家系统主模块101给出。

屏蔽罩电位法真空度测量装置202如图4所示。1真空灭弧室，2屏蔽罩，3探头，4开关柜，探头3用专用绝缘支架固定，放置在真空灭弧室1和开关柜4机壳之间，接好电位值输出线。图4(b)中，C₁是中间屏蔽罩2和触头导电杆之间的等效电容，C₂是中间屏蔽罩2和测量探头之间的等效电容，C₃是探头3和开关柜4机壳之间的等效电容，C₄为对地的耦合电容。

探头3用专用绝缘支架固定，放置在真空灭弧室1和开关柜4机壳之间，接好电位值输出线。

磁控法真空度测量装置201包括，真空灭弧室1(两触头间拉开额定开距)，高压电源5，励磁线圈6和线圈励磁电源7：励磁线圈6用支架固定在被测真空灭弧室1的中部，两线圈端面与真空灭弧室1间隙大致相等，高压电源5的引线接到真空灭弧室的上端接线端子，放电电流信号线接下端接线端子。

真空灭弧室1本身，加上高压电源5和励磁电源7，构成了测量传感器。

将真空灭弧室的触头拉开到额定开距，在触头间施加8kV脉冲电压，以便在其间产生一强电场，同时在灭弧室触头间施加0.2T横向磁场。

此时灭弧室内的气体形成自持放电。此放电电流与真空灭弧室内的真空度有单值对应关系。通过测定放电电流，传送到专家系统中，根据真空度-放电电流单值对应关系，便可测出灭弧室内的真空度。

本发明提供的真空灭弧室真空度测量及寿命管理专家系统的使用方法：

1)在电网(任何地点，全部电压等级)中运行的真空开关年检时，开关柜断开高压电，真空开关分闸，打开上、下隔离开关。打开开关柜柜门。

2)将磁控法真空灭弧室真空度测量装置中的传感器部分的安装固定：励磁线圈用专用支架固定在被测真空灭弧室的中部，使真空灭弧室大致位于两线圈端面的正中。高压电源的引线接到真空灭弧室的静导电杆(上端)接线端子，放电电流信号线接动导电杆(下端)接线端子。

3)将屏蔽罩电位法真空度测量装置中的探头用专用绝缘支架固定，放置在真空灭弧室和开关柜机壳之间，接好电位值输出线。

4)启动专家系统，用两种方法分别测量真空度，由专家系统给出测量可信度，得出真空度测量值。具体步骤：

(1)取系统前一次实测的真空度值、前一次测量的具体时间以及这段时间内的短路开断次数，计算出当前真空灭弧室真空度的理论值。

(2)取当前真空度的实际测量值，与理论值对比。如果两差值在允许范围内，则认定当前测量值，根据此测量值计算灭弧室剩余寿命，把剩余寿命和真空度值记录数据库中，完成此次测量；

(3)如果实测值优于计算值且超出允许范围，再把此次实测值与前一次实测值对比。若劣于前次实测值，则系统认定此次的计算值为正确；若优于前次实测值，认定本次测量无效，提示检查系统。

(4)如果实测值劣于计算值且超出允许范围，专家系统调入真空度测量可信度值。若可信度正常，则判定真空开关出现异常，提示检查真空开关工作记录，找出原因；若可信度异常，则认定本次测量无效，提示检查系统。

屏蔽罩电位法真空度测量装置202和磁控法真空度测量装置201在不同量程段内灵敏度不同，在大于等于10^-3Pa数量级，屏蔽罩电位法可信度较高；在小于10^-3Pa数量级量程段，磁控法可信度高，预先经过互补性设计。可信度判据考虑三个方面：1.每个方法在不同的量程段内，准确度不同，由方法本身特性决定，经过测量实验摸索得出，存入专家系统知识库；2.与专家系统的计算值对比。3.考虑设备工作状态参数的波动变化(如磁控法的电磁线圈励磁电流、高压电源的电压值)。

应用实施例

地点，本实验室开关柜上，条件环境，室温。

产品型号为ZKTD3150/10-40的真空灭弧室，按上述使用步骤操作，结果数据如下：

真空度测量全过程数据

寿命预测管理全过程数据

  出厂真空度值(Pa)  1×10^-5  前一次实测真空度(Pa)  5×10^-5  时间间隔(年)  1  当前真空度理论指(Pa)  2×10^-4  当前真空度实测值(Pa)  5×10^-4  剩余寿命(年)  16