配網設備狀態評估驗證系統的研制

吳曉飛 ，尹 飛

(1.淮安供電公司,江蘇淮安223001；2.江蘇方天電力技術有限公司,江蘇南京211102)

目前，我國現行電力設備的檢修模式大多是以故障檢修和預防性計劃檢修為主的檢修模式，這種檢修模式存在著檢修頻繁，檢修費用高，盲目維修，檢修過剩和檢修不足同時存在等多重弊端。狀態檢修以設備當前的實際工作狀況為依據，通過先進的狀態監測手段，判斷設備的狀態，識別故障的早期征兆，對故障部位及其嚴重程度、故障趨勢作出判斷，并根據分析診斷結果主動實施維修。這種先進的檢修模式已廣泛應用于歐美等發達國家的電力系統的檢修實踐中，取得了良好的經濟效益和社會效益[3]。

1 系統結構

采集服務器負責從其他業務系統和監測設備上采集各種配網設備的狀態信息，并對數據進行清洗、轉換；數據庫服務器負責存儲設備基本數據、設備狀態數據及知識庫；算法評估服務器負責設備狀態評估，并將設備狀態評估結果存入數據庫服務器；算法驗證服務器對算法進行驗證，將結果存入數據庫服務器；應用發布服務器為設備狀態展示提供平臺支持。如圖2所示，系統主要包括兩大模塊：數據采集和狀態評估。數據采集模塊主要是從遠程監測設備或其他業務系統獲取設備的狀態信息，并通過數據采集、轉換，形成狀態評估可用的數據。狀態評估模塊主要是根據狀態數據自動選擇算法和評估方式，對設備狀態進行評估，狀態不良則會提示用戶。

本文以設備狀態監測技術為基礎，結合神經網絡、專家系統，開發配網設備狀態評估驗證系統，其物理結構如圖1所示。

系統包括數據采集服務器、數據庫服務器、算法評估服務器、算法驗證服務器、應用服務器。數據

2 數據采集模塊

數據采集模塊主要包括在線數據采集、業務系統數據集成、數據ETL。

2.1 在線數據采集

在運行電壓下測量的特征量比離線試驗的同一特征參數正確度高，更能真實地反映設備運行的實時狀態。因此，本系統以設備在線監測數據為判斷設備狀態的主要依據，輔以其他業務系統的設備狀態數據。在線數據采集子系統采用WSN（無線傳感器網絡）技術構建，主要由無線數據傳輸基站（主機）、無線溫度傳感器（測溫模塊）、無線溫濕度傳感器和無線避雷器泄漏電流電流傳感器 （測量互感器）組成，其結構如圖3所示。

圖3 在線數據采集結構示意圖

在線數據采集主要采集以下數據。

（1）變壓器局部放電。本文采用超高頻檢測法（UHF法），通過傳感局部放電所激勵的超高頻（300～3000 MHz）電磁波信號，可實現局部放電的檢測和定位。該方法能避開常見的電暈等干擾，因而抗干擾性能好，靈敏度高。監測的結果（局部放電量）通過無線方式發送到數據采集服務器。

（2）電纜頭溫度。紅外測溫技術作為一種先進的檢測手段，具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準確、快速、直觀等特點，能在運行中有效監測和診斷電力設備的過熱缺陷，對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能作出可靠地預測，為設備的狀態評價提供有效依據，是實現設備狀態監測的有效手段[4]。本文采用無線溫度傳感器對電纜頭進行測溫，結果通過無線方式發送到數據采集服務器。

（3）避雷器泄漏電流。在電力系統中，金屬氧化物避雷器是重要的過電壓防護設備，其安全、穩定運行為電力系統提供保障。對于避雷器，由于其故障發展速度快，傳統的每年一次的預防性試驗是不能完全發現其缺陷的。監測運行電壓下通過避雷器的持續電流，可以有效檢測出避雷器內部受潮或電阻片老化等中晚期異常情況。本系統采用無線電流傳感器，將其卡在進出線分相電纜上，監測全電流和阻性電流，并將監測的結果通過無線方式發送到數據采集服務器。

2.2 業務系統數據集成

現有的DMS系統、SCADA系統、故障報修系統、停電管理系統、營銷系統、配網GIS系統等，均含有部分設備的狀態信息。本文通過Web Service的方式，直接獲取這部分數據，作為評估設備狀態的一種數據來源。

2.3 數據ETL

數據ETL功能是將在線和其他業務系統數據進行一定的篩選和加工，形成狀態評估模塊可以使用的數據。該功能在數據采集后自動執行。

3 狀態評估模塊

狀態評估模塊根據采集到的設備狀態量數據，結合神經網絡、專家系統，分析數據特征，智能選擇診斷算法和診斷方式，對設備狀態進行診斷，主要評估方式有單一診斷和綜合診斷兩種。

3.1 單一診斷

單一診斷是指對一種檢測方法所取得的數據進行處理和判斷，得出故障征兆或有關設備狀態的初步結論。檢測的數據通過與規程、歷史檢修和故障數據、實驗數據、同類設備檢測數據比較，并考慮當前系統的運行狀況，通過專家系統建立配網主設備狀態的單一診斷規則，并將這些知識保存在專家系統的規則庫中，作為下次診斷的依據。

3.1.1 局部放電

采用超高頻信號幅值（mV值）表征局部放電水平，通過比較局部放電試驗時的放電起始電壓與現場變壓器實際運行電壓，將出廠、交接或大修時試驗電壓下的超高頻局部放電信號最大幅值作為變壓器局部放電在線監測初始值，并以此作為運行電壓下的局部放電的“注意值”。在變壓器局部放電檢測超標的情況下，可對變壓器進行油中色譜分析（離線檢測數據）。

3.1.2 電纜頭溫度

目前，溫度檢測的判斷方法主要有以下3種。

（1）表面溫度判斷法。根據測得的設備表面溫度值，對照GB/T11022—1999《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》的規定，凡溫度超過標準的可根據設備超標的程度、設備負荷率的大小、設備的重要性及設備承受的機械應力的大小來確定設備缺陷的性質，對在小負荷率下溫升超標或承受機械應力較大的設備要從嚴定性。

（2）相對溫差判斷法。當環境溫度低，尤其是負荷電流小的情況下，設備的溫度值并沒有超過規定要求，但大量事實證明此時的溫度值并不能說明該設備沒有缺陷或故障存在，往往在負荷增長之后，或環境溫度上升后，就會引發設備事故。故對電流型設備還可采用“相對溫差”法來判別故障。

（3）同類比較法。在同一電器回路里，當三相電流對稱和三相（或兩相）設備相同時，比較三相或兩相電流致熱型設備對應部位的溫升值，可判斷設備是否正常。若三相設備同時出現異常，可與同回路的同類設備比較。當三相負荷電流不對稱時，應考慮負荷電流的影響。根據同類設備在正常狀態和異常狀態下的熱譜圖差異來判斷設備是否正常。綜合應用各種故障診斷方法，對設備的熱狀況進行全面分析，從而得到較為準確全面的設備狀態信息。

鑒于以上的方法都有自己的優點以及不足，故本系統結合直接溫度、相對溫差法、同類比較法進行綜合考慮判斷。先利用層次分析法確定3種方法的比值權重，利用模糊數學的思想將閥值邊界模糊化，再通過打分的方式得出結論。

3.1.3 避雷器泄漏電流

通過在線泄漏電流的測量能夠發現已發生有較大故障或老化較嚴重的避雷器，但對其早期的老化或受潮反應不靈敏。這是因為全電流峰值由容性和阻性電流組成，阻性電流所占成分很小，所以全電流對阻性電流的變化反映不靈敏，因此須通過阻性泄漏電流分量來評估避雷器狀態。一般來說，判斷準則為：在線的電阻性泄漏電流分量／在線全泄漏電流測量值＞0.25時，應加強監測，當阻性泄漏電流分量值增加l倍時，應建議停電檢查。檢測的結果（泄漏電流）通過系統的相關判法（閾值）可以根據檢測情況給出設備正常、注意和嚴重故障的結論。

3.2 綜合診斷

綜合診斷運用神經元網絡在故障征兆與故障位置之間建立起數學模型，將綜合診斷知識存儲在知識庫中，輸入故障征兆經過模型的處理后得到準確故障定位。首先，以預防性試驗為基礎，綜合考慮工作環境、運行資料、檢修記錄情況，建立層次型評估指標體系。引入了相對劣化度來表征變壓器實際狀態向故障轉化的相對劣化程度。利用模糊統計試驗法和模糊分布法分別建立了定性指標和其余定量指標相對劣化度的隸屬函數。在此基礎上，基于模糊綜合評判思想建立電力變壓器運行狀態評估模型，利用模糊迭代自組織數據分析算法（ISODATA）對油中 5種氣體（H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2）進行聚類分析，分析結果可以得出5類故障，即發熱、中低溫過熱、高溫過熱、低能放電和高能放電。

4 結束語

電力設備檢修技術的研究具有良好的經濟效益和社會效益，電力設備的維修由過去的計劃檢修向狀態檢修發展勢在必行。本系統在設備狀態在線監測系統的部署和檢修計劃優化等方面做了一定的探索和實踐，但仍然有許多問題需要進一步研究，如建立準確的設備可靠性模型,建設設備故障診斷的專家系統等。

[1]國家電網公司，Q/GDW644－2011配網設備狀態檢修導則[S].

[2]國家電網公司，Q/GDW645－2011配網設備狀態評價導則[S].

[3]許 婧，王 晶，高 峰，等.電力設備狀態檢修技術研究綜述[J].電網技術，2000(8).

[4]王春海，牛鳳麗.紅外線測溫儀在配電設備狀態檢修中的應用[J].中國設備工程，2009(11).

[5]李 黨.基于改進遺傳算法的供電設備檢修計劃的優化[J].廣東輸電與變電技術，2009(04).