高壓開關(guān)柜改進(jìn)型溫濕度預(yù)警與在線監(jiān)測系統(tǒng)

謝東日，徐敏捷，劉孫相與，王藝欽

(重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

高壓開關(guān)柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行在一定程度上取決于開關(guān)柜內(nèi)部的溫濕度狀態(tài)，超過閾值，會對開關(guān)柜穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患。封閉式開關(guān)柜內(nèi)部裸露高壓母線、空間狹小[1]，對柜內(nèi)電氣聯(lián)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫濕度監(jiān)測具有重要意義。

本文采用熱紅外測溫與數(shù)字式測溫的聯(lián)合測溫方式。熱紅外測溫方式用于監(jiān)測開關(guān)柜母線接頭溫度，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)測量；數(shù)字式測溫方式用于測量開關(guān)柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)。通過分布式監(jiān)測方式，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)溫濕度的多路在線監(jiān)測；通過對溫濕度的數(shù)據(jù)監(jiān)測和計算，進(jìn)而判定高壓開關(guān)柜的凝露現(xiàn)象。從而實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備監(jiān)測方式由定期檢修過渡到狀態(tài)在線監(jiān)測[2]。

在溫度預(yù)測方面，目前大部分針對高壓開關(guān)柜的工作集中在在線監(jiān)測，能夠做到實(shí)時報警，但無法在故障發(fā)生之前提前預(yù)警。本文通過后臺監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以算法預(yù)測方式提前獲取溫度曲線走勢，為工作人員提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持，能夠超前發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時報警，以便采取必要措施，對于開關(guān)柜的安全運(yùn)行有重要意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

系統(tǒng)利用分布式傳感器、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對高壓開關(guān)柜溫濕度實(shí)時監(jiān)測；通過LabVIEW上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)顯示、儲存以及超閾值報警[3]功能。其中，溫濕度數(shù)字式傳感器和紅外探頭傳感器分別完成開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境溫濕度和母線接頭溫度的測量。監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

2 溫濕度傳感器

SHT11溫濕度傳感器[4]是將信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、二線串行接口集成于一塊芯片的全校準(zhǔn)數(shù)字式傳感器，能有效解決高壓隔離、電磁干擾等問題，提供可靠、真實(shí)的數(shù)據(jù)。

2.1 濕度計算

相對濕度采用式（1）進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換：

其中，SORH表示相對濕度測量值；RHlinear表示濕度線性補(bǔ)償修正值。

一般運(yùn)行狀態(tài)下，濕度轉(zhuǎn)換參數(shù)如表1所示。

表1 濕度轉(zhuǎn)換參數(shù)

實(shí)際中，式（1）的濕度信號需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償后濕度值 RHtrue采用式（2）計算，其中，T℃表示實(shí)際環(huán)境溫度。

溫度補(bǔ)償系數(shù)如表2所示。

2.2 溫度計算

采用式（3）將輸出SOT轉(zhuǎn)換為修正溫度值T：

溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)如表3所示。

表2 溫度補(bǔ)償系數(shù)

表3 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.3 露點(diǎn)溫度計算

露點(diǎn)溫度可以通過溫度和濕度監(jiān)測數(shù)值經(jīng)計算得到。對于開關(guān)柜一般運(yùn)行情況下-40℃～+50℃溫度范圍的測量，結(jié)合式（1）～式（3）所得結(jié)果，通過式（4）得到露點(diǎn)溫度Td較好的計算精度：

露點(diǎn)溫度計算參數(shù)如表4所示。

表4 露點(diǎn)溫度計算參數(shù)

3 軟件系統(tǒng)

3.1 LabVIEW上位機(jī)監(jiān)測模塊

LabVIEW是基于G語言編程的虛擬儀器技術(shù)，交互式操作界面使得監(jiān)測更加直觀清晰。通過閾值判定的方式完成對開關(guān)柜溫濕度運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)即時報警功能。LabVIEW上位機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 上位機(jī)監(jiān)測流程圖

3.2 溫度數(shù)據(jù)處理

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[5]進(jìn)行溫度預(yù)測。該算法是一種反向傳遞并修正誤差的多層映射網(wǎng)，適用于大量數(shù)據(jù)處理。算法的數(shù)據(jù)處理傳遞過程如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

學(xué)習(xí)過程由信號的正向傳播與反向傳播兩個過程組成：

(1)正向傳播時，從輸入層傳入樣本，經(jīng)各隱含層處理后，傳向輸出層。若輸出層的輸出值與期望值不符，則進(jìn)入誤差的反向傳播階段。

(2)誤差反傳是將輸出誤差通過隱含層向輸入層逐層傳遞，并將誤差分配給各層的所有單元，從而獲得各層單元的誤差信號。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

通過輸入學(xué)習(xí)樣本以及用BP算法對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差進(jìn)行反復(fù)調(diào)整訓(xùn)練，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和小于指定誤差時，保存網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差，訓(xùn)練完成。將該算法應(yīng)用于溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)時，將監(jiān)測所得的溫度歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，通過設(shè)定期望輸出，與實(shí)際輸出進(jìn)行對比，若滿足誤差要求，即所得預(yù)測溫度值合理。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 開關(guān)柜露點(diǎn)溫度測量

凝露現(xiàn)象是指開關(guān)柜柜體內(nèi)壁表面溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時，內(nèi)壁表面發(fā)生水珠凝結(jié)的現(xiàn)象[6]，而開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生凝露會引起爬電、閃絡(luò)事故。凝露的發(fā)生取決于柜內(nèi)溫度、相對濕度以及露點(diǎn)溫度等因素，因而測量露點(diǎn)溫度參數(shù)可以更加全面地表征高壓開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)。

通過監(jiān)測系統(tǒng)測量的溫濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合式（4）計算露點(diǎn)溫度，對開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評價。

4.2 閾值判定

閾值判定對于電氣設(shè)備是一種重要的診斷方式。任意時刻，開關(guān)柜的A、B、C三相接頭溫度分別與該時刻的環(huán)境溫度比較，差值即為溫升值。在工作環(huán)境相似的情況下，同一位置的溫度值不應(yīng)該有較大變化，當(dāng)任一相溫度值高于閾值時發(fā)出警報；當(dāng)溫度在短時間內(nèi)有較大變化時，應(yīng)該考慮此點(diǎn)是否發(fā)生了故障，應(yīng)及時予以處理。

國家標(biāo)準(zhǔn)對開關(guān)柜在不同的負(fù)載運(yùn)行情況下的溫升限值做了相應(yīng)的規(guī)定[7]：戶內(nèi)外開關(guān)設(shè)備，周圍空氣溫度不超過40℃，且在24 h內(nèi)測得的平均值不超過35℃；在24 h內(nèi)測得的相對濕度的平均值不超過95%。

在溫升試驗(yàn)規(guī)定的條件下，當(dāng)周圍空氣溫度不超過40℃時，開關(guān)設(shè)備任何部分的溫升不應(yīng)超過表5規(guī)定的溫升極限。

表5 開關(guān)柜溫升極限

4.3 溫度數(shù)據(jù)預(yù)測

目前，大部分針對高壓開關(guān)柜的工作都集中在實(shí)時在線監(jiān)測，無法在故障發(fā)生之前提前預(yù)警。本文通過后臺軟件對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法得到的溫度預(yù)測值與實(shí)際值的對比如表6所示。

表6 預(yù)測值與實(shí)際值對比

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度預(yù)測值

圖6 預(yù)測值與實(shí)際值對比圖

預(yù)測數(shù)值結(jié)果對應(yīng)圖5中的圓點(diǎn)所示。圖6是對預(yù)測和實(shí)際溫度值對比的兩組溫度值曲線走勢，發(fā)現(xiàn)兩條曲線走勢大致相同，表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測效果較好，具有一定的推廣性。本文建立了完備的開關(guān)柜溫濕度在線監(jiān)測預(yù)警平臺，實(shí)時顯示溫濕度曲線，查詢?yōu)g覽功能完備；數(shù)據(jù)處理方面，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。監(jiān)測系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)測和預(yù)警功能，有助于指導(dǎo)設(shè)備的維護(hù)工作，對保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行有重要意義。

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[7]GB/T 11022-1999.高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].北京：國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999.