灰色理論在預(yù)測(cè)SF6組合電器漏氣情況中的應(yīng)用

費(fèi)　韜，葉金翔，許　格

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 311232)

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灰色理論在預(yù)測(cè)SF6組合電器漏氣情況中的應(yīng)用

費(fèi)韜，葉金翔，許格

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 311232)

摘要:GIS設(shè)備在變電站的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但漏氣是影響GIS設(shè)備正常運(yùn)行的一個(gè)非常重要的因素。GIS設(shè)備漏氣時(shí)，其氣室壓力值下降呈非線性趨勢(shì)。通過(guò)灰色理論來(lái)擬合該下降趨勢(shì)，得到擬合后的趨勢(shì)曲線，該趨勢(shì)曲線通過(guò)殘差、關(guān)聯(lián)度及后驗(yàn)差三種檢驗(yàn)方式進(jìn)行檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)結(jié)果滿足要求，則該擬合是有效的。因此，可通過(guò)擬合后的下降曲線，來(lái)預(yù)測(cè)漏氣的GIS設(shè)備下一步的漏氣情況，為檢修計(jì)劃的制定提供參考。文中以國(guó)內(nèi)某特高壓變電站500 kV GIS組合電器氣室SF6氣體泄漏為例，詳細(xì)闡述了利用灰色理論建立模型，檢驗(yàn)該模型，并進(jìn)一步利用該模型來(lái)預(yù)測(cè)該組合電器將來(lái)SF6氣體泄漏的情況。

關(guān)鍵詞：變電站；GIS；SF6漏氣；灰色理論；檢修計(jì)劃；在線監(jiān)測(cè)

0　SF6 GIS簡(jiǎn)介

SF6氣體是一種無(wú)毒、無(wú)色、無(wú)味，化學(xué)性能極穩(wěn)定的物質(zhì)，具有良好的電氣絕緣性能及優(yōu)異的滅弧性能，其耐電強(qiáng)度為同等壓力下氮?dú)獾?.5倍，擊穿電壓是空氣的3倍，是世界上目前最優(yōu)良的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在SF6斷路器、SF6組合電氣設(shè)備GIS、SF6電流電壓互感器及小容量的變壓器上[1]。GIS(Gas Insulated Switchgear)是指SF6封閉式組合電器，國(guó)際上稱為“氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備”，它將一座變電站中除變壓器以外的一次設(shè)備，包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進(jìn)出線套管等，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)地組合成一個(gè)整體[2]。

1　變電站SF6在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用

變電站SF6在線監(jiān)測(cè)裝置的作用是將GIS設(shè)備內(nèi)SF6氣體的壓力值上傳到變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以供遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)整合利用[3]。

變電站GIS組合電器內(nèi)SF6的壓力值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器，經(jīng)接入層模數(shù)轉(zhuǎn)換，IEC61850通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，再接入變電站監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看組合電器SF6壓力值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。SF6在線監(jiān)測(cè)裝置接入監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SF6在線監(jiān)測(cè)接入監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　灰色理論簡(jiǎn)介

灰色系統(tǒng)理論是在經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論(包括大系統(tǒng)理論)、模糊控制理論(即白色控制理論)的基礎(chǔ)上，針對(duì)要求高而又難于用傳統(tǒng)方法建模的系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的新方法。灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行預(yù)測(cè)具有要求原始數(shù)據(jù)少、不考慮分布規(guī)律、短期預(yù)測(cè)精度高、易于檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

變電站GIS組合電器在發(fā)生SF6氣體泄露時(shí)，SF6氣體的壓力值相應(yīng)地不斷下降。但是根據(jù)在線監(jiān)測(cè)裝置采集到的SF6壓力值歷史數(shù)據(jù)分析，以及現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，GIS組合電器設(shè)備漏氣時(shí)，SF6壓力值下降趨勢(shì)是非線性的。另一方面，GIS組合電器設(shè)備SF6氣體壓力值的大小受到許多因素的影響，比如電氣設(shè)備負(fù)荷大小、環(huán)境溫度。同時(shí)，經(jīng)在線監(jiān)測(cè)裝置上送的壓力值，又受到傳感器誤差、通信異常等因素影響。

因此組合電器SF6壓力值的變化是一個(gè)典型的灰色系統(tǒng)。通過(guò)灰色系統(tǒng)理論對(duì)發(fā)生漏氣的SF6組合電器漏氣速度進(jìn)行預(yù)測(cè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3　案例分析

國(guó)內(nèi)某特高壓變電站對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置采集到的組合電器SF6壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史比對(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)500 kV GIS設(shè)備某氣室的SF6壓力值不斷下降。現(xiàn)場(chǎng)利用紅外檢漏儀對(duì)該氣室進(jìn)行檢測(cè)，確定該氣室存在漏氣現(xiàn)象，并定位了漏氣點(diǎn)。如圖2為紅外檢漏儀檢測(cè)情況，圖3為該氣室漏氣點(diǎn)位置。

圖2 通過(guò)紅外檢漏儀探測(cè)到漏氣點(diǎn)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)確定漏氣點(diǎn)位置

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，確定該漏氣點(diǎn)位于GIS設(shè)備罐體，如圖3所示。GIS組合電器設(shè)備的正常運(yùn)行要求內(nèi)部SF6氣體壓力值維持在一定范圍內(nèi)。SF6氣體的持續(xù)泄露將導(dǎo)致氣體壓力的不斷降低，進(jìn)而危及到設(shè)備的可靠運(yùn)行。一定時(shí)期內(nèi)可以對(duì)該氣室進(jìn)行帶電補(bǔ)充SF6氣體，使氣體壓力值升高至額定值或大于額定值，以維持該設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行；要根本解決該漏氣問(wèn)題，應(yīng)該制定停電計(jì)劃，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行整體更換。

該設(shè)備投入運(yùn)行約一年，運(yùn)行過(guò)程中曾經(jīng)補(bǔ)氣2次。該氣室壓力值及補(bǔ)氣情況如表1所示。

表1　漏氣氣室SF6壓力歷史值

從表1可知，運(yùn)行到第12個(gè)月時(shí)，該氣室壓力降至0.494 Mpa，然后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了補(bǔ)氣，使壓力值升至0.536 Mpa。

GIS組合電器設(shè)備的正常運(yùn)行要求內(nèi)部SF6氣體的壓力值應(yīng)不低于額定值。則現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)氣之后，氣體壓力何時(shí)會(huì)降低到額定值以下，成為本文討論的重點(diǎn)。在對(duì)降低到額定值的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)之后，就可以此為參考依據(jù)，制定檢修計(jì)劃，或再次帶電補(bǔ)氣，或停電更換設(shè)備。

下面將利用在線監(jiān)測(cè)裝置采集存儲(chǔ)的氣室壓力值歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行灰色理論建模，擬合該設(shè)備氣體壓力下降趨勢(shì)曲線，以預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的走勢(shì)。

4　模型的建立及驗(yàn)證

4.1　建立模型

令原始數(shù)據(jù)序列為X0：

然后先構(gòu)造累加數(shù)列

式中，

再作緊鄰均值生成

Z(1)=(Z(1)(1),Z(1)(2),…,Z(1)(n))

構(gòu)造B矩陣和Y矩陣如下：

由于灰色理論GM(1,1)白化方程為

求出X(1)后，累減即可得到預(yù)測(cè)模擬序列

式中，

于是，將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入X(0)，即可得到由該模型生成的擬合序列X(0)。

4.2　模型檢驗(yàn)

下面通過(guò)三種方法：殘差檢驗(yàn)法、關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)法、后驗(yàn)差檢驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證該模型的精度。

(1)殘差檢驗(yàn)法

首先構(gòu)建殘差序列

然后計(jì)算平均相對(duì)誤差：

導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行初期至6個(gè)月這段時(shí)間的σ=0.0018，精度為99.82%；6個(gè)月至12個(gè)月σ=0.0019，精度為99.81%；第12個(gè)月至今σ=0.0015，精度為99.85%，很明顯，精度非常高，預(yù)測(cè)結(jié)果可信。

(2)關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)法

首先將原始序列和預(yù)測(cè)序列都初始化，每個(gè)數(shù)都除以第一個(gè)數(shù)，得到

再求出差序列Δ=(?(1)，?(2)，…，?(n))，其中?(k)=|x1(k)-x2(k)|

求出二級(jí)差M=max(maxΔ))，M=min(minΔ))

然后計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)序列

導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行初期至6個(gè)月這段時(shí)間的γ=0.701，第6個(gè)月至第12個(gè)月γ=0.719，第12個(gè)月至今γ=0.674，依據(jù)灰色理論，要求γ越大越好，一般認(rèn)為γ>0.6，模型令人滿意[4]。因此本模型符合要求。

(3)后驗(yàn)差檢驗(yàn)法

先求出原始序列的均方差

小誤差概率：

經(jīng)計(jì)算，運(yùn)行初期至6個(gè)月這段時(shí)間的c=0.078，p=1，6個(gè)月至12個(gè)月c=0.076，p=1；第12個(gè)月至今c=0.278，p=0.96，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，后驗(yàn)差比值c<0.35，且p>0.95的精度等級(jí)為“好”(共四個(gè)等級(jí)，分別為:好，合格，勉強(qiáng)，不合格)，所以該模型滿意。

綜上，通過(guò)三種檢驗(yàn)方法對(duì)該模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合要求。所以，利用灰色理論來(lái)擬合本次漏氣的GIS氣室SF6氣體壓力值下降趨勢(shì)，是可靠的。

4.3　根據(jù)模型預(yù)測(cè)氣室壓力值下降趨勢(shì)

最后一次補(bǔ)氣之后，將在線監(jiān)測(cè)裝置采集并存儲(chǔ)的SF6歷史壓力值數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，得到擬合序列X(0)。

觀察擬合序列發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)氣后的231天壓力降至額定值0.5 Mpa。因此若要保證該氣室始終不低于額定值運(yùn)行，則應(yīng)考慮不遲于此時(shí)間進(jìn)行處理。可以進(jìn)行再次補(bǔ)氣，但因漏氣點(diǎn)并未消除，所以補(bǔ)氣后還應(yīng)繼續(xù)跟蹤該設(shè)備漏氣情況；或者考慮納入停電計(jì)劃[6]，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行更換處理。

5　灰色理論模型的推廣應(yīng)用

變電站在正常運(yùn)行情況下，通過(guò)人工或在線監(jiān)測(cè)裝置采集到大量非線性、較易受環(huán)境影響的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析平常只能靠人工檢查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且在數(shù)據(jù)量大的情況下，難以發(fā)現(xiàn)隱藏的問(wèn)題，且難以準(zhǔn)確判斷變化趨勢(shì)。根據(jù)上述模型在分析SF6氣室壓力、斷路器液壓、避雷器泄露電流、變電設(shè)備局部放電在線監(jiān)測(cè)、潮流等變電站重要數(shù)據(jù)方面，都能提供一個(gè)較為合理的預(yù)測(cè)，為制定變電站設(shè)備檢修計(jì)劃和運(yùn)維工作提供更好的支撐作用。

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江玉彬(1980-)，男，江西九江人，高級(jí)工程師，PMP，主要從事數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理工作。

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許格(1990-)，男，變電運(yùn)維值班員，從事超高壓及特高壓變電站運(yùn)維工作。

設(shè)計(jì)應(yīng)用

Application of Grey Theory in Predicting SF6Leakage in GIS Equipment

FEI Tao, YE Jin-xiang, XU Ge

(Maintenance Branch of Zhejiang Electric Power Company of State Grid, Hangzhou 311232, China)

Abstract:The application of GIS equipment in substation is more and more popular, but gas leakage plays an important role in safe operation of GIS equipment. When it happens, the decrease of pressure in the air chamber shows a nonlinear tendency. Through fitting the tendency with gray theory, we can get the trend curve which is then tested by the residual error, the criticality and the posterior error. As a result, the decrease curve tested can be used to predict the next step of the gas leakage and give reference for formulating the maintenance schedule. As an example, the SF6leakage in 500 kV GIS device of some ultra-high voltage substation is modeled on the basis of gray theory. After passing test, the model is then used to predict the tendency of gas leakage in the composite apparatus.

Key words:substation; GIS; SF6leakage; gray theory; maintenance schedule; online monitoring

收稿日期：2014--

中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0084-03

作者簡(jiǎn)介：費(fèi)韜(1985-)，男，2009年畢業(yè)于浙江大學(xué)，變電運(yùn)維值班員，從事超高壓及特高壓變電站運(yùn)維工作。 王旭(1986-)，男，河南鄭州人，主要從事數(shù)據(jù)中心動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)維、節(jié)能減排和項(xiàng)目管理工作。