開關類成套設備自動化檢測技術研究

宋進良，周 潔，徐 晨

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國家電投東北新能源發展有限公司，遼寧 沈陽 110181；3.沈陽捷通消防車有限公司，遼寧 沈陽 110011)

高壓開關類成套設備廣泛應用于配電系統，是極其重要的配電自動化設備，其穩定、可靠運行對電力系統具有十分重要的意義。近年來，國內對開關類成套設備的性能要求越來越高，開關類成套設備的入網試驗與性能評估成為關鍵技術。當前，國內外對開關類成套設備整體參數綜合測試的研究還比較少，缺少故障智能化診斷評估方法。

為適應配電網建設、運營及發展需求，提高開關類成套設備的入網質量，本文提出了一種基于柔性檢測技術的開關類成套設備智能信息化試驗平臺，可提高高壓開關類成套設備試驗工作效率，實現高壓設備檢測過程的智能化。

基于無線網絡的開關類成套設備自動化檢測系統將智能化開展開關類成套設備性能檢測評估，可自動實現數據采集與診斷分析，確保電網安全運行[1]。

1 測試原理

試驗系統以PLC為控制核心，以現場總線為通信網絡，通過鏈接通信接口對升流裝置、升壓裝置和多路數據分析儀進行控制與數據采集分析。系統通過智能切換裝置實現對開關類成套設備直流電阻測量、變比試驗、溫升試驗、耐壓試驗和雷電沖擊試驗的自動化檢驗，并將整個數據采集過程通過通信模塊存儲于系統數據庫中[2]。該系統采用模塊化設計，各工位之間依靠現場總線銜接，可通過遠程控制實現數據診斷與分析。

開關類成套設備由儲能電機通過單向滾針軸承帶動鏈輪轉動，達到儲能的目的。

試驗系統采用FPGA技術，試驗過程采用獨立分量分析算法分析。在試驗過程中，系統自動對數據準確度進行不確定度分析。

系統采用多路溫度直流測試技術，如圖1所示，待測的直流電阻連接到變送器端子(輸出為 0～5 V 或 4～20 mA)，再從變送器端子接入該裝置的多路 DC信號輸入負載端。通過多路信號數據分析儀進行遠程設定。

圖1 直流測溫原理圖

2 系統理論算法與絕緣性能

2.1 系統參數計算

電壓有效值計算：

(1)

電流有效值計算：

(2)

單相有功功率計算：

(3)

當諧波分量存在時，三相有功功率和：

(4)

iC(k)}

(5)

無功功率：

(6)

(7)

當諧波分量不存在時，式(6)可以準確計算出無功功率，其原理是對于正弦信號，無功功率定義為

Q=UIsinφ=UIcos(φ-90°)

(8)

當諧波分量存在時，利用式(7)計算得到Fryze無功功率。

2.2 電測參數真有效值積分算法

假設N足夠大，平均功率計算公式為

(9)

(10)

(11)

式中：u(t)、i(t)為電壓、電流的瞬時值；T為信號周期。

(12)

(13)

2.3 獨立分量分析算法

獨立分量分析在柔性檢測系統中應用的信號識別與優化分析其分析流程如圖2所示[3]。

圖2 獨立分量分析流程圖

為達到柔性系統優化處理，通過算法計算近似應用數據。

a.球化

對W進行線性變換，使得z(t)的各分量方差值為1，且不相關。

b.正交變換

使得yi的方差值保持數值為1，且各分量相互獨立。

c.判據

(14)

式中:p(yi)和p(y)為未知參量，對其進行預概率預估計，統計獨立性可以描述為

(15)

當式(15)中函數y的各分量獨立時，I(y)=0可以定義為信息極小化的相互判據。由x求y=BX，由此可得模型的預估結論：

H(y)=H(x)+log|B|

(16)

(17)

2.4 信號傳遞函數

信號傳遞函數SITF(signal-transfer function)是對系統進行評估的重要參數之一，輸入信號假定描述為標靶與其周圍環境之間的溫度差值(見圖3)。

圖3 信號傳遞函數

SITF的推算過程如下：

(18)

式中：G為系統增益系數；R(λ)為對波長λ的響應度；Ad為探測器面積；F為基數；?Me(λ,TB)/?T為輻射泰勒級數的簡化式；Tsys(λ)為系統光學傳遞函數。采用最小二乘法推導出信號傳遞函數：

(19)

存在于響應度函數中的偏置，可表示為

(20)

式中：

(21)

(22)

3 評估試驗

為測試開關類成套設備試驗評估系統的有效性和優越性，針對開關類成套設備的直流電阻測量、溫升試驗和雷電沖擊試驗進行評估分析。

3.1 繞組直流電阻測量

為了驗證繞組是否存在匝間短路，電壓分接開關是否接觸良好，系統采用數字測量系統開展直流電阻測量，自動完成測量、過渡過程判斷、數據采集與分析。如圖4所示，當回路電流達到IN時，S2合上，S1斷開，回路轉入穩流狀態，在變壓器兩端產生的電壓降UX=RXIN；從而得到RX：

(23)

圖4 直流電阻數字測試原理圖

3.2 局放試驗

采用開關柜局放的電磁測量法，系統試驗電源設置變頻電源，利用校正脈沖發生設備進行系統放電參數校準，交流耐壓試驗裝置升電壓至預加電壓，系統自動記錄放電量如圖5所示。

圖5 局放試驗結果

3.3 雷電沖擊試驗

雷電沖擊試驗系統采用獨立分量分析技術對數據進行分析，硬件結構采用電壓發生器、電流發生器和分壓器相互銜接，系統可由上位機控制電壓發生器和電流發生器開展雷電沖擊試驗，通過分壓器進行數據實時采集分析。對開關類成套設備按額定值進行雷電沖擊試驗，試驗數據如圖6所示[8]。

圖6 雷電沖擊電壓波形

4 結束語

開關類成套設備的廣泛應用對提高電力系統的供電可靠性具有重要的現實意義。本文針對開關類成套設備全性能抽檢試驗中的各類問題，提出了一種全新的智能檢測與評估方法，系統采用PLC為控制核心,通過交流采樣技術和獨立分量分析技術實現實時數據采集與分析，提高了系統運行的穩定性，減少了響應時間。試驗結果表明，該方法不僅提高了開關類成套設備試驗的準確性，具有較強的魯棒性，而且克服傳統方法對全性能參數難以分割的缺點，實現了開關類成套設備全性能自動化檢測與評估。試驗方法采用自動優化識別技術，簡化了開關類成套設備的試驗過程，在電網的物資抽檢工作中將發揮更重要的作用，有著廣泛的應用前景[9]。