基于多源異構數據采集分析的高壓開關柜可靠性評估的研究

高壓開關柜常用的故障分析與運行可靠性評估方法大多基于電氣運行參數做出判斷，未綜合考慮高壓開關柜的全面運行工況、檢修信息、維修記錄、生產制造質量等工作過程信息，由于測試手段的局限性、故障反應快速、難記錄現象等原因，導致信息具有模糊性、不確定性等特征，從而造成運行檢修部門對高壓開關柜內部融合交互、故障演變的精確描述不足，高壓開關柜故障診斷過程中存在各種隨機性，其故障分析結果的精確性和時效性遠未達到電力系統安全可靠運行的要求。

1 高壓開關柜故障機理研究

高壓開關柜故障統計情況為拒動、誤動、絕緣下降、負載過流、外力及其他狀況。其機理可通過絕緣材料熱性能、電氣性能、機械強度等多樣化指標得以表征。在當前的國內外研究中，將各類應力劃分為熱應力、電應力以及機械應力后進而探討其各自及聯合作用下的故障機理是現有方法中的主流形式。

高壓開關柜在運行中產生熱量，一是負荷電流通過導體的過程中由于電阻的熱效應而產生熱量，其次高壓電器中的鐵磁體產生渦流和磁滯損耗發熱，最后交流絕緣體內介質損耗產生熱量，熱量導致的絕緣介質溫度變化效果經長期積累將造成絕緣介質產生系列理化特性變化。

在強電磁場的長期作用下，電應力也將造成高壓開關柜絕緣介質整體性能的劣化。放電過程中產生的可見光、紫外線等輻射效應等都會破壞絕緣材料的分子結構，促使絕緣材料裂解，并導致絕緣性能的下降。

高壓開關柜運行時，會受到多方面的機械應力作用。電磁耦合產生的震動力、隨負荷變化溫度產生的熱脹冷縮的膨脹力、外界突然短路時產生的短路力。其中短路力的幅值最大，對高壓開關柜絕緣材料的破壞也最大。

2 關鍵技術性能

2.1 低功耗數據采集

基于低功耗物聯網智能數據采集器，結合當前主流的物聯網通信技術，采用工業級超低功耗處理器平臺，實時監測高壓開關柜內的各種數據，系統采集環境溫度濕度、開關柜內運行溫濕度，關鍵部位發熱溫度，超聲波、暫態地電位等多種傳感融合檢測技術，獲取全方位的開關柜運行狀態信息，系統有線、無線等方式上送，監測量的選擇主要考慮變電站運維巡檢項目。主要考慮內容如下：

變電站地質環境：溫度、濕度、風速、降雨量等。

局部放電傳感器可以用來監測高壓開關柜母線連接、電纜接頭以及斷路器等電氣設備的局部放電情況。傳感器將實時對放電信號進行采集，并通過內嵌放電檢測算法來辨別和區分放電與外界噪聲干擾。局部放電傳感器還具有波形記錄功能，可記錄放電瞬間產生的聲波和暫態地電壓波形信號；局部放電傳感器采集到放電信號后，無線傳送到智能終端。智能終端實時顯示放電曲線，并利用智能算法計算出所產生放電的部位的放電強度、發出告警提示，利用泛在電力物聯網傳輸到遠程云平臺的數據庫。信息在服務器中通過豐富的人工智能算法進行進一步處理，從而得到基于放電過程變化的設備劣化趨勢等數據。

電氣接點測溫傳感器，采集斷路器觸頭、高壓套管、電纜接頭、高壓母線等易產生高溫處運行溫度數據，進行動態跟蹤監測。實時展示故障目標位置信息等。

開關柜在運行過程中，因為內部散熱除濕能力不足，引起熱量集中、濕度超限、發熱溫升等現象，嚴重危害電路設備的正常運行，采用溫濕度在線檢測系統實時監測開關柜內各種設備的溫濕度等信息，并綜合使用多種環境調節設備。

2.2 數據分析

根據復雜工況下高壓開關柜信息量大、信息結構多的特征，收集并整理故障數據，構建高壓開關柜多維故障數據庫。同時針對相關非/半結構化數據，研究其存儲、處理與集成方法，利用多源異構數據處理與集成方法實現高壓開關柜異構數據的編輯，并自動地進行數據的“抽取-轉換-裝載”和“數據清洗”，實現各類相關信息的多源集成。進而分析故障原因，采用聯合概率數據關聯方法獲得典型故障機理與關鍵參數的關聯關系，以及高壓開關柜各故障模式的概率統計規律，以此構建開關柜的運行穩定性評估指標體系。

依據相關標準及高壓開關柜的全面運行工況、檢修信息、維修記錄、生產制造質量等工作過程信息運行歷史數據，分析高壓開關柜相關部件機械故障類型及產生機理；以故障溫度差異分類研究熱故障，主要分析低溫過熱故障、中溫過熱故障以及高溫過熱故障發生發展過程；以放電形式及放電能量差異分類研究電故障，主要分析局部放電、低能量放電以及高能量放電發生發展過程。針對高壓開關柜各部件長期運行中面臨的各種化學、物理、機械作用等復雜環境，結合分子動力學模型探究主要絕緣部件在老化過程中的微觀機理，并設計加速電、熱老化實驗環境，從理論仿真與實驗分析角度來綜合研究絕緣劣化機理。

圖1 技術路線

針對復雜工況下高壓開關柜關鍵參數（如電氣參數、局部放電量、節點溫度等）的異構數據存儲，研究其多源異構數據處理技術與集成方法，將收集/采集的多源信息中的半/非結構化數據通過識別處理數值化，與其他結構化數據一同進行篩選、補全和去噪等預處理操作，同時，將間接參量通過核主成分分析、聯合概率關聯分析等分析方法，構建評價指標體系，將預處理結果和指標體系共同組成特征參數。

高壓開關柜故障綜合診斷與運行穩定性評估軟件系統。以開關柜設計、制造、運行、檢修、試驗等多學科理論為基礎，結合近幾年來高壓開關柜事故統計、分析、家族病史及預防對策研究分析的結果，各類故障的機理、發生損壞的關鍵因素、發展規律、故障征兆、故障后果及預防對策進行深入的關聯分析研究，建立運行穩定性狀態退化模型，將此模型與運行穩定性評估模型結合，實現開關柜各部件及整體系統的運行穩定性管理，最終設計并實現高壓開關柜故障綜合診斷與運行穩定性評估系統。