低代價魯棒高壓電抗器隔震消能監控系統設計

王堅

（武漢供電設計院有限公司，湖北武漢 430030）

電力已成為現代社會不可或缺的重要能源形式，電力系統的穩定運行對經濟社會具有良好的保障支撐作用。電抗器是電力系統的重要設備之一，對于抑制過電壓過電流、補償線路無功、維持電壓穩定等方面發揮著重要作用[1-3]。電抗器在工作過程中會產生劇烈振動，這些振動會造成變電站配電裝置樓內噪聲較大，甚至影響電抗器自身及其他電力設備的正常運行[4-6]。另外由于地震自然災害，超標的振動可能會引起電抗器結構變形、故障損壞，嚴重時甚至會引起大范圍停電事故[7-10]。因此通常在電抗器底座安裝隔震消能裝置，降低電抗器振動噪聲，減小對地震振動的影響。

電抗器及其隔震消能裝置通常由人工方式維護，但這樣對于隔震消能裝置的健康狀態以及能否起到消能減震的效果，并不能進行準確地定量評估。

為了提升隔震消能裝置監控維護的智能化水平，該文針對高壓電抗器隔震消能監控系統設計展開了深入研究。

1 高壓電抗器隔震消能監控系統設計

1.1 系統架構

高壓電抗器隔震消能監控系統結構如圖1 所示，其由傳感器系統、數據采集與傳輸系統、監控系統構成[11-13]。

圖1 高壓電抗器隔震消能監控系統結構

傳感器系統用于實現電抗器不同位置的振動信號采集，所采取的傳感器類型主要為加速度傳感器和應變傳感器。

數據采集與傳輸系統由多通道數據采集儀和數據傳輸通道構成，能夠獲取、匯集和上傳傳感器系統中多個傳感器的輸出信號。

監控系統是實現高壓電抗器隔震消能監測分析的核心，其通過對傳感器系統采集的信號進行分析處理，實現對電抗器隔震消能的實時監控和智能控制，主要功能包括信號的分析處理、異常狀態告警、數據庫管理等。

1.2 主要功能

高壓電抗器隔震消能監控系統主要功能如圖2所示，其包括用戶管理、監測數據可視化、狀態評估與預警、預警信息管理和數據儲存管理等。

圖2 高壓電抗器隔震消能監控系統主要功能

2 低代價魯棒隔震消能監控數據分析方法

隔震消能監控方法如圖3所示。將傳感器獲取的應變力、位移、加速度等數據作為算法的輸入數據，經過標準化、異常剔除等數據預處理操作，然后采用逼近理想點法（TOPSIS）進行數據分析[14-16]，從而評估隔震消能裝置的健康狀態，得到綜合狀態評估值。當其大于相應預警等級的閾值時，表明隔震消能裝置處于異常工作情況，通過告警信息、交互界面等向工作人員發出異常預警。該方法僅需對傳感器獲得的數據進行簡易的綜合處理與分析，對監控系統的硬件配置和計算能力要求不高，總體成本較低。但是系統所監測的數據涵蓋了應變力、位移、加速度等多個指標，對隔震消能裝置異常狀態的識別更為敏感，且系統魯棒性強[17]。

圖3 低代價魯棒的隔震消能監控算法

2.1 監測數據預處理方法

監測數據預處理主要包括異常數據剔除以及數據特征的提取。

異常數據剔除基于萊茵達準則，求取檢測數據的算術平均值及均方差，判斷準則如下：式中，與σ分別為測試數據集{xi|i=1,2,…,n}的算術平均值和均方差，計算方法如下：

2.2 基于TOPSIS的監測數據分析方法

假設共有m個隔震消能裝置狀態d1,d2,…,dm組成狀態集，對于任一狀態，共有n個監測指標a1,a2,…,an組成監測指標集，則監測矩陣X=(xij)m×n的表達式如下：

式中，xmn為狀態dm監測指標an的值。

為了消除不同監測指標量綱差異對隔震消能裝置狀態評估的影響，需要對各個狀態的評估指標值進行歸一化，得到歸一化評估矩陣Y=(yij)m×n。歸一化的方法如下：

在監測指標值越大，隔震下消能裝置狀態越優的情況下：

在監測指標值越小，隔震消能裝置狀態越優的情況下：

由于不同監測指標對隔震消能裝置狀態的反映程度不同，以權重系數衡量這種影響關系。將歸一化評估矩陣與權重矩陣相乘，得到加權歸一化評估矩陣Z=(zij)m×n：

式中，w=[w1,w2,…,wn]T為權重矩陣，wn為監測指標an的權重系數。

為準確評估隔震消能裝置狀態，獲取電抗器在正常工作以及施加外部振動情況下監測系統測得的指標值，將其加入監測狀態集。再從狀態集中確定正負理想狀態，正理想狀態表示各個監測指標均為最優的狀態；負理想狀態表示各個監測指標均為最劣的狀態，如式（7）所示：

式中，J+為其值越大狀態越優的監測指標集合；J-為其值越大狀態越差的監測指標集合。

計算待評價狀態與正、負理想狀態的距離：

式中，為第i個待評價狀態與正理想狀態的距離；為第i個待評價狀態與負理想狀態的距離。

進一步計算待評價狀態的綜合狀態評估值ei：

由上式可知，綜合狀態評估值在[0,1]范圍內，綜合狀態評估值越小則隔震消能裝置狀態越優；反之，則隔震消能裝置狀態越差。當綜合狀態評估值大于一定的閾值時，則說明隔震消能裝置處于異常工作狀態，此時監控系統發出異常告警。

基于TOPSIS 的監測數據分析算法流程如圖4所示。

圖4 基于TOPSIS的監測數據分析算法流程

3 算例分析

該文在高壓電抗器現場環境和軟硬件配置情況下，應用所提出的隔震消能監控系統設計方案，以驗證其有效性。仿真實驗基于湖北武漢元寶山220 kV變電站數據進行，電抗器為山東泰開電力電子有限公司生產的BKSC-10000/10 型電抗器，采用干式鐵芯設計，產品尺寸為3 100 mm×1 400 mm×2 850 mm，重量為16.5 噸，并在底部安裝了減震裝置。

3.1 隔震消能監控系統硬件配置

根據隔震消能監控系統的功能需求，該文從低代價、高可靠的原則出發，對監測系統的硬件設備進行選型。主要硬件設備如表1 所示，其包括加速度傳感器4 個、應變傳感器4 個、多通道數據采集儀1個、服務器1 個及電源1 個。

由表1 可知，隔震消能監控系統整體的硬件需求較低，具有良好的工程應用前景。

表1 隔震消能監控系統主要硬件設備

3.2 隔震消能監控系統數據分析結果

1）正常運行及施加外部振動的監測數據

在高壓電抗器正常運行、施加外部振動情況下，監測指標數據如表2 所示。可以看出，在施加外部振動情況下，系統監測到的位移、加速度和頻譜峰值等指標均明顯大于正常運行情況下的數值。

表2 正常運行及施加外部振動下的監測數據

因此，隔震消能監控系統可以通過監測位移、加速度和頻譜峰值等指標，評估高壓電抗器隔震消能裝置的健康狀態。

2）預警等級劃分

高壓電抗器隔震消能監控系統根據位移、加速度和頻譜峰值等監測數據，計算得到隔震消能裝置的綜合狀態評估值U，從而進一步根據綜合狀態評估值劃分狀態預警等級，如表3 所示。預警等級分為正常、I 級、II 級和III 級，預警等級越高則隔震消能裝置狀態越差。

表3 預警等級

3）隔震消能綜合狀態評價結果

基于上述仿真實驗條件，該文設計的高壓電抗器隔震消能監控系統最終得到的監測數據如表4所示。

表4 高壓電抗器隔震消能監控系統監測數據

基于TOPSIS 的監測數據分析方法得到隔震消能裝置的綜合狀態評估與預警等級劃分結果，如表5所示。

表5 綜合狀態評估與預警等級劃分

由表5 可知，所監測的高壓電抗器隔震消能系統的綜合狀態評估值為：S5＞S1＞S4＞S7＞S3＞S6＞S2。根據預警等級劃分結果，S1和S5為III 級預警，S4為II級預警，S3和S7為I級預警，S8、S6和S2為正常。

由上述分析可知，所提基于TOPSIS 的監測數據分析方法，能夠通過傳感器采集的監測數據，監測評估高壓電抗器隔震消能裝置的健康狀態，狀態預警結果精細準確，具有較強的魯棒性。

4 結束語

該文開展了高壓電抗器隔震消能監控系統的設計研究，構建了監控系統整體架構，提出基于TOPSIS 的監測數據分析方法。通過仿真實驗與分析表明，所設計監控系統僅需傳感器以及采集子站等相應的硬件，應用成本較低。該監測數據分析方法能夠綜合評估隔震消能裝置的健康狀態，并對故障異常狀態進行預警，保障隔震消能裝置的正常、穩定工作。但文中設計的隔震消能監控系統僅適用于PC 端，為進一步提升監控運維的智能化水平，有必要研究設計便攜式隔震消能運維裝置，這將在后續研究中開展。