配電設備狀態遠程綜合監測及預警系統設計與實現

沈桂城， 鐘盛， 翁蔚， 鄭榕， 楊帆

(1.國網福建省電力有限公司應急中心， 福建，福州 350003；2.國網福州供電公司， 福建，福州 350000)

0 引言

配電網是連接電力系統各個環節的關鍵，運行狀態與用電客戶和電力企業的利益息息相關，其中配電設備的健康狀態則是配電網平穩運行的基礎，設備老化、磨損、局部放電等都會增加電網事故概率。但配電設備種類多且型號雜，分布范圍極為廣泛，給檢修及日常運維管理造成了很大困難。因此，遠程的綜合檢測以及狀態評估手段既可以提升檢修效率，又能降低故障概率，具有極大的現實意義。

1 配電網簡介

1.1 配電網及核心設備

配電網通常情況下指的是向用戶直接供電或在二次降壓后變電站低壓側以后的網絡，是電力系統中直接面向用戶的關鍵環節，主要負責將電能輸送至每一位用戶。配電網的內部結構主要包括配電變壓器、電纜、開關柜、斷路器、桿塔以及其他附屬設備，電力系統的故障發生大多可以歸屬到配電網之中，因此，配電網的穩定運行直接關系到整個電力系統的可靠性與電能質量。

1.2 配電設備關鍵特征

首先，溫度是反應配電設備狀態的關鍵特征，通過溫度可以反映出配電設備的負荷情況以及電氣性能，對各類配電設備的運行狀態都有極大影響。溫度超出額定范圍則容易引起變形、接觸熱阻增大、老化速度加快甚至出現事故。其次，電纜在通常情況下是兩端接地，在實際應用過程中任一線松動都會導致產生接地電流，如果接地電流出現大幅波動或急劇增強則可能出現事故。再次，局部放電現象也是對配電設備絕緣強度的一種破壞。最后，由于斷路器開合閘引起的機械振動可以反映出很多的設備狀態情況，通過對信號波的處理可以定位激勵源從而進行故障識別[1]。

2 設備狀態綜合評估體系

配電設備狀態的評估主要是根據各核心設備在配電網運行過程中承擔的作用進行權重賦值，評價設備性能，從而得出設備運行狀態，因此選擇核心設備配電變壓器、電纜以及開關柜進行著重研究。

2.1 風險因素分析

首先，配電變壓器最常見的故障包括絕緣故障、短路故障、放電故障、運行故障。導致絕緣故障的最主要原因是運行中的高溫引起絕緣材料劣變及老化；短路故障通常由內部繞組變形或線路對地以及相間短路引起；當設備表面積污穢形成電荷聚集引起對地絕緣擊穿從而引起放電故障；另外機械開關由于磨損也會導致機械運行故障。其次，電纜故障主要是由于本體缺陷、附件缺陷以及環境影響造成的。最后，高壓開關柜內部結構復雜且難以維修，受粉塵、蒸汽等環境因素影響、爬距和空氣的間隙不足或者出廠工藝等原因都容易導致絕緣效果下降從而引發故障[2]。

2.2 綜合評估指標

配電設備的狀態評估指標既要反應出設備的運行特點，又要相互獨立互不影響。首先要確定評估對象及主體，然后分析評估對象的影響因素，最后劃分指標權重，以此提升評估準確性。在實際應用過程中，配電設備的構成部件比較復雜，本研究著重關注配電變壓器、開關柜以及電纜，由于涉及的指標眾多，遵循指標數量合理、互不重疊、反映評估對象單一特征的原則，從“核心配電設備風險—設備的重要部件狀態—部件的主要參數”逐層解析與細化，結合歷史事故信息以及故障原因，構建包含設備狀態、環境因素等于一體的綜合評估體系如圖1所示。

圖1 綜合評估體系

2.3 權重確定方案

選取了綜合評估指標之后，需要確定各個指標的權重，以此表示不同指標對整體設備狀態的影響度。目前常用的有主觀的層次分析(AHP)法以及客觀的熵值賦權法。傳統AHP法需進行n*(n-1)次比較，因此本研究采用熵值賦權法結合改進的AHP法確定綜合權重，步驟簡介如下。

(1) AHP法主要是將復雜問題分解為簡單部分，構建層次結構進而層層評價獲得優劣順序，但對于同一層次超過9個元素時難以分析，因此進行改進，在構造判斷矩陣之間先對各項指標進行排序，如此只需比較n-1次。設為指標比指標的重要程度，則指標i的主觀權重可表示為

ωi=n∏nj=1rij/∑ni=1n∏nj=1rij

(1)

式中,i=1,2,…,n,j=1,2,…,n[3]。

(2) 熵值賦權法：首先構建樣本矩陣，然后通過計算指標值的比值以及熵值得到最終權重。設m組監測設備，n個評估指標，指標i的第j個測量數據記為dij，數據矩陣記為Dnxm，標準化處理后得到S=(sij)nxm，配電設備的正向指標可通過sij=dij-mindijmaxdij-mindij計算，配電設備的負向指標可通過sij=maxdij-dijmaxdij-mindij計算，熵值計算公式為

Hi=-(lnm)-1∑mj=1pijlnpij

(2)

式中,i=1,2…,n,pij=sij/∑mj=1sij。

此時指標i的客觀權重可表示為vi=1-Hin-∑ni=1Hi,i=1,2,…,n。

(3) 綜合權重：為規避單獨賦權法對最終評估結果的影響，將主觀權重與客觀權重進行組合，得到最終的綜合權重

Wi=ωivi∑ni=1ωivi

(3)

式中,i=1,2…,n。

3 基于模糊評價的配電設備風險指數模型

采集到反映配電設備的運行狀態的關鍵指標之后，根據上述權重確定方案計算綜合權重，利用模糊理論對指標進行模糊處理獲取隸屬度矩陣，缺陷對應到最終的設備質量等級可以劃分為L1～L5共5個等級，設性能指標為ΔX，隸屬度函數μ可表示為：

(1) L1最優：隸屬度計算公式為

μ(ΔX)=1,0≤ΔX≤X1+C

12-12sinφ,X1+C<ΔX

0,ΔX≥X2+C

(4)

式中,φ=πx2-x1ΔX-x1+x22，C=118。

(2) L2～L4：隸屬度計算公式為

μ(ΔX)=

0,ΔX≤-X2+(C+nk)

12+12sinφ,-X2+(C+nk)<ΔX<-X1+(C+nk)

1,-X1+(C+nk)≤ΔX≤X1+(C+nk)

12-12sinφ,X1+(C+nk)<ΔX

0,X2+(C+nk)≤ΔX

(5)

式中,k=，n=1,2,3。

(3) L5不合格：隸屬度計算公式為

μ(ΔX)=

1,ΔX≥-X1+(C+nk)

12+12sinφ,-X2+(C+nk)<ΔX<-X1+(C+nk)

0,-X2+(C+nk)≤ΔX

(6)

式中,n=4。

得到隸屬度函數后根據各質量等級的隸屬程度計算設備整體健康狀況B=W·μ，并針對各個等級進行分值賦值c1～c5，通過加權平均的方法得到風險指數模型

fpQ=∑mj=1bjcj/∑mj=1bj

(7)

式中,bj為在各個等級中的隸屬度結果[4]。

4 綜合監測及預警系統設計

4.1 需求分析

配電網是電能提供到用戶的最后一個環節，是確保供電可靠性的基礎，一旦出現故障則可以引發大面積停電，不僅造成不良社會影響，也會帶來經濟損失，因此，對于配電網設備的狀態監測與預警是極為重要的防范措施。鑒于此，配單設備狀態綜合檢測及預警系統的主要功能需求體現在兩個方面：一是綜合評估配電核心設備的狀態信息，二是結合運行環境以及本體缺陷進行綜合風險指數計算，通過預設閾值進行實時預警，為后續調度、運檢以及應對措施提供數據依據。

4.2 總體結構

結合配電設備狀態綜合檢測及預警系統的功能需求分析，主要需實現設備狀態評估以及設備狀態預警，因此在總體結構上可劃分為信息采集、綜合評估、狀態預警以及系統配置幾個方面，如圖2所示[5]。

圖2 系統總體結構

4.3 功能模塊

4.3.1 信息采集模塊

信息采集模塊主要實現數據源的收集，且支持采集間隔可配置，系統刷新頻率可調節。首先。需采集投運之前的設備初始信息，包括技術臺賬、安裝記錄、設備本體缺陷信息等。其次，需采集運行信息，包括電壓、功率、電流、負載率等。最后，還需要采集設備的狀態信息，包括立項報告、巡視記錄、檢修信息、監測信息等。

4.3.2 綜合評估模塊

綜合評估模塊主要實現根據配電設備風險指數模型對待評估設備進行狀態量分析，生產綜合評估報告并通過圖表等可視化形式進行展示，同時多維度進行統計分析，預估后續趨勢。

4.3.3 狀態預警模塊

狀態預警模塊主要實現根據實測數據與預設閾值的對比進行狀態預警，通過可視化圖形報表的形式直觀顯示，便于管理人員進行巡檢以及異常追溯，進一步介入人工干預。

4.3.4 系統配置模塊

系統配置模塊主要實現評估所需各項參數的配置，包括基本信息、告警閾值、分值設置等。作為系統的個性化定制部分實現參數自定義。

5 系統功能測試及成效分析

5.1 待評估設備參數

為驗證系統功能，對本研究構建的配電設備風險指數模型進行實例數據測試，選擇三臺配電設備分別記為A、B、C，各項參數如表1所示[6]。

表1 三臺待評估設備指標參數

5.2 指標權重計算

將設備更換成本記作指標1，運行年限記作指標2，理論可靠性年份記作指標3，故障危險程度記作指標4，根據期望度賦值得到權重R12=1.3,R23=1.3,R34=3.63。首先，根據AHP法計算主觀權重，根據判斷矩陣的一致性原則Rij=Rik構建矩陣

R=13.634.7196.135

1/3.6311.31.69

1/4.7191/1.311.3

1/6.1351/1.691/1.31

以此得到主觀權重ω=[0.606 0.167 0.128 0]。其次，計算客觀權重，將指標標準化后得到矩陣

S=125

028

045

013，計算熵值結果為H=[0.544 5 0.533 4

0.625 3 0.5]，得到客觀權重

v=[0.255 2 0.261 4 0.209 9 0.2]。最后，加權平均得到綜合權重系數為

W=[0.613 2 0.173 1 0.106 5 0.1]。

5.3 評估結果

將數據帶入系統中的配電設備健康指數模型，取X1=118,X2=318，得到三臺設備相對于各個質量等級的隸屬程度

BA=[0.387 0 0 0 0 0.613 2]

BB=[0 0.468 6 0.425 1 0.016 3 0.090 2]

BC=[0.612 3 0 0 0 0.387 0]

取分值c1～c5依次為1、2、3、4、5，計算得到健康指數fPQ如表2所示。

表2 三臺配電設備綜合評估健康指數

由此可以看出，配電設備A的風險最大，在日常運維過程中需注意檢修，必要時進行設備更換，以此規避配電系統事故[7]。

5.4 成效分析

經過功能測試證明系統監測及預警結果具有實用性，在國內某市的2條線路及配電臺區試運行，系統的應用提升了配電設備管理效率，管理員可以根據系統監測的設備風險結果將轄區內設備按照50%、30%、20%的比例劃分維護等級。其中，50%的設備運行狀態良好，風險較低，短期內不需要安排檢修。30%的設備狀態合格，雖然使用年限略長性能有所下降，但各項指標仍在正常范圍內，在系統觀測結果即可。20%的設備運行狀態不佳，風險值較大，需盡快安排檢修或更換，規避供電中斷風險。試運行3個月期間，根據系統監測結果提前檢修2臺設備，有效減少實地巡查，為運維人員減輕了工作強度，同時也避免了人工誤操作的風險。另外，綜合檢測及預警系統的落地實施也提升了信息化、自動化水平，便于及時發現異常，采取防范措施，為提升供電可靠性助力。

6 總結

本研究介紹了設備特征與性能之間的關聯性，并基于此設計了配電設備狀態的綜合評估體系以及風險指數模型，經過實例數據證明模型評估效果良好，具有實用價值。但本研究主要是針對輻射型配電網，且未考慮采集過程中諧波、噪聲的干擾抑制問題，對于結構更復雜的配電網以及狀態信號的有效提取方面還需進一步深入研究。