灰色理論在預測SF6組合電器漏氣情況中的應用

費　韜，葉金翔，許　格

(國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 311232)

?

灰色理論在預測SF6組合電器漏氣情況中的應用

費韜，葉金翔，許格

(國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 311232)

摘要:GIS設備在變電站的應用越來越普遍，但漏氣是影響GIS設備正常運行的一個非常重要的因素。GIS設備漏氣時，其氣室壓力值下降呈非線性趨勢。通過灰色理論來擬合該下降趨勢，得到擬合后的趨勢曲線，該趨勢曲線通過殘差、關聯度及后驗差三種檢驗方式進行檢驗，若檢驗結果滿足要求，則該擬合是有效的。因此，可通過擬合后的下降曲線，來預測漏氣的GIS設備下一步的漏氣情況，為檢修計劃的制定提供參考。文中以國內某特高壓變電站500 kV GIS組合電器氣室SF6氣體泄漏為例，詳細闡述了利用灰色理論建立模型，檢驗該模型，并進一步利用該模型來預測該組合電器將來SF6氣體泄漏的情況。

關鍵詞：變電站；GIS；SF6漏氣；灰色理論；檢修計劃；在線監測

0　SF6 GIS簡介

SF6氣體是一種無毒、無色、無味，化學性能極穩定的物質，具有良好的電氣絕緣性能及優異的滅弧性能，其耐電強度為同等壓力下氮氣的2.5倍，擊穿電壓是空氣的3倍，是世界上目前最優良的絕緣介質和滅弧介質，現廣泛應用在SF6斷路器、SF6組合電氣設備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，國際上稱為“氣體絕緣開關設備”，它將一座變電站中除變壓器以外的一次設備，包括斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進出線套管等，經優化設計有機地組合成一個整體[2]。

1　變電站SF6在線監測裝置的應用

變電站SF6在線監測裝置的作用是將GIS設備內SF6氣體的壓力值上傳到變電站計算機監控系統，以供遠程監控及數據整合利用[3]。

變電站GIS組合電器內SF6的壓力值通過現場傳感器，經接入層模數轉換，IEC61850通信規約轉換，再接入變電站監控系統。通過監控系統可實時查看組合電器SF6壓力值，并對數據進行記錄。SF6在線監測裝置接入監控系統的結構如圖1所示。

圖1 SF6在線監測接入監控系統結構圖

2　灰色理論簡介

灰色系統理論是在經典控制理論、現代控制理論(包括大系統理論)、模糊控制理論(即白色控制理論)的基礎上，針對要求高而又難于用傳統方法建模的系統發展起來的新方法?；疑到y理論進行預測具有要求原始數據少、不考慮分布規律、短期預測精度高、易于檢驗等優點，現已在很多領域得到了應用。

變電站GIS組合電器在發生SF6氣體泄露時，SF6氣體的壓力值相應地不斷下降。但是根據在線監測裝置采集到的SF6壓力值歷史數據分析，以及現場的運行經驗，GIS組合電器設備漏氣時，SF6壓力值下降趨勢是非線性的。另一方面，GIS組合電器設備SF6氣體壓力值的大小受到許多因素的影響，比如電氣設備負荷大小、環境溫度。同時，經在線監測裝置上送的壓力值，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典型的灰色系統。通過灰色系統理論對發生漏氣的SF6組合電器漏氣速度進行預測具有一定的現實意義。

3　案例分析

國內某特高壓變電站對在線監測裝置采集到的組合電器SF6壓力值數據進行歷史比對時，發現500 kV GIS設備某氣室的SF6壓力值不斷下降?，F場利用紅外檢漏儀對該氣室進行檢測，確定該氣室存在漏氣現象，并定位了漏氣點。如圖2為紅外檢漏儀檢測情況，圖3為該氣室漏氣點位置。

圖2 通過紅外檢漏儀探測到漏氣點

圖3 現場確定漏氣點位置

經過檢測，確定該漏氣點位于GIS設備罐體，如圖3所示。GIS組合電器設備的正常運行要求內部SF6氣體壓力值維持在一定范圍內。SF6氣體的持續泄露將導致氣體壓力的不斷降低，進而危及到設備的可靠運行。一定時期內可以對該氣室進行帶電補充SF6氣體，使氣體壓力值升高至額定值或大于額定值，以維持該設備繼續運行；要根本解決該漏氣問題，應該制定停電計劃，對該設備進行整體更換。

該設備投入運行約一年，運行過程中曾經補氣2次。該氣室壓力值及補氣情況如表1所示。

表1　漏氣氣室SF6壓力歷史值

從表1可知，運行到第12個月時，該氣室壓力降至0.494 Mpa，然后現場進行了補氣，使壓力值升至0.536 Mpa。

GIS組合電器設備的正常運行要求內部SF6氣體的壓力值應不低于額定值。則現場補氣之后，氣體壓力何時會降低到額定值以下，成為本文討論的重點。在對降低到額定值的時間進行預測之后，就可以此為參考依據，制定檢修計劃，或再次帶電補氣，或停電更換設備。

下面將利用在線監測裝置采集存儲的氣室壓力值歷史數據，進行灰色理論建模，擬合該設備氣體壓力下降趨勢曲線，以預測數據的走勢。

4　模型的建立及驗證

4.1　建立模型

令原始數據序列為X0：

然后先構造累加數列

式中，

再作緊鄰均值生成

Z(1)=(Z(1)(1),Z(1)(2),…,Z(1)(n))

構造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，累減即可得到預測模擬序列

式中，

于是，將歷史數據導入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

下面通過三種方法：殘差檢驗法、關聯度檢驗法、后驗差檢驗法來驗證該模型的精度。

(1)殘差檢驗法

首先構建殘差序列

然后計算平均相對誤差：

導入歷史數據進行計算，運行初期至6個月這段時間的σ=0.0018，精度為99.82%；6個月至12個月σ=0.0019，精度為99.81%；第12個月至今σ=0.0015，精度為99.85%，很明顯，精度非常高，預測結果可信。

(2)關聯度檢驗法

首先將原始序列和預測序列都初始化，每個數都除以第一個數，得到

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

求出二級差M=max(maxΔ))，M=min(minΔ))

然后計算關聯系數序列

導入歷史數據進行計算，運行初期至6個月這段時間的γ=0.701，第6個月至第12個月γ=0.719，第12個月至今γ=0.674，依據灰色理論，要求γ越大越好，一般認為γ>0.6，模型令人滿意[4]。因此本模型符合要求。

(3)后驗差檢驗法

先求出原始序列的均方差

小誤差概率：

經計算，運行初期至6個月這段時間的c=0.078，p=1，6個月至12個月c=0.076，p=1；第12個月至今c=0.278，p=0.96，根據文獻[5]，后驗差比值c<0.35，且p>0.95的精度等級為“好”(共四個等級，分別為:好，合格，勉強，不合格)，所以該模型滿意。

綜上，通過三種檢驗方法對該模型進行了檢驗，檢驗結果符合要求。所以，利用灰色理論來擬合本次漏氣的GIS氣室SF6氣體壓力值下降趨勢，是可靠的。

4.3　根據模型預測氣室壓力值下降趨勢

最后一次補氣之后，將在線監測裝置采集并存儲的SF6歷史壓力值數據導入模型，得到擬合序列X(0)。

觀察擬合序列發現，補氣后的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行，則應考慮不遲于此時間進行處理。可以進行再次補氣，但因漏氣點并未消除，所以補氣后還應繼續跟蹤該設備漏氣情況；或者考慮納入停電計劃[6]，對該設備進行更換處理。

5　灰色理論模型的推廣應用

變電站在正常運行情況下，通過人工或在線監測裝置采集到大量非線性、較易受環境影響的數據，對這些數據的分析平常只能靠人工檢查，費時費力，且在數據量大的情況下，難以發現隱藏的問題，且難以準確判斷變化趨勢。根據上述模型在分析SF6氣室壓力、斷路器液壓、避雷器泄露電流、變電設備局部放電在線監測、潮流等變電站重要數據方面，都能提供一個較為合理的預測，為制定變電站設備檢修計劃和運維工作提供更好的支撐作用。

參考文獻：

[1]孟勇．GIS設備SF6漏氣處理技術[J]．應用技術，2009，5(b):120．

[2]李褆．SF6全封閉組合電器的漏氣分析與處理[J]．湖北電力，2003,27(4)：53-62．

[3]劉可龍．SF6氣體在線監測技術的現狀及發展趨勢[J]．通信電源技術, 2013,30(6):83-88 ．

[4]徐國祥．統計預測和決策[M]．上海：上海財經大學出版社，2008.

[5]寧宣熙，劉思峰. 管理預測與決策方法[M]. 北京：科學出版社，2009.

[6]李鳴青．氣體絕緣金屬封閉開關設備的漏氣處理[J]．供用電, 2010,27(6):72-73 ．

李志鋒(1977-)，男，廣西北流人，主要從事數據中心動力系統運維、節能減排和項目管理工作。

江玉彬(1980-)，男，江西九江人，高級工程師，PMP，主要從事數據中心的規劃設計、項目管理工作。

羅健(1976-)，男，江西九江人，主要從事電力系統運維和項目管理工作。

葉金翔(1985-)，男，變電運維值班員，從事超高壓及特高壓變電站運維工作。

許格(1990-)，男，變電運維值班員，從事超高壓及特高壓變電站運維工作。

設計應用

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：TM76

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0084-03

作者簡介：費韜(1985-)，男，2009年畢業于浙江大學，變電運維值班員，從事超高壓及特高壓變電站運維工作。 王旭(1986-)，男，河南鄭州人，主要從事數據中心動力系統運維、節能減排和項目管理工作。