基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集分析的高壓開關(guān)柜可靠性評估的研究

高壓開關(guān)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(shù)做出判斷，未綜合考慮高壓開關(guān)柜的全面運行工況、檢修信息、維修記錄、生產(chǎn)制造質(zhì)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(xiàn)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(guān)柜內(nèi)部融合交互、故障演變的精確描述不足，高壓開關(guān)柜故障診斷過程中存在各種隨機性，其故障分析結(jié)果的精確性和時效性遠未達到電力系統(tǒng)安全可靠運行的要求。

1 高壓開關(guān)柜故障機理研究

高壓開關(guān)柜故障統(tǒng)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(nèi)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(lián)合作用下的故障機理是現(xiàn)有方法中的主流形式。

高壓開關(guān)柜在運行中產(chǎn)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(chǎn)生熱量，其次高壓電器中的鐵磁體產(chǎn)生渦流和磁滯損耗發(fā)熱，最后交流絕緣體內(nèi)介質(zhì)損耗產(chǎn)生熱量，熱量導致的絕緣介質(zhì)溫度變化效果經(jīng)長期積累將造成絕緣介質(zhì)產(chǎn)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(guān)柜絕緣介質(zhì)整體性能的劣化。放電過程中產(chǎn)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(jié)構(gòu)，促使絕緣材料裂解，并導致絕緣性能的下降。

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

2 關(guān)鍵技術(shù)性能

2.1 低功耗數(shù)據(jù)采集

基于低功耗物聯(lián)網(wǎng)智能數(shù)據(jù)采集器，結(jié)合當前主流的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，采用工業(yè)級超低功耗處理器平臺，實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采集環(huán)境溫度濕度、開關(guān)柜內(nèi)運行溫濕度，關(guān)鍵部位發(fā)熱溫度，超聲波、暫態(tài)地電位等多種傳感融合檢測技術(shù)，獲取全方位的開關(guān)柜運行狀態(tài)信息，系統(tǒng)有線、無線等方式上送，監(jiān)測量的選擇主要考慮變電站運維巡檢項目。主要考慮內(nèi)容如下：

變電站地質(zhì)環(huán)境：溫度、濕度、風速、降雨量等。

局部放電傳感器可以用來監(jiān)測高壓開關(guān)柜母線連接、電纜接頭以及斷路器等電氣設(shè)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(nèi)嵌放電檢測算法來辨別和區(qū)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(chǎn)生的聲波和暫態(tài)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(chǎn)生放電的部位的放電強度、發(fā)出告警提示，利用泛在電力物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h程云平臺的數(shù)據(jù)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(shè)備劣化趨勢等數(shù)據(jù)。

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(chǎn)生高溫處運行溫度數(shù)據(jù)，進行動態(tài)跟蹤監(jiān)測。實時展示故障目標位置信息等。

開關(guān)柜在運行過程中，因為內(nèi)部散熱除濕能力不足，引起熱量集中、濕度超限、發(fā)熱溫升等現(xiàn)象，嚴重危害電路設(shè)備的正常運行，采用溫濕度在線檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)各種設(shè)備的溫濕度等信息，并綜合使用多種環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)復雜工況下高壓開關(guān)柜信息量大、信息結(jié)構(gòu)多的特征，收集并整理故障數(shù)據(jù)，構(gòu)建高壓開關(guān)柜多維故障數(shù)據(jù)庫。同時針對相關(guān)非/半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，研究其存儲、處理與集成方法，利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理與集成方法實現(xiàn)高壓開關(guān)柜異構(gòu)數(shù)據(jù)的編輯，并自動地進行數(shù)據(jù)的“抽取-轉(zhuǎn)換-裝載”和“數(shù)據(jù)清洗”，實現(xiàn)各類相關(guān)信息的多源集成。進而分析故障原因，采用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法獲得典型故障機理與關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及高壓開關(guān)柜各故障模式的概率統(tǒng)計規(guī)律，以此構(gòu)建開關(guān)柜的運行穩(wěn)定性評估指標體系。

依據(jù)相關(guān)標準及高壓開關(guān)柜的全面運行工況、檢修信息、維修記錄、生產(chǎn)制造質(zhì)量等工作過程信息運行歷史數(shù)據(jù)，分析高壓開關(guān)柜相關(guān)部件機械故障類型及產(chǎn)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(fā)生發(fā)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(fā)生發(fā)展過程。針對高壓開關(guān)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(huán)境，結(jié)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(shè)計加速電、熱老化實驗環(huán)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(shù)路線

針對復雜工況下高壓開關(guān)柜關(guān)鍵參數(shù)（如電氣參數(shù)、局部放電量、節(jié)點溫度等）的異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲，研究其多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與集成方法，將收集/采集的多源信息中的半/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過識別處理數(shù)值化，與其他結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)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(lián)合概率關(guān)聯(lián)分析等分析方法，構(gòu)建評價指標體系，將預處理結(jié)果和指標體系共同組成特征參數(shù)。

高壓開關(guān)柜故障綜合診斷與運行穩(wěn)定性評估軟件系統(tǒng)。以開關(guān)柜設(shè)計、制造、運行、檢修、試驗等多學科理論為基礎(chǔ)，結(jié)合近幾年來高壓開關(guān)柜事故統(tǒng)計、分析、家族病史及預防對策研究分析的結(jié)果，各類故障的機理、發(fā)生損壞的關(guān)鍵因素、發(fā)展規(guī)律、故障征兆、故障后果及預防對策進行深入的關(guān)聯(lián)分析研究，建立運行穩(wěn)定性狀態(tài)退化模型，將此模型與運行穩(wěn)定性評估模型結(jié)合，實現(xiàn)開關(guān)柜各部件及整體系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性管理，最終設(shè)計并實現(xiàn)高壓開關(guān)柜故障綜合診斷與運行穩(wěn)定性評估系統(tǒng)。