電氣一次設備智能化評估模型研究

貴州烏江水電開發有限責任公司構皮灘發電廠 閔萬雄

智能電網的發展為電氣一次設備智能化提供了保障和機遇，其中變電站一次設備主要是控制元件集合處理、增加互動等功能智能化。如SST-330、SST-300智能型多功能電力表就是一個智能化的產物。智能電網目前國際和國內都還沒有準確和完整的定義，智能變電站也沒有明確評價指標。電氣一次設備智能化的主要表現在新進的信息處理技術、設備控制和管理技術，電力系統的各個環節的聯動性強、互動性高，電力生產、傳輸和分配的流程優化順暢；表現在測量數據的數字化、設備工作狀態的可視化、各環節信息的互動化、控制操作網絡快捷化和功能一體化。

電氣一次設備智能化的基礎是電網的智能化，因此成為智能電網在建設初期主要研究對象，深受社會人士的重視和關注。如近年的水電站建設工程的設備智能化，體現在電氣一次設備主要的配置、零部件、電子元件等引用現有技術智能化的元件逐漸增多，替代了傳統的機械操作，數據檢測便利且更直接[1]。現實中，智能化的水電站在建設初期需結合水電站的供給和環境等實際情況調整設備最佳模式、加裝相應保護措施或安裝智能化設備，在一定的程度上才可以保證信息的精確性，避免故障幾率的增加，有利于保障施工和建設過程中的質量。

1 電氣一次設備智能化未來趨勢

電氣一次設備智能化是實現對信息、測量數據和設備控制的遠程管理和監督的過程，實現各部件的各個環節間的相關信息交流，使得能夠全面把控工作的整個過程，有利于可靠和穩定地管理高壓處理的程序。電氣一次設是電能轉換的主要設備，因此，在健全的智能電網中，電氣一次設備智能化的發展和應用是非常重要的。一般來說，智能組件的可靠強、絕緣效果佳、抗干擾能力強、壽命相對較長、監測靈敏度高、數據精確度精密等優點，所以現實中智能組件的材料采用方面的要求極其苛刻。現實的智能化建設過程中，需要滿足智能組件最優設計和現實的使用要求，一般會利用組件模塊化的方式設計處理，實踐表明這也是現實中比較好的方法，如現今投用的智能設備終端、智能開關、集合單元、狀態監測IED、等模塊[1]。

智能設備終端：智能終端就好像地電氣一次設備的大腦，負責工作運行的判斷、信號處理和做出命令的主要樞紐。一般是采用精密的電腦芯片和電子元件組成，用絕緣效果好和傳輸數度快的電纜相連組成。智能終端具有一定的采集、開關量輸出、斷路器控制、保護電路和控制回路斷線監視、跳合閘壓力監測與閉鎖等功能。

智能開關：隨著現代壓力傳感開關技術、微機信號處理開關技術、狀態自動監測和智能故障報警診斷開關技術的快速蓬勃發展和，以及在我國高壓壓力開關設備智能領域應用中的不斷應用滲透，形成了壓力強電與高壓弱電相有機結合、傳統開關技術與現代高新技術相有機結合的發展現狀，推動了我國高壓壓力開關設備向現代智能化開關方向快速發展。智能開關的主要作用是，根據智能終端處理得出的數據、以信號的形式發送指令要求智能開關執行開關信號的過程。

集合單元：主要由多個集成電路芯片和多個互感器組建而成，在工作中，互感器主要捕捉某一瞬間電路中的瞬時電流和瞬時電壓，對獲取的電流值和電壓值進行處理，處理的結果信號傳達到保護設備的測控裝置，防止瞬時電壓或電流損壞電路的正常工作轉態，集合單元均有多個可以輸出數據的接口，可和其他智能組件組建相關的聯系和互動，對一些信號做出及時反饋和處理，形成自動化的效果，更有效地實現多數的功能。

狀態監測IED：指的是生產的過程中，可實現隨時對工作設備采用在線監測的工作系統，主要是充分利用了計算機的儲存能力和快速調用各種參數(如振動、溫度、壓力、流量等)的便捷能力，使設備始終處于監控狀態，使關鍵設備始終保持處于在線監控運行狀態，設備一旦工作出現重要故障就有前兆，及時發出報警并盡可能多地及時采集設備故障預報信息，以及時了解設備故障發生現象和數據，分析確定故障發生原因。系統自動分別生成日歷數據庫、歷史數據庫及故障報警數據庫，從而有效實現了系統故障自動報警、故障自動追憶和系統故障自動診斷。通過移動互聯網可實時瀏覽監控設備正常運行的各種工作狀態，實現遠程自動診斷。狀態監測IED 由CPU 芯片和許多傳感器組成，主要功能是接收、處理數據、發送數據、下達指令等系列監測功能[2]。

2 淺析電氣一次設備智能化現有評估模型

現實中，許多變電站都會有晚上無人值守的現象，沒有工作人員反反復復的巡查，卻又能保障變電站一次設備的安全運行，所以針對變電站一次設備進行智能化評估是必要措施。變電站一次設備的智能化評估，主要針對電氣一次設備在運行中狀態存在一些可能潛在風險的識別、預測和衡量，數據與預定設計值對比，采取合理有效的手段科學合理和降低成本的同時，完成運行的安全和經濟成本的控制。因此，智能化電氣一次設備要在運行狀態時監控可能存在的風險，進行識別、預測各種風險發生導致的系列影響，確保設備工作安全持續進行。由此可見，智能化評估就是變電站一次設備降低故障發生概率的主要步驟。

傳統的電氣一次設備智能化的評估，更多的是停留在單個元件、局部電路的一個評估，這種評估其實都是不夠全面的，不能全面地反映出設備中改智能組件的最優效益。如現有的評估模型：基于全數字和光纖的信號采集評估模型、繼電保護和綜合自動化評估模型、數字遙視監控評估模型、基于智能高效的電能質量調節評估模型等模塊化評估，這種評估的優點是能夠全面的控制該智能元件的使用壽命，但在現實的運行狀態中，每個環節的工作都是相互牽連相互促進的，智能元件可能會因其他部件的溫度或電流等因素造成環境的改變，從而影響了性能的發揮。

如電氣一次設備工作環境，在高壓和超高壓變電站建設之初就會考慮到保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O 單元，如在工作中A/D 發生了變換，那么控制操作回路等輸出不一樣的功能，使得并非該設備主要功能的數字化控制回路從做功上代替了常規繼電保護裝置、測控等裝置的I/O 部分，實現了變電站機電一體化設計。評估模型就是需要更全面地了解各個部件直接的聯系，各個環節相互影響，相互作用、功能互補，確保功能使用量，輸出最優解、提高可靠性，有效形成管理自動化的智能化電氣一次設備。

3 基于多目標優化評估模型的變電站一次設備智能化評估

變電站一次設備智能化評估的綜合收益率，不能靠單個控制單元或單個設備的效益來評估，因此評估電氣一次設備的效益需基于多目標進行評估。多目標優化評估模型[3]主要是根據目標函數及相關因素和約束條件。評估結果的優勢是，有利于提高工作人員對電氣一次設備的監控效率和準確度。

電氣一次設備智能化評估指標：根據電氣一次設備在運行狀態中會存在的風險可能性，把評估指標分為可控制和不可控制兩大評估指標。首先，根據能夠影響一次設備運行狀態的直接原因，確定5個一級評估指標以及20個二級評估指標。

評估模型計算評估指標權重：考慮到電氣一次設備工作環境較為惡劣，影響因素和約束比較多，所以采用多目標優化評估模型來求解，將評估指標進行量化作為目標函數，取得評估數據。其中，多目標優化評估模型可以平衡約束、減少誤差。權重Wp=S/V ∑i‖α-β‖α-(α1,α2,α3,…αn)T，式中 ：S 是一次設備在工作狀態中評估指標賦值；α為指標集合；V 是權重分配的向量；i 是工作狀態的判斷指令；β是評估指標之間的重要程度；T 是工作狀態中評估指標賦值指令，通過其解答即可得出評估指標權重[4]。

完成電氣一次設備智能化評估：結合上述權重，將一級指標和二級指標按順序分層評估。在一級性能評估檢測指標中，將性能評估檢測結果首先完成二次處理，再依次進行二級評估指標模型評估，利用二級評估指標模型設計中的信號記憶和數據反饋處理機制，控制一次評估結果誤差大小范圍，從而成功取得一次智能設備產品智能化全面的性能評估檢測結果，和傳統的評估方法對比更有利于權重修正系數和迭代求解。進行一次設備智能化評估模型評估時，因工作狀態過程中存在很多不可控制因素，為滿足數據地的準確，評估結果一共設計為5個等級，有A、B、C、D、E，A 代表最高等級，E 代表最差等級，分數范圍依次為90～100分、80～90分、70～80分、60～70分、低于60分。通過試驗，將一次設備作為評估對象，直流額定電壓為220V，以一次設備運行狀態的一級和二級評估指標作為評估依據，進行近鄰分類。

分別使用傳統評估方法及本文設計評估方法進行實驗，設置傳統的評估方法為實驗對照組。進行一次設備狀態指標的權重計算，通過組合權重求解得到評估結果。將兩種評估方法測得的峰值，通過單位時間間隔內一次設備變化的電流、電壓或做功的功率的最大瞬間變化值進行評估。評估峰值波動越大，意味著該設備的運行狀態越不穩定，可能存在故障。在此次實驗中，將實驗時間設置為7h，記錄實驗結果，進而判斷兩種評估方法對于一次設備的智能化評估能力。

綜上，現實中的智能化評估僅僅停留在新舊功能、單個設備產生效率、總體運行效益的單方面評估，缺乏系統的評估方法。