配電設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程綜合監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈桂城， 鐘盛， 翁蔚， 鄭榕， 楊帆

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

0 引言

配電網(wǎng)是連接電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，運(yùn)行狀態(tài)與用電客戶和電力企業(yè)的利益息息相關(guān)，其中配電設(shè)備的健康狀態(tài)則是配電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，設(shè)備老化、磨損、局部放電等都會(huì)增加電網(wǎng)事故概率。但配電設(shè)備種類多且型號(hào)雜，分布范圍極為廣泛，給檢修及日常運(yùn)維管理造成了很大困難。因此，遠(yuǎn)程的綜合檢測以及狀態(tài)評(píng)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(xiàn)實(shí)意義。

1 配電網(wǎng)簡介

1.1 配電網(wǎng)及核心設(shè)備

配電網(wǎng)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(cè)以后的網(wǎng)絡(luò)，是電力系統(tǒng)中直接面向用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)將電能輸送至每一位用戶。配電網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括配電變壓器、電纜、開關(guān)柜、斷路器、桿塔以及其他附屬設(shè)備，電力系統(tǒng)的故障發(fā)生大多可以歸屬到配電網(wǎng)之中，因此，配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性與電能質(zhì)量。

1.2 配電設(shè)備關(guān)鍵特征

首先，溫度是反應(yīng)配電設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵特征，通過溫度可以反映出配電設(shè)備的負(fù)荷情況以及電氣性能，對(duì)各類配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)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(xiàn)事故。其次，電纜在通常情況下是兩端接地，在實(shí)際應(yīng)用過程中任一線松動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生接地電流，如果接地電流出現(xiàn)大幅波動(dòng)或急劇增強(qiáng)則可能出現(xiàn)事故。再次，局部放電現(xiàn)象也是對(duì)配電設(shè)備絕緣強(qiáng)度的一種破壞。最后，由于斷路器開合閘引起的機(jī)械振動(dòng)可以反映出很多的設(shè)備狀態(tài)情況，通過對(duì)信號(hào)波的處理可以定位激勵(lì)源從而進(jìn)行故障識(shí)別[1]。

2 設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)估體系

配電設(shè)備狀態(tài)的評(píng)估主要是根據(jù)各核心設(shè)備在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中承擔(dān)的作用進(jìn)行權(quán)重賦值，評(píng)價(jià)設(shè)備性能，從而得出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，因此選擇核心設(shè)備配電變壓器、電纜以及開關(guān)柜進(jìn)行著重研究。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)行故障。導(dǎo)致絕緣故障的最主要原因是運(yùn)行中的高溫引起絕緣材料劣變及老化；短路故障通常由內(nèi)部繞組變形或線路對(duì)地以及相間短路引起；當(dāng)設(shè)備表面積污穢形成電荷聚集引起對(duì)地絕緣擊穿從而引起放電故障；另外機(jī)械開關(guān)由于磨損也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)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(huán)境影響造成的。最后，高壓開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以維修，受粉塵、蒸汽等環(huán)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(dǎo)致絕緣效果下降從而引發(fā)故障[2]。

2.2 綜合評(píng)估指標(biāo)

配電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)既要反應(yīng)出設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，又要相互獨(dú)立互不影響。首先要確定評(píng)估對(duì)象及主體，然后分析評(píng)估對(duì)象的影響因素，最后劃分指標(biāo)權(quán)重，以此提升評(píng)估準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，配電設(shè)備的構(gòu)成部件比較復(fù)雜，本研究著重關(guān)注配電變壓器、開關(guān)柜以及電纜，由于涉及的指標(biāo)眾多，遵循指標(biāo)數(shù)量合理、互不重疊、反映評(píng)估對(duì)象單一特征的原則，從“核心配電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)—設(shè)備的重要部件狀態(tài)—部件的主要參數(shù)”逐層解析與細(xì)化，結(jié)合歷史事故信息以及故障原因，構(gòu)建包含設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境因素等于一體的綜合評(píng)估體系如圖1所示。

圖1 綜合評(píng)估體系

2.3 權(quán)重確定方案

選取了綜合評(píng)估指標(biāo)之后，需要確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，以此表示不同指標(biāo)對(duì)整體設(shè)備狀態(tài)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(quán)法。傳統(tǒng)AHP法需進(jìn)行n*(n-1)次比較，因此本研究采用熵值賦權(quán)法結(jié)合改進(jìn)的AHP法確定綜合權(quán)重，步驟簡介如下。

(1) AHP法主要是將復(fù)雜問題分解為簡單部分，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)進(jìn)而層層評(píng)價(jià)獲得優(yōu)劣順序，但對(duì)于同一層次超過9個(gè)元素時(shí)難以分析，因此進(jìn)行改進(jìn)，在構(gòu)造判斷矩陣之間先對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行排序，如此只需比較n-1次。設(shè)為指標(biāo)比指標(biāo)的重要程度，則指標(biāo)i的主觀權(quán)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(quán)法：首先構(gòu)建樣本矩陣，然后通過計(jì)算指標(biāo)值的比值以及熵值得到最終權(quán)重。設(shè)m組監(jiān)測設(shè)備，n個(gè)評(píng)估指標(biāo)，指標(biāo)i的第j個(gè)測量數(shù)據(jù)記為dij，數(shù)據(jù)矩陣記為Dnxm，標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到S=(sij)nxm，配電設(shè)備的正向指標(biāo)可通過sij=dij-mindijmaxdij-mindij計(jì)算，配電設(shè)備的負(fù)向指標(biāo)可通過sij=maxdij-dijmaxdij-mindij計(jì)算，熵值計(jì)算公式為

Hi=-(lnm)-1∑mj=1pijlnpij

(2)

式中,i=1,2…,n,pij=sij/∑mj=1sij。

此時(shí)指標(biāo)i的客觀權(quán)重可表示為vi=1-Hin-∑ni=1Hi,i=1,2,…,n。

(3) 綜合權(quán)重：為規(guī)避單獨(dú)賦權(quán)法對(duì)最終評(píng)估結(jié)果的影響，將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重進(jìn)行組合，得到最終的綜合權(quán)重

Wi=ωivi∑ni=1ωivi

(3)

式中,i=1,2…,n。

3 基于模糊評(píng)價(jià)的配電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型

采集到反映配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之后，根據(jù)上述權(quán)重確定方案計(jì)算綜合權(quán)重，利用模糊理論對(duì)指標(biāo)進(jìn)行模糊處理獲取隸屬度矩陣，缺陷對(duì)應(yīng)到最終的設(shè)備質(zhì)量等級(jí)可以劃分為L1～L5共5個(gè)等級(jí)，設(shè)性能指標(biāo)為ΔX，隸屬度函數(shù)μ可表示為：

(1) L1最優(yōu)：隸屬度計(jì)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(jì)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(jì)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(shù)后根據(jù)各質(zhì)量等級(jí)的隸屬程度計(jì)算設(shè)備整體健康狀況B=W·μ，并針對(duì)各個(gè)等級(jí)進(jìn)行分值賦值c1～c5，通過加權(quán)平均的方法得到風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型

fpQ=∑mj=1bjcj/∑mj=1bj

(7)

式中,bj為在各個(gè)等級(jí)中的隸屬度結(jié)果[4]。

4 綜合監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 需求分析

配電網(wǎng)是電能提供到用戶的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是確保供電可靠性的基礎(chǔ)，一旦出現(xiàn)故障則可以引發(fā)大面積停電，不僅造成不良社會(huì)影響，也會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)于配電網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警是極為重要的防范措施。鑒于此，配單設(shè)備狀態(tài)綜合檢測及預(yù)警系統(tǒng)的主要功能需求體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是綜合評(píng)估配電核心設(shè)備的狀態(tài)信息，二是結(jié)合運(yùn)行環(huán)境以及本體缺陷進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算，通過預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，為后續(xù)調(diào)度、運(yùn)檢以及應(yīng)對(duì)措施提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.2 總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合配電設(shè)備狀態(tài)綜合檢測及預(yù)警系統(tǒng)的功能需求分析，主要需實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估以及設(shè)備狀態(tài)預(yù)警，因此在總體結(jié)構(gòu)上可劃分為信息采集、綜合評(píng)估、狀態(tài)預(yù)警以及系統(tǒng)配置幾個(gè)方面，如圖2所示[5]。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4.3 功能模塊

4.3.1 信息采集模塊

信息采集模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的收集，且支持采集間隔可配置，系統(tǒng)刷新頻率可調(diào)節(jié)。首先。需采集投運(yùn)之前的設(shè)備初始信息，包括技術(shù)臺(tái)賬、安裝記錄、設(shè)備本體缺陷信息等。其次，需采集運(yùn)行信息，包括電壓、功率、電流、負(fù)載率等。最后，還需要采集設(shè)備的狀態(tài)信息，包括立項(xiàng)報(bào)告、巡視記錄、檢修信息、監(jiān)測信息等。

4.3.2 綜合評(píng)估模塊

綜合評(píng)估模塊主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)配電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型對(duì)待評(píng)估設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)量分析，生產(chǎn)綜合評(píng)估報(bào)告并通過圖表等可視化形式進(jìn)行展示，同時(shí)多維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)估后續(xù)趨勢。

4.3.3 狀態(tài)預(yù)警模塊

狀態(tài)預(yù)警模塊主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值的對(duì)比進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警，通過可視化圖形報(bào)表的形式直觀顯示，便于管理人員進(jìn)行巡檢以及異常追溯，進(jìn)一步介入人工干預(yù)。

4.3.4 系統(tǒng)配置模塊

系統(tǒng)配置模塊主要實(shí)現(xiàn)評(píng)估所需各項(xiàng)參數(shù)的配置，包括基本信息、告警閾值、分值設(shè)置等。作為系統(tǒng)的個(gè)性化定制部分實(shí)現(xiàn)參數(shù)自定義。

5 系統(tǒng)功能測試及成效分析

5.1 待評(píng)估設(shè)備參數(shù)

為驗(yàn)證系統(tǒng)功能，對(duì)本研究構(gòu)建的配電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型進(jìn)行實(shí)例數(shù)據(jù)測試，選擇三臺(tái)配電設(shè)備分別記為A、B、C，各項(xiàng)參數(shù)如表1所示[6]。

表1 三臺(tái)待評(píng)估設(shè)備指標(biāo)參數(shù)

5.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

將設(shè)備更換成本記作指標(biāo)1，運(yùn)行年限記作指標(biāo)2，理論可靠性年份記作指標(biāo)3，故障危險(xiǎn)程度記作指標(biāo)4，根據(jù)期望度賦值得到權(quán)重R12=1.3,R23=1.3,R34=3.63。首先，根據(jù)AHP法計(jì)算主觀權(quán)重，根據(jù)判斷矩陣的一致性原則Rij=Rik構(gòu)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(quán)重ω=[0.606 0.167 0.128 0]。其次，計(jì)算客觀權(quán)重，將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后得到矩陣

S=125

028

045

013，計(jì)算熵值結(jié)果為H=[0.544 5 0.533 4

0.625 3 0.5]，得到客觀權(quán)重

v=[0.255 2 0.261 4 0.209 9 0.2]。最后，加權(quán)平均得到綜合權(quán)重系數(shù)為

W=[0.613 2 0.173 1 0.106 5 0.1]。

5.3 評(píng)估結(jié)果

將數(shù)據(jù)帶入系統(tǒng)中的配電設(shè)備健康指數(shù)模型，取X1=118,X2=318，得到三臺(tái)設(shè)備相對(duì)于各個(gè)質(zhì)量等級(jí)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(jì)算得到健康指數(shù)fPQ如表2所示。

表2 三臺(tái)配電設(shè)備綜合評(píng)估健康指數(shù)

由此可以看出，配電設(shè)備A的風(fēng)險(xiǎn)最大，在日常運(yùn)維過程中需注意檢修，必要時(shí)進(jìn)行設(shè)備更換，以此規(guī)避配電系統(tǒng)事故[7]。

5.4 成效分析

經(jīng)過功能測試證明系統(tǒng)監(jiān)測及預(yù)警結(jié)果具有實(shí)用性，在國內(nèi)某市的2條線路及配電臺(tái)區(qū)試運(yùn)行，系統(tǒng)的應(yīng)用提升了配電設(shè)備管理效率，管理員可以根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果將轄區(qū)內(nèi)設(shè)備按照50%、30%、20%的比例劃分維護(hù)等級(jí)。其中，50%的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，風(fēng)險(xiǎn)較低，短期內(nèi)不需要安排檢修。30%的設(shè)備狀態(tài)合格，雖然使用年限略長性能有所下降，但各項(xiàng)指標(biāo)仍在正常范圍內(nèi)，在系統(tǒng)觀測結(jié)果即可。20%的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不佳，風(fēng)險(xiǎn)值較大，需盡快安排檢修或更換，規(guī)避供電中斷風(fēng)險(xiǎn)。試運(yùn)行3個(gè)月期間，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果提前檢修2臺(tái)設(shè)備，有效減少實(shí)地巡查，為運(yùn)維人員減輕了工作強(qiáng)度，同時(shí)也避免了人工誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。另外，綜合檢測及預(yù)警系統(tǒng)的落地實(shí)施也提升了信息化、自動(dòng)化水平，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，采取防范措施，為提升供電可靠性助力。

6 總結(jié)

本研究介紹了設(shè)備特征與性能之間的關(guān)聯(lián)性，并基于此設(shè)計(jì)了配電設(shè)備狀態(tài)的綜合評(píng)估體系以及風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，經(jīng)過實(shí)例數(shù)據(jù)證明模型評(píng)估效果良好，具有實(shí)用價(jià)值。但本研究主要是針對(duì)輻射型配電網(wǎng)，且未考慮采集過程中諧波、噪聲的干擾抑制問題，對(duì)于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的配電網(wǎng)以及狀態(tài)信號(hào)的有效提取方面還需進(jìn)一步深入研究。