一種基于邊緣計算的氣體密度繼電器自診斷方法

黃小泵，張亮，陳少帥

（1.上海樂研電氣有限公司,上海 201802； 2.國網河北省電力有限公司超高壓分公司,石家莊 050000）

引言

SF6 氣體作為一種優良的絕緣/滅弧氣體，在高壓領域應用極其廣泛[1-3]，絕大多數氣體絕緣電氣設備采用該氣體作為絕緣/滅弧介質。氣體絕緣設備中的SF6 氣體含量的多少與絕緣/滅弧性能的強弱有直接關系，如果氣體絕緣電氣設備在運行過程中發生泄漏，SF6 氣體含量低于安全閥值，將給電氣設備的安全、可靠運行造成重大影響。由于SF6 的含量對電力設備的重要性，我國從上世紀八十年代開始引進密度繼電器技術來監測電力設備中SF6 氣體含量。然而，實際應用過程中氣體密度繼電器因長時間不動作，經常發生控制觸點氧化、機構卡澀或損壞、精度下降等問題[4-6]，在SF6 氣體含量低于安全閥值時不能有效監測，嚴重影響電網的運行安全。因而，原電力部和國家質檢總局均出臺相關的技術標準/規范要求：定期校驗在網運行的密度繼電器[7-9]。

目前，校驗密度繼電器的方式包括兩種。一種是尚未進行免拆卸校驗改造的電氣設備，校驗此類設備上的密度繼電器需先對電力設備停電，然后拆卸密度繼電器送到有資質的監測機構校驗，校驗合格后安裝并重新運行，這種校驗方法存在送檢繁瑣、效率低、成本高、需要停電的問題，影響電網的運行效率與人民的生產生活。另一種是已進行免拆卸校驗改造的電氣設備，校驗此類設備上的密度繼電器需運維人員攜帶密校驗儀到現場對密度繼電器逐一校驗。這種校驗方法與第一種校驗方法相比，在效率和成本上有很大提高，但校驗過程受環境的影響較大，校驗精度易受影響，且SF6 氣體的溫室效應是CO2的23 500 倍，是《京都議定書》明確限制的六種溫室氣體之一[12]，在校驗過程中不可避免的有SF6 氣體會排放到大氣，污染環境。

截止到2018 年底，國網在運行的126 kV 以上斷路器有112 669 臺，組合電器91 801 個間隔，超過130萬只密度繼電器被使用，加上南網及各大發電集團密度繼電器的使用量，在運行的密度繼電器超過200 萬只，如此數量的密度繼電器需要定期校驗，給電網運維帶來了極大的挑戰。本文通過多傳感器融合和邊緣計算技術結合的方法，將傳統校驗儀的功能融合于密度繼電器中，使普通遠傳密度繼電器具備校驗儀的功能，使密度繼電器在正常運行工程中可以定期對自身進行體檢，體檢數據在儀表端（邊緣側）就地分析、診斷，實現設備沒有故障時免人工維護，設備有故障時精準定位，并通過通訊網絡上傳故障信息，主動告知運維人員，使運維工作簡單、精準。

1 自校驗密度繼電器

1.1 密度繼電器現場校驗原理

當前電網中的氣體絕緣電氣設備大多已完成免拆卸校驗，定期校驗都是安排專業運維人員到現場作業完成。由于SF6 氣體在現場校驗，其壓力會隨著環境溫度、太陽輻射、氣流等多因素的影響，因此如果直接測量壓力并不能實現SF6 氣體密度的準確測量。為了使測量結果能夠真實反饋電氣設備中SF6 的含量，在電網中一般規定在20 ℃下測量的SF6 壓力稱為其密度，在其它溫度下測量的壓力，要將該溫度下的壓力轉換為20 ℃下的壓力作為標準值（簡稱密度值P20）[13-15]。

根據密度繼電器現場校驗技術，在實施現場校驗前，需要先讓校驗儀與密度繼電器放在同一環境溫度下恒溫2 h，待校驗儀的溫度與密度繼電器的溫度一致后開展校驗工作。校驗前，首先將密度繼電器的接點信號與后臺系統的接點監測平臺信號斷開，確保校驗過程中不會觸發誤報警、誤閉鎖信號，然后將校驗儀的接點信號線與密度繼電器的接點信號線對應接通；然后將校驗儀的氣路與密度繼電器的氣路連通，并關閉密度繼電器與本體之間的氣路通路；然后通過壓力調節氣罐對密度繼電器進行降壓，觸發密度繼電器的接點動作，校驗儀采集接點動作時的壓力、溫度信號，密度繼電器所有接點的動作值校驗完成后，再對密度繼電器進行升壓操作，使密度繼電器的觸點切換至開斷狀態，校驗儀記錄密度繼電器返程時觸點狀態切換時的壓力、溫度信號值；校驗操作完成后，校驗儀中的微處理單元將觸點動作時的壓力、溫度轉換為20 ℃下的標準壓力值（即密度值P20），在人機界面上顯示。具體工作原理如圖1 所示。

1.2 自校驗密度繼電器設計方案

自校驗密度繼電器由機械部分和數字化感知單元兩部分組成，如圖2 所示。機械部分包括顯示裝置和接點裝置。顯示裝置的氣路與氣體絕緣設備的氣室直接連通，可實時就地顯示設備內SF6 氣體的密度值P20 值；接點裝置具有1 ～4 對報警/閉鎖接點，當電氣設備發生漏氣時，設備的氣體低于設定的報警/閉鎖值，密度繼電器內的接點信號被觸發，向監測平臺發送報警/閉鎖信號，提醒運維人員維護設備/以及閉鎖電氣設備操作。數字化感知單元包括電源模塊、傳感器、自校驗模塊、通信模塊和數據處理模塊等五部分。其中電源模塊負責給整個自校驗密度繼電器供電；傳感器分為壓力傳感器和溫度傳感器，能夠實時采集氣體的壓力、溫度；自校驗模塊能夠在沒有人工參與的情況下，按程序設定時間或后臺指令自動對密度繼電器進行校驗，自校驗模塊內的調壓裝置采用脈沖加熱氣室的方式實現氣路內氣體壓力的升降，達到觸發密度繼電器接點動作的目的；數據處理模塊將密度繼電器采集的業務數據、自校驗數據、診斷數據進行就地分析處理，通過通信模塊將分析結果反饋至監測平臺。監測平臺和自校驗密度繼電器之間的通信采用交互的形式，即自校驗密度繼電器可以把監測數據傳輸給監測平臺，監測平臺也可對自校驗密度繼電器發送指令。

圖2 自校驗密度繼電器設計方案

1.3 自校驗密度繼電器校驗原理

自校驗密度繼電器在非校驗時，對電氣設備的溫度、壓力、密度等參量進行監測，確保電氣設備的安全可靠運行。在校驗時，密度繼電器會先對自身健康情況和校驗環境進行診斷分析，確認具備實施校驗條件，開始執行校驗（校驗原理如圖3 所示）。

圖3 自校驗密度繼電器工作原理

首先，切斷密度繼電器與接點監測平臺的信號連通，確保校驗時接點監測平臺不會收到報警信號；其次，關閉電控閥，使密度繼電器氣路與電氣設備氣室斷開；再次，啟動調壓機構調節密度繼電器氣路中的壓力，是密度繼電器的接點動作，智控模塊采集的接點動作時的溫度值和壓力值，經過內部程序計算，輸出校驗結果，傳輸給后臺系統；最后，恢復密度繼電器與電氣設備氣路的連通和密度繼電器接點信號與接點監測平臺的連通，密度繼電器正常監測電氣設備的狀態。

1.4 在線監測系統設計

在線監測系統功能模塊包括信息總覽、表計列表、詳細信息、告警列表和系統設置等五部分組成。信息總覽能夠統計現場密度繼電器的在線、離線、告警等狀態信息。表計列表用于顯示所有與在線監測系統實現連接的密度繼電器，在線狀態的密度繼電器的圖標為亮色，離線密度繼電器圖標顏色為灰色；選中某個具體的密度繼電器時，詳細信息區域會展示該密度繼電器的詳細監測信息，包括在線監測數據、告警狀態分析、傳感器的ID、自校驗結果及精度分析和通過大數據分析的泄漏率等；告警列表框用于顯示所有告警密度繼電器的告警詳細信息；系統設置用于對密度繼電器發送指令、更改配置，主要包括告警閾值、自校驗時間、數據上傳周期等功能。在線監測系統功能框圖如圖4 所示。

圖4 在線監測系統功能框圖

2 氣體密度的算法模型

根據SF6 氣體的物理特性，在密閉容器中，一定溫度下的SF6 氣體壓力可以代表SF6 氣體密度。由于SF6 氣體為非理想氣體,它的壓力變化特性與理想氣體壓力變化特性相差較大，所以不能采用理想氣體方程PV=nRT 來換算[16-19]。上海樂研電氣有限公司在長期從事SF6 氣體檢測保護特性的研究中，通過大量的實踐和理論結合，得出了一套較為成熟可信的SF6 密度軟測量模型及其換算公式。在日常的環境溫度變化范圍內，通過該公式求解，能夠得到特定溫度、壓力下的密度值，并可以將任意溫度下的壓力換算為20 ℃時的標準壓力，用20 ℃時的標準壓力來表針實際環境條件下高壓電氣設備中SF6 氣體的密度。公式具體表征如下：

式中：

ρ—密度（kg/m3）；

T—溫度（K）；

P—壓力（Mpa，絕對壓力）。

從上述公式可以看出，只要測量出SF6 氣體的溫度和壓力之后，就可以得到一個關于密度ρ 的一元三次方程。對于一元三次方程有多種方法求解，其中最經典的是利用皮爾—卡丹公式用計算機進行數值求解，計算流程簡便且求解過程直觀可信。

設一元三次方程x3+px+q=0 在復數集中的根是x1，x2，x3，那么:

上面的求根公式稱為皮爾—卡丹公式。將SF6密度曲線方程式（5）和式（6）代入到方程式（4）中，得到普通形式的一元三次方程，再采用正交變換即可得到標準形式的一元三次方程。通過卡丹公式求解即可得到氣體密度。

3 試驗驗證

為了驗證自校驗密度繼電器自校驗功能在不同環境溫度下的適應性和穩定性，搭建如圖5 所示的試驗平臺。選用參數為0.40/0.35/0.30/0.30 自校驗密度繼電器試品，試品編號分別為1#、2#、3#，將三只試品安裝在充有氣的氣罐上（氣罐體積為20 L，充有0.4 MPa 的SF6 氣體）；氣罐包含四個氣路接口，三個用于安裝試品，另外一個用于安裝壓力傳感器，實時監測氣罐內的壓力變化，氣罐和試品之間安裝有三通閥，密度繼電器校驗儀可以通過三通閥來關斷密度繼電器與氣罐之間的氣路，并校驗試品的接點性能。試驗時，將裝有試品的氣罐放入溫箱中，模擬自校驗密度繼電器在不同的溫度應力下工作的環境，溫箱的溫度采用PT1000 傳感器實時采集，試驗過程中的所有數據通過上位機展示并存儲，展示界面如圖6 所示。

圖5 自校驗密度繼電器試驗平臺

圖6 在線監測系統平臺

試驗平臺搭建好后，將安裝有試品的裝置放入溫箱中，溫箱的溫度設置為-30 ℃，保持該溫度2 h，使用校驗儀校驗三只試品的接點動作標準值（Pij 標準值，P 表示接點動作值，i 表示接點序號，j 表示試品編號），記錄校驗的數據后，使試驗平臺恢復到校驗儀校驗試品前的狀態，并啟動三只試品的自校驗程序，待自校驗完成，輸出接點的動作值（Pij 校驗值，P 表示接點動作值，i表示接點序號，j 表示試品編號），該溫度等級試驗結束。按照相同的試驗方法，依次在-30 ℃、-10 ℃、…、60℃等10 個溫度環境的試驗，記錄并整理測試結果。

圖7、8 為校驗儀和試品在不同溫度下校驗三只智自校驗密度繼電器接點P1 和P2 的結果。從圖可知，校驗儀校驗三只試品接點動作值均隨著溫度的降低而升高，接點P2 與接點P1 相比，其動作值隨著溫度變化的趨勢更為平緩，其原因為三只試品采用氣體補償方式補償溫度帶來的壓差，而密度繼電器僅能補償一個密度值，本次試驗的三只試品補償壓力約為0.29 MPa，接點P1 設定的的動作值為0.35 MPa，接點P2 設定的動作值為0.30 MPa，兩個接點的動作值均比補償氣室壓力大，表現為欠補，而接點P2 設定的動作值與補償氣室壓力之間的壓差比接點P1 設定的動作值與補償氣室壓力之間的壓差小，產生的溫度補償誤差就小，因此自校驗密度繼電器接點P1/P2 的動作值隨著壓力的降低增大，且接點P2 比接點P1 的動作值隨著溫度的變化更為平緩，該變化規律也符合密度繼電器的補償規律。在密度繼電器進行自校驗時，所測接點P1、P2 的動作值隨著溫度降低而增大，其變化規律和校驗儀測試結果一致，但自校驗密度繼電器所測結果比校驗儀所測P1 接點動作值偏大，兩者之間的誤差在（0.000 9～0.001 6）MPa 之間波動，原因在于自校驗密度繼電器的壓力傳感器和溫度傳感器組成的測試系統存在系統誤差。

圖7 試品P1 接點自校驗結果

圖8 試品P2 接點自校驗結果

圖9 為校驗儀和試品在不同溫度下校驗三只自校驗密度繼電器接點P2、P3 的結果。從圖中可知，密度繼電器接點P2、P3 的校驗值和標準值之間存在一定的差值，但校驗結果均符合密度繼電器接點值隨溫度變化的結果，在所有溫度點的測試中，只要自校驗密度繼電器在常溫下P2、P3 同時動作，在進行試驗的（-30～60）℃溫度范圍內，其接點動作一致性也不會隨著溫度發生變化。

圖9 試品P2/P3 接點校驗結果

4 結論

1）密度繼電器壓力補償氣室充入的SF6 氣體密度低于被校驗接點的設定值時，該接點校驗的動作值具有隨著校驗環境溫度的降低而增大的特性；且在不同溫度下，密度繼電器P2/P3 接點動作保持一致，不會隨著溫度的變化發生改變，可以得出密度繼電器接點隨著溫度降低而增大的特性是密度繼電器溫度補償特性導致的。

2）自校驗密度繼電器在不同溫度下對自身接點進行校驗，校驗結果與校驗儀校驗的標準存在一定的系統誤差，誤差約為密度繼電器量程的0.1%，完全滿足目前密度繼電器標準和工程應用需要。