全光纖電流互感器狀態(tài)評(píng)估方法的研究

吳煥1，許曉峰1，張武洋2,王天2

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136； 2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司

電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

摘要：介紹了全光纖電流互感器原理，歸納了其主要技術(shù)參數(shù)及影響其穩(wěn)定運(yùn)行的潛在因素。將全光纖電流互感器的運(yùn)行狀態(tài)劃分為四種，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法建立了一種狀態(tài)評(píng)估模型，并通過(guò)工程實(shí)例證明了該方法準(zhǔn)確可行，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：全光纖電流互感器；智能變電站；狀態(tài)評(píng)估；模糊理論

收稿日期：2015-06-30 2014-12-31

作者簡(jiǎn)介：吳煥(1988-)，男，遼寧撫順人，碩士研究生。

通訊作者：許曉峰(1960-)，男，遼寧康平人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估、無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)确矫娴难芯俊?/p>

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.010

中圖分類號(hào)：TM452

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)04-0338-05

Abstract：This paper introduced the principle of AFOCT,induced the main technical parameters and potential factors that affect the stability of AFOCT,and categorized the operating state of AFOCT into fine,warning,abnormal,and serious state.According to the Fuzzy theory,a state evaluation model has been built.Moreover,the correctness and feasibility of this method is verified by engineering examples,which laid the foundation for the follow-up study.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51435009)；中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目(2015T80798)；遼寧省教育廳科技項(xiàng)目(L2014517)；遼寧省教育廳科技項(xiàng)目(L2015372)

大容量、超高壓、遠(yuǎn)距離是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，為了滿足現(xiàn)代發(fā)展的需要，必須對(duì)互感器技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。國(guó)家電網(wǎng)在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，明確提出將完成光纖電流互感器的研制工作，并且國(guó)家投巨資以促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。與傳統(tǒng)電流互感器相比，全光纖電流互感器在各方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它絕緣性能好，不會(huì)發(fā)生磁飽和、磁諧振問(wèn)題，抗電磁干擾能力強(qiáng)，尺寸小，并且其輸出信號(hào)為數(shù)字量，可方便與合并單元進(jìn)行通信，符合現(xiàn)代電力系統(tǒng)數(shù)字化的要求。

電流互感器作為監(jiān)視、評(píng)判電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，其運(yùn)行可靠性和數(shù)據(jù)真實(shí)反映能力是衡量其運(yùn)行性能的重要指標(biāo)。全光纖電流互感器目前已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)中,但由于運(yùn)行時(shí)間短,而且掛網(wǎng)數(shù)量有限,目前有關(guān)全光纖電流互感器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)廠家提供的相應(yīng)的可靠性方面的具體資料尚顯不足,所以關(guān)于全光纖電流互感器在工程應(yīng)用中的可靠性檢測(cè)方法與狀態(tài)評(píng)估策略的理論研究就顯得十分重要。

1全光纖電流互感器原理

全光纖電流互感器屬于無(wú)源型電子式電流互感器，在敏感單元一側(cè)無(wú)需供能，其理論基礎(chǔ)是法拉第磁光效應(yīng)和安培環(huán)路定理。偏振光在磁場(chǎng)中的傳感材料內(nèi)傳輸時(shí)，其偏振方向會(huì)因磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角叫Faraday旋光角。磁場(chǎng)正比于一次電流，而Faraday旋光角正比于磁場(chǎng)，因此通過(guò)光的干涉可以測(cè)量Faraday旋光角從而求得一次電流。

全光纖式電流互感器采用干涉檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)受法拉第效應(yīng)作用的兩束偏振光的相位差變化來(lái)檢測(cè)電流，而不是直接檢測(cè)光的偏振面的旋轉(zhuǎn)角度。由安培環(huán)路定則得知，環(huán)外任何磁場(chǎng)對(duì)傳感光纖環(huán)的磁場(chǎng)閉環(huán)矢量積分為零，這確保了圍繞一次導(dǎo)體的測(cè)量光纖不產(chǎn)生測(cè)量干擾，只測(cè)到環(huán)內(nèi)電流，原理如圖1所示。

圖1　全光纖電流互感器原理

2全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估

全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估是指結(jié)合各種離線的和在線的檢測(cè)方法對(duì)全光纖電流互感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)考核，根據(jù)測(cè)得的能夠反映互感器運(yùn)行狀態(tài)的物理量、數(shù)字量或化學(xué)量進(jìn)行分析，從而判斷全光纖電流互感器正處于何種運(yùn)行狀態(tài)。

2.1狀態(tài)信息的分析與確定

對(duì)電流互感器進(jìn)行狀態(tài)診斷時(shí)需要依據(jù)大量信息，這些信息統(tǒng)稱為狀態(tài)信息。電流互感器的狀態(tài)信息有預(yù)試數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備歷史數(shù)據(jù)等。由于運(yùn)行時(shí)間短且掛網(wǎng)數(shù)量有限,目前有關(guān)全光纖電流互感器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)十分緊缺，需要結(jié)合全光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行原理進(jìn)行多種形式的實(shí)地檢測(cè)。表1為對(duì)全光纖電流互感器進(jìn)行狀態(tài)診斷時(shí)采用的狀態(tài)信息量。

多數(shù)全光纖電流互感器在安裝時(shí)都不配備專用的制冷設(shè)備，采集電路模塊長(zhǎng)期工作在高溫下很容易發(fā)生故障。在實(shí)際工程中，全光纖電流互感器的振動(dòng)主要是由斷路器分合閘操作產(chǎn)生的，監(jiān)測(cè)斷路器分合閘的瞬時(shí)電流能有效評(píng)判全光纖電流互感器在振動(dòng)影響下的運(yùn)行狀態(tài)。VFTO主要是由于GIS中隔離開關(guān)分、合閘操作等原因引起的，測(cè)試時(shí)全光纖電流互感器采集卡安裝在GIS本體上，VFTO有可能對(duì)其產(chǎn)生影響或使其損壞。在系統(tǒng)運(yùn)行工況下測(cè)量不帶電間隔線路電流，考核全光纖電流互感器在電磁干擾下的運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)量絕緣電阻有助于發(fā)現(xiàn)絕緣受潮、外絕緣表面臟污、貫穿性裂紋或其他嚴(yán)重的絕緣故障。局部放電試驗(yàn)可以有效發(fā)現(xiàn)互感器主絕緣中潛在的缺陷。

表1　全光纖電流互感器的狀態(tài)信息量

2.2全光纖電流互感器的狀態(tài)分類

將全光纖電流互感器的運(yùn)行劃分為正常、注意、異常、嚴(yán)重4種狀態(tài)。正常狀態(tài)表示測(cè)試期間全光纖電流互感器運(yùn)行狀態(tài)良好，發(fā)生故障的可能性極低；注意狀態(tài)是指?jìng)€(gè)別狀態(tài)量顯示設(shè)備可靠性下降，但可繼續(xù)運(yùn)行，發(fā)生故障的可能性低；異常狀態(tài)下，全光纖電流互感器的測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)與正常狀態(tài)時(shí)的有偏差，同時(shí)一些狀態(tài)量也顯示設(shè)備內(nèi)部可能有異?，F(xiàn)象，互感器可繼續(xù)運(yùn)行，但發(fā)生故障的可能性增大；嚴(yán)重狀態(tài)表示全光纖電流互感器整體運(yùn)行狀態(tài)欠佳，多數(shù)狀態(tài)量異常，設(shè)備可能存在故障，這時(shí)檢修人員需要根據(jù)狀態(tài)評(píng)估的結(jié)果，結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行工況、原理性缺陷等因素來(lái)制定相應(yīng)的檢修策略。

2.3全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估流程

通常來(lái)說(shuō)，電流互感器的運(yùn)行狀態(tài)與預(yù)警結(jié)果并不是一一對(duì)應(yīng)的，即一種狀態(tài)可能引發(fā)多種預(yù)警，而一種預(yù)警也可能對(duì)應(yīng)著多種狀態(tài)，這就為設(shè)備的狀態(tài)評(píng)判增加了難度。因此全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估是一個(gè)基于專家系統(tǒng)的不斷豐富經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。流程圖如圖2所示。

圖2　全光纖電流互感器狀態(tài)評(píng)估流程

3全光纖電流互感器狀態(tài)評(píng)估算法

3.1模糊綜合評(píng)判原理

模糊綜合評(píng)判法是根據(jù)模糊映射和模糊變換原理，構(gòu)造因素集、評(píng)判集、權(quán)重系數(shù)及隸屬度函數(shù)，對(duì)影響事物的多個(gè)因素進(jìn)行量化，按照最大隸屬度原則對(duì)評(píng)判對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。

假設(shè)經(jīng)過(guò)測(cè)試得到某全光纖電流互感器的故障預(yù)警樣本A=(a1,a2,…,am)，同時(shí)得到此樣本中各分量元素ai對(duì)故障預(yù)警的隸屬度，將各元素轉(zhuǎn)換成隸屬度構(gòu)成一個(gè)新的向量，即故障預(yù)警模糊向量：

A=(a1,a2,…,am)

(1)

假設(shè)該預(yù)警樣本由原因bj產(chǎn)生，同時(shí)得到bj對(duì)各種故障的隸屬度，將各元素轉(zhuǎn)換成隸屬度構(gòu)成一個(gè)新的向量，即故障原因模糊向量：

B=(b1,b2,…，bn)

(2)

那么根據(jù)模糊判別理論，B與A的模糊關(guān)系為：

B=A·R

(3)

式(3)中的符號(hào)·是模糊算子，

(4)

其中0≤rij≤1,1≤i≤m,1≤j≤n。

R是m×n矩陣，被稱為評(píng)價(jià)矩陣，是由經(jīng)驗(yàn)豐富的專家?guī)焐?，表示因素集U與評(píng)價(jià)集V的模糊關(guān)系。R的行是故障預(yù)警元素，列是故障原因元素，矩陣元素rij表示第i種預(yù)警對(duì)第j種原因的隸屬度。rij的值越大，表示該預(yù)警對(duì)故障的發(fā)生起的預(yù)判作用越大，因此故障發(fā)生的概率就越大。當(dāng)rij為零時(shí)表示預(yù)警對(duì)故障的發(fā)生不起預(yù)判作用。

3.2建立狀態(tài)評(píng)估模型

根據(jù)全光纖電流互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理，選取具有代表性的工作參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)作為全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估因素，形成一個(gè)因素集：

U={u1,u2,…,um}

(5)

選取的評(píng)估因素有：

1)電氣測(cè)試參數(shù)：斷路器分合閘瞬時(shí)電流、隔離開關(guān)拉合瞬時(shí)電流、不帶電間隔線路電流、勵(lì)磁涌流波形、三相短路電流、絕緣電阻、局部放電量；

2)運(yùn)行環(huán)境：采集電路模塊溫度、數(shù)據(jù)處理芯片溫度、電源模塊溫度、光纖通信接口狀態(tài)；

3)其他因素：設(shè)備型號(hào)、運(yùn)行歷史記錄、檢修記錄。

在建立了評(píng)估因素集后，將全光纖電流互感器的運(yùn)行分為“正?！?、“注意”、“異?！?、“嚴(yán)重”4種狀態(tài)，以此建立各評(píng)估因素的判斷集V：

V={正常，注意，異常，嚴(yán)重}={v1，v2，v3，v4}

(6)

3.3評(píng)估流程及結(jié)果的處理

對(duì)權(quán)重集A和評(píng)價(jià)矩陣R采用加權(quán)平均型的模糊綜合評(píng)判算法進(jìn)行計(jì)算，即

(7)

得到了一組評(píng)估結(jié)果bj，(j=1，2，…，p)，這時(shí)需對(duì)這組評(píng)估結(jié)果進(jìn)行篩選，以確定最終的評(píng)估結(jié)果。篩選的依據(jù)是最大隸屬度原則，即取與最大評(píng)估結(jié)果:

bmax=max{bj,(j=1,2,……,p)}

(8)

相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)矩陣列元素rk作為最終的狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。模糊評(píng)判流程如圖3所示。

圖3　模糊綜合評(píng)判流程

4工程實(shí)例分析

對(duì)國(guó)內(nèi)某220 kV智能變電站進(jìn)行綜合巡檢，通過(guò)分析其2014年的例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行記錄，判斷其運(yùn)行狀態(tài)為“嚴(yán)重”，存在缺陷或故障。為了尋找可能的故障原因，利用獲取的具有代表性的工作參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)作為狀態(tài)信息數(shù)據(jù)對(duì)全光纖電流互感器進(jìn)行故障診斷，具體步驟如下:

1)選取具有代表性的工作參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)作為全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估因素，計(jì)算狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣R，如表2所示。

表2　全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣

2)確定全光纖電流互感器狀態(tài)信息的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重。綜合權(quán)重是主觀和客觀權(quán)重的平均值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　狀態(tài)信息的組合賦權(quán)

3)計(jì)算各個(gè)故障原因的故障概率，所求結(jié)果如表4所示。

表4　全光纖電流互感器故障原因及其概率

由計(jì)算結(jié)果得知，根據(jù)最大隸屬度原則，散熱故障是最有可能的故障原因。對(duì)全光纖電流互感器散熱系統(tǒng)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)采集電路區(qū)域散熱系統(tǒng)失靈，導(dǎo)致采集電路模塊溫度過(guò)高發(fā)生故障，與本文建立的評(píng)估模型所得到的結(jié)論基本吻合，驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)確性與實(shí)效性。

5結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)電流互感器，全光纖電流互感器在各方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理上的區(qū)別，全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估及狀態(tài)檢修方法也與常規(guī)電流互感器的不同。確定了全光纖電流互感器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估所需的狀態(tài)信息，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法建立了狀態(tài)評(píng)估模型，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了這種狀態(tài)評(píng)估方法是行之有效的。但是，由于運(yùn)行時(shí)間短且掛網(wǎng)數(shù)量有限，目前關(guān)于全光纖電流互感器的狀態(tài)評(píng)估有很多方面還處在研究階段，需要進(jìn)一步探索。

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Research on State Evaluation of All-Fiber Optic Current Transformer

WU Huan1，XU Xiao-feng1，ZHANG Wu-yang2，WANG Tian2

(1.Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136; 2.Electric Power Research Institute of

State Grid Liaoning Electric Power Co.,Shenyang 110006,Liaoning Province)

Key words： AFOCT;Intelligent substation;State evaluation;Fuzzy theory

(責(zé)任編輯佟金鍇校對(duì)張凱)