肖 勻，王文瑞，王 斌，魯方林，朱耀平

(1.太湖電力建設(shè)有限公司，江蘇無錫 214000;2.中國科學院上海高等研究院，上海 201120;3.無錫錫能電力實業(yè)有限公司，江蘇無錫 214000)

高壓隔離開關(guān)在電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行中具有重要作用，是變電站中使用量最大、應用范圍最廣的高壓開關(guān)設(shè)備［1－3］。高壓隔離開關(guān)在使用過程中可能出現(xiàn)觸頭過熱、分合閘不到位、傳動機構(gòu)卡澀、瓷瓶

斷裂等故障［4－5］，為了保證電力系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行，需要建立一套高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)在運行過程中的故障缺陷，并及時通知到相關(guān)的運維人員，便于及時啟動事故處理預案。

目前針對高壓隔離開關(guān)的研究主要集中在故障診斷方面，關(guān)于高壓隔離開關(guān)的綜合狀態(tài)監(jiān)測和健康評價的研究相對較少，文獻［6］對隔離開關(guān)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，設(shè)計的狀態(tài)監(jiān)測及預警系統(tǒng)能夠監(jiān)測隔離開關(guān)的異常缺陷;文獻［7］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了隔離開關(guān)分合閘監(jiān)測系統(tǒng);文獻［8］基于紅外傳感技術(shù)對隔離開關(guān)的觸頭溫度進行在線監(jiān)測;文獻［9］基于電機電流對隔離開關(guān)分合閘電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，進一步實現(xiàn)高壓隔離開關(guān)機械故障診斷;文獻［10］基于加權(quán)灰靶理論對隔離開關(guān)的健康狀態(tài)進行評估。

為了實現(xiàn)對高壓隔離開關(guān)的運行狀態(tài)進行綜合的監(jiān)測，本文設(shè)計了基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高壓隔離開關(guān)運行狀態(tài)的遠程智能監(jiān)控，并利用變權(quán)理論和模糊理論建立了高壓隔離開關(guān)運行狀態(tài)評價體系，實現(xiàn)對高壓隔離開關(guān)的綜合健康評價。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置、高壓隔離開關(guān)檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)和高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測平臺。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)中高壓隔離開關(guān)的智能化監(jiān)控，集成了數(shù)據(jù)智能采集技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、帶電檢測技術(shù)和故障診斷技術(shù)等，該系統(tǒng)能夠?qū)Ψ稚⒌母邏焊綦x開關(guān)進行快速部署和智能監(jiān)測，為高壓隔離開關(guān)的故障診斷和設(shè)備檢修提供數(shù)據(jù)支撐，最終形成高壓隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、健康評價與設(shè)備運維的一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可接入多種類型的傳感器，包括紅外成像測溫傳感器、激光對射傳感器、工頻電場檢測傳感器、振動傳感器、微氣象檢測傳感器和紅外攝像機等。高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行匯聚，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠程服務(wù)器，通過在遠程服務(wù)器上運行的基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康評價算法，對高壓隔離開關(guān)進行實時的健康狀態(tài)評價，通過高壓隔離開關(guān)監(jiān)測平臺對高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)進行管理和數(shù)據(jù)展示。高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置能夠?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行自動化數(shù)據(jù)采集，保證了健康評價過程中數(shù)據(jù)源的準確性和可靠性。

2 高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置

高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置作為高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，連接了傳感器網(wǎng)絡(luò)和健康監(jiān)測平臺，對高壓隔離開關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種傳感器進行數(shù)據(jù)的匯聚、融合和存儲，并通過通信單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務(wù)器。高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置的硬件框圖如圖2所示。

高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置以 i.MX6Quad系列的ARM芯片作為主控單元的核心處理器［11］，主控單元作為裝置的核心模塊主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和對其他模塊的管理調(diào)度。

圖2 高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置硬件框圖

通信單元包括WiFi通信和4G LTE通信，WiFi采用CC3200，4G采用ME909s－821 LTE模塊。WiFi和4G LTE通信用于與遠程服務(wù)器之間數(shù)據(jù)交互。通信方式兼容電力通用的 IEC61850 標準［12－13］。

定位單元采用NEO－M8模塊，支持GPS、伽利略、格洛納斯和北斗定位，定位單元用于對監(jiān)控系統(tǒng)進行位置定位和授時，便于遠程服務(wù)器獲取監(jiān)控系統(tǒng)的實時位置和標準時間，便于高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)接入電力GIS(geographic information system)系統(tǒng)。

存儲單元包括內(nèi)部存儲模塊和外部存儲模塊，內(nèi)部存儲包括1 GB DDR3內(nèi)存和4 GB eMMC閃存，外部存儲包括SD卡和SATA接口的固態(tài)硬盤，存儲單元主要負責裝置中程序的運行和數(shù)據(jù)的存儲。

供電單元為系統(tǒng)各個模塊提供穩(wěn)定的電壓，供電電壓包括3.3 V和5 V兩種，通過線性穩(wěn)壓器為各個模塊提供相應的電壓，供電單元包括開關(guān)機電路、穩(wěn)壓電路、充電電路和電量檢測電路。

傳感器網(wǎng)絡(luò)通過主控的外設(shè)接口與主控單元進行數(shù)據(jù)通信，外設(shè)接口包括USB接口、RS485接口、RS232接口、以太網(wǎng)接口和無線射頻。

圖3為高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置的實物圖，監(jiān)測裝置主機能夠接入紅外成像測溫傳感器、激光對射傳感器、工頻電場檢測傳感器、振動傳感器、微氣象檢測傳感器和紅外攝像機等。

3 高壓隔離開關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖3 高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置實物圖

高壓隔離開關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)對高壓隔離開關(guān)關(guān)鍵位置的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置?？山尤氲膫鞲衅靼t外成像測溫傳感器、激光對射傳感器、工頻電場檢測傳感器、振動傳感器、微氣象檢測傳感器和紅外攝像機等。本文對設(shè)計的紅外成像測溫傳感器、振動傳感器和工頻電場檢測傳感器進行展開介紹。

3.1 紅外成像測溫傳感器

紅外成像測溫傳感器是將紅外探測模塊和成像系統(tǒng)集成在一個傳感器上的新型帶電檢測測溫傳感器［14－15］。紅外成像測溫傳感器通過紅外熱成像的技術(shù)檢測目標對象的溫度，主要通過非接觸式測量檢測高壓隔離開關(guān)的觸頭和觸指的溫度變化。其主要包括紅外探測單元、信號采集單元、紅外圖像處理單元、通信單元和供電單元5個部分。圖4為紅外成像測溫儀的硬件架構(gòu)框圖。

圖4 紅外成像測溫傳感器架構(gòu)圖

圖4 中，紅外探測器上的鏡頭將目標物體發(fā)出的紅外光進行匯聚，紅外探測器將采集的紅外信號發(fā)送至信號采集單元，紅外圖像處理單元對采集的紅外圖像數(shù)據(jù)進行處理，并通過紅外測溫算法轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)，通信單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置，供電單元為整個系統(tǒng)提供電能。

3.2 振動傳感器

振動傳感器主要檢測高壓隔離開關(guān)傳動機構(gòu)的振動信號，通過對振動信號進行分析，判斷高壓隔離開關(guān)是否出現(xiàn)傳動機構(gòu)卡澀的故障。振動傳感器主要包括MEMS加速度傳感器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、核心控制器、通信單元和供電單元［16］。圖5為振動傳感器的硬件架構(gòu)框圖。

圖5 振動傳感器硬件架構(gòu)圖

圖5 中，采用高精度的MEMS加速度傳感器采集振動信號，通過信號調(diào)理電路對模擬信號進行放大、濾波等處理，并將信號傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由核心控制器對信號進行數(shù)據(jù)處理并通過通信單元發(fā)送到高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置，供電單元為振動傳感器各個模塊提供電能。

3.3 工頻電場檢測傳感器

工頻電場檢測傳感器主要用來檢測高壓隔離開關(guān)導電臂的工頻電場變化，當高壓隔離開關(guān)出現(xiàn)一些典型的缺陷后會引起工頻電場變化。工頻電場檢測儀主要包括球形電容傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元和供電單元［17］。圖6為工頻電場檢測儀的硬件架構(gòu)框圖。

圖6 工頻電場檢測傳感器架構(gòu)圖

圖6 中，通過球形電容傳感器獲取電場中的感應電勢，經(jīng)過信號調(diào)理電路的濾波放大電路，由數(shù)據(jù)采集單元的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元的工頻電場場強算法將感應電動勢轉(zhuǎn)換為電場數(shù)據(jù)，通過通信單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測裝置，供電單元為工頻電場檢測儀的各個模塊提供電能。工頻電場檢測傳感器采用CT取電的方式為系統(tǒng)提供電能。

4 基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康評價

基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康評價通過對高壓隔離開關(guān)關(guān)鍵部位進行狀態(tài)監(jiān)測，選取合理、科學的評價指標體系，建立高壓隔離開關(guān)健康狀態(tài)評價等級，運用合適的計算方法統(tǒng)籌兼顧健康評價指標體系中的所有指標對高壓隔離開關(guān)運行狀態(tài)的影響，綜合評估出高壓隔離開關(guān)的健康狀態(tài)，便于相關(guān)工作人員能夠更準確、合理地了解高壓隔離開關(guān)當前的健康狀態(tài)。

4.1 模糊綜合評價

模糊理論由美國控制理論專家 Zadeh教授于1965年提出的，主要指現(xiàn)實生活中除了經(jīng)典集合論中對“非此即彼”現(xiàn)象描述外，還存在一種“亦此亦彼”的模糊現(xiàn)象［18－20］。利用各種評價因素對被評價對象的影響，并利用某種計算方法做出最終評價的評價方法叫做模糊綜合評價法［21］。模糊綜合評價的主要步驟包括:

(1)確定指標因素集 V=(v1，v2，…，vm);

(2)確定評價集 U=(u1，u2，…，un);

(3)確定指標權(quán)重集 A=(a1，a2，…，am);

(4)進行單因素模糊評價 Ri=(ri1，ri2，…，rin);

(5)構(gòu)造綜合評價矩陣:

(6)綜合評價，由單因素評價矩陣R與指標權(quán)重集A合成得到綜合評價集:根據(jù)最大隸屬度的原則得到最終的綜合評價結(jié)果。

4.2 評價指標和評價集

在高壓隔離開關(guān)健康評價中，某一個傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)只能反映某個方面的狀態(tài)，并且每一類特征量的監(jiān)測數(shù)據(jù)對整體狀態(tài)的反映都具有相對優(yōu)勢和局限性，不能僅僅通過單一的監(jiān)測指標來判斷整個高壓隔離開關(guān)的健康狀態(tài)。本文在分析高壓隔離開關(guān)典型故障的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗和傳感器的技術(shù)水平綜合考慮，選取了高壓隔離開關(guān)觸頭/觸指溫度、開合狀態(tài)、導電臂電場強度、傳動機構(gòu)振動、環(huán)境溫度、濕度和瓷瓶完整度7個具有代表性和便于測量的特征量作為高壓隔離開關(guān)健康狀態(tài)評價的評價指標體系。

結(jié)合高壓隔離開關(guān)運行狀態(tài)與設(shè)備運維和檢修經(jīng)驗，將高壓隔離開關(guān)的健康狀態(tài)分為5級，從高到底依次為:健康、正常、預警、輕度故障、故障，采用集合形式表示為 U=(u1，u2，u3，u4，u5)，相應等級的高壓隔離開關(guān)狀態(tài)和評價結(jié)果如表1所示。

4.3 變權(quán)理論的指標權(quán)重

目前對高壓隔離開關(guān)的健康評價尚處于起步階段，對評價指標體系的建立和各個指標權(quán)重的分配沒有明確的行業(yè)標準，相關(guān)的評價算法還處于探索研究階段。結(jié)合高壓隔離開關(guān)的實際情況，本文借鑒專家經(jīng)驗的方式，根據(jù)高壓隔離開關(guān)的實際運行場景，通過專家模糊打分方式來確定高壓隔離開關(guān)健康評價模型中各項指標因素的初始權(quán)重。由于考慮到設(shè)備的實際健康狀態(tài)由多個因素相互影響，提出了變權(quán)重的高壓隔離開關(guān)綜合健康評價方法。

表1 高壓隔離開關(guān)健康評價評語集

在對高壓隔離開關(guān)進行綜合評價時，一般給各個指標因素設(shè)定固定的權(quán)重，但是難以反映各個指標因素的變化對整個高壓隔離開關(guān)造成的影響［22－23］。當某項指標因素超過預警值甚至出現(xiàn)故障時，有可能出現(xiàn)由于初始權(quán)重分配較小，經(jīng)過模糊綜合評價后得到的高壓隔離開關(guān)依然處于正常狀態(tài)的結(jié)果，從而造成異常信息被湮沒。因此，引入變權(quán)理論，實現(xiàn)了對指標因素權(quán)重的實時調(diào)整，可以反映出模糊綜合評價中各個指標因素狀態(tài)的均衡性［24］，本文對指標因素權(quán)重做動態(tài)變權(quán)處理，即指標因素劣化程度越大其權(quán)重也越大，從而避免由于權(quán)重過小造成異常信息被湮沒的情況發(fā)生。

設(shè)指標因素初始權(quán)重為ai，進行變權(quán)處理后為

式中:αi為指標的劣化度;β為變權(quán)系數(shù)。

4.4 隸屬度函數(shù)

目前，模糊綜合評價常用的隸屬度函數(shù)模型主要有:正態(tài)分布、柯西分布、梯形分布、嶺型分布和三角分布等［25］，本文選用梯形分布與三角分布結(jié)合的隸屬度函數(shù)，符合高壓隔離開關(guān)健康評價的實際需求。圖7為隸屬度函數(shù)分布圖。

圖7 隸屬度函數(shù)分布圖

隸屬度函數(shù)的具體表達式為:

5 應用分析

將設(shè)計的基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)進行實際應用，在無錫某變電站對GW4型高壓隔離開關(guān)進行安裝部署。對高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置采集的傳感器數(shù)據(jù)進行綜合評價，結(jié)合變權(quán)理論對指標因素的權(quán)重進行實時調(diào)整。根據(jù)式(2)的隸屬函數(shù)計算出各個指標因素的隸屬度，并得到GW4型高壓隔離開關(guān)運行狀態(tài)的模糊關(guān)系矩陣R。利用專家模糊打分的方法確定各個指標因素的初始權(quán)重，利用式(1)計算出變權(quán)處理后的權(quán)重。使用合成算子計算出高壓隔離開關(guān)健康評價的綜合評價集，采用最大隸屬度原則選取隸屬度最大的值對應的評價等級作為最后綜合評價結(jié)果。

基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對高壓隔離開關(guān)的現(xiàn)場應用，其創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)高壓隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測方面，對高壓隔離開關(guān)運維檢修的關(guān)鍵部位進行在線監(jiān)測，實現(xiàn)對高壓隔離開關(guān)的帶電檢測，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠接入不同類型的傳感器，實現(xiàn)同時對高壓部位和低壓部位的檢測。

(2)采用變權(quán)理論對指標因素的權(quán)重進行處理，保證最終的評價結(jié)果更符合實際，具有更高的準確性。避免某些指標因素由于初始權(quán)重較小，在進行綜合評價時異常信息被湮沒的情況。

(3)運維檢修方面，通過對高壓隔離開關(guān)進行健康評價并得到評價結(jié)果，高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠給出運維檢修建議，并形成高壓隔離開關(guān)健康評估報告，運維檢修人員根據(jù)形成的報告作進一步處理，減少了運維人員的工作量，提高了運維檢修的效率。

(4)能夠進行快速安裝部署，通過接入電力GIS便于對整個電力系統(tǒng)高壓隔離開關(guān)進行健康監(jiān)測，根據(jù)不同類型的高壓隔離開關(guān)選擇需要接入的傳感器進行快速配置，實現(xiàn)高壓隔離開關(guān)的智能化監(jiān)測。

基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)有效地提升了高壓隔離開關(guān)的運維管理效率和智能化水平，豐富了高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測的手段，節(jié)約了人力成本，減少了運維工作人員的工作量。

6 結(jié)束語

研究基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康評價技術(shù)，并研制了高壓隔離開關(guān)監(jiān)測裝置和用于高壓隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測的一些傳感器，結(jié)合高壓隔離開關(guān)的實際應用場景進行了應用推廣，該系統(tǒng)具有以下特點:

(1)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化水平高，基于變權(quán)理論的高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)緊密結(jié)合高壓隔離開關(guān)的運維檢修實踐，綜合了運維人員的切實需求，將網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化技術(shù)應用到解決實際問題中。

(2)健康監(jiān)測效率高，高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)高壓隔離開關(guān)不同部位的傳感器數(shù)據(jù)同步采集，通過綜合健康評價，形成高壓隔離開關(guān)健康評估報告，大大提高了高壓隔離開關(guān)的運維效率。

(3)健康監(jiān)測理念先進，高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)高壓隔離開關(guān)健康評價的模式，全面提升了運維人員的工作效率和質(zhì)量。

(4)可擴展性強、易于推廣，高壓隔離開關(guān)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠擴展多種不同類型的傳感器，系統(tǒng)安裝部署便捷。該系統(tǒng)結(jié)合了運維人員的實際需求，對于保障高壓隔離開關(guān)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。