王俊波

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

0 引言

高壓斷路器作為電力系統(tǒng)“三大器”之一，具有舉足輕重的地位，開(kāi)展高壓斷路器健康水平評(píng)估工作尤為重要[1-5]。對(duì)于高壓斷路器健康水平的評(píng)估，目前電力行業(yè)普遍采用兩種方法：一是閾值判別法，二是基于高維隨機(jī)矩陣的健康水平診斷方法。

閾值判別法是根據(jù)各試驗(yàn)項(xiàng)目或在線監(jiān)測(cè)量是否超過(guò)相關(guān)規(guī)程的規(guī)定值來(lái)判斷，比如絕緣電阻不得低于10 000 MΩ、回路電阻不得超過(guò)出廠值或初始值的1.2倍[6]、分合閘時(shí)間不得超過(guò)出廠值等，其中任何一項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)則判斷該高壓斷路器不合格，這種依靠單個(gè)或者多個(gè)指標(biāo)是否超標(biāo)的方式只能對(duì)高壓斷路器健康水平是否滿(mǎn)足要求做出是與否的判斷，無(wú)法反映高壓斷路器健康水平演變趨勢(shì)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)高壓斷路器健康水平預(yù)警。

基于高維隨機(jī)矩陣的健康水平診斷方法，利用高壓斷路器的開(kāi)斷磨損、電氣特性、機(jī)械特性、絕緣介質(zhì)4個(gè)方面的參數(shù)值構(gòu)建基于高維隨機(jī)矩陣的高壓斷路器健康水平矩陣，在每次進(jìn)行試驗(yàn)或電氣測(cè)量時(shí)完成對(duì)高壓斷路器的健康水平評(píng)估。理論上來(lái)講，當(dāng)矩陣的行、列超過(guò)100時(shí)才能稱(chēng)為高維矩陣，而在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于單一斷路器很難收集到100維的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以該方法主要適用于同一廠家、同一型號(hào)的高壓斷路器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)單一高壓斷路器的健康水平診斷與預(yù)警[7-16]。為此，本文提出了一種新的高壓斷路器健康水平診斷算法。

1 算法流程

該算法流程包含7個(gè)步驟：評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣構(gòu)建、評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣歸一化、求取歸一化矩陣的相關(guān)系數(shù)矩陣、求解備選主成分并確定主成分、健康度（脆弱指數(shù)）計(jì)算、報(bào)警閾值確定、高壓斷路器健康水平預(yù)警，具體流程如圖1所示。

2 算法實(shí)現(xiàn)

圖1 算法流程

高壓斷路器預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目包括絕緣電阻、分閘時(shí)間、合閘時(shí)間、分閘同期、合閘同期、SF6氣體微水（針對(duì)六氟化硫斷路器）、彈跳時(shí)間（針對(duì)真空斷路器）、線圈低電壓動(dòng)作特性、交流耐壓，其中絕緣電阻、分閘時(shí)間、合閘時(shí)間、分閘同期、合閘同期、SF6氣體微水、彈跳時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果是量化的數(shù)據(jù)，可選擇這7項(xiàng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣，除絕緣電阻越大越好之外，其余指標(biāo)都是越小越好，因此將絕緣電阻增加一個(gè)負(fù)號(hào)，讓其與其他評(píng)價(jià)指標(biāo)同向，以真空斷路器為例，構(gòu)建1×6矩陣（一行六列）如下：

式中：X1、X2、X3、X4、X5、X6分別為被評(píng)價(jià)真空斷路器的某一次試驗(yàn)的絕緣電阻相反數(shù)、分閘時(shí)間、合閘時(shí)間、分閘同期、合閘同期、彈跳時(shí)間。

如果是六氟化硫斷路器，則將X6由彈跳時(shí)間替換為SF6氣體微水即可。

為消除數(shù)量級(jí)引起的數(shù)據(jù)差別，需要將樣本數(shù)據(jù)X標(biāo)準(zhǔn)化處理為X*，具體計(jì)算方法如下：

歸一化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣如下：

絕緣電阻、分閘時(shí)間、合閘時(shí)間、分閘同期、合閘同期、SF6氣體微水、彈跳時(shí)間這些指標(biāo)存在一定的相關(guān)性，計(jì)算歸一化后的相關(guān)系數(shù)矩陣R如下：

由于歸一化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣X*為1×6矩陣，則其轉(zhuǎn)置矩陣X*T為6×1矩陣，于是相關(guān)系數(shù)矩陣R為6×6矩陣，如下所示：

求解R的特征值λ1≥λ2≥λ3≥λ4≥λ5≥λ6≥0及其對(duì)應(yīng)的特征向量β1、β2、β3、β4、β5、β6。其中，βj=（β1j，β2j，β3j，β4j，β5j，β6j）為第j個(gè)主成分載荷矩陣。由特征向量組成6個(gè)新的指標(biāo)變量，即主成分y1、y2、y3、y4、y5、y6，計(jì)算如下：

式中：yi為第i個(gè)主成分。

主成分要根據(jù)所有備選主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率Z來(lái)確定，各備選主成分的貢獻(xiàn)率Zi計(jì)算如下：

計(jì)算前n個(gè)備選主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率Z，使得Z＞0.9，則可以確定主成分為n個(gè)（n＜6），累計(jì)貢獻(xiàn)率Z計(jì)算如下：

根據(jù)高壓斷路器某一次試驗(yàn)結(jié)果，可以計(jì)算出基于本次試驗(yàn)結(jié)果的健康度，計(jì)算方法如下：

健康度作為高壓斷路器健康水平的綜合評(píng)估指標(biāo)，報(bào)警閾值要根據(jù)基于出廠試驗(yàn)值或初始試驗(yàn)值的健康度確定。出廠試驗(yàn)值是指高壓斷路器廠家提供的出廠試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)值，初始試驗(yàn)值是指高壓斷路器交接試驗(yàn)的試驗(yàn)值，通過(guò)上述（1）至（6）步可以計(jì)算出基于出廠試驗(yàn)值或初始試驗(yàn)值的健康度ζ0，為排除系統(tǒng)誤差并保留一定裕度，將1.1ζ0作為報(bào)警閾值。

根據(jù)高壓斷路器歷次試驗(yàn)結(jié)果，按照上述（1）至（6）步計(jì)算基于每次試驗(yàn)值的出廠健康度，按照時(shí)間先后繪制健康度，并將1.1ζ0作為報(bào)警基線繪制在曲線中。每新增一次試驗(yàn)在曲線中增加一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)是否越過(guò)報(bào)警基線可以判斷高壓斷路器是否還能繼續(xù)服役，根據(jù)曲線的變化趨勢(shì)對(duì)高壓斷路器健康狀態(tài)是否在發(fā)生劣化發(fā)出預(yù)警，據(jù)此可以個(gè)性化制定高壓斷路器的檢修策略。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

佛山供電局某220 kV變電站某110 kV高壓斷路器在周期性停電預(yù)防性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械特性嚴(yán)重不合格，經(jīng)過(guò)解體發(fā)現(xiàn)絕緣拉桿發(fā)生斷裂，這種缺陷并非突發(fā)故障，而是一個(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程。本文選取該高壓斷路器的歷史數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)章節(jié)2所提出的高壓斷路器健康水平預(yù)警算法，開(kāi)展算法驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。

圖2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖2可以看出，雖然在2019年之前的各年份各項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果均超出相關(guān)規(guī)程的規(guī)定值，但從代表健康水平綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的健康度來(lái)看，2013—2019年有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且在2014年已經(jīng)達(dá)到預(yù)警值，說(shuō)明2013—2014年期間該高壓斷路器已經(jīng)出現(xiàn)潛伏性故障，需要開(kāi)展大修工作。

4 結(jié)語(yǔ)

按照本文提出的高壓斷路器健康水平診斷算法，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高壓斷路器健康水平預(yù)警，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）改變了現(xiàn)有閾值評(píng)價(jià)方法僅僅給出二值化判斷結(jié)果的弊端，不再依靠規(guī)程規(guī)定值做判斷，將高壓斷路器故障演變過(guò)程真實(shí)描繪出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了潛伏性故障的提早發(fā)現(xiàn)。

（2）將健康度作為高壓斷路器健康水平的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了同類(lèi)設(shè)備不同個(gè)體之間的差異化評(píng)價(jià)。