陳昊，徐鵬，譚風雷，張海華，馬兆興

(1·國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京211102；2·青島理工大學信息與控制工程學院，山東 青島266520)

0 引言

高壓斷路器是高壓電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，斷路器可以切斷短路電流，實現(xiàn)故障點的隔離，其工作狀態(tài)直接關(guān)乎供電可靠性。在此背景下，實時掌握斷路器狀態(tài)，進而制定檢修工作計劃，將斷路器保持在較高的健康水平對電網(wǎng)安全穩(wěn)定具有重要的意義[1－4]。保持變電設(shè)備健康運行是變電檢修工作的主要職責。早期在斷路器出現(xiàn)故障后進行維修，這種事后檢修策略不能實現(xiàn)事前或事中控制，已無法適應(yīng)現(xiàn)在電網(wǎng)安全運行的要求。雖然通過長期使用的定期檢修方式，能夠在停電狀態(tài)下提前發(fā)現(xiàn)部分斷路器故障，但耗費大量檢修資源，存在過度檢修風險，因為停電狀態(tài)和運行狀態(tài)存在本質(zhì)差異，無法發(fā)現(xiàn)大量潛伏性故障。近年來，隨著傳感器和相應(yīng)新技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)傳感器等設(shè)備采集到的信息，運用相關(guān)技術(shù)手段能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)及可能發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行盡早判斷，及時發(fā)現(xiàn)斷路器潛伏性故障，準確評估斷路器當前整體健康狀態(tài)，以便于合理安排檢修調(diào)試工作。該方法屬于事前檢修策略，更符合運檢管理的技術(shù)發(fā)展方向，也是本文的主要研究內(nèi)容。

針對評估方法，很多研究者給出了不同的思路[5－7]，而關(guān)于斷路器健康度評估方法的研究較少。有些研究者給出了電網(wǎng)中一些設(shè)備的檢修測試平臺[8－9]，因斷路器在變電運行中的重要地位，關(guān)于其狀態(tài)檢測及壽命預測分析的研究也受到高度重視[10－11]。文獻[12]用馬爾科夫方法對變壓器進行壽命預測。文獻[13]利用主成分析方法，給出了一種斷路器健康水平診斷算法。文獻[14]應(yīng)用小波方法對斷路器運行狀態(tài)進行監(jiān)測。

本文給出了一種改進隱馬爾可夫(Refined Hidden Markov，RHM)模型，實時評估斷路器的整體健康度，評估斷路器近期和遠期的健康狀態(tài)，從而優(yōu)化斷路器檢修策略，及時消除安全隱患，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 高壓斷路器的健康度

高壓斷路器包含的部件眾多，對整體健康水平的影響存在差異。一方面，部件狀態(tài)隨著時間尺度經(jīng)常變化，尤其是重要部件進入某些故障狀態(tài)時，向不利方向的進一步狀態(tài)變化，可能直接影響斷路器的正常運行；另一方面，不同部件存在關(guān)聯(lián)，斷路器某個部件出現(xiàn)故障或者健康度不佳，可能會影響其相關(guān)聯(lián)部件的健康水平。斷路器健康度評估是以當前系統(tǒng)的狀態(tài)為起點，結(jié)合被評估部件的環(huán)境條件及歷史數(shù)據(jù)，通過分析部件健康度在時間尺度的變化趨勢，對部件當前的運行狀態(tài)和發(fā)展趨勢做出估計，從而評估斷路器近期和遠期的整體健康度。

2 斷路器整體健康度評估模型的建立

2.1 改進隱馬爾可夫模型

隱馬爾可夫模型可用表達式W＝(f，M，H)來表示[15]，設(shè)斷路器狀態(tài)參數(shù)為n，時刻t的狀態(tài)用式(1)表示:

式中，Sti表示狀態(tài)參數(shù)Si在時刻t的值。

斷路器的狀態(tài)概率分布f表示如式(2):

斷路器從狀態(tài)i轉(zhuǎn)換到狀態(tài)j的概率用狀態(tài)矩陣M表示，M＝[mij]；觀測概率分布用矩陣H表示，

設(shè)定斷路器在t時刻得到觀測值Qt，則t＋1時刻產(chǎn)生間接觀測y的表示如式(4):

式中，mij為時刻t斷路器系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的元素。由此得觀測轉(zhuǎn)移概率矩陣設(shè)t時刻的觀測已知，到t＋1時刻最有可能出現(xiàn)的觀測概率表示為:

進一步得到t＋1時刻最有可能觀測為:

高壓斷路器由多個部件構(gòu)成，任何一個部件出現(xiàn)故障都將導致整個斷路器故障，各部件之間又存在關(guān)聯(lián)性，因此應(yīng)用部件關(guān)聯(lián)性經(jīng)驗矩陣來尋找斷路器狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率矩陣的最優(yōu)路徑，據(jù)此得到斷路器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況。設(shè)斷路器由r個部件構(gòu)成，在當前t時刻，若斷路器部件i的狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率最高，與部件i關(guān)聯(lián)程度最為緊密的部件為j，則t＋1時刻，斷路器狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率以部件j為準，由此建立斷路器狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率的最佳路徑。各部件關(guān)聯(lián)性經(jīng)驗矩陣如式(7)所示:

式中，cij表示斷路器部件i與部件j之間的關(guān)聯(lián)性。

在t時刻觀測已知的條件下，由此可得到新的觀測值。由上文分析，得到斷路器健康狀態(tài)評估步驟如下:

1)根據(jù)感知的斷路器部件狀態(tài)，記錄當前時刻t的狀態(tài)值St、觀測Qt。

2)計算得到t＋1時刻最有可能出現(xiàn)的觀測Qt＋1，形成新的序列，并記錄最后一個狀態(tài)，記為S*。

3)比較St與S*，若St＝S*，則重復步驟2)；若St≠S*，則進行下一步。

4)將Qt與Qt＋1相 減，即 得 到 評 估 的 剩 余觀測。

5)運行觀測序列及模型參數(shù)，計算得到當前狀態(tài)下概率剩余狀態(tài)路徑Rmax，并記當前狀態(tài)下的最后一個時間節(jié)點為tlast。

6)建立斷路器各部件之間的關(guān)聯(lián)性經(jīng)驗矩陣，如式(7)，得到斷路器整體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑。

7)設(shè)斷路器當前處于狀態(tài)i，則用式(8)計算整體健康狀態(tài)表達式[15－16]:

2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率的確定

傳統(tǒng)的隱馬爾可夫方法在確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率時，一般認為由一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的概率大致呈線性，這與高壓斷路器實際運行情況并不完全符合。因此，斷路器功能退化曲線對應(yīng)的函數(shù)，宜考慮為一階導數(shù)持續(xù)下降的一階可導函數(shù)。

根據(jù)南京地區(qū)220 kV以上電網(wǎng)斷路器操作次數(shù)和功能評估情況，繪制使用頻次—功能散點圖，進而根據(jù)散點圖，用簡單一階可導函數(shù)擬合，根據(jù)擬合優(yōu)度遴選斷路器功能退化與使用頻次之間的關(guān)系曲線，斷路器功能退化與使用頻次之間的關(guān)系曲線如圖1所示，該曲線與斷路器運行經(jīng)驗相符，即新投產(chǎn)的高壓斷路器一般衰減退化較慢，而在中后期衰減退化較快。

圖1 高壓斷路器隨使用頻次的功能退化曲線

基于圖1，對傳統(tǒng)隱馬爾可夫方法進行改進，使之更符合斷路器的實際工況。這里給出一種基于冪函數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率方法，當前t時刻狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率已知條件下，t＋1時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率表示如下:

式中，φ0為非負參數(shù)。

同時，考慮到檢修工作的實施可以通過改善某個或某些部件的健康狀態(tài)提升斷路器整體健康度，用常規(guī)的階躍函數(shù)表征檢修工作對斷路器整體健康度的影響。

2.3 健康度—檢修調(diào)試成本函數(shù)

為更好地符合實際運行工況，統(tǒng)籌考慮斷路器健康狀態(tài)和檢修調(diào)試成本調(diào)整檢修策略，一種健康度—檢修調(diào)試成本函數(shù)如式(10):

式中，Y為斷路器遠期整體健康度，J為斷路器近期整體健康度，C為檢修調(diào)試成本。

2.4 健康度在斷路器檢修調(diào)試中的應(yīng)用

根據(jù)高壓斷路器歷史數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，將式(10)的健康度—檢修調(diào)試成本函數(shù)值h在Y、J、C三個維度分別設(shè)定閾值Y*、J*、C*，進而實行四級檢修調(diào)試策略。

1)一級:對于近期健康度低的斷路器，則立即申請停電消除部件故障，防止斷路器故障擴大危及電網(wǎng)安全。

2)二級:對于遠期健康度低、檢修調(diào)試成本低的斷路器，則結(jié)合其他設(shè)備更換、檢修工作消除部件故障。

3)三級:對于遠期健康度低、檢修調(diào)試成本高的斷路器，則結(jié)合周期性檢修工作消除部件故障。

4)四級:對于遠期健康度高的斷路器，可暫不安排檢修調(diào)試計劃，繼續(xù)監(jiān)測。

檢修調(diào)試策略過程如圖2所示。

圖2 基于健康度評估的檢修調(diào)試策略制定

3 算例分析

南京地區(qū)某500 kV變電站的西門子3AQ1－EE型斷路器為220 kV旁路斷路器，作為在線監(jiān)測試點，裝設(shè)多種傳感器獲取斷路器狀態(tài)信息。在斷路器本體和機構(gòu)箱加裝了SF6傳感器、溫濕度傳感器、振動傳感器、行程機械特性傳感器，分合閘及馬達電流測量TA以及位置參考節(jié)點，實現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)感知，如圖3所示。在斷路器旁新建IED柜，裝設(shè)斷路器在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)斷路器故障診斷和故障部件定位。通過IED和斷路器檢修調(diào)試平臺相聯(lián)，實現(xiàn)該斷路器的整體健康度評估和檢修調(diào)試工作優(yōu)化安排。

圖3 現(xiàn)場斷路器狀態(tài)的獲取

3.1 單個部件健康度曲線

以三種斷路器單個故障部件狀態(tài)為例，繪制斷路器部件健康度變化曲線，如圖4所示。

圖4 單個部件健康度評估曲線

圖4表征了斷路器不同部件健康度變化情況。不同部件隨時間尺度所展示的健康度變化走勢不盡相同。亦印證了借助斷路器各部件之間關(guān)聯(lián)性經(jīng)驗矩陣，獲取斷路器整體健康度的狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑，評估斷路器整體健康度的必要性和合理性。

3.2 健康度—檢修調(diào)試成本函數(shù)值h評估曲線

基于隱馬爾可夫模型的健康度評估方法獲取高壓斷路器整體健康度時變曲線如圖5所示。

圖5 高壓斷路器整體健康度曲線

圖5評估了某存在故障的斷路器未來7個月內(nèi)的整體健康度時變情況。一種情形:斷路器在考察期間內(nèi)未進行檢修，整體狀態(tài)隨時間呈非線性退化趨勢，直到第7個月下降到0·5以下，進入到一級狀態(tài)，申請停電檢修。另一種情況:若斷路器在第3個月進行檢修，其整體狀態(tài)能很快恢復到較好的水平，后期斷路器整體健康狀態(tài)更為平穩(wěn)，在第7個月仍然保持在較高水平。此處體現(xiàn)了檢修工作對斷路器整體健康狀態(tài)的關(guān)鍵作用，這與變電站實際檢修經(jīng)驗亦相符。

4 結(jié)論

基于斷路器部件健康和部件間關(guān)聯(lián)性矩陣的分析，給出了一種基于改進隱馬爾可夫模型的健康度評估方法，對斷路器的運行狀態(tài)進行健康度評價。該評估方法能夠從時間尺度合理評估斷路器的健康狀態(tài)，進而根據(jù)評估結(jié)果和檢修成本等因素合理安排檢修計劃，提升高壓斷路器的安全運行水平，為電網(wǎng)的經(jīng)濟運行提供保障。