普子恒，彭 朕，方春華，鄭 雷，羅 浩，殷鵬翔

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌443002；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；4.電網(wǎng)雷擊風(fēng)險預(yù)防湖北省重點實驗室，武漢 430074)

0 引 言

近幾年，我國500 kV交流輸電線路越來越多，對其線路上的絕緣子定期檢測、及時更換劣化絕緣子是保障輸電線路穩(wěn)定工作的有效方法[1-4]。常見的絕緣子有瓷、玻璃和復(fù)合絕緣子3種，其中瓷絕緣子檢測通常采用測量分布電壓進(jìn)行劣化判定，但實際檢測時不同場景下絕緣子串正常情況時的分布電壓存在較大差異，故僅用現(xiàn)有DL/T 487標(biāo)準(zhǔn)分布電壓對所有場景下的絕緣子進(jìn)行劣化判定時容易造成誤判[5-9]。隨著智能運(yùn)維設(shè)備的發(fā)展，為降低人工檢測的工作量以及提高檢測效率，國內(nèi)外對絕緣子檢測機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)研究，這些檢測機(jī)器人為獲取多場景下500 kV交流瓷絕緣子串的分布電壓數(shù)據(jù)提供了途徑[10-13]。目前，國內(nèi)外對劣化絕緣子檢測方式分為接觸式和非接觸式檢測，兩種方法通過研究均表明外界環(huán)境、絕緣子串結(jié)構(gòu)等均對絕緣子串的分布電壓造成較大影響[14-18]。文獻(xiàn)[19]證明絕緣子串中絕緣子片數(shù)不同會使得其分布電壓也不同；文獻(xiàn)[20]指出通過Maxwell電容矩陣驗證了雜散電容會對劣化絕緣子的判定造成誤判；文獻(xiàn)[21]研究表明“分布電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓50%”判定為劣化絕緣子容易造成誤判，絕緣電壓低于500 MΩ與分布電壓低于50%沒有直接對應(yīng)關(guān)系；文獻(xiàn)[22]證明均壓環(huán)是影響絕緣子串分布電壓的重要因素。在實際檢測中，海拔、空氣濕度、污穢等外界環(huán)境對絕緣子串的分布電壓的檢測也會造成影響[23-25]。由于外界環(huán)境多變，在仿真中不易實現(xiàn)，本研究重點考慮因素為塔型、相位、絕緣子片數(shù)、均壓環(huán)。對于故障分類，國內(nèi)外研究學(xué)者支持向量機(jī)進(jìn)行深入研究，該模型具有對故障樣本需求小的特性，在其他故障判定中應(yīng)用較為廣泛，但目前暫時未在劣化絕緣子判定中應(yīng)用[26]。文獻(xiàn)[27] 介紹了多種支持向量機(jī)在電力系統(tǒng)故障識別中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[28]證明通過訓(xùn)練后的支持向量機(jī)可以準(zhǔn)確的對線路故障進(jìn)行分類，提高故障判定的準(zhǔn)確性。上述文獻(xiàn)研究重點在污穢、空氣濕度、海拔等外界環(huán)境對絕緣子串分布電壓的影響，這些研究也進(jìn)一步證明了這些因素使絕緣子串正常狀態(tài)下的分布電壓存在差異，無法使用同一標(biāo)準(zhǔn)電壓對所有場景下的絕緣子進(jìn)行劣化判定。

為準(zhǔn)確判定劣化絕緣子，筆者進(jìn)行了基于大數(shù)據(jù)分類與SVDD模型的多場景下500 kV交流瓷絕緣子劣化判定的研究。首先在有限元軟件中建立500 kV絕緣子串多場景下分布電壓仿真計算模型，分析不同場景下絕緣子串在不同狀態(tài)時分布電壓差異確定主要影響因素；然后建立基于大數(shù)據(jù)分類與SVDD模型的多場景下500 kV劣化絕緣子判定模型，利用仿真數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練和測試。

1 計算模型

1.1 整體塔線模型

根據(jù)特高壓交流試驗示范工程的參數(shù)設(shè)置，建立500 kV交流瓷絕緣子有限元模型，包含桿塔、絕緣子串、均壓環(huán)、導(dǎo)線和金具等[29]。經(jīng)過仿真分析，可以用不鏤空的塔窗代替桿塔，其他部分使用簡化模型；為減小計算誤差建立單相完整的絕緣子串，其余兩相僅建立導(dǎo)線。絕緣子相關(guān)參數(shù)：型號為U210b型，盤徑為280 mm，高度為160 mm，共29片。桿塔選取常見的3種基本塔型：貓頭塔、酒杯塔、干字耐張塔，仿真模型見圖1。

圖1 仿真計算模型Fig.1 Simulation compute model

1.2 模型的參數(shù)設(shè)置與加載

2 絕緣子串電壓分布影響因素分析

根據(jù)仿真結(jié)果可知，地形、坡度對500 kV瓷絕緣子串單片傘裙所承擔(dān)的電壓最大差異僅0.26%，故在后續(xù)分析中僅建立簡單的地形模型。在實際檢測中，存在較多因素影響絕緣子串分布電壓，例如塔型、絕緣子片數(shù)、污穢、空氣濕度等，本研究選取塔型、絕緣子所在相位、絕緣子片數(shù)、均壓環(huán)、劣化絕緣子5個方面進(jìn)行重點研究。

2.1 塔型對絕緣子串電壓分布的影響

在滿足相關(guān)安全要求的情況下，構(gòu)建不同塔型下500 kV交流瓷絕緣子串有限元模型，通過仿真計算出3種基本塔型下絕緣子分布電壓，不同塔型下邊相絕緣子電壓分布曲線見圖2。

圖2 不同塔型下邊相絕緣子串電壓分布曲線Fig.2 Voltage distribution curves of insulator strings under different tower types

由圖2可知，塔型對絕緣子的桿塔側(cè)影響較大。貓頭塔邊相絕緣子傘裙所承擔(dān)的電壓和酒杯塔最大差異為84.25%；和干字塔最大差異為64.17%；對中相進(jìn)行分析，貓頭塔和酒杯塔最大差異129%。

對同種塔型下不同相位絕緣子串的分布電壓進(jìn)行分析，同種塔型下三相分布電壓存在明顯差異。以酒杯塔為例，兩相電壓最大差異為10.10%，酒杯塔三相電壓分布曲線見圖3。

圖3 同塔型下三相絕緣子串電壓分布曲線Fig.3 Voltage distribution curve of three-phase insulator string in the same tower type

2.2 均壓環(huán)對絕緣子串電壓分布的影響

在輸電線路中，均壓環(huán)的參數(shù)在不同工況下也有所不同，分別對不同均壓環(huán)設(shè)置下的500 kV絕緣子的分布電壓進(jìn)行仿真計算。仿真結(jié)果表明，在3種典型的均壓環(huán)參數(shù)設(shè)置情況下分布電壓有所不同，其中高壓側(cè)分布電壓差異明顯，最大差異為10.38%，3種典型均壓環(huán)參數(shù)設(shè)置下絕緣子串分布電壓曲線見圖4。

圖4 均壓環(huán)對絕緣子串電壓分布的影響Fig.4 Influence of voltage equalizing ring on voltage distribution of insulator string

2.3 絕緣子片數(shù)對電壓分布的影響

500 kV交流絕緣子串設(shè)計中，會根據(jù)實際工況改變絕緣子片數(shù)，對不同絕緣子片數(shù)進(jìn)行仿真計算。仿真表明，絕緣子片數(shù)對分布電壓影響較大，其中高壓端單片絕緣子傘裙的電壓分布存在明顯差異，最大相差71.9%，電壓分布曲線見圖5。

圖5 不同絕緣子片數(shù)對電壓分布的影響Fig.5 Influence of the number of insulators on voltage distribution

2.4 劣化絕緣子的影響分析

根據(jù)DL/T 626的相關(guān)規(guī)定，500 kV電壓等級下絕緣電阻在表面干燥的情況下低于500 MΩ的絕緣子判定為劣化絕緣子[31]。在實際絕緣子檢測過程中，零值絕緣子所承擔(dān)的電壓值為零，可以直接判斷絕緣子為劣化絕緣子，本研究重點對單片低值絕緣子作為劣化情況進(jìn)行仿真計算。

為研究劣化絕緣子對分布電壓的影響，分別在低值絕緣子的絕緣電阻依次為500 MΩ～10 MΩ時進(jìn)行仿真計算。仿真結(jié)果表明，當(dāng)絕緣電阻≥150 MΩ以上時，絕緣子的分布電壓變化小于8.5%，分布電壓曲線變化不明顯；當(dāng)絕緣電阻<150 MΩ時，分布電壓曲線明顯改變。以酒杯塔29片絕緣子串中的第2片、第15片、第27片絕緣子在不同阻值時分布電壓計算結(jié)果為例，電壓分布曲線見圖6。

圖6 酒杯塔絕緣子不同阻值時絕緣子的電壓分布Fig.6 Voltagedistribut ion of insulator in Jiubei tower under different resistance values

2.5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)2.1至2.4仿真結(jié)果可知：

1)通過仿真分析，塔型、相位、絕緣子片數(shù)、均壓環(huán)是絕緣子串分布電壓的重要影響因素，這些因素使得絕緣子串在不同場景下的正常分布電壓不相同，使用同一標(biāo)準(zhǔn)無法對所有場景下劣化絕緣子進(jìn)行判定。

2)在同一場景下，絕緣子串上不同位置的劣化絕緣子在不同絕緣電阻時分布電壓變化幅度有所差異，不能單一的通過分布電壓變化幅度對絕緣子進(jìn)行劣化判定，可利用大數(shù)據(jù)分析對劣化絕緣子進(jìn)行智能判定，提高判定的準(zhǔn)確度。

3 劣化絕緣子的判定

3.1 多場景分類和劣化判定的模型建立

前述仿真表明，500 kV交流瓷絕緣子串在不同塔型、相位等工況下時正常分布電壓存在明顯差異，其中塔型、相位、絕緣子片數(shù)、均壓環(huán)是絕緣子分布電壓的重要影響因素，同時在實際測量中，測量結(jié)果也會受到外界環(huán)境如污穢等級、空氣濕度等因素的影響，為此考慮首先對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行場景分類，然后在不同分類情況下進(jìn)行劣化絕緣子判定。本文基于大數(shù)據(jù)分類對各種絕緣子串正常狀態(tài)下分布電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行多場景分類，確定唯一場景后選取SVDD模型進(jìn)行劣化判定。絕緣子劣化判定技術(shù)路線見圖7。

圖7 絕緣子劣化判定技術(shù)路線Fig.7 Technical route for judging insulator deterioration

在人工條件下大量測量數(shù)據(jù)的分類處理較為繁瑣，隨著智能巡檢設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)的獲取和分類處理可方便快捷的實現(xiàn)，如文獻(xiàn)[12]中的巡檢機(jī)器人，可以將桿塔、絕緣子串、金具和所處區(qū)域污穢等級等基本臺賬信息直接導(dǎo)入，同時檢測時可以將實時測量環(huán)境信息、實時錄入數(shù)據(jù)庫并與歷史數(shù)據(jù)庫對比。根據(jù)仿真分析和實測經(jīng)驗，選取多場景分類的主要變量參數(shù)見表1。多場景分類的實質(zhì)是k分類問題，首先將k類樣本數(shù)據(jù)兩兩組合，建立k(k-1)/2個二分類模型[27]。通過尋找任意兩個樣本之間最小間隔類別，以此作為下一個流程的根節(jié)點訓(xùn)練樣本，對結(jié)點進(jìn)行拉格朗日運(yùn)算，建立決策流程對所有的樣本進(jìn)行重新排列并進(jìn)行分層次劃分類別，此種決策流程可以精準(zhǔn)的將測量數(shù)據(jù)找到對應(yīng)的劃分類別中?；谇笆龇抡妫瑢^緣子串分布電壓影響最大的因素有塔型、相位、絕緣子片數(shù)、均壓環(huán)，本研究選取了3種典型塔型、交流三相電壓、3種500 kV常見絕緣子片數(shù)以及3種典型均壓環(huán)進(jìn)行設(shè)置，共81種場景。在實際應(yīng)用中還存在多種未知場景對絕緣子串分布電壓存在影響，因此場景分類情況后續(xù)可以根據(jù)實際情況進(jìn)行添加。

表1 多場景分類變量參數(shù)Table 1 Multi scene classification variable parameters

在對數(shù)據(jù)分類后進(jìn)一步對劣化絕緣子進(jìn)行判定，未獲得足夠測量數(shù)據(jù)之前初始判定曲線首先可采用先將仿真得到的分布電壓數(shù)據(jù)，后續(xù)可以通過絕緣子檢測機(jī)器人獲取更多不同工況下絕緣子串分布電壓數(shù)據(jù)。在劣化判定時選取SVDD模型，該模型優(yōu)勢是在樣本數(shù)據(jù)有限且可能存在部分劣化沒有歷史數(shù)據(jù)的情況下，該模型可以充分考慮未知劣化類型對劃分的影響，提高絕緣子劣化檢測的準(zhǔn)確性[27]。建立的數(shù)據(jù)庫，對500 kV交流絕緣子串進(jìn)行檢測時，通過輸入檢測場景的相關(guān)參數(shù)，調(diào)出相應(yīng)場景下分布電壓的數(shù)據(jù)庫，對SVDD模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后的模型對劣化絕緣子進(jìn)行判定時。

SVDD模型基本原理如下，樣本空間分布見圖8。

圖8 SVDD的樣本空間分布Fig.8 Sample space distribution of SVDD

設(shè)訓(xùn)練樣本集為

(1)

其中包含正常絕緣子數(shù)據(jù)N和k種類別的劣化絕緣子樣本數(shù)據(jù)集Si，在劣化絕緣子檢測時，針對Si構(gòu)建超球：

Ωi=(ai,R1)

(2)

給定測量樣本z，針對超球Ωi=(ai,Ri)，i=1,2,3,….,k給出評判函數(shù)值為

(3)

則樣本z的初步診斷決策值為

(4)

3.2 模型訓(xùn)練及判定結(jié)果分析

目前檢測數(shù)據(jù)有限，首選基于大量仿真數(shù)據(jù)對劣化絕緣子判定模型進(jìn)行測試驗證。基于前文分析，選取塔型、相位、絕緣子片數(shù)、均壓環(huán)作為分類變量進(jìn)行多場景分類并建立相關(guān)場景下500 kV絕緣子串分布電壓的數(shù)據(jù)庫。通過預(yù)設(shè)調(diào)取相應(yīng)場景的數(shù)據(jù)庫后，對SVDD模型進(jìn)行判定訓(xùn)練。前文仿真結(jié)果表明，塔型、絕緣子串片數(shù)對分布電壓影響較大，此處重點基于這兩類因素，利用9種場景下500 kV交流瓷絕緣子串分布電壓仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練。訓(xùn)練樣本包含各種場景下絕緣子串正常及劣化狀態(tài)時絕緣子的分布電壓，將正常狀態(tài)下的絕緣子絕緣電阻設(shè)為500 MΩ，劣化絕緣子絕緣電阻分別設(shè)為400 MΩ、300 MΩ、200 MΩ、100 MΩ、50 MΩ，故每種塔型下絕緣子片數(shù)為29片、30片、31片時分別進(jìn)行146次、151次、156次訓(xùn)練。

對9種場景下的SVDD模型依次進(jìn)行訓(xùn)練后，分別選取相應(yīng)場景下任意位置、阻值的低值絕緣子分布電壓對判定模型進(jìn)行50次測試。以酒杯塔29片絕緣子為例，其他場景下采用同樣的測試流程：將絕緣子從高壓端開始依次編號1～29，先通過隨機(jī)函數(shù)在0～500 MΩ中隨機(jī)選取50個電阻值作為劣化絕緣子電阻，再通過隨機(jī)函數(shù)在1～29中隨機(jī)選取50次整數(shù)，將兩次隨機(jī)選取隨機(jī)一一對應(yīng)確定50組劣化絕緣子的阻值及位置，仿真計算出對應(yīng)50組劣化絕緣子的分布電壓值作為檢測樣本對模型進(jìn)行檢測，各場景下測試結(jié)果見表2。

表2 測試樣本正確率Table 2 Test sample accuracy

從表2可以看出，9種場景下的模型分別進(jìn)行50次檢測，在酒杯塔31片、干字塔29片時出現(xiàn)最高誤判次數(shù)2次，正確率為96%。誤判主要出現(xiàn)在各場景的低壓端及絕緣電阻大于300 MΩ的時候，進(jìn)一步分析誤判產(chǎn)生的原因可能是由于低壓側(cè)電壓分布差異較小，低值絕緣子阻值大于300 MΩ時分布電壓變化不大。但當(dāng)絕緣電阻<300 MΩ時，該模型可以準(zhǔn)確判定。

檢測結(jié)果表明，此判定模型在對500 kV交流瓷絕緣子串分布電壓進(jìn)行多場景分類后再進(jìn)行劣化判定，劣化絕緣子判定正確率可以達(dá)到96%以上，可用于500 kV劣化絕緣子的判定，但300 MΩ以上的低值絕緣子由于分布電壓變化較小，容易造成誤判，需進(jìn)一步研究該部分低值檢測方法。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)仿真可知，多場景下500 kV交流絕緣子串正常情況下電壓分布情況存在較大差異，因此僅用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)電壓判斷所有情況下的絕緣子狀態(tài)容易造成誤判。

2)同一場景下的500 kV交流絕緣子串當(dāng)改變絕緣電阻時分布電壓存在一定差異，當(dāng)絕緣電阻≥150 MΩ時，分布電壓差異小于8.5%；當(dāng)絕緣電阻<150 MΩ時，電壓分布曲線變化明顯。

3)通過建立500 kV交流瓷絕緣子串在不同場景下分布電壓的數(shù)據(jù)庫，在檢測時通過輸入對應(yīng)場景后調(diào)出相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)庫，采用SVDD模型對劣化絕緣子進(jìn)行判斷，該模型可以實現(xiàn)劣化絕緣子的檢測，判定準(zhǔn)確性可達(dá)到96%以上。