摘 要：針對(duì)目前開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)存在的問題，在研究了負(fù)荷電流、環(huán)境溫度、溫度變化時(shí)間等因素對(duì)開關(guān)柜溫升的影響后，運(yùn)用有限元溫度場(chǎng)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)了開關(guān)柜內(nèi)部的溫度分布情況。將溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本、溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的測(cè)試樣本，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、訓(xùn)練及算法仿真測(cè)試，得出不同于以往單一溫度值的溫度-電流-時(shí)間多物理量耦合溫升預(yù)測(cè)模型。將模型植入到嵌入式溫升主動(dòng)預(yù)警裝置中，經(jīng)大量試驗(yàn)后提出開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)策略，現(xiàn)已成功應(yīng)用于國家電網(wǎng)智慧變電站首批試點(diǎn)項(xiàng)目，對(duì)制定開關(guān)設(shè)備載流性能的智能運(yùn)維策略有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；有限元仿真；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；溫升預(yù)測(cè)；主動(dòng)預(yù)警；溫度監(jiān)測(cè)策略；智慧變電站

中圖分類號(hào)：TM591；TP391.9" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0014-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.003

0" " 引言

智慧變電站是智能變電站的進(jìn)一步升級(jí)，對(duì)于電網(wǎng)未來的發(fā)展及我國能源結(jié)構(gòu)的布局優(yōu)化具有十分重要的意義。

開關(guān)柜是變電站中的重要設(shè)備，因長(zhǎng)期處于高電壓、大電流的工作環(huán)境下[1]，柜內(nèi)母排、觸頭、電纜接點(diǎn)過熱[2]等引起的事故時(shí)有發(fā)生，由于未能有效監(jiān)測(cè)和預(yù)防，開關(guān)柜的故障率始終居高不下[3]。變電站現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜、干擾較多，現(xiàn)有的溫度監(jiān)測(cè)方法普遍只關(guān)注溫度這一個(gè)特性，沒有綜合考慮多種因素的耦合關(guān)系，不能全面、綜合、準(zhǔn)確地反映開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)[4-8]；溫度預(yù)測(cè)模型也僅以溫度值為單一變量，常出現(xiàn)誤判。

以往的開關(guān)柜計(jì)算都僅僅考慮穩(wěn)態(tài)情況下的溫升，而實(shí)際運(yùn)行中負(fù)載電流都是變化的，不易達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，需在開關(guān)柜的負(fù)載電流變化時(shí)對(duì)溫升的影響進(jìn)行評(píng)估。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、有效監(jiān)測(cè)開關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度，需要對(duì)開關(guān)柜溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。目前大多數(shù)仿真計(jì)算通常采用傳統(tǒng)的熱電耦合等方法對(duì)開關(guān)柜載流回路進(jìn)行溫升仿真分析，忽略了流體的對(duì)流散熱對(duì)母線溫升的影響。流熱場(chǎng)仿真技術(shù)可以較準(zhǔn)確地分析開關(guān)柜內(nèi)部溫度場(chǎng)分布和氣流場(chǎng)分布[9-16]，準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)對(duì)于開關(guān)柜溫度預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文基于有限元溫度場(chǎng)數(shù)值仿真技術(shù)分析開關(guān)柜內(nèi)部的溫度分布情況，將仿真和溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練及測(cè)試，得出溫度-電流-時(shí)間多物理量耦合的溫升預(yù)測(cè)模型，并植入到嵌入式溫升主動(dòng)預(yù)警裝置中，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，提出開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)策略，現(xiàn)已于湖南獅子山110 kV智慧變電站應(yīng)用。

1" " 溫度場(chǎng)仿真計(jì)算

根據(jù)高壓開關(guān)柜熱源分布，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值仿真，對(duì)開關(guān)柜在不同負(fù)荷電流下運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)柜內(nèi)溫度的分布情況，迅速定位溫度高點(diǎn)。以開關(guān)柜在額定電流下運(yùn)行時(shí)的仿真為例，過程如下。

1.1" " 搭建仿真模型

以12 kV典型箱式固定式開關(guān)柜KYN28為仿真對(duì)象，KYN28型開關(guān)柜是目前國內(nèi)高壓配電柜市場(chǎng)上的主流高壓開關(guān)設(shè)備，具有外形整齊、小巧美觀、強(qiáng)度高、元器件檢修方便、互換性好、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)[17-20]。

在仿真前需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如默認(rèn)導(dǎo)體為理想導(dǎo)體，即可視為等位體，將真空滅弧室內(nèi)的波紋管、屏蔽罩簡(jiǎn)化成等半徑的圓柱體，絕緣拉桿處的傘裙簡(jiǎn)化為等厚度的圓筒。如果不經(jīng)過簡(jiǎn)化就進(jìn)行仿真，則網(wǎng)格剖分量大，計(jì)算占用內(nèi)存多，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)格無法剖分，計(jì)算結(jié)果不收斂[21]。簡(jiǎn)化后的典型箱式固定式開關(guān)柜KYN28的仿真模型如圖1所示。

1.2" " 網(wǎng)格剖分

在進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，網(wǎng)格類型選擇四面體Tetrahedrons，然后進(jìn)行Sizing操作。單元尺寸可根據(jù)自適應(yīng)計(jì)算結(jié)果設(shè)定，對(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如支撐絕緣子、絕緣拉桿等可單獨(dú)設(shè)置自適應(yīng)剖分參數(shù)，然后對(duì)開關(guān)柜仿真模型進(jìn)行局部加密剖分[22]。網(wǎng)格剖分示意圖如圖2所示。

1.3" " 參數(shù)設(shè)置

開關(guān)柜A相和B相上觸臂、C相下觸臂材質(zhì)為硅橡膠；梅花觸頭布點(diǎn)方式為觸片錫箔紙粘貼；四周螺桿孔及底部橡膠塔封堵；柜頂通風(fēng)孔為四周開條形孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)設(shè)置材料參數(shù)。

設(shè)置開關(guān)柜的基本參數(shù)及各類邊界條件?？紤]負(fù)荷電流、自然對(duì)流、輻射換熱、氣體流態(tài)、重力方向及環(huán)境溫度等初始條件，環(huán)境溫度為20 ℃，額定電流為1 250 A。變量求解參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

1.4" " 溫度分布云圖

經(jīng)過后處理，得到開關(guān)柜溫度分布云圖，如圖4所示。

1.5" " 仿真數(shù)據(jù)

經(jīng)過后處理的部分開關(guān)柜溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

2" " 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度預(yù)測(cè)模型

建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度預(yù)測(cè)模型的步驟包括樣本選擇與預(yù)處理、建立網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)、訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)、仿真測(cè)試。

2.1" " 選取樣本

進(jìn)行HZDL全自動(dòng)開關(guān)柜溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)的環(huán)境溫度為18 ℃，環(huán)境濕度為80%。使用回路電阻測(cè)試儀測(cè)量試驗(yàn)整柜回路電阻為：A相85 μΩ、B相78 μΩ、C相78 μΩ。

開關(guān)柜額定電流IN=1 250 A，每組試驗(yàn)從初始電流20%IN開始，以10%IN為變化量，從20%IN依次升高到110%IN，再依次降低到20%IN，測(cè)試開關(guān)柜正常運(yùn)行時(shí)不同部位溫升隨負(fù)荷電流、環(huán)境溫度及時(shí)間的變化情況。一共進(jìn)行100組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)包括開關(guān)柜40個(gè)部位的溫升數(shù)據(jù)。記錄試驗(yàn)結(jié)果，從中隨機(jī)選取15組數(shù)據(jù)作為開關(guān)柜溫度預(yù)測(cè)模型的測(cè)試樣本，部分測(cè)試樣本如表2所示。

從上文ANSYS溫度場(chǎng)仿真結(jié)果中隨機(jī)選取15組數(shù)據(jù)作為開關(guān)柜溫度預(yù)測(cè)模型的訓(xùn)練樣本。

樣本輸入量為采集的負(fù)荷電流、環(huán)境溫度及溫度變化時(shí)間，輸出量為溫升，最終目的是實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)測(cè)。由于它們是不同的物理量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練前需要進(jìn)行尺度變換（歸一化或標(biāo)準(zhǔn)化），使輸入、輸出數(shù)據(jù)在[0，1]或[-1，1]區(qū)間內(nèi)[22]。

2.2" " 訓(xùn)練與測(cè)試

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度預(yù)測(cè)模型原理如圖5所示，訓(xùn)練與測(cè)試按照該原理圖進(jìn)行[22]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元有3個(gè)，輸入的是尺度變化后的負(fù)荷電流、環(huán)境溫度及溫度變化時(shí)間；輸出層神經(jīng)元為1個(gè)，輸出的是預(yù)測(cè)溫升，需與實(shí)際尺度變換的真實(shí)溫度進(jìn)行誤差計(jì)算與修正。

在MATLAB中編寫相應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法程序，設(shè)置輸入神經(jīng)元i=3，隱含神經(jīng)元j=5（實(shí)際根據(jù)訓(xùn)練效果變化），輸出神經(jīng)元k=1，最大訓(xùn)練次數(shù)為1 000，學(xué)習(xí)系數(shù)為0.01，最大誤差為0.001，初始化連接權(quán)、中間層閾值和輸出層閾值在[-1，1]間隨機(jī)選擇，隱含層神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用logsig或tansig函數(shù)，輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)采用logsig或purelin函數(shù)（實(shí)際根據(jù)訓(xùn)練效果進(jìn)行選擇）[22]。參數(shù)設(shè)置截圖如圖6所示。

通過溫升試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量的開關(guān)柜關(guān)鍵部位溫升來修正預(yù)測(cè)模型。訓(xùn)練樣本（預(yù)測(cè)值）與測(cè)試樣本（真實(shí)值）對(duì)比曲線如圖7所示。所有測(cè)量點(diǎn)溫升均符合國標(biāo)溫升限值要求[23]。

由該技術(shù)得出的溫度-電流-時(shí)間多物理量耦合的溫升預(yù)測(cè)模型不同于以往單一溫度值的監(jiān)測(cè)判據(jù)，可以更準(zhǔn)確地綜合判別開關(guān)柜的運(yùn)行情況，有效發(fā)現(xiàn)其潛伏性故障。

3" " 溫度監(jiān)測(cè)策略

基于以上仿真結(jié)果，得出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度預(yù)測(cè)模型，將模型植入到嵌入式開關(guān)柜溫升主動(dòng)預(yù)警裝置中，經(jīng)溫升試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)得出開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)策略。部分策略如下：

1）將溫度換算為溫升，即減去環(huán)境溫度，可在裝置周圍預(yù)裝一個(gè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度。

2）正常產(chǎn)品持續(xù)3 s通過1.2倍過負(fù)荷電流，溫升無明顯升高。

3）記錄下產(chǎn)品的峰值溫升和負(fù)荷超過短時(shí)發(fā)熱電流后的溫升，以及下降到正常溫升的時(shí)間。關(guān)注是否存在回路電阻偏大或某處接觸電阻偏大的問題，是否需要主動(dòng)預(yù)警或檢修。

4）繪制出每天、每周、每年的開關(guān)柜溫升曲線，且與之前的曲線比對(duì)。

5）當(dāng)開關(guān)三極溫升明顯不相同，但都不大于允許溫升時(shí)，需要考慮三相不平衡時(shí)電流偏差對(duì)溫升的影響。

4" " 結(jié)束語

本文綜合考慮了開關(guān)柜的環(huán)境溫度、負(fù)荷電流、溫度變化時(shí)間等因素對(duì)開關(guān)柜溫升的影響，將ANSYS有限元分析的開關(guān)柜溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本、將溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本，經(jīng)訓(xùn)練及仿真測(cè)試得出開關(guān)柜溫升預(yù)測(cè)模型，由對(duì)比結(jié)果可知，該模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)開關(guān)柜正常運(yùn)行時(shí)各部位的溫升。將修正后的預(yù)測(cè)模型植入到嵌入式溫度主動(dòng)預(yù)警裝置中，經(jīng)溫升試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)得出了開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)策略。依據(jù)溫度-電流-時(shí)間耦合關(guān)系綜合判別開關(guān)柜的運(yùn)行情況，可有效發(fā)現(xiàn)其潛伏性故障，確保設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

文中的溫升預(yù)測(cè)模型和溫度監(jiān)測(cè)策略已在國網(wǎng)湖南省電力有限公司110 kV獅子山智慧變電站成功應(yīng)用，對(duì)制定開關(guān)設(shè)備載流性能的智能運(yùn)維策略有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2024-08-27

作者簡(jiǎn)介：李明鈺（1995—），女，安徽合肥人，碩士，助理講師，研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。