基于肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估方法研究

孫銀山，張文濤，張一茗，于維娟，劉逸凡

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

0 引言

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是智能變電站的關(guān)鍵設(shè)備，智能高壓開(kāi)關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)五大特征之一——狀態(tài)可視化的關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的診斷和狀態(tài)評(píng)估［1－3］進(jìn)行了研究，取得了不少的成果。文獻(xiàn)［4－5］詳細(xì)論述了對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的調(diào)查研究，分析、診斷以及進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估的可行性進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)［6］將突變理論應(yīng)用到斷路器運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)估上，通過(guò)將突變理論和模糊隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法，利用歸一公式進(jìn)行量化遞歸計(jì)算得出評(píng)估模型，減少了主觀性對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，使綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更趨于實(shí)際。文獻(xiàn)［7］將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到高壓斷路器的狀態(tài)評(píng)估中。采用模糊層次分析法代替層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)因素集進(jìn)行權(quán)重分配，改進(jìn)了以往模糊綜合評(píng)估中的判斷矩陣一致性問(wèn)題。確定了各評(píng)判因素對(duì)象及其計(jì)算方法和隸屬函數(shù)，建立了模糊綜合評(píng)估模型，利用多種評(píng)價(jià)因素對(duì)高壓斷路器的工作狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)［8］基于小波包原理，將斷路器操作振動(dòng)信號(hào)分解到獨(dú)立的頻帶內(nèi)，將提取到的主要頻帶能量作為斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征向量，并根據(jù)特征向量的容差范圍進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)的分類，為斷路器的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了相應(yīng)的量化依據(jù)。

本文提出了一種基于肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估方法，以本公司自主研制開(kāi)發(fā)的126 kV智能隔離斷路器為研究對(duì)象，在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)智能隔離斷路器的機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估探索。

1126 kV智能隔離斷路器機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)

1.1 肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)

所謂相關(guān)系數(shù)，是表征兩個(gè)隨機(jī)變量或兩路信號(hào)量之間的關(guān)系強(qiáng)弱的指標(biāo)系數(shù)。如果一個(gè)隨機(jī)變量隨著另外一個(gè)隨機(jī)變量的增大(減小)而增大(減小)，則該兩個(gè)隨機(jī)變量滿足正相關(guān)關(guān)系;反之，如果一個(gè)隨機(jī)變量隨著另外一個(gè)隨機(jī)變量的增大(減小)而減小(增大)，則該兩個(gè)隨機(jī)變量滿足負(fù)相關(guān)關(guān)系［9］。

肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)是計(jì)算多個(gè)隨機(jī)變量或者信號(hào)量之間相關(guān)程度的一種相關(guān)量?？系?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)適用于數(shù)據(jù)量是多個(gè)相關(guān)的量化值，即可以是多個(gè)相同的系統(tǒng)產(chǎn)生的多條數(shù)據(jù)序列，也可以是同一個(gè)系統(tǒng)先后多次產(chǎn)生的多條數(shù)據(jù)序列。通過(guò)求得肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)，可以較為客觀地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和產(chǎn)生數(shù)據(jù)的可靠性。

其中

公式(3)中pi為第i個(gè)數(shù)據(jù)序列中有重復(fù)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，qij為第i個(gè)數(shù)據(jù)序列中第j個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值大小。

對(duì)于測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果中無(wú)任何相同數(shù)據(jù)值，則Ti=0，因此只須對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果中有相同數(shù)據(jù)值計(jì)算Ti。

1.2 機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的建立

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估的前提和基礎(chǔ)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的含義是準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括機(jī)械狀態(tài)、氣體狀態(tài)、絕緣狀態(tài)等參數(shù)。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

在深入研究肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上，采用126 kV隔離斷路器作為試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)收集一定數(shù)量的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)預(yù)處理及標(biāo)準(zhǔn)化，建立126 kV隔離斷路器的機(jī)械狀態(tài)評(píng)估模型。

如圖1所示，在126 kV隔離斷路器試驗(yàn)平臺(tái)上同時(shí)接入本文所研究的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)和高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備性能檢測(cè)系統(tǒng)(該系統(tǒng)是進(jìn)行高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備性能檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)其他所有系統(tǒng)的統(tǒng)稱)，由于本文所研究的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間是完全獨(dú)立，互不影響的，所以當(dāng)采用傳統(tǒng)方式對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)評(píng)判結(jié)果正常時(shí)，該系統(tǒng)所測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該也是正常的。

圖1126 kV隔離斷路器的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)

在上述前提和基礎(chǔ)上，首先通過(guò)對(duì)126 kV隔離斷路器的機(jī)械壽命試驗(yàn)(1000次分合閘操作)的監(jiān)測(cè)和采集，將獲取到的原始數(shù)據(jù)通過(guò)原始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)皆紨?shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。

其次將獲取到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的清洗工作，將不符合技術(shù)條件要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，將其排除在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程之外。

最后將通過(guò)數(shù)據(jù)清洗的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式存儲(chǔ)在狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的典型數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 典型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

并針對(duì)矩陣中的每一列數(shù)據(jù)組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)序列，并求出該數(shù)據(jù)序列每個(gè)數(shù)據(jù)的均方根，其計(jì)算方法如公式(4)所示:

表1 相關(guān)系數(shù)與曲線相關(guān)度之間的關(guān)系

將肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)用在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估上，它的現(xiàn)實(shí)意義是:機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)先后兩次對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度對(duì)比，以判斷高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備此時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。本文將肯德?tīng)栂禂?shù)和高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械評(píng)估相結(jié)合的研究，實(shí)際上是縮小了肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)的應(yīng)用范圍，簡(jiǎn)化了肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)在曲線相似度上的計(jì)算過(guò)程。在算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，實(shí)際上通過(guò)肯德?tīng)栂禂?shù)的計(jì)算方法已經(jīng)舍棄了計(jì)算曲線頭部和尾部的穩(wěn)定部分(由圖2上曲線形狀可以看出，曲線的頭部和尾部都是穩(wěn)定值)，只在計(jì)算過(guò)程中計(jì)算曲線的變化部分，這樣設(shè)計(jì)該機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的計(jì)算量，因此其具有非常良好的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究的基礎(chǔ)就是原始數(shù)據(jù)的采集，原始數(shù)據(jù)采集的好壞對(duì)狀態(tài)評(píng)估的結(jié)果起著決定性的作用。到目前為止，對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備原始數(shù)據(jù)的采集有了比較成熟的技術(shù)，本文所研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也正是在126 kV隔離斷路器的試驗(yàn)樣機(jī)上現(xiàn)場(chǎng)采集的。

試驗(yàn)中所采集的高壓開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性數(shù)據(jù)主要有:分合閘電流數(shù)據(jù)，位移數(shù)據(jù)，儲(chǔ)能數(shù)據(jù)和SF6氣體狀態(tài)數(shù)據(jù)等，傳感器檢測(cè)和采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)清洗和標(biāo)準(zhǔn)化之后存入狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

截止到目前為止，狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)中共計(jì)18154條原始數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線在此基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)的，試驗(yàn)的主要運(yùn)行結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的正常數(shù)據(jù)曲線

圖4 機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的異常數(shù)據(jù)曲線

由圖3機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的正常數(shù)據(jù)曲線可以看出標(biāo)準(zhǔn)曲線和對(duì)比曲線其絕大部分都是完全重合的，當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，該系統(tǒng)所采集到的曲線明顯的和正常狀況下的標(biāo)準(zhǔn)曲線存在很大的差距。

從行程曲線和電流曲線的對(duì)比中，我們可以看出，兩條行程曲線的相關(guān)程度明顯大于兩條電流曲線的相關(guān)程度，這是由于行程曲線是單調(diào)遞增或者遞減的，其整體趨勢(shì)并未發(fā)生突變，而電流曲線則在曲線中形成兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，在計(jì)算肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)時(shí)存在一定的影響，但是正常狀態(tài)下對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)得的相關(guān)系數(shù)無(wú)論是行程曲線還是電流曲線都是非常穩(wěn)定的值。

通過(guò)多次反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，當(dāng)本系統(tǒng)計(jì)算出的肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)的絕對(duì)值不小于0.8時(shí)，系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果就認(rèn)為兩次操作具有非常高的相似度，此時(shí)監(jiān)測(cè)得出的試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)全部達(dá)到該產(chǎn)品的技術(shù)條件要求，而且非常符合技術(shù)條件的數(shù)據(jù)值;而當(dāng)肯德?tīng)栂禂?shù)的絕對(duì)值介于0.75至0.8之間時(shí)，基本上80%以上的測(cè)量值都能達(dá)到該產(chǎn)品的技術(shù)條件要求，但是也會(huì)出現(xiàn)偶然的異常數(shù)據(jù)值，當(dāng)肯德?tīng)栂禂?shù)的絕對(duì)值低于0.75時(shí)，基本上可以認(rèn)為這兩次的操作差距還是非常大的，可以來(lái)斷定系統(tǒng)可能出現(xiàn)了異常情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以126 kV智能隔離斷路器為研究對(duì)象，提出了一種基于肯德?tīng)栂嚓P(guān)系數(shù)的智能隔離斷路器機(jī)械狀態(tài)評(píng)估方法。該方法能使被監(jiān)測(cè)評(píng)估的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的各種機(jī)械特性指標(biāo)經(jīng)計(jì)算之后形成量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，其評(píng)估結(jié)果具有非常好的實(shí)時(shí)性。隨著該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)將不斷的豐富，那么其計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)也越接近于真實(shí)數(shù)據(jù)，這將大大的提高評(píng)估結(jié)果的可靠性。

智能隔離斷路器是新一代智能變電站的核心設(shè)備，本文提出的評(píng)估方法可為新一代智能變電站的其他設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估提供參考依據(jù)。與此同時(shí)，該系統(tǒng)也具有非常好的可移植性，不僅能用在126 kV隔離斷路器，其他各類高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備也均可采用該系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)評(píng)估，從而為下一步深入研究高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備故障診斷技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)，也為加速實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的狀態(tài)檢修提供了前提和保證。

［1］ 李海英，馮冬，宋建成.中壓真空斷路器的模糊－證據(jù)理論在線狀態(tài)評(píng)估模型［J］.2013，49(1):40－45.

［2］ 榮命哲，賈申利，王小華.電器設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 張軍民，尹軍華，蔣曉旭.基于RBF網(wǎng)絡(luò)的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估技術(shù)在智能 GIS上的應(yīng)用［J］.高壓電器，2013，49(3):115－121.

［4］ IEEE Std C37.10.1－2000.IEEE Guide for the Selection of Monitoring for Circuit Breakers［S］.

［5］ IEEE Std C37.10－1995.IEEE Guide for Diagnostics and Failure Investigation of Power Circuit Breakers［S］.

［6］ 陳偉根，吳婭，劉強(qiáng).基于突變理論的斷路器運(yùn)行狀態(tài)模糊綜合評(píng)判方法［J］.高壓電器，2007，43(2):127 －135.

［7］ 李宇，張國(guó)鋼，耿英三.基于模糊理論的高壓斷路器狀態(tài)評(píng)估研究［J］.高壓電器，2007，43(4):1 －5.

［8］ 孟永鵬，賈申利，榮命哲.小波包頻帶能量分解在斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(10):1013－1017.

［9］ 徐維超.相關(guān)系數(shù)研究綜述［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(3):12－17.