基于信息融合的絕緣子污閃故障診斷研究

吳 念 ，王 釗 ，林 卿 ，周贊東

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京211106；2.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）

0 引言

作為輸電線路的重要組成部件，絕緣子的狀態(tài)直接影響線路的運行狀態(tài)。絕緣子運行于高壓、強電磁環(huán)境下，并長期暴露于惡劣氣候、化學(xué)物質(zhì)腐蝕等環(huán)境中，當表面有一定程度積污后，在潮濕氣象條件下極易發(fā)生污閃事故[1-2]。絕緣子污閃事故不同于其他設(shè)備事故，它表現(xiàn)出來的共性特點往往造成大面積、多設(shè)備的連鎖事故。近年來，盡管電力系統(tǒng)采取了諸多防污措施，如：絕緣子定期清洗、選用大爬距絕緣子、復(fù)合絕緣子增量投運和使用PRTV涂料等，但隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，由工業(yè)污染和環(huán)境問題導(dǎo)致的絕緣子污閃事故仍然頻繁發(fā)生[3]。隨著人工智能技術(shù)的引入和監(jiān)測技術(shù)手段的提升，國內(nèi)外在絕緣子狀態(tài)評估和故障診斷方面開展了深入的研究。絕緣子故障診斷以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法、模糊診斷法、專家系統(tǒng)診斷法等主，目前的診斷方法已取得較多研究成果，為理論研究提供了指導(dǎo)性技術(shù)支撐，但大多數(shù)診斷模型過于復(fù)雜，信息量獲取難度較大，制約了絕緣子污閃故障的診斷。

為了提高電網(wǎng)防污閃工作水平和線路故障響應(yīng)速度，本文通過研究絕緣子污閃影響因子、災(zāi)害形式，基于多源信息融合，綜合電網(wǎng)各類狀態(tài)信息與實際運行經(jīng)驗，構(gòu)建線路污閃故障診斷模型，開展絕緣子污閃故障診斷分析，實現(xiàn)線路故障診斷的自動化和智能化，減少運維工作人員工作量，為電網(wǎng)防災(zāi)工作提供高效輔助支撐[3]。

1 污閃影響因子

輸電線路故障與季節(jié)、地形、氣候、時間、歷史故障信息等密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，50%以上的線路故障均由惡劣氣象引發(fā)，不同的惡劣氣象會引發(fā)不同類型的線路故障。污閃幾乎發(fā)生在絕緣子表面積污后，同時出現(xiàn)霧、露、毛毛雨、雨加雪等氣象條件[4-5]。

目前污閃是影響線路安全運行的主要事故之一。當絕緣子表面附著污穢物質(zhì)時，在一定的濕度條件下，污穢物質(zhì)溶解于水，形成的電解質(zhì)覆蓋膜或有導(dǎo)電性質(zhì)的氣體，降低絕緣子的絕緣性能，易引起絕緣子閃絡(luò)。

一般線路污閃故障的特點：

1）污閃故障主要發(fā)生在線路周邊有污源，如水泥廠、公路、鋁廠等。

2）易發(fā)生在久旱后突然降溫并出現(xiàn)濃霧或毛毛雨的天氣。

3）時間特性上分析，污閃易在氣溫偏低的初冬季節(jié)、初春或氣溫較低的清晨發(fā)生，溫度在0℃左右，且濕度較大。

4）污閃發(fā)生面積較大，可能出現(xiàn)多條線路同時跳閘，且易發(fā)生自動重合閘不成功[6-7]。

某網(wǎng)省公司地處沿海地帶，工業(yè)發(fā)達，省內(nèi)分布大量水泥廠、化工廠等，線路途經(jīng)地多分布大江、河流等，在冷暖空氣相遇時，潮濕氣候易誘發(fā)污閃事故，尤其是每年秋冬和初春。據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年初春，220 kV以上線路發(fā)生跳閘6次，其中一部分重合閘不成功，造成線路停運。為了有效降低污閃事故發(fā)生，該網(wǎng)省公司采取了噴涂PRTV涂料、更換復(fù)合絕緣子等一系列措施，2017年度污閃事故發(fā)生概率大大降低[8]。

2 基礎(chǔ)信息分析

基于信息融合的故障診斷技術(shù)以收集的各類基礎(chǔ)信息為基礎(chǔ)，挖掘篩選有用信息，用于對線路正常模式和故障模式分析，達到故障診斷目的。

污閃故障的發(fā)生是一個綜合的過程反應(yīng)，絕緣子積污并非瞬間現(xiàn)象，因此線路發(fā)生故障時必然會有實時和歷史的大量信息反應(yīng)發(fā)展特性。通過對各類輸電線路運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、在線分析預(yù)測及自動控制，搜集相關(guān)信息進行深度分析，篩選能夠反映輸電系統(tǒng)運行的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)以及輸電設(shè)備運行狀態(tài)、圖像等數(shù)據(jù)集合，用于故障分析及診斷[9-10]。

用于線路故障分析數(shù)據(jù)來源主要包括以下幾個部分：

1）生產(chǎn)管理系統(tǒng)：線路、桿塔、金具、絕緣子、導(dǎo)地線等基礎(chǔ)臺賬信息。

2）行波測距系統(tǒng)：應(yīng)用雙端法原理構(gòu)建的行波測距系統(tǒng)可實現(xiàn)行波數(shù)據(jù)的實時采集，實現(xiàn)計算安裝在變電站兩端的裝置與故障點之間的距離，用于輔助線路故障區(qū)段初步定位。

3）SCADA系統(tǒng)：SCADA系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息主要包括電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電量、無功電量、功率因素；開關(guān)、刀閘信號；事件順序記錄；保護信號；現(xiàn)場定時記錄的數(shù)據(jù)等。

4）特殊區(qū)域圖：特殊區(qū)段包括大跨越、多雷區(qū)、重污區(qū)、重冰區(qū)、微地形、氣象區(qū)、采動影響區(qū)，為故障分析提供基礎(chǔ)支撐。

5）在線監(jiān)測：在線監(jiān)測提供現(xiàn)場實時監(jiān)測信息，直觀反映線路實際運行情況，如覆冰監(jiān)測裝置的等值覆冰厚度、污穢監(jiān)測裝置的鹽密和灰密、風(fēng)偏監(jiān)測裝置的風(fēng)偏角和傾斜角等，這些數(shù)據(jù)可為故障類型判斷與分析提供實時數(shù)據(jù)支撐[11]。

6）歷史故障案例庫：歷史故障案例庫提供歷史故障信息，并對故障處置、改造措施等進行統(tǒng)一管理，可以找出故障線路跳閘的特點、規(guī)律，為后續(xù)故障診斷與分析提供參考[12]。

3 故障診斷模型

3.1 故障診斷流程

線路故障診斷模型主要是利用搜集的各類信息，通過各類信息融合對線路運行狀態(tài)和異常情況做出判斷，分析故障所在大致部位。

線路故障診斷目前主要是借助于各類運行信息，采用人工智能進行信息融合，實現(xiàn)輸電線路故障的識別與診斷，故障診斷基本流程見圖1。

圖1 故障診斷流程Fig.1 The fault diagnosis process

當線路發(fā)生故障時，通過行波測距系統(tǒng)進行故障區(qū)段大致定位，通過搜集的大量信息進行數(shù)據(jù)提取和融合，轉(zhuǎn)變成可支持故障診斷的狀態(tài)量。當大量的狀態(tài)量信息輸入故障診斷模型時，可實現(xiàn)故障的大致定位和原因初診。每次通過故障診斷模型診斷的案例又可不斷豐富完善案例庫，完善和驗證故障診斷模型[13]。

3.2 絕緣子污閃診斷模型

結(jié)合輸電線路污閃影響因子及故障特征，以在線監(jiān)測信息、地形條件、歷史故障信息等為基礎(chǔ)，構(gòu)建如圖2所示的絕緣子污閃故障診斷模型[14]。

根據(jù)圖2可知，在獲取行波測距數(shù)據(jù)后可大致定位故障桿段，污閃故障診斷模型分為4個層次：

第一層M1：污閃監(jiān)測裝置是否報警，直接判斷現(xiàn)場絕緣子積污情況；

第二層M2：是否處于易污閃區(qū)，對所處環(huán)境條件進行判斷；

第三層M3：絕緣子表面是否充分受潮，對是否符合污閃跳閘濕度條件進行判斷；

第四層M4：結(jié)合歷史故障信息，是否采取過治理措施以提高絕緣子耐污水平和性能。

通過對污閃故障診斷模型進行研究，結(jié)合歷次網(wǎng)省公司故障跳閘信息及實際經(jīng)驗，進行220 kV及以上輸電線路跳閘統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練及綜合分析，污閃故障概率分析見表1和表2。

各層級影響關(guān)鍵因子權(quán)重η，各層級關(guān)鍵因子影響為A：

圖2 基于信息融合的污閃故障診斷模型Fig.2 The fault diagnosis model of pollution flashover based on information fusion

表1 污閃故障診斷因子及權(quán)重Table 1 The diagnostic factor and weight of pollution flashover fault

污閃事故故障概率為P：

污閃事故故障概率見表3，可初步判斷是否為污閃引起故障。當計算為高概率事件時，可初步懷疑為絕緣子污閃故障，需盡快安排運維人員現(xiàn)場勘查以確定故障點；當為中等概率事件時，可結(jié)合其他類型故障分析，查找是否有其他高概率故障發(fā)生，如覆冰、山火等；當為低概率事件時，基本發(fā)生污閃跳閘故障可能性不大，可作為其他故障分析判定結(jié)論參考；當概率為0時，可基本排除污閃故障。

表2 故障判定條件Table 2 The fault determination condition

表3 污閃故障模式影響概率Table 3 The influencing probability of the pollution flashover fault mode

4 案例分析

2016年2月7:53，220 kV某線路發(fā)生故障跳閘，運行人員從行波測距系統(tǒng)中獲取故障時刻雙端測距結(jié)果，距兩端變電站距離分別為56.783 km和64.874 km，初步定位為23號—25號桿塔區(qū)段。

第一層M1：通過在線監(jiān)測裝置篩選，在故障區(qū)段附近500 m范圍內(nèi)27號桿塔上污穢度監(jiān)測裝置等值鹽密為0.08 mg/cm2，現(xiàn)場絕緣子存在積污情況；

第二層M2：通過特殊區(qū)域圖及線路臺賬信息篩選，在故障區(qū)段附近5 km范圍內(nèi)有火電廠且24號、25號桿塔300 m處正在修建公路；

第三層M3：通過安裝在24號桿塔上的視頻監(jiān)測裝置傳回圖像，故障跳閘時刻現(xiàn)場霧氣彌漫，能見度較差；

第四層M4：結(jié)合缺陷庫、歷史故障信息及線路臺賬信息，該線路為新建線路，于2015年6月投運，未發(fā)生過污閃故障。

通過故障診斷模型，初步計算污閃事故概率：

通過與污閃故障模式影響概率表對比分析，此次污閃為中等概率事件。通過現(xiàn)場人員勘查，24號桿塔B相整串表面有閃絡(luò)痕跡及均壓環(huán)被擊穿約20 mm一個孔，24號桿塔地形處于四面環(huán)山的平地上，由于附近有污源，大霧天氣下，霧氣中凝結(jié)大量的水汽和灰塵，導(dǎo)致絕緣子發(fā)生閃絡(luò)放電[15-16]。現(xiàn)場巡視照片見圖3。

圖3 現(xiàn)場巡視照片F(xiàn)ig.3 On-site inspection photo

5 結(jié)語

輸電線路污閃故障易引發(fā)大面積停電事故，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴重危害。本文結(jié)合某網(wǎng)省公司污閃故障特點，充分挖掘設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，梳理了線路故障分析判定流程，構(gòu)建了污閃故障診斷模型，實現(xiàn)了從多源狀態(tài)量到最終故障模式的綜合推理。本文構(gòu)建的基于信息融合的輸電線路污閃故障診斷模型在網(wǎng)省公司進行實際應(yīng)用，能夠有效地分析和初步判定故障概率，為現(xiàn)場運維人員提供故障輔助分析支撐。

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