在線狀態(tài)監(jiān)測在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

丁 坤，顏樂平，張修龍，丁憲祥，邢傳璽

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.國網(wǎng)山東電力有限公司棗莊供電分公司，山東 棗莊 277100）

1 引言

自智能電網(wǎng)概念提出之后，我國的電網(wǎng)發(fā)展一直處于飛速進(jìn)步的狀態(tài)。隨著電力系統(tǒng)建成規(guī)模越來越大，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定的因素也越來越復(fù)雜。在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)能夠準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測電力系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以保證電力系統(tǒng)在發(fā)生事故時(shí)及時(shí)處理對(duì)可能發(fā)生的事故做出預(yù)警，并可以將發(fā)生事故時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄，方便對(duì)事故情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而對(duì)以后可能發(fā)生的事故做出預(yù)警。綜上所述為了加強(qiáng)電能的穩(wěn)定提供。電力系統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測需要得到十足的重視。

2 狀態(tài)監(jiān)測簡介

狀態(tài)監(jiān)測一詞首先使用在機(jī)械工程中，在開始狀態(tài)監(jiān)測這一方法時(shí)使用的是人工方式，利用工人經(jīng)驗(yàn)來判斷正在運(yùn)行的機(jī)械狀態(tài)。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜與精密，人工經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測已經(jīng)不再適合復(fù)雜的系統(tǒng)，所以根據(jù)不同的狀態(tài)監(jiān)控需求，各種監(jiān)控系統(tǒng)不斷被研發(fā)出來。

狀態(tài)監(jiān)測在一般情況下需要3種基本步驟：①對(duì)數(shù)據(jù)的采集。②對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)特征進(jìn)行提取。③對(duì)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估或者進(jìn)行故障在開始狀態(tài)監(jiān)測。

狀態(tài)監(jiān)測在一般情況下需要3種基本步驟：①對(duì)數(shù)據(jù)的采集。②對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)特征進(jìn)行提取。③對(duì)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估或者進(jìn)行故障診斷及分類。在電力系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測中，已經(jīng)有很多種方法被提出。例如在變壓器放電中，我們可以用聲學(xué)檢測法、光學(xué)檢測、電氣檢測以及化學(xué)檢測等。

3 在線狀態(tài)監(jiān)測在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力是人們?nèi)粘Ｉ钆c生產(chǎn)中使用的主要能源，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活造成極大地?fù)p失與不良影響。所以在線狀態(tài)監(jiān)測是電力系統(tǒng)必須運(yùn)用的技術(shù)。目前，電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測廣泛用于電廠以及電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備。

3.1 在線監(jiān)測在電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)中的重要性

對(duì)于電力這種要維持持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)，需要盡可能地減少電力系統(tǒng)的中斷情況，國家電網(wǎng)部門要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的在線狀態(tài)監(jiān)測，通過這種監(jiān)測可以實(shí)時(shí)掌握電力系統(tǒng)中各個(gè)電氣設(shè)備的狀態(tài)信息，通過對(duì)這些信息的分析，可以監(jiān)測出正在發(fā)生的故障，并及時(shí)預(yù)防有可能發(fā)生的故障。例如，在電力系統(tǒng)的輸送環(huán)節(jié)，主要是由輸電線路來完成。輸電線路在長時(shí)間運(yùn)行中，因?yàn)楦鞣N自然災(zāi)害和自身材料限制的原因，可能會(huì)發(fā)生多種事故故障。下面以電力系統(tǒng)絕緣的在線狀態(tài)監(jiān)測和電能質(zhì)量的在線狀態(tài)監(jiān)測為重點(diǎn)淺述一下電力系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測的使用：

（1）電力系統(tǒng)絕緣的在線狀態(tài)監(jiān)測。定期進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)一些缺陷，但是進(jìn)行絕緣試驗(yàn)必須要在不帶電的情況下才能試驗(yàn)，那么對(duì)設(shè)備的絕緣試驗(yàn)就必須將這部分電力系統(tǒng)從電網(wǎng)中切除，會(huì)產(chǎn)生很多不良影響和風(fēng)險(xiǎn)。這就很難根據(jù)設(shè)備的絕緣情況來靈活選擇試驗(yàn)周期，更無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線狀態(tài)監(jiān)測。隨著各種傳感器、光纖、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，利用運(yùn)行電壓本身來對(duì)設(shè)備絕緣進(jìn)行不停電的在線監(jiān)測及診斷已經(jīng)成為可能。這樣不但有可能將原來需要不帶電試驗(yàn)下進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目改變?yōu)樵诰€監(jiān)測，還可以根據(jù)在線檢測的特點(diǎn)測量其他新的參數(shù)，更加有利于綜合判斷。

（2）電能質(zhì)量的在線狀態(tài)監(jiān)測。電能質(zhì)量的在線狀態(tài)監(jiān)測可以幫助電網(wǎng)部門掌控區(qū)域電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)各種相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線采集測量。通過遠(yuǎn)程上位機(jī)界面可以觀測出長時(shí)間實(shí)時(shí)狀態(tài)的參數(shù)，并且可以通過當(dāng)前參數(shù)來判斷出當(dāng)前區(qū)域電力系統(tǒng)的運(yùn)行是否出現(xiàn)了故障，并且有可能找出是否存在影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的潛在問題，來進(jìn)行預(yù)防檢修或切換線路。并且可以在發(fā)生故障后通過計(jì)算機(jī)分析快速找出原因。使用電能監(jiān)測系統(tǒng)還可以對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并改善用戶用電服務(wù)和為電力公司電力銷售提供參考憑證。

并且利用在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以輕松觀察出當(dāng)前電力系統(tǒng)的負(fù)荷狀態(tài)，來判斷當(dāng)前電力系統(tǒng)的備用負(fù)荷是否充足。還可將在線狀態(tài)監(jiān)測的負(fù)荷數(shù)據(jù)儲(chǔ)存后進(jìn)行分析，對(duì)今后的電力系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。綜上所述在線狀態(tài)監(jiān)測在電力系統(tǒng)的使用十分必要。

3.2 在線狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

在線狀態(tài)監(jiān)測運(yùn)用到電力系統(tǒng)中需要多種設(shè)備，隨著高性能傳感器的研發(fā)與運(yùn)用，電力系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測變得更加容易與準(zhǔn)確，并且擁有更好的實(shí)時(shí)性。

本文首先研究了紅外熱像儀在電力系統(tǒng)設(shè)備在線監(jiān)測的研究。對(duì)于所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都在持續(xù)的輻射紅外線，當(dāng)電力系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障，通常會(huì)引起電力系統(tǒng)設(shè)備溫度變化，紅外輻射就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的變化，因此隨著紅外技術(shù)的發(fā)展（分辨率的提高、機(jī)械掃描系統(tǒng)的改進(jìn)、性能價(jià)格比的大幅地高），電力系統(tǒng)對(duì)高壓電器設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測，可以運(yùn)用紅外熱像儀作為狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集工具。并運(yùn)用基于光纖或無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，解決熱像和溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸困難的問題。再利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成對(duì)電力系統(tǒng)的在線監(jiān)測。由于紅外熱像儀最終利用溫度來完成反饋，所以需要參照手冊(cè)《交流高壓電器在長期工作時(shí)的發(fā)熱（GB764-90）》和《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范（DL/T664-2008）》中各設(shè)備允許的運(yùn)行溫度來判斷。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于絕對(duì)溫度和相對(duì)溫差的判別方法。

絕對(duì)溫度判別法是根據(jù)設(shè)備表面溫度與GB/T11022中規(guī)定的高壓開關(guān)設(shè)備的溫度值作對(duì)比，利用設(shè)備溫升極限來判斷設(shè)備處于什么運(yùn)行狀態(tài)。判別表如表1所列。

表1 絕對(duì)溫度判別表

如果環(huán)境溫度較低，且設(shè)備流過的電流不大，此時(shí)設(shè)備發(fā)熱并不明顯。實(shí)踐表明此時(shí)依然有可能發(fā)生故障，此時(shí)可以通過相對(duì)溫差來診斷。相對(duì)溫差可以采用此公式來表示，公式如下

此時(shí)運(yùn)行狀態(tài)可以通過查詢相對(duì)溫差判別表來診斷。

表2 相對(duì)溫差判別表

這用方法一般適用于傳輸距離適中、電磁干擾較大，并且有較高的安全性和實(shí)時(shí)性要求的帶電設(shè)備的溫度監(jiān)測的場合。成功地實(shí)現(xiàn)了非接觸、遠(yuǎn)距離的在線監(jiān)測。但往往利與監(jiān)測權(quán)限后期現(xiàn)象，且易受陽光、高溫天氣、下雨等干擾。

隨著虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)在電力系統(tǒng)在線監(jiān)測中的運(yùn)用，既可以使輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的可視化監(jiān)測、處理和分析，又可以利用虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)大的多端口和通信能力進(jìn)行電能質(zhì)量的在線監(jiān)測。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為一個(gè)硬件平臺(tái)，利用開發(fā)的軟件和硬件相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)之前各種硬件儀表的功能，而它的核心是以計(jì)算機(jī)語言編寫的軟件程序。用高度概括的語言來說，即“軟件就是儀器”。

4 在線監(jiān)測在電力系統(tǒng)應(yīng)用的未來展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來電力系統(tǒng)在線監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該會(huì)有更廣闊的交互空間?，F(xiàn)在的監(jiān)測系統(tǒng)一般使用專用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，光纖本身成本就很高昂，在加上巡檢，維護(hù)等費(fèi)用使得現(xiàn)在成本太高，而利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以減少專用光纖的投入，減少鋪設(shè)光纖的空間等優(yōu)點(diǎn)。所以在未來物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)會(huì)成為電力系統(tǒng)監(jiān)測的研究方向。