基于信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站智能降耗與監(jiān)測的方法

黃彬 秦逸帆 呂志瑞 孫云生 龍凱華 魏立新

摘 要：針對常規(guī)技術(shù)中變電站離線監(jiān)測效率低的問題，研究了新型的在線監(jiān)測方法。建立了電能損耗數(shù)值計(jì)算模型，反映出有功、無功、空載、負(fù)載損耗之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了單向樹搜索法，能夠優(yōu)選功率損耗最小的變壓器并列運(yùn)行方式，最大程度地減少了損耗。設(shè)計(jì)出新型數(shù)據(jù)采集器，利用信息融合技術(shù)對采集到的信息進(jìn)行綜合處理和協(xié)調(diào)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)變壓器的在線監(jiān)測流程。實(shí)驗(yàn)表明，所提方法的監(jiān)測方法誤差在10%以內(nèi)，可靠性好。

關(guān)鍵詞：信息融合技術(shù);變壓器降耗;能耗在線監(jiān)測;運(yùn)行切換次數(shù);單向樹搜索法

中圖分類號(hào)：TP315 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Aiming at the low efficiency of offline monitoring of substations in conventional technologies， a new online monitoring method is studied.In this study， a numerical calculation model for power loss was established to reflect the relationship between active power， reactive power， no-load， and load loss. A one-way tree search method was designed to optimize the parallel operation mode of transformers with the smallest power loss and minimize loss.A one-way tree search method was designed， which can optimize the parallel operation mode of the transformer with the smallest power loss， and minimized the loss. A new type of data collector was designed， information fusion technology was used to comprehensively process and coordinate and optimize the collected information， and finally the online monitoring process of the transformerwasrealized.Tests show that the monitoring method error of the proposed method is within 10%，with the reliability is well.

Key words：information fusion technology; transformer reduction; online monitoring of energy consumption; operation switching times; one way tree search

在變電站中，主要有變壓器、隔離開關(guān)、互感器、母線、避雷器、避雷針、電容器、電抗器、繼電保護(hù)裝置、電動(dòng)裝置、測控裝置、計(jì)量裝置等，其中變壓器是變電站中電能損耗最高的設(shè)備，其使用量大，運(yùn)行時(shí)間長，產(chǎn)生的電能損耗最多能夠達(dá)到總發(fā)電量的10%，造成了大量的電能浪費(fèi)[1]。目前對于變電站降耗與能耗監(jiān)測的管控非常局限，僅僅依靠變電站離線的計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單統(tǒng)計(jì)，無法及時(shí)且準(zhǔn)確地掌握各部分的電損情況。電動(dòng)裝置是在變壓器變壓后進(jìn)行分布式自動(dòng)輸出電力的一種裝置，該種裝置將變壓后的電力集中在一起，根據(jù)各個(gè)供電局所計(jì)算出來的當(dāng)?shù)氐貐^(qū)供電需求進(jìn)行集中分布輸出電力。

為了提高變壓器損耗的測量精度，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些比較先進(jìn)的智能儀器，這些儀器可以準(zhǔn)確地測量變壓器損耗的重要性能參數(shù)，但是變壓器在運(yùn)行過程中，隨著負(fù)載的變化，變壓器會(huì)出現(xiàn)不同程度的損耗[3]，要想實(shí)現(xiàn)變電站的智能降損，就需要得到變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于變壓器自身的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)有效的降耗與監(jiān)測，就需要利用監(jiān)測到的多源特征信息對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和損耗進(jìn)行評估[4-6]。因此基于信息融合技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了變電站主設(shè)備的智能降耗與監(jiān)測的方法。

1 變電站的智能降耗

1.1 電能損耗數(shù)值計(jì)算模型建立

設(shè)備在運(yùn)行的過程中都會(huì)存在不同程度的損耗，變電站主輔設(shè)備也是一樣[7-8]。在變壓器的運(yùn)行過程中，存在有功功率損耗ΔP和無功功率損耗ΔQ兩種類型，可以表示為：

公式（4）可以體現(xiàn)出綜合功率損耗與有功損耗和無功損耗中的空載損耗、負(fù)載損耗之間的關(guān)系，更好地確定變壓器智能降耗的策略。

1.2 優(yōu)選變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式

變電站智能降耗的前提是能夠滿足用戶的供電需要，并確保變壓器能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行[11-13]。變電站通常配備有兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的變壓器，并列運(yùn)行，在負(fù)載條件相同的情況下，需要優(yōu)選功率損耗最小的運(yùn)行方式[14-16]。為了實(shí)現(xiàn)變電站的智能降耗，需要通過潮流計(jì)算、負(fù)荷預(yù)測以及網(wǎng)損計(jì)算來整體規(guī)劃，根據(jù)這些信息進(jìn)行綜合評估，并通過智能降耗算法規(guī)劃出最經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行狀態(tài)。變電站的智能降耗并不是單純地指其耗能，而是指能效，即損耗的電能與輸入電能之比，也稱為損耗率。變壓器的損耗率與負(fù)載量之間的關(guān)系特性曲線如圖1所示：圖1中橫坐標(biāo)單位為：kWh，縱坐標(biāo)為損耗率，用%表示。從圖1可以看出，只有當(dāng)負(fù)載量達(dá)到一定值時(shí)，損耗率才能達(dá)到最低值。

從圖1可以看出，只有當(dāng)負(fù)載量達(dá)到一定值時(shí)，損耗率才能達(dá)到最低值。基于上述說明，假設(shè)某變電站有A、B、C三臺(tái)變壓器，這三臺(tái)變壓器的并列運(yùn)行方式主要有：A、B并列運(yùn)行，A、C并列運(yùn)行，B、C并列運(yùn)行，A、B、C并列運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)損耗最低的運(yùn)行方式，需要優(yōu)化降耗算法，使變電站的運(yùn)行狀態(tài)能夠滿足正常的供電需要，又能夠最大程度地降低損耗。本文追求的理想狀態(tài)為：空載時(shí)，并列運(yùn)行的各個(gè)變壓器的二次側(cè)之間不存在循環(huán)電流;存在一定負(fù)載時(shí)，各個(gè)變壓器之間的負(fù)載電流與各自的額定容量成正比，且負(fù)載側(cè)電流具有相同的相位[17]。在這種理想狀態(tài)下，并列運(yùn)行的變壓器損耗最小。要想達(dá)到這種理想狀態(tài)，并列運(yùn)行的變壓器必須具有相同的繞線組、變比，且具有相近短路阻抗和變壓器容量。對于變壓器運(yùn)行方式的優(yōu)化，可以使用單向樹搜索法，通過對各種情況下變壓器運(yùn)行狀態(tài)的判定，可以將不同情況下的運(yùn)行方式看作一個(gè)靜態(tài)的斷面，對運(yùn)行狀態(tài)的分段判定可以看作連續(xù)判定。本文根據(jù)變壓器并列經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的特點(diǎn)，在某變電站的所有變壓器找出性能最好的變壓器，并向前遞進(jìn)搜索與其有聯(lián)系的并列運(yùn)行組合方式，最后能夠得到一條單向優(yōu)化路徑[18]。使用這種方法對A、B、C三臺(tái)變壓器之間的組合方式進(jìn)行搜索，只需要比較6次就能夠得到一條優(yōu)化路徑。使用單向樹得到的搜索優(yōu)化結(jié)果在理論計(jì)算方面比全面比較的效果稍差，但是更適用于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。變電站投運(yùn)中的變壓器組合運(yùn)行方式不能夠輕易切換，單向樹搜索法能在有限的切換次數(shù)內(nèi)達(dá)到最大程度的節(jié)電效果。至此完成變電站智能降耗設(shè)計(jì)[19]。

2 基于信息融合技術(shù)的變電站損耗監(jiān)測方法

為了實(shí)現(xiàn)變電站多源信息融合下的損耗監(jiān)測，需要配備數(shù)據(jù)采集裝置、無線傳輸模塊和上機(jī)位的顯示分析軟件。多源信息的來源需要依靠多個(gè)傳感器，這是多源信息的硬件基礎(chǔ)，傳感器采集的多源數(shù)據(jù)是待加工的對象，信息融合技術(shù)實(shí)際上就是對信息進(jìn)行綜合處理和協(xié)調(diào)優(yōu)化。在信息融合過程中，利用多源信息融合技術(shù)，參考不同變壓器的運(yùn)行參數(shù)和一線工作人員的經(jīng)驗(yàn)，選取適合的監(jiān)測量，來反映變壓器運(yùn)行過程中的真實(shí)情況。通過傳感器按照時(shí)序得到不同空間和方向的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)分析處理技術(shù)對協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性描述，并做出相應(yīng)的決策。在本文中，主要通過多源信息融合得到變電站損耗狀態(tài)，并依據(jù)損耗量了解變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并作出智能降耗的決策。監(jiān)測的整體平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

在監(jiān)測方法中，最重要的設(shè)備就是數(shù)據(jù)采集器，本文使用的數(shù)據(jù)采集器的核心為64bit ARM單片機(jī)，型號(hào)為STM4655F102Z，主要由互感器陣列、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、無線發(fā)送模塊等組成，數(shù)據(jù)采集裝置主要是依靠電壓、電流互感器采集得到電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D電路轉(zhuǎn)換為低電平模擬信號(hào)，經(jīng)過低通濾波器去除其中有干擾的信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)字化采集，最后通過串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無線通信。在線監(jiān)測的整體流程如圖3所示：

根據(jù)得到的變壓器損耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠評估出變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，從而選擇變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，為變壓器實(shí)現(xiàn)智能降耗提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。至此完成基于信息融合技術(shù)試驗(yàn)變電站智能降耗與監(jiān)測的方法研究。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測方法具有一定的可行性，需要進(jìn)行方法測試。與常規(guī)的離線監(jiān)測方法共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1 搭建測試環(huán)境

變電站智能降耗與監(jiān)測方法測試設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，搭建的變壓器運(yùn)行在線監(jiān)測如4圖所示：

由圖4可知，實(shí)驗(yàn)中變壓器的型號(hào)為S11-M，額定容量為20 kVA，高壓額定電壓為10 kV，低壓額定電壓為400 V，為三相繞組，阻抗電壓為3.7%。實(shí)驗(yàn)中的變壓器有功率可調(diào)三相負(fù)載，在此狀態(tài)下總有功功率和總無功功率分別為19.7 kW、11.4 kVar，在上述值域內(nèi)可以任意調(diào)節(jié)負(fù)載功率，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器得到一次側(cè)電壓與二次側(cè)電流的值，變壓器的電壓、電流參數(shù)是通過數(shù)據(jù)采集器的7通道采集，并利用無線傳輸以16進(jìn)制的格式上傳到主機(jī)，主機(jī)利用LabVIEW對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，在分析軟件中，設(shè)計(jì)配置串口參數(shù)和變壓器參數(shù)，完成配置后，軟件會(huì)通過傳輸?shù)玫降牟杉瘮?shù)據(jù)計(jì)算得到空載損耗以及短路損耗。

采集裝置中的電壓互感器的實(shí)際采集為380 Vrms時(shí)對應(yīng)的互感器輸出為3.47 Vrms，在模擬處理裝置中的增益為0.4274，因此對應(yīng)的ADC輸出電壓為380 Vrms，能夠求出被測電壓、被測電流與采樣值之間的換算關(guān)系。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)的方法主要依靠在線監(jiān)測，得到的電流與電壓的波形顯示如圖5所示：

根據(jù)上述波形圖得到的電流、電壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖6所示：

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)中改變負(fù)載電路的數(shù)量和功率，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，得到本文方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

由表1的結(jié)果可以根據(jù)計(jì)算公式求出變壓器的短路損耗與空載損耗，并與傳統(tǒng)的在線測量方法進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

根據(jù)表2可知，本文在線測量方法的5組數(shù)據(jù)是5種不同負(fù)載狀態(tài)下的損耗測量值，從表2中的測量結(jié)果可以看出，隨著負(fù)載的增大，空載損耗的變化很小，基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)，短路損耗會(huì)隨著負(fù)載的增大而有明顯的變化，本文在線測量方法得到的損耗以常規(guī)在線測量方法相比，誤差能控制在10%以內(nèi)，說明具有一定的可靠性。但是相對比本文設(shè)計(jì)的方法，常規(guī)的離線測量方法體現(xiàn)不出變壓器運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)損耗，因此對于變壓器的智能降耗無法給出參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

變壓器是電力系統(tǒng)中耗能較多的設(shè)備，為了響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，節(jié)約能源、緩解電力短缺具有重要意義。針對傳統(tǒng)變壓器離線監(jiān)測方法的弊端，設(shè)計(jì)了一種基于信息融合技術(shù)的智能降耗與在線監(jiān)測方法，所研究變電站智能降耗與監(jiān)測的方法創(chuàng)新點(diǎn)是能夠在變壓器的運(yùn)行過程中進(jìn)行能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于變壓器的智能降耗給出參考依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測方法與常規(guī)方法的監(jiān)測結(jié)果誤差能控制在10%以內(nèi)，具有一定的可靠性，且能夠給出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對于變壓器的智能降耗提供數(shù)據(jù)支撐。

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