基于數(shù)字孿生的GIS智能變電站健康評估及故障診斷模型

吳學(xué)正,李樹榮

(國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071000)

0 引言

變電站作為電力系統(tǒng)中電能輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其安全穩(wěn)定運行對維持電網(wǎng)穩(wěn)定、保證電力系統(tǒng)可靠供電意義重大。隨著我國堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展,智能變電站模塊化建設(shè)已成為趨勢,加之電網(wǎng)改造要求和用地緊張等因素,以氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear,GIS)為核心的智能模塊化變電站已成為主流方向?！逗颖毙郯残聟^(qū)規(guī)劃綱要》提出要堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè),形成比特構(gòu)建的數(shù)字虛擬城市,實現(xiàn)城市各類要素的數(shù)字化、可視化呈現(xiàn)與調(diào)配[1]。借鑒數(shù)字孿生城市建設(shè)經(jīng)驗,在數(shù)字空間映射與實體變電站完全相同的數(shù)字孿生變電站,虛實交互,迭代共生,從而實現(xiàn)變電站設(shè)備全域感知、故障精準(zhǔn)判斷、定位準(zhǔn)確清晰、預(yù)警及時有效,保證變電站安全可靠運行,降低變電站運維成本[2]。

現(xiàn)有研究多針對變電站某一類設(shè)備就故障診斷問題進(jìn)行數(shù)字化建模,對變電站內(nèi)多種設(shè)備同時建模的研究較少,且大多沒有引入數(shù)字孿生模型概念,應(yīng)用面較窄,得出的計算結(jié)果抽象,在指導(dǎo)實踐工作時需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換。文章在現(xiàn)有GIS智能變電站中電力變壓器、組合電器、開關(guān)柜三類主要設(shè)備故障診斷技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù),提出了一種新型GIS智能變電站數(shù)字孿生模型。模型可實現(xiàn)GIS智能變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)實時感知,利用故障診斷技術(shù)判斷設(shè)備狀態(tài),通過三維實景模型實時展示并在出現(xiàn)異常時準(zhǔn)確顯示出預(yù)警(故障)位置和類型,提醒運維人員及時處理,從而保證變電站安全可靠運行,降低變電站運維成本。

1 變電站電氣設(shè)備三維建模及軟件選擇

如果想要按實際比例大小還原出變電站內(nèi)設(shè)備真實場景,就要用到三維建模技術(shù)。創(chuàng)建完整的變電站設(shè)備和環(huán)境的三維模型,才能真實再現(xiàn)設(shè)備環(huán)境狀態(tài),保證用戶能夠直觀準(zhǔn)確地定位設(shè)備故障。目前,三維建模軟件的種類非常多(例如,Maya、3ds Max、Sketch up、Skyline、VRMap等),不同的三維建模軟件在各自的領(lǐng)域都有不同的優(yōu)勢特點。由于變電站電氣設(shè)備建模后還需要模擬出各類故障場景,而3ds Max可以在虛擬環(huán)境下構(gòu)造出三維物體模型并設(shè)計出高質(zhì)量的圖片和視頻動畫,因此推薦選用3ds Max進(jìn)行變電站電氣設(shè)備三維建模[3]。

為了真實還原設(shè)備和環(huán)境的尺寸,可通過圖片和變電站設(shè)備圖紙,確定模型尺寸參數(shù)。建模完成后為使模型更加準(zhǔn)確,可對模型外觀進(jìn)行美化。

2 GIS智能變電站設(shè)備故障診斷及評估診斷流程

GIS智能變電站一次設(shè)備包括:電力變壓器、組合電器、開關(guān)柜及其他設(shè)備(如電容器、電抗器等)。由于其他設(shè)備故障種類較少,且故障診斷較為簡單,通常僅通過布置紅外溫度傳感器就能實現(xiàn)故障診斷,文中不再贅述。

2.1 設(shè)備故障診斷技術(shù)

2.1.1 電力變壓器

作為電力系統(tǒng)中變電環(huán)節(jié)的核心設(shè)備,油浸式電力變壓器造價高昂,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在整個電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。電力變壓器常見故障按照故障性質(zhì)可劃分為過熱故障、放電故障和機械故障,由于機械故障最終都將轉(zhuǎn)化為熱或電的形式,因此僅分析過熱故障和放電故障。按照不同的故障程度可將過熱故障分為低溫過熱、中溫過熱和高溫過熱。放電故障可分為局部放電、火花放電和電弧放電。

對電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測分析的方法有2種,即化學(xué)分析監(jiān)測法和局部放電信號監(jiān)測法。由于局部放電監(jiān)測需要大量的傳感器和復(fù)雜的算法來完成監(jiān)測分析,因此,采用化學(xué)分析監(jiān)測法。油中溶解氣體分析法(DGA)作為一種典型的化學(xué)分析監(jiān)測法,只需在變壓器本體布置少量的傳感器,利用常規(guī)智能算法(例如,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機算法)就能給出監(jiān)測結(jié)果,因此在實際中得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。本文推薦將油中溶解氣體分析法應(yīng)用于變電站電力變壓器故障診斷模型中。

分解氣體含量與油溫關(guān)系表明,低溫過熱時,油中溶解氣體成分主要是CH4,其次是C2H4,CH4與C2H4占總烴的比例高達(dá)80%;當(dāng)出現(xiàn)中溫過熱時,C2H4和H2的含量和占比會急劇上升,占比最高可達(dá)60%;當(dāng)發(fā)生高溫過熱時,油中的特征氣體主要是C2H4,其次是CH4,二者含量占總烴的比例超過80%。

局部放電發(fā)生時,一般總烴含量不高,油中溶解氣體中H2含量占總氫烴含量的比例高達(dá)90%,是此類故障的主要特征氣體,其次為CH4,此氣體含量占總烴含量的比例高達(dá)90%。當(dāng)局部放電能量密度達(dá)到一定程度時會產(chǎn)生少量的C2H2,但占總烴的比例一般低于2%,可以作為定性局部放電的重要標(biāo)志?；鸹ǚ烹姇r的總烴氣體含量較低,溶解于絕緣油中的特征氣體主要成分為C2H2和H2,C2H4占總烴比例低于20%,H2占?xì)錈N比例高于30%,在某些情況下C2H2占總烴比例最高可高達(dá)90%以上。電弧放電時的總烴含量較高,主要成分依舊以C2H2與H2為主,其次的特征氣體為C2H4與CH4[4]。以上數(shù)據(jù)特征均可作為變電站電力變壓器故障診斷的主要判據(jù)。

2.1.2 組合電器

組合電器即氣體絕緣開關(guān)設(shè)備,通過將母線、隔離開關(guān)、斷路器、接地開關(guān)、TA、TV、避雷器等裝置安裝在一個密閉空間里,用SF6氣體作為絕緣介質(zhì),有效增強了設(shè)備間的絕緣性能,降低了設(shè)備體積和設(shè)備間的絕緣距離,從而大大減小GIS的整體體積。當(dāng)前GIS常見缺陷可分為3種類型,局部放電缺陷、發(fā)熱型缺陷和機械型缺陷,具體分類及檢測方法詳見圖1。

圖1 GIS設(shè)備缺陷類型及檢測方法

GIS設(shè)備從投入運行直至設(shè)備退役,發(fā)生故障的統(tǒng)計概率隨投運年限的變化曲線,稱為“浴盆曲線”,如圖2所示。曲線表明,電力設(shè)備一般不會瞬時發(fā)生故障,而是由于之前微弱的潛伏性缺陷在各種應(yīng)力作用下逐步發(fā)生劣化,直至絕緣劣化到足以被傳感器檢測到物理、化學(xué)現(xiàn)象。這個剛剛能夠檢測到的缺陷程度成為“潛在故障點”,一旦設(shè)備達(dá)到這個故障點后,劣化進(jìn)程將加快,需要采取措施,阻止進(jìn)一步劣化到功能故障點。

圖2 組合電器設(shè)備故障“浴盆曲線”

選取評估指標(biāo)時應(yīng)綜合考慮以下三方面內(nèi)容:一是盡量多的從誘發(fā)故障的機理方面選取聯(lián)系最密切的狀態(tài)參量;二是從現(xiàn)有測量技術(shù)角度綜合分析并優(yōu)選可測量的狀態(tài)參量;三是必須從智能化評估角度建立科學(xué)有效的絕緣評估模型。

關(guān)于組合電器故障診斷技術(shù),李莉蘋博士建立了基于脈沖電流法、超高頻(Ultral-High Frequency,UHF)法和化學(xué)檢測法的局部放電(Partial Discharge,PD)聯(lián)合檢測系統(tǒng),通過現(xiàn)場和實驗室模擬試驗,獲得了表征GIS設(shè)備絕緣狀態(tài)的PD電氣參數(shù)和PD化學(xué)參量信息庫,構(gòu)建了基于PD電氣參數(shù)和PD化學(xué)參量的故障診斷模型,并利用DS證據(jù)(Dempster-shafer evidence theory)理論同時融合2類PD參數(shù)優(yōu)化故障診斷模型,提出了基于改進(jìn)證據(jù)融合理論的GIS設(shè)備故障聯(lián)合診斷法[8],具體內(nèi)容不再詳細(xì)說明。本文推薦采用李莉蘋博士的基于改進(jìn)證據(jù)融合理論的GIS設(shè)備故障聯(lián)合診斷法作為變電站組合電器故障診斷方法。

2.1.3 開關(guān)柜

根據(jù)中國電力科學(xué)院有限公司對我國電網(wǎng)內(nèi)不同電壓等級的中壓開關(guān)設(shè)備運行情況的調(diào)查,可知10 k V開關(guān)柜的主要故障類型包括:載流故障、絕緣故障、誤動和拒動故障、開斷和關(guān)合故障及其他故障,見表1。

表1 金屬開關(guān)封閉設(shè)備事故分布

動靜觸頭和電力電纜接頭處發(fā)熱是引起開關(guān)柜載流故障的主要原因,因此選取開關(guān)柜動靜觸頭溫度、電力電纜與母線接頭處溫度為載流故障檢測狀態(tài)量。開關(guān)柜絕緣故障的原因本質(zhì)上是絕緣性能劣化,能表征電氣設(shè)備絕緣性能的特征有局部放電、泄漏電流和介電損耗角正切值等特征量,但結(jié)合在線狀態(tài)檢測實際、采集精度及成本情況,本文推薦選用泄漏電流作為特征量檢測開關(guān)柜絕緣故障。通過對開關(guān)柜內(nèi)電場強度的分析,選取母線與電纜連接處的環(huán)氧套管的泄漏電流、電纜室內(nèi)TA處的環(huán)氧套管泄漏電流作為絕緣故障的狀態(tài)量。開關(guān)柜誤動和拒動故障可分為操作機構(gòu)故障和電氣控制回路故障2類,這2類故障都可以通過分合閘繞組電流波形、儲能電機電流波形綜合判斷,因此選用以上2種波形作為誤動和拒動故障的狀態(tài)量[9]。由于開斷和關(guān)合故障占比較小且難以選擇合適在線檢測指標(biāo),本文不推薦對其進(jìn)行檢測。

2.2 各類主設(shè)備健康評估及故障診斷流程

通過對以上變電站主設(shè)備的故障診斷技術(shù)研究,發(fā)現(xiàn)其健康評估及故障診斷流程是一致的,區(qū)別僅在于監(jiān)測手段及對象、評估診斷方法,因此各類主設(shè)備的健康評估及故障診斷流程可規(guī)范統(tǒng)一,如圖3所示。

圖3 主設(shè)備健康評估及故障診斷流程

圖3中各主設(shè)備傳感器檢測結(jié)果數(shù)據(jù)按主設(shè)備類型可分為4類,不同類型包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容不同。對于電力變壓器數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括CH4、C2H4、H2、C2H2等氣體的油中溶解氣體含量;對于組合電器數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括超聲波/特高頻局放檢測、紅外檢測、X射線檢測等PD電參數(shù)和SF2、SF4、S2F2、SO2F2、SOF4等氣體含量;對于開關(guān)柜數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為泄漏電流大小;對于電容器、電抗器等其他一次設(shè)備數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為測點溫度。關(guān)于評估及診斷方法,電力變壓器可選用油中溶解氣體分析法(DGA),組合電器可選用基于改進(jìn)證據(jù)融合理論的GIS設(shè)備故障聯(lián)合診斷法,開關(guān)柜及其他一次設(shè)備可采用檢測指標(biāo)對比指標(biāo)體系閾值定性的方法。

3 GIS智能變電站健康評估及故障診斷數(shù)字孿生模型

3.1 模型建立

智能變電站主設(shè)備點多面廣,運行特征各異,傳統(tǒng)的運維檢修模式在信息傳遞時容易出現(xiàn)偏差,不能隨意拆解或操作現(xiàn)場設(shè)備,因此難以精準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備健康評估及故障診斷。數(shù)字孿生概念提出后使得物理世界與數(shù)字虛擬世界有了溝通的橋梁。由于數(shù)字孿生具有高保真性、可擴(kuò)展性、互操作性等典型特征,自其誕生以來便在電力系統(tǒng)、電力設(shè)備數(shù)字化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。數(shù)字孿生的典型特征能彌補傳統(tǒng)運維檢修模式因信息保真性不高及互操作性差,造成難以精準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備健康評估及故障診斷的缺點。

本文在選定變電站主設(shè)備的健康評估及故障診斷方法的基礎(chǔ)上,提出了一種基于數(shù)字孿生的GIS智能變電站主設(shè)備健康評估及故障診斷模型。該模型可完成對GIS智能變電站實體的數(shù)據(jù)映射,實時動態(tài)顯示變電站實體傳送過來的各種數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)判斷出變電站實體運行狀態(tài)并在判斷出異常時在模型中相應(yīng)位置給出明顯預(yù)警提示。模型建成應(yīng)用需要在變電站實體布設(shè)監(jiān)測指標(biāo)對應(yīng)傳感器的基礎(chǔ)上,建立設(shè)備運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心、設(shè)備健康評估及故障診斷中心。GIS智能變電站故障診斷模型如圖4所示。

圖4 GIS智能變電站健康評估及故障診斷模型

GIS智能變電站實體設(shè)備運行數(shù)據(jù)由接入信息專網(wǎng)廣泛布置的各種傳感器采集加密傳出,通過設(shè)備運行數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換中心提取收集并轉(zhuǎn)換,之后數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到變電站設(shè)備健康評估及故障診斷中心,過程中部分需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到孿生模型中實時顯示。

3.2 算例分析

設(shè)備健康評估及故障診斷中心接收到數(shù)據(jù)后要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,主變壓器、組合電器、開關(guān)柜及其他設(shè)備4個功能模塊分別將數(shù)據(jù)中需要用到的內(nèi)容提取出,運用各自的評估及診斷方法進(jìn)行健康評估及故障診斷,同時將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲更新。設(shè)備健康評估及故障診斷中心得出結(jié)果后,發(fā)給運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心,并通過其轉(zhuǎn)發(fā)給變電站孿生模型進(jìn)行顯示,為運維檢修人員對實體設(shè)備的運維和檢修提供參考意見。例如,某日10:00,某變電站GIS設(shè)備間隔運行數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換中心提取布設(shè)在設(shè)備內(nèi)部的傳感器數(shù)據(jù)(包括特高頻局部放電檢測結(jié)果,紅外檢測結(jié)果,SF2、SF4、S2F2、SO2F2、SOF45種氣體含量,SF6氣體壓力,氣室溫度),將數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)備健康評估及故障診斷中心,過程中將SF6氣體壓力和氣室溫度參數(shù)發(fā)送到孿生模型進(jìn)行顯示。設(shè)備健康評估及故障診斷中心接收到數(shù)據(jù),由組合電器功能模塊調(diào)用基于改進(jìn)證據(jù)融合理論的GIS設(shè)備故障聯(lián)合診斷法,進(jìn)行設(shè)備健康評估和故障診斷。經(jīng)評估診斷,該間隔內(nèi)出線電纜倉氣室出現(xiàn)電暈放電,立即將評估診斷結(jié)果發(fā)給運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心,并通過其轉(zhuǎn)發(fā)給變電站孿生模型進(jìn)行告警顯示,如圖5所示。

4 結(jié)束語

通過對GIS智能變電站主變壓器、組合電器、開關(guān)柜等主要設(shè)備故障診斷建模技術(shù)的研究,利用數(shù)字孿生技術(shù),建立了一套基于數(shù)字孿生的GIS智能變電站模型。該模型不僅可以同步顯示實體變電站各儀表的數(shù)值,而且能基于實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),對設(shè)備進(jìn)行健康評估及故障診斷,并在模型上將結(jié)果進(jìn)行三維立體展示,使得各設(shè)備運行狀態(tài)一目了然,故障類型及位置指示準(zhǔn)確。該模型可減少運維人員現(xiàn)場巡視的工作量,提前對可能發(fā)生的設(shè)備故障發(fā)出預(yù)警,并在模型準(zhǔn)確位置給出警示,為檢修人員進(jìn)場消缺提供參考和指示,早期消除潛在故障點,防止故障發(fā)生。

圖5 某變電站GIS間隔告警顯示