電氣一次設(shè)備智能化評估模型研究

貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠 閔萬雄

智能電網(wǎng)的發(fā)展為電氣一次設(shè)備智能化提供了保障和機(jī)遇，其中變電站一次設(shè)備主要是控制元件集合處理、增加互動(dòng)等功能智能化。如SST-330、SST-300智能型多功能電力表就是一個(gè)智能化的產(chǎn)物。智能電網(wǎng)目前國際和國內(nèi)都還沒有準(zhǔn)確和完整的定義，智能變電站也沒有明確評價(jià)指標(biāo)。電氣一次設(shè)備智能化的主要表現(xiàn)在新進(jìn)的信息處理技術(shù)、設(shè)備控制和管理技術(shù)，電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)、互動(dòng)性高，電力生產(chǎn)、傳輸和分配的流程優(yōu)化順暢；表現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化、設(shè)備工作狀態(tài)的可視化、各環(huán)節(jié)信息的互動(dòng)化、控制操作網(wǎng)絡(luò)快捷化和功能一體化。

電氣一次設(shè)備智能化的基礎(chǔ)是電網(wǎng)的智能化，因此成為智能電網(wǎng)在建設(shè)初期主要研究對象，深受社會人士的重視和關(guān)注。如近年的水電站建設(shè)工程的設(shè)備智能化，體現(xiàn)在電氣一次設(shè)備主要的配置、零部件、電子元件等引用現(xiàn)有技術(shù)智能化的元件逐漸增多，替代了傳統(tǒng)的機(jī)械操作，數(shù)據(jù)檢測便利且更直接[1]。現(xiàn)實(shí)中，智能化的水電站在建設(shè)初期需結(jié)合水電站的供給和環(huán)境等實(shí)際情況調(diào)整設(shè)備最佳模式、加裝相應(yīng)保護(hù)措施或安裝智能化設(shè)備，在一定的程度上才可以保證信息的精確性，避免故障幾率的增加，有利于保障施工和建設(shè)過程中的質(zhì)量。

1 電氣一次設(shè)備智能化未來趨勢

電氣一次設(shè)備智能化是實(shí)現(xiàn)對信息、測量數(shù)據(jù)和設(shè)備控制的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)督的過程，實(shí)現(xiàn)各部件的各個(gè)環(huán)節(jié)間的相關(guān)信息交流，使得能夠全面把控工作的整個(gè)過程，有利于可靠和穩(wěn)定地管理高壓處理的程序。電氣一次設(shè)是電能轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，因此，在健全的智能電網(wǎng)中，電氣一次設(shè)備智能化的發(fā)展和應(yīng)用是非常重要的。一般來說，智能組件的可靠強(qiáng)、絕緣效果佳、抗干擾能力強(qiáng)、壽命相對較長、監(jiān)測靈敏度高、數(shù)據(jù)精確度精密等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)實(shí)中智能組件的材料采用方面的要求極其苛刻?，F(xiàn)實(shí)的智能化建設(shè)過程中，需要滿足智能組件最優(yōu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)的使用要求，一般會利用組件模塊化的方式設(shè)計(jì)處理，實(shí)踐表明這也是現(xiàn)實(shí)中比較好的方法，如現(xiàn)今投用的智能設(shè)備終端、智能開關(guān)、集合單元、狀態(tài)監(jiān)測IED、等模塊[1]。

智能設(shè)備終端：智能終端就好像地電氣一次設(shè)備的大腦，負(fù)責(zé)工作運(yùn)行的判斷、信號處理和做出命令的主要樞紐。一般是采用精密的電腦芯片和電子元件組成，用絕緣效果好和傳輸數(shù)度快的電纜相連組成。智能終端具有一定的采集、開關(guān)量輸出、斷路器控制、保護(hù)電路和控制回路斷線監(jiān)視、跳合閘壓力監(jiān)測與閉鎖等功能。

智能開關(guān)：隨著現(xiàn)代壓力傳感開關(guān)技術(shù)、微機(jī)信號處理開關(guān)技術(shù)、狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測和智能故障報(bào)警診斷開關(guān)技術(shù)的快速蓬勃發(fā)展和，以及在我國高壓壓力開關(guān)設(shè)備智能領(lǐng)域應(yīng)用中的不斷應(yīng)用滲透，形成了壓力強(qiáng)電與高壓弱電相有機(jī)結(jié)合、傳統(tǒng)開關(guān)技術(shù)與現(xiàn)代高新技術(shù)相有機(jī)結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀，推動(dòng)了我國高壓壓力開關(guān)設(shè)備向現(xiàn)代智能化開關(guān)方向快速發(fā)展。智能開關(guān)的主要作用是，根據(jù)智能終端處理得出的數(shù)據(jù)、以信號的形式發(fā)送指令要求智能開關(guān)執(zhí)行開關(guān)信號的過程。

集合單元：主要由多個(gè)集成電路芯片和多個(gè)互感器組建而成，在工作中，互感器主要捕捉某一瞬間電路中的瞬時(shí)電流和瞬時(shí)電壓，對獲取的電流值和電壓值進(jìn)行處理，處理的結(jié)果信號傳達(dá)到保護(hù)設(shè)備的測控裝置，防止瞬時(shí)電壓或電流損壞電路的正常工作轉(zhuǎn)態(tài)，集合單元均有多個(gè)可以輸出數(shù)據(jù)的接口，可和其他智能組件組建相關(guān)的聯(lián)系和互動(dòng)，對一些信號做出及時(shí)反饋和處理，形成自動(dòng)化的效果，更有效地實(shí)現(xiàn)多數(shù)的功能。

狀態(tài)監(jiān)測IED：指的是生產(chǎn)的過程中，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對工作設(shè)備采用在線監(jiān)測的工作系統(tǒng)，主要是充分利用了計(jì)算機(jī)的儲存能力和快速調(diào)用各種參數(shù)(如振動(dòng)、溫度、壓力、流量等)的便捷能力，使設(shè)備始終處于監(jiān)控狀態(tài)，使關(guān)鍵設(shè)備始終保持處于在線監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備一旦工作出現(xiàn)重要故障就有前兆，及時(shí)發(fā)出報(bào)警并盡可能多地及時(shí)采集設(shè)備故障預(yù)報(bào)信息，以及時(shí)了解設(shè)備故障發(fā)生現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析確定故障發(fā)生原因。系統(tǒng)自動(dòng)分別生成日歷數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫及故障報(bào)警數(shù)據(jù)庫，從而有效實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)故障自動(dòng)報(bào)警、故障自動(dòng)追憶和系統(tǒng)故障自動(dòng)診斷。通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)時(shí)瀏覽監(jiān)控設(shè)備正常運(yùn)行的各種工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)診斷。狀態(tài)監(jiān)測IED 由CPU 芯片和許多傳感器組成，主要功能是接收、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、下達(dá)指令等系列監(jiān)測功能[2]。

2 淺析電氣一次設(shè)備智能化現(xiàn)有評估模型

現(xiàn)實(shí)中，許多變電站都會有晚上無人值守的現(xiàn)象，沒有工作人員反反復(fù)復(fù)的巡查，卻又能保障變電站一次設(shè)備的安全運(yùn)行，所以針對變電站一次設(shè)備進(jìn)行智能化評估是必要措施。變電站一次設(shè)備的智能化評估，主要針對電氣一次設(shè)備在運(yùn)行中狀態(tài)存在一些可能潛在風(fēng)險(xiǎn)的識別、預(yù)測和衡量，數(shù)據(jù)與預(yù)定設(shè)計(jì)值對比，采取合理有效的手段科學(xué)合理和降低成本的同時(shí)，完成運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)成本的控制。因此，智能化電氣一次設(shè)備要在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)監(jiān)控可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行識別、預(yù)測各種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生導(dǎo)致的系列影響，確保設(shè)備工作安全持續(xù)進(jìn)行。由此可見，智能化評估就是變電站一次設(shè)備降低故障發(fā)生概率的主要步驟。

傳統(tǒng)的電氣一次設(shè)備智能化的評估，更多的是停留在單個(gè)元件、局部電路的一個(gè)評估，這種評估其實(shí)都是不夠全面的，不能全面地反映出設(shè)備中改智能組件的最優(yōu)效益。如現(xiàn)有的評估模型：基于全數(shù)字和光纖的信號采集評估模型、繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化評估模型、數(shù)字遙視監(jiān)控評估模型、基于智能高效的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)評估模型等模塊化評估，這種評估的優(yōu)點(diǎn)是能夠全面的控制該智能元件的使用壽命，但在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)中，每個(gè)環(huán)節(jié)的工作都是相互牽連相互促進(jìn)的，智能元件可能會因其他部件的溫度或電流等因素造成環(huán)境的改變，從而影響了性能的發(fā)揮。

如電氣一次設(shè)備工作環(huán)境，在高壓和超高壓變電站建設(shè)之初就會考慮到保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動(dòng)裝置的I/O 單元，如在工作中A/D 發(fā)生了變換，那么控制操作回路等輸出不一樣的功能，使得并非該設(shè)備主要功能的數(shù)字化控制回路從做功上代替了常規(guī)繼電保護(hù)裝置、測控等裝置的I/O 部分，實(shí)現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。評估模型就是需要更全面地了解各個(gè)部件直接的聯(lián)系，各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響，相互作用、功能互補(bǔ)，確保功能使用量，輸出最優(yōu)解、提高可靠性，有效形成管理自動(dòng)化的智能化電氣一次設(shè)備。

3 基于多目標(biāo)優(yōu)化評估模型的變電站一次設(shè)備智能化評估

變電站一次設(shè)備智能化評估的綜合收益率，不能靠單個(gè)控制單元或單個(gè)設(shè)備的效益來評估，因此評估電氣一次設(shè)備的效益需基于多目標(biāo)進(jìn)行評估。多目標(biāo)優(yōu)化評估模型[3]主要是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)因素和約束條件。評估結(jié)果的優(yōu)勢是，有利于提高工作人員對電氣一次設(shè)備的監(jiān)控效率和準(zhǔn)確度。

電氣一次設(shè)備智能化評估指標(biāo)：根據(jù)電氣一次設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)中會存在的風(fēng)險(xiǎn)可能性，把評估指標(biāo)分為可控制和不可控制兩大評估指標(biāo)。首先，根據(jù)能夠影響一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的直接原因，確定5個(gè)一級評估指標(biāo)以及20個(gè)二級評估指標(biāo)。

評估模型計(jì)算評估指標(biāo)權(quán)重：考慮到電氣一次設(shè)備工作環(huán)境較為惡劣，影響因素和約束比較多，所以采用多目標(biāo)優(yōu)化評估模型來求解，將評估指標(biāo)進(jìn)行量化作為目標(biāo)函數(shù)，取得評估數(shù)據(jù)。其中，多目標(biāo)優(yōu)化評估模型可以平衡約束、減少誤差。權(quán)重Wp=S/V ∑i‖α-β‖α-(α1,α2,α3,…αn)T，式中 ：S 是一次設(shè)備在工作狀態(tài)中評估指標(biāo)賦值；α為指標(biāo)集合；V 是權(quán)重分配的向量；i 是工作狀態(tài)的判斷指令；β是評估指標(biāo)之間的重要程度；T 是工作狀態(tài)中評估指標(biāo)賦值指令，通過其解答即可得出評估指標(biāo)權(quán)重[4]。

完成電氣一次設(shè)備智能化評估：結(jié)合上述權(quán)重，將一級指標(biāo)和二級指標(biāo)按順序分層評估。在一級性能評估檢測指標(biāo)中，將性能評估檢測結(jié)果首先完成二次處理，再依次進(jìn)行二級評估指標(biāo)模型評估，利用二級評估指標(biāo)模型設(shè)計(jì)中的信號記憶和數(shù)據(jù)反饋處理機(jī)制，控制一次評估結(jié)果誤差大小范圍，從而成功取得一次智能設(shè)備產(chǎn)品智能化全面的性能評估檢測結(jié)果，和傳統(tǒng)的評估方法對比更有利于權(quán)重修正系數(shù)和迭代求解。進(jìn)行一次設(shè)備智能化評估模型評估時(shí)，因工作狀態(tài)過程中存在很多不可控制因素，為滿足數(shù)據(jù)地的準(zhǔn)確，評估結(jié)果一共設(shè)計(jì)為5個(gè)等級，有A、B、C、D、E，A 代表最高等級，E 代表最差等級，分?jǐn)?shù)范圍依次為90～100分、80～90分、70～80分、60～70分、低于60分。通過試驗(yàn)，將一次設(shè)備作為評估對象，直流額定電壓為220V，以一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一級和二級評估指標(biāo)作為評估依據(jù)，進(jìn)行近鄰分類。

分別使用傳統(tǒng)評估方法及本文設(shè)計(jì)評估方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置傳統(tǒng)的評估方法為實(shí)驗(yàn)對照組。進(jìn)行一次設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算，通過組合權(quán)重求解得到評估結(jié)果。將兩種評估方法測得的峰值，通過單位時(shí)間間隔內(nèi)一次設(shè)備變化的電流、電壓或做功的功率的最大瞬間變化值進(jìn)行評估。評估峰值波動(dòng)越大，意味著該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)越不穩(wěn)定，可能存在故障。在此次實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為7h，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而判斷兩種評估方法對于一次設(shè)備的智能化評估能力。

綜上，現(xiàn)實(shí)中的智能化評估僅僅停留在新舊功能、單個(gè)設(shè)備產(chǎn)生效率、總體運(yùn)行效益的單方面評估，缺乏系統(tǒng)的評估方法。