低代價(jià)魯棒高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王堅(jiān)

（武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430030）

電力已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的重要能源形式，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)具有良好的保障支撐作用。電抗器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，對(duì)于抑制過(guò)電壓過(guò)電流、補(bǔ)償線路無(wú)功、維持電壓穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用[1-3]。電抗器在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)造成變電站配電裝置樓內(nèi)噪聲較大，甚至影響電抗器自身及其他電力設(shè)備的正常運(yùn)行[4-6]。另外由于地震自然災(zāi)害，超標(biāo)的振動(dòng)可能會(huì)引起電抗器結(jié)構(gòu)變形、故障損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸫蠓秶ｋ娛鹿蔥7-10]。因此通常在電抗器底座安裝隔震消能裝置，降低電抗器振動(dòng)噪聲，減小對(duì)地震振動(dòng)的影響。

電抗器及其隔震消能裝置通常由人工方式維護(hù)，但這樣對(duì)于隔震消能裝置的健康狀態(tài)以及能否起到消能減震的效果，并不能進(jìn)行準(zhǔn)確地定量評(píng)估。

為了提升隔震消能裝置監(jiān)控維護(hù)的智能化水平，該文針對(duì)高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)了深入研究。

1 高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成[11-13]。

圖1 高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)電抗器不同位置的振動(dòng)信號(hào)采集，所采取的傳感器類型主要為加速度傳感器和應(yīng)變傳感器。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)傳輸通道構(gòu)成，能夠獲取、匯集和上傳傳感器系統(tǒng)中多個(gè)傳感器的輸出信號(hào)。

監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高壓電抗器隔震消能監(jiān)測(cè)分析的核心，其通過(guò)對(duì)傳感器系統(tǒng)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電抗器隔震消能的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能控制，主要功能包括信號(hào)的分析處理、異常狀態(tài)告警、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。

1.2 主要功能

高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)主要功能如圖2所示，其包括用戶管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化、狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警、預(yù)警信息管理和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理等。

圖2 高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

2 低代價(jià)魯棒隔震消能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析方法

隔震消能監(jiān)控方法如圖3所示。將傳感器獲取的應(yīng)變力、位移、加速度等數(shù)據(jù)作為算法的輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、異常剔除等數(shù)據(jù)預(yù)處理操作，然后采用逼近理想點(diǎn)法（TOPSIS）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[14-16]，從而評(píng)估隔震消能裝置的健康狀態(tài)，得到綜合狀態(tài)評(píng)估值。當(dāng)其大于相應(yīng)預(yù)警等級(jí)的閾值時(shí)，表明隔震消能裝置處于異常工作情況，通過(guò)告警信息、交互界面等向工作人員發(fā)出異常預(yù)警。該方法僅需對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)易的綜合處理與分析，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置和計(jì)算能力要求不高，總體成本較低。但是系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)涵蓋了應(yīng)變力、位移、加速度等多個(gè)指標(biāo)，對(duì)隔震消能裝置異常狀態(tài)的識(shí)別更為敏感，且系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)[17]。

圖3 低代價(jià)魯棒的隔震消能監(jiān)控算法

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括異常數(shù)據(jù)剔除以及數(shù)據(jù)特征的提取。

異常數(shù)據(jù)剔除基于萊茵達(dá)準(zhǔn)則，求取檢測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值及均方差，判斷準(zhǔn)則如下：式中，與σ分別為測(cè)試數(shù)據(jù)集{xi|i=1,2,…,n}的算術(shù)平均值和均方差，計(jì)算方法如下：

2.2 基于TOPSIS的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

假設(shè)共有m個(gè)隔震消能裝置狀態(tài)d1,d2,…,dm組成狀態(tài)集，對(duì)于任一狀態(tài)，共有n個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)a1,a2,…,an組成監(jiān)測(cè)指標(biāo)集，則監(jiān)測(cè)矩陣X=(xij)m×n的表達(dá)式如下：

式中，xmn為狀態(tài)dm監(jiān)測(cè)指標(biāo)an的值。

為了消除不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)量綱差異對(duì)隔震消能裝置狀態(tài)評(píng)估的影響，需要對(duì)各個(gè)狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)值進(jìn)行歸一化，得到歸一化評(píng)估矩陣Y=(yij)m×n。歸一化的方法如下：

在監(jiān)測(cè)指標(biāo)值越大，隔震下消能裝置狀態(tài)越優(yōu)的情況下：

在監(jiān)測(cè)指標(biāo)值越小，隔震消能裝置狀態(tài)越優(yōu)的情況下：

由于不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)隔震消能裝置狀態(tài)的反映程度不同，以權(quán)重系數(shù)衡量這種影響關(guān)系。將歸一化評(píng)估矩陣與權(quán)重矩陣相乘，得到加權(quán)歸一化評(píng)估矩陣Z=(zij)m×n：

式中，w=[w1,w2,…,wn]T為權(quán)重矩陣，wn為監(jiān)測(cè)指標(biāo)an的權(quán)重系數(shù)。

為準(zhǔn)確評(píng)估隔震消能裝置狀態(tài)，獲取電抗器在正常工作以及施加外部振動(dòng)情況下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的指標(biāo)值，將其加入監(jiān)測(cè)狀態(tài)集。再?gòu)臓顟B(tài)集中確定正負(fù)理想狀態(tài)，正理想狀態(tài)表示各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均為最優(yōu)的狀態(tài)；負(fù)理想狀態(tài)表示各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均為最劣的狀態(tài)，如式（7）所示：

式中，J+為其值越大狀態(tài)越優(yōu)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)集合；J-為其值越大狀態(tài)越差的監(jiān)測(cè)指標(biāo)集合。

計(jì)算待評(píng)價(jià)狀態(tài)與正、負(fù)理想狀態(tài)的距離：

式中，為第i個(gè)待評(píng)價(jià)狀態(tài)與正理想狀態(tài)的距離；為第i個(gè)待評(píng)價(jià)狀態(tài)與負(fù)理想狀態(tài)的距離。

進(jìn)一步計(jì)算待評(píng)價(jià)狀態(tài)的綜合狀態(tài)評(píng)估值ei：

由上式可知，綜合狀態(tài)評(píng)估值在[0,1]范圍內(nèi)，綜合狀態(tài)評(píng)估值越小則隔震消能裝置狀態(tài)越優(yōu)；反之，則隔震消能裝置狀態(tài)越差。當(dāng)綜合狀態(tài)評(píng)估值大于一定的閾值時(shí)，則說(shuō)明隔震消能裝置處于異常工作狀態(tài)，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出異常告警。

基于TOPSIS 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析算法流程如圖4所示。

圖4 基于TOPSIS的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析算法流程

3 算例分析

該文在高壓電抗器現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和軟硬件配置情況下，應(yīng)用所提出的隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以驗(yàn)證其有效性。仿真實(shí)驗(yàn)基于湖北武漢元寶山220 kV變電站數(shù)據(jù)進(jìn)行，電抗器為山東泰開(kāi)電力電子有限公司生產(chǎn)的BKSC-10000/10 型電抗器，采用干式鐵芯設(shè)計(jì)，產(chǎn)品尺寸為3 100 mm×1 400 mm×2 850 mm，重量為16.5 噸，并在底部安裝了減震裝置。

3.1 隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，該文從低代價(jià)、高可靠的原則出發(fā)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行選型。主要硬件設(shè)備如表1 所示，其包括加速度傳感器4 個(gè)、應(yīng)變傳感器4 個(gè)、多通道數(shù)據(jù)采集儀1個(gè)、服務(wù)器1 個(gè)及電源1 個(gè)。

由表1 可知，隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)整體的硬件需求較低，具有良好的工程應(yīng)用前景。

表1 隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件設(shè)備

3.2 隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

1）正常運(yùn)行及施加外部振動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在高壓電抗器正常運(yùn)行、施加外部振動(dòng)情況下，監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2 所示?？梢钥闯?，在施加外部振動(dòng)情況下，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的位移、加速度和頻譜峰值等指標(biāo)均明顯大于正常運(yùn)行情況下的數(shù)值。

表2 正常運(yùn)行及施加外部振動(dòng)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

因此，隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)位移、加速度和頻譜峰值等指標(biāo)，評(píng)估高壓電抗器隔震消能裝置的健康狀態(tài)。

2）預(yù)警等級(jí)劃分

高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)位移、加速度和頻譜峰值等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到隔震消能裝置的綜合狀態(tài)評(píng)估值U，從而進(jìn)一步根據(jù)綜合狀態(tài)評(píng)估值劃分狀態(tài)預(yù)警等級(jí)，如表3 所示。預(yù)警等級(jí)分為正常、I 級(jí)、II 級(jí)和III 級(jí)，預(yù)警等級(jí)越高則隔震消能裝置狀態(tài)越差。

表3 預(yù)警等級(jí)

3）隔震消能綜合狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

基于上述仿真實(shí)驗(yàn)條件，該文設(shè)計(jì)的高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)最終得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

基于TOPSIS 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法得到隔震消能裝置的綜合狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警等級(jí)劃分結(jié)果，如表5所示。

表5 綜合狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警等級(jí)劃分

由表5 可知，所監(jiān)測(cè)的高壓電抗器隔震消能系統(tǒng)的綜合狀態(tài)評(píng)估值為：S5＞S1＞S4＞S7＞S3＞S6＞S2。根據(jù)預(yù)警等級(jí)劃分結(jié)果，S1和S5為III 級(jí)預(yù)警，S4為II級(jí)預(yù)警，S3和S7為I級(jí)預(yù)警，S8、S6和S2為正常。

由上述分析可知，所提基于TOPSIS 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法，能夠通過(guò)傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)評(píng)估高壓電抗器隔震消能裝置的健康狀態(tài)，狀態(tài)預(yù)警結(jié)果精細(xì)準(zhǔn)確，具有較強(qiáng)的魯棒性。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文開(kāi)展了高壓電抗器隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，構(gòu)建了監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)，提出基于TOPSIS 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與分析表明，所設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)僅需傳感器以及采集子站等相應(yīng)的硬件，應(yīng)用成本較低。該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法能夠綜合評(píng)估隔震消能裝置的健康狀態(tài)，并對(duì)故障異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，保障隔震消能裝置的正常、穩(wěn)定工作。但文中設(shè)計(jì)的隔震消能監(jiān)控系統(tǒng)僅適用于PC 端，為進(jìn)一步提升監(jiān)控運(yùn)維的智能化水平，有必要研究設(shè)計(jì)便攜式隔震消能運(yùn)維裝置，這將在后續(xù)研究中開(kāi)展。