一種集成式智能高壓開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王大偉 陳富國，2 蔡 杰 張 恒 陳 亮

（1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入推進(jìn)，智能高壓開關(guān)設(shè)備已普遍應(yīng)用于變電站的建設(shè)中。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)智能高壓開關(guān)設(shè)備在一二次融合設(shè)計(jì)方面仍不完善，存在集成度低、對(duì)狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)檢修的支撐能力不足等問題。智慧變電站對(duì)一次設(shè)備提出“本質(zhì)安全、狀態(tài)感知、智能標(biāo)記、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、綠色環(huán)?！钡膬?yōu)化設(shè)計(jì)和選用原則，全面提升一次設(shè)備的質(zhì)量和智能化水平［1］。同時(shí)，對(duì)開關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢修作為智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)之一，有助于運(yùn)維人員及早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理設(shè)備中潛在的缺陷及隱患，從而有效減少非必要的停電檢修維護(hù)工作量，降低設(shè)備的運(yùn)維成本，提升檢修工作的針對(duì)性。因此，亟須研制集成式智能高壓開關(guān)設(shè)備，從而增強(qiáng)高壓開關(guān)設(shè)備的智能化水平，提高高壓開關(guān)在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估能力。

1 總體思路

本研究以ZF11Z-252型智能高壓開關(guān)為研究對(duì)象，開展集成化技術(shù)研究，集成式智能開關(guān)是在現(xiàn)有智能開關(guān)的基礎(chǔ)上，為滿足最新智慧變電站的建設(shè)要求，對(duì)以下4個(gè)方面進(jìn)行提升。①優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)設(shè)備過程層與間隔層功能的有效融合；②應(yīng)用智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)［2］，實(shí)現(xiàn)分合閘閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流、扭矩、轉(zhuǎn)速、位置等數(shù)據(jù)；③綜合應(yīng)用多種狀態(tài)感知技術(shù)，如SF6微水密度、特高頻局放、機(jī)械特性等監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的全面感知；④應(yīng)用狀態(tài)評(píng)估技術(shù)，通過智能分析算法，綜合應(yīng)用不同數(shù)據(jù)類型的采集結(jié)果，建立典型缺陷（故障）識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、健康狀態(tài)的智能識(shí)別、趨勢(shì)發(fā)展的主動(dòng)預(yù)警等功能。

新一代智慧變電站按照“優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、集成功能設(shè)計(jì)”的總體原則，在滿足信息交互要求的前提下，集成典型智能變電站的過程層和間隔層的功能為設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層，采用一體化裝置，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。一體化裝置采用站控層交換機(jī)，并通過光纖通信方式與站控層設(shè)備連接，從而極大地降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，減少通信鏈路發(fā)生故障的概率。另外，一體化裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，并具備故障指示功能，當(dāng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，能快速定位故障模塊，從而實(shí)現(xiàn)整體更換。設(shè)備側(cè)操作機(jī)構(gòu)、互感器、在線監(jiān)測(cè)傳感器等統(tǒng)一接入一體化裝置，可實(shí)現(xiàn)遙控、遙信、遙測(cè)功能。集成式智能開關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)信息流架構(gòu)如圖2所示。

圖1 集成式智能開關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 集成式智能開關(guān)設(shè)備的信息流架構(gòu)

基于設(shè)備智能化、信息數(shù)字化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)集成式智能開關(guān)設(shè)備的傳統(tǒng)控制回路進(jìn)行優(yōu)化，將部分二次控制回路功能下放到智能機(jī)構(gòu)。同時(shí)，集成式智能開關(guān)設(shè)備采用智能機(jī)構(gòu)代替原有機(jī)構(gòu)。在機(jī)械接口設(shè)計(jì)方面，智能機(jī)構(gòu)的電機(jī)輸出扭矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體相連，機(jī)構(gòu)控制器控制電機(jī)輸出，從而精確地實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分閘和合閘動(dòng)作。在電氣接口設(shè)計(jì)方面，電機(jī)伺服系統(tǒng)能獲取電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置、速度、電流等信息，再結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)及尺寸，可換算得到輸出轉(zhuǎn)矩等特性參數(shù)，并通過RS485、以太網(wǎng)等接口將其輸送給上層控制設(shè)備。在軟件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)開關(guān)類型的不同，以及電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)開關(guān)動(dòng)作特性的不同要求，可在伺服驅(qū)動(dòng)器中預(yù)置動(dòng)作特性參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)速度、輸出角度等。在走線布置方面，機(jī)構(gòu)與匯控柜內(nèi)的一體化裝置采用光纖通信，傳統(tǒng)控制回路的中間繼電器、輔助開關(guān)由控制器中的軟接點(diǎn)替代，配線和調(diào)試的工作量將大幅減少，同時(shí)也節(jié)約了匯控柜的空間，控制柜能夠向小型化方向發(fā)展?？刂乒駜?nèi)對(duì)外部出口采用固定式端子排，利于外接電纜的敷設(shè)和接線，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)化。

2 智能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究采用智能機(jī)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)構(gòu)，且智能機(jī)構(gòu)與開關(guān)設(shè)備本體的連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。智能機(jī)構(gòu)采用控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過接收本體信號(hào)輸入，經(jīng)邏輯判斷，完成分（合）閘出口的操作。智能機(jī)構(gòu)控制器作為智能機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其由控制單元、采集單元和電源板組成［3］，主要功能有兩方面。一是采集開關(guān)的各類狀態(tài)信息，完成閉鎖、聯(lián)鎖判斷，接收上層控制設(shè)備分（合）閘指令和特性參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)控制功能；二是輸出機(jī)構(gòu)各類狀態(tài)信息，并上傳給監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息的監(jiān)測(cè)功能。該智能機(jī)構(gòu)有以下6個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單，從而降低了機(jī)械的故障率；②采用伺服控制，克服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性由機(jī)械結(jié)構(gòu)唯一確定的缺點(diǎn)，以及調(diào)整范圍受限的先天不足，實(shí)現(xiàn)開關(guān)產(chǎn)品動(dòng)作的柔性可控；③一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器可設(shè)定多條運(yùn)動(dòng)曲線，適用于不同的本體結(jié)構(gòu)，使用靈活；④電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，響應(yīng)時(shí)間短；⑤采用閉環(huán)控制，特性曲線分散性小，可克服本體摩擦力增大等帶來的負(fù)面影響；⑥易于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在設(shè)備智能化、數(shù)字化方面具備先天優(yōu)勢(shì)。其功能框圖如圖3所示。

圖3 智能機(jī)構(gòu)控制器功能框圖

3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估技術(shù)研究

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是由原始信號(hào)、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和控制系統(tǒng)四部分組成［4］，如圖4所示。其中，傳感器系統(tǒng)負(fù)責(zé)將壓力、溫度、振動(dòng)等非電氣參量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電氣信號(hào)；信號(hào)調(diào)理設(shè)備主要是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理；數(shù)據(jù)采集設(shè)備是將各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可直接處理的數(shù)字信號(hào)，也可將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)哪M信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作；控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行管理和參數(shù)設(shè)置。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

為了能夠更準(zhǔn)確和真實(shí)地反映出設(shè)備的狀態(tài)，便于開展多維度分析，對(duì)本研究設(shè)計(jì)的集成式智能高壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)智能感知功能進(jìn)行完善，具體包括以下3個(gè)方面。①集成數(shù)字式微水密度繼電器、內(nèi)置式特高頻局放傳感器，實(shí)現(xiàn)組合電器對(duì)SF6氣體微水、密度檢測(cè)及局放檢測(cè)；②通過智能機(jī)構(gòu)控制器獲取操作機(jī)構(gòu)電機(jī)電流、輸出力矩、電機(jī)行程等數(shù)據(jù)，用于機(jī)械特性分析；③智能機(jī)構(gòu)輸出的電機(jī)位置等信息，可通過內(nèi)部計(jì)算與邏輯判斷，以協(xié)議方式或硬接點(diǎn)方式來輸出狀態(tài)判斷結(jié)果，將“非同源”的第二判據(jù)與輔助開關(guān)狀態(tài)的第一判據(jù)進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，作為隔離開關(guān)位置“雙確認(rèn)”的信號(hào)輸入，支持變電站一鍵順控的高級(jí)應(yīng)用。

3.2 SVM分類算法

本研究在完成對(duì)智能高壓開關(guān)設(shè)備多維度狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息采集的前提下，利用SVM分類算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，從而完成對(duì)狀態(tài)的自動(dòng)區(qū)分和典型缺陷的智能識(shí)別。支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）是通過求解得到一個(gè)滿足分類要求的超平面（見圖5），其可以實(shí)現(xiàn)將不同類的對(duì)象區(qū)分開來，同時(shí)能夠保證超平面兩側(cè)數(shù)據(jù)間隔最大化，也就是最優(yōu)分類平面［5］。

SVM算法有3個(gè)特征：①SVM學(xué)習(xí)問題可表示為凸優(yōu)化問題，通過構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，在全局范圍內(nèi)存在最優(yōu)解，能有效避免維數(shù)災(zāi)難、過擬合等問題，且求解算法相對(duì)成熟；②能實(shí)現(xiàn)小樣本的應(yīng)用，在多維數(shù)據(jù)分類中，相較其他算法，其應(yīng)用效果更明顯；③SVM算法可通過最大化決策邊界的邊緣來控制模型的能力。SVM算法一般用于解決二類問題，對(duì)多類問題可通過引入?yún)?shù)來改善算法效果，也可用于多分類問題［6］。

圖5中黑點(diǎn)和白點(diǎn)分別代表二維平面的兩類樣本，并且正例標(biāo)簽為1，負(fù)例標(biāo)簽為-1，兩類數(shù)據(jù)線性可分。以二分類為例，給定訓(xùn)練集D=｛（x1，y1），（x2，y2），…，（xm，ym），yi∈｛-1，+1｝，分類學(xué)習(xí)是在樣本空間中找到一個(gè)超平面，將平面內(nèi)的黑點(diǎn)和白點(diǎn)分開。顯然，滿足要求的超平面并不唯一，SVM算法提供了求取最優(yōu)分類平面的方法［6］。

圖5 SVM線性分類面示意圖

對(duì)二維平面而言，最優(yōu)平面求解過程就是求取一條合適的分類線，將兩類數(shù)據(jù)分開，且能使分類間隔最大。

在樣本空間內(nèi)，分類線H的方程見式（1）。

式中：w為超平面方向的法向量；b是一個(gè)截距。

為保證訓(xùn)練集內(nèi)所有的樣本都能被正確分類，確定的約束見式（2）。

此時(shí)，最大化間隔分類等價(jià)于上述條件的約束最小化函數(shù)，見式（3）。

為了解決該約束條件下的最優(yōu)化問題，引入拉格朗日函數(shù)，見式（4）。

式中：αi＞0為拉格朗日函數(shù)系數(shù)。那么，問題就轉(zhuǎn)化為求變量w和b的凸二次規(guī)劃問題?？蓪⒋藛栴}的求解進(jìn)一步等價(jià)為約束條件式（5）下，求解式（6）的最大值問題。

如果αj*為最優(yōu)解，見式（7）。

式中：b*是對(duì)應(yīng)的分類域值，式中x s為特定的向量。此時(shí)，可以使用樣本向量的線性組合來表示w*。根據(jù)凸二次規(guī)劃問題的KKT條件，得出該優(yōu)化問題的解必須滿足式（8）。

在樣本集中，多數(shù)樣本對(duì)應(yīng)的αi為0，而只有少數(shù)樣本的αi取值不為0，此時(shí)αi對(duì)應(yīng)的向量稱為支持向量，也就是對(duì)應(yīng)圖5中落在直線上的樣本點(diǎn)。最優(yōu)分類函數(shù)的表達(dá)式見式（9）［7］。

對(duì)二維空間中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，SVM分類器是一條線。當(dāng)維數(shù)上升，推廣到三維或者n維空間時(shí)，SVM分類器則變?yōu)槿S空間中的一個(gè)平面，當(dāng)推廣到n維空間時(shí)，則變?yōu)閚-1維超平面，也被稱為最大間隔分類器。由此可知，最優(yōu)分類超平面需滿足兩個(gè)條件，即數(shù)據(jù)可分和分類間隔最大化。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)測(cè)試

本研究以ZF11Z-252型智能高壓開關(guān)為研究對(duì)象，開展對(duì)機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)的測(cè)試。智能高壓開關(guān)樣機(jī)集成了分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流（智能機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)）、開關(guān)位置狀態(tài)、SF6氣體微水、密度等信號(hào)采集功能。智能高壓開關(guān)機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)物理平臺(tái)示意圖如圖6所示。

圖6 智能高壓開關(guān)機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)物理平臺(tái)

測(cè)試過程如下。①多次操作GIS斷路器，監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)，將獲取的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到處理系統(tǒng)中。由于需要的數(shù)據(jù)量大，該過程可與樣機(jī)的機(jī)械壽命試驗(yàn)同步進(jìn)行。②按照規(guī)則剔除不符合要求的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)合格的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和歸一化處理，以便后續(xù)過程對(duì)數(shù)據(jù)的利用。③挑選訓(xùn)練樣本，人工對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)記，使樣本數(shù)據(jù)與缺陷類型一一對(duì)應(yīng)。④調(diào)用分類算法，利用樣本數(shù)據(jù)建立機(jī)械狀態(tài)評(píng)估模型。⑤模擬典型故障，采集原始數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)分析并輸出測(cè)試結(jié)果，在經(jīng)多次測(cè)量后，統(tǒng)計(jì)分析準(zhǔn)確率。如果準(zhǔn)確率低于預(yù)期值，則通過調(diào)整算法訓(xùn)練因子或增加訓(xùn)練樣本數(shù)量來進(jìn)行提高，直至達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本研究采用252 kV斷路器樣機(jī)展開相關(guān)測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見圖7。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)與KOCOS系統(tǒng)同步采集的分合閘過程的電流數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)誤差≤0.1%，完全滿足要求。系統(tǒng)能對(duì)典型缺陷進(jìn)行智能分析，圖8給出了其中一組數(shù)據(jù)的分析情況，系統(tǒng)判定為“傳動(dòng)缺陷”，與實(shí)際情況完全相符。

圖7 機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖8 有傳動(dòng)缺陷的機(jī)械特性曲線

4 結(jié)語

高壓開關(guān)設(shè)備作為電網(wǎng)控制、保護(hù)的重要執(zhí)行元件和關(guān)鍵設(shè)備，其智能化水平的提高和一二次融合程度的不斷加深，對(duì)電力裝備制造水平的提升起著重要的促進(jìn)作用［8］。本研究針對(duì)智能開關(guān)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中存在的問題，對(duì)集成式智能開關(guān)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)研究，設(shè)計(jì)方案采用優(yōu)化后的控制網(wǎng)絡(luò)和新型智能機(jī)構(gòu)，設(shè)備本體與控制設(shè)備的連接簡(jiǎn)單、可靠。在樣機(jī)功能開發(fā)的基礎(chǔ)上，開展?fàn)顟B(tài)評(píng)估技術(shù)研究，并搭建狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)開關(guān)設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的有效性。集成式智能高壓開關(guān)設(shè)備符合智慧變電站對(duì)一次設(shè)備集成設(shè)計(jì)、狀態(tài)感知和智能識(shí)別的要求，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。