絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制

明菊蘭，錢洲亥，余璐靜，徐恒昌，程士軍

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司， 杭州 310014； 3.杭州申昊科技股份有限公司， 杭州 311121)

0 引 言

電力系統(tǒng)向超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動(dòng)化方向發(fā)展，提高電氣設(shè)備的運(yùn)行可靠性顯得尤為重要,電力變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行更是毋庸置疑。監(jiān)測(cè)變壓器狀態(tài)及早發(fā)現(xiàn)并排除變壓器可能存在的故障，成為保障供電可靠性的重要手段之一。從20世紀(jì)70年代始絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以及故障診斷方法得到了發(fā)展和應(yīng)用，從簡單的氣敏檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展到氣相色譜儀，光聲光譜儀、傅里葉紅外光譜儀等，檢測(cè)器從可燃?xì)怏w傳感器發(fā)展到半導(dǎo)體傳感器、微型熱導(dǎo)傳感器、氦離子傳感器、光聲光譜檢測(cè)器、傅里葉紅外光譜傳感器[1-7]。絕緣油中溶解氣體在線色譜監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油中溶解氣體組分含量，在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，僅國網(wǎng)某公司共安裝4 000余臺(tái)油中溶解氣體在線色譜監(jiān)測(cè)裝置，其中500 kV及以上變壓器(電抗器)安裝率100%。大量在線色譜儀的安裝投運(yùn)，也帶來檢測(cè)誤差大，故障誤報(bào)、漏報(bào)率高等問題，需要開展周期性的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。

目前絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)[8-12]工作才剛剛起步，按照“DL/T 1432.2-2015變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范：變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置[13]”及“Q/GDW 10536-2017變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范[14]”規(guī)定，其主要過程是：配制不同濃度的工作油樣，在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)工作油樣，同時(shí)人工取樣、實(shí)驗(yàn)室色譜儀檢測(cè)[15]，把實(shí)驗(yàn)室色譜儀的檢測(cè)結(jié)果作為參考值，在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果與參考值比較，計(jì)算在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)誤差并進(jìn)行分級(jí)。目前國內(nèi)外尚無成熟和實(shí)用性強(qiáng)的校驗(yàn)裝置，校驗(yàn)過程需要在線監(jiān)測(cè)裝置的廠家深度配合，人工完成校驗(yàn)工作，存在著標(biāo)準(zhǔn)油樣配制難、工作效率低等問題，迫切需要開發(fā)集參考油樣的配制、現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集與評(píng)估及校準(zhǔn)功能于一體的自動(dòng)化校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)[16]。

文中就絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了研制，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效配制工作油樣，自動(dòng)進(jìn)行誤差計(jì)算和準(zhǔn)確度分級(jí)，該系統(tǒng)還創(chuàng)造性地利用最小二乘法[17]原理進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)結(jié)果和參考值曲線擬合，提高在線校準(zhǔn)裝置檢測(cè)的精密度。

1 設(shè)計(jì)原理與理論分析

現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的基本理念是試驗(yàn)校驗(yàn)過程的自動(dòng)化：(1)能自動(dòng)配制不同濃度的參考油樣，并能在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定儲(chǔ)存；(2)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同濃度油樣切換和管路清洗、以及進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)；(3)實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化的評(píng)估，自動(dòng)計(jì)算被校儀器的均值、重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差、重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差等；(4)能實(shí)現(xiàn)再校準(zhǔn)，依據(jù)被校儀器的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及參考數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成曲線擬合，減小試驗(yàn)誤差，提高結(jié)果準(zhǔn)確度。

絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理見圖1，整套系統(tǒng)由人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)組成。通過人機(jī)交換界面和本地控制系統(tǒng)完成參考油樣的配制與校驗(yàn)，待校絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置、參考油樣定值系統(tǒng)連接參考油缸，通過IEC 61850等協(xié)議與工控機(jī)連接，系統(tǒng)自動(dòng)依據(jù)校驗(yàn)程序開展校驗(yàn)，狀態(tài)信息接入控制器(CAC)同步采集在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和參考值，校驗(yàn)完成后，WEB系統(tǒng)對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)處理、曲線擬合校準(zhǔn)、報(bào)告輸出等。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.1 參考油樣的配制與校驗(yàn)

參考油樣中的溶解氣體濃度要求能覆蓋在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)范圍，從而全面評(píng)估在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)性能。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：低濃度參考油樣，總烴含量小于10 μL/L，其中乙炔(C2H2)接近最低檢測(cè)限值0.5 μL/L(允許偏差≤0.5 μL /L)；中濃度參考油樣，總烴含量介于10 μL/L～150 μL/L之間；高濃度參考油樣，總烴含量介于150 μL/L和最高檢測(cè)限值兩者之間。

本系統(tǒng)使用H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2等七組的混合標(biāo)氣來配制高、中、低濃度三種參考油樣。油樣配制基于分配定律和物料平衡原理，即在恒溫、恒壓條件下油樣與氣體構(gòu)成的密閉系統(tǒng)內(nèi)，油中溶解氣體在氣、液兩相達(dá)的分配平衡，依據(jù)式(1)～式(3)，配制不同濃度的參考油樣。

Cil=Ki×Cig

(1)

Cis×Vs=Vl×Cil+Vg×Cig

(2)

(3)

式中Ki為試驗(yàn)溫度下，氣、液平衡后溶解氣體i組分的分配系數(shù)(或稱氣體溶解系數(shù))；Cil為平衡條件下，溶解氣體i組分在液體中的濃度(μL/L)；Cig為平衡條件下，溶解氣體i組分在氣體中的濃度(μL/L)；Vs為配制參考油樣時(shí)定量標(biāo)氣的體積(mL)；Cis為七組分混合標(biāo)氣中i組分的濃度(μL/L)。

自動(dòng)配油模塊包含低濃度油缸、中濃度油缸、高濃度油缸、空白油缸、廢油缸、正負(fù)壓泵及其配套的管道和閥門等 (見圖2)。

圖2 參考油樣的配制與校驗(yàn)裝置圖

通過人機(jī)交換界面輸入標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度、配制油樣的目標(biāo)濃度等參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)氣體定量氣缸進(jìn)氣次數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)油、加溫、進(jìn)氣、油循環(huán)、靜置、排氣，完成參考油樣的配制。然后通過系統(tǒng)完成油樣的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校驗(yàn)過程，包括不同濃度油樣切換、管路清洗、實(shí)現(xiàn)不同重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)的設(shè)定并實(shí)施等。校準(zhǔn)程序一般按照低、中、高濃度切換，更換樣品前管路需進(jìn)行清洗，清洗油樣進(jìn)入廢油缸儲(chǔ)放。低、高濃度可設(shè)定2次～3次重復(fù)試驗(yàn)，中濃度進(jìn)行6次～7次重復(fù)檢測(cè)，待校驗(yàn)在線監(jiān)測(cè)裝置可同時(shí)接1臺(tái)～3臺(tái)，校驗(yàn)期間可接入自動(dòng)定值系統(tǒng)同步檢測(cè)或人工取樣實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)賦值。

1.2 自動(dòng)評(píng)估與再校準(zhǔn)

系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效地評(píng)估：自動(dòng)依據(jù)式 (4)～式(9)計(jì)算被校驗(yàn)儀器的均值、重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差、重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，自動(dòng)計(jì)算參考值均值、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差，并能依據(jù)內(nèi)置的評(píng)估原則(見表1)自動(dòng)進(jìn)行A、B、C、未達(dá)C級(jí)等級(jí)評(píng)定，出具校驗(yàn)報(bào)告。

表1 測(cè)量誤差分級(jí)規(guī)則

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

本系統(tǒng)采用最小二乘法曲線擬合的方法，達(dá)到高效校準(zhǔn)的功能。在線監(jiān)測(cè)儀器和定值系統(tǒng)測(cè)試一組參考油樣，得到某氣體組分含量的一組均值(xi,yi)，xi為在線監(jiān)測(cè)儀器的檢測(cè)均值，yi為定值系統(tǒng)的檢測(cè)均值，如果通過前面的評(píng)估，檢測(cè)誤差大，達(dá)不到A級(jí)，甚至不合格，但在線監(jiān)測(cè)裝置的性能穩(wěn)定，采用線性傳感器，依據(jù)式(10)計(jì)算correl(x,y)，如correl(x,y)不低于0.99，則表明在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)結(jié)果和定值系統(tǒng)相關(guān)性較好，可通過最小二乘法，按式(11)、式(12) 計(jì)算斜率b、截距a，得到校準(zhǔn)曲線Y=a+bX。

(10)

(11)

(12)

依據(jù)校準(zhǔn)方程計(jì)算某在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)結(jié)果xi校準(zhǔn)后的檢測(cè)結(jié)果Yi，計(jì)算Yi與yi的絕對(duì)誤差，相對(duì)誤差，并進(jìn)行分級(jí)出具校準(zhǔn)后的報(bào)告。通過該種方法，得到的殘差和為0，殘差的平方和最小。監(jiān)控平臺(tái)通過技術(shù)手段，同時(shí)顯示在線監(jiān)測(cè)裝置原生檢測(cè)結(jié)果X以及再校準(zhǔn)后的檢測(cè)結(jié)果Y，實(shí)現(xiàn)減小誤差，提高準(zhǔn)確度的功能。

一般在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)選擇3個(gè)參考油樣，首先進(jìn)行不過原點(diǎn)的曲線擬合，如擬合后某些組分的準(zhǔn)確度還不滿意，在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)低濃度參考油樣有反響應(yīng)(即參考油樣的濃度大于在線監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)限)可考慮加上原點(diǎn)(即理想空白油樣)進(jìn)行曲線擬合。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果討論

按照上述設(shè)計(jì)原理和思路，完成了相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試，并對(duì)所研制的絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)使用。

2.1 參考油樣的配制及儲(chǔ)存穩(wěn)定性

參考油樣的配制參數(shù)如下：油缸總體積15 L，其中油相體積11 L，氣相體積4 L，配制三種濃度定量標(biāo)氣體積分別為100 mL、1 000 mL、2 500 mL。所用標(biāo)氣為某公司提供，各組分含量分別為：H2(5.05×10-3V/V)、CH4(5.23×10-4V/V)、C2H6(3.43×10-4V/V)、C2H4(4.02×10-4V/V)、C2H2(9.09×10-5V/V)、CO(6.17×10-3V/V)、CO2(5.99×10-3V/V)，底氣為氮?dú)?。具體配制數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出：研制的配油裝置可以在2 h左右配制較大容量的濃度符合要求的參考油樣，并且由于油樣為單相、密封保存，能在較長時(shí)間濃度保持穩(wěn)定，連續(xù)10天的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：中、高濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過5%，低濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過11%。

表2 參考油樣配制

2.2 自動(dòng)評(píng)估及再校準(zhǔn)

利用該系統(tǒng)對(duì)1 000 kV安吉變電站安蘭1線高抗A相在線監(jiān)測(cè)裝置開展了校驗(yàn)和評(píng)估，結(jié)果如表3所示。

表3 在線監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)評(píng)估分級(jí)表

表3顯示該臺(tái)在線監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確度評(píng)估等級(jí)不理想，B級(jí)、C級(jí)，甚至不合格結(jié)果較多，綜合評(píng)級(jí)為未達(dá)C級(jí)。

對(duì)該在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了最小二乘法曲線擬合校準(zhǔn)，評(píng)估結(jié)果如表4所示。

表4 在線監(jiān)測(cè)裝置曲線擬合校驗(yàn)后評(píng)估分級(jí)表

從表4看，氫氣和甲烷采用不過原點(diǎn)、其余組分采用過原點(diǎn)的校驗(yàn)方式，檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)correl(x,y)0.99以上，相關(guān)性較好，經(jīng)曲線擬合校準(zhǔn)，全部達(dá)到了A級(jí)，準(zhǔn)確度級(jí)別提高了。在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定、使用線性傳感器、檢測(cè)數(shù)據(jù)和參考值相關(guān)性好的前提下，采取過原點(diǎn)或不過原點(diǎn)的最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，可以高效地提高在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度等級(jí)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

利用研制的系統(tǒng)對(duì)1 000 kV特高壓浙北站15臺(tái)、浙中站12臺(tái)、浙南站15臺(tái)、±800 kV金華換流變24臺(tái)在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果：浙北變電站0臺(tái)為A級(jí)、2臺(tái)B級(jí)、2臺(tái)C級(jí)、11臺(tái)未達(dá)C級(jí)，經(jīng)最小二乘法再校準(zhǔn)后評(píng)估，5臺(tái)A級(jí)，8臺(tái)B級(jí)，1臺(tái)C級(jí)、1臺(tái)未達(dá)C級(jí)；浙中站0臺(tái)A級(jí)，1臺(tái)B級(jí)、2臺(tái)C級(jí)、9臺(tái)未達(dá)C級(jí)，經(jīng)再校準(zhǔn)后評(píng)估，2臺(tái)A級(jí)，4臺(tái)B級(jí)、2臺(tái)C級(jí)、4臺(tái)未達(dá)C級(jí)；浙南變站0臺(tái)A級(jí)、0臺(tái)B級(jí)、2臺(tái)C級(jí)、13臺(tái)未達(dá)C級(jí)，經(jīng)再校準(zhǔn)后評(píng)估，5臺(tái)A級(jí)，7臺(tái)B級(jí)、2臺(tái)C級(jí)、1臺(tái)未達(dá)C級(jí)。金華換流站6臺(tái)A級(jí)，18臺(tái)未達(dá)C級(jí)，經(jīng)再校準(zhǔn)后24臺(tái)A級(jí)。其中經(jīng)再校準(zhǔn)后不合格的原因主要是因?yàn)樵诰€監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與參考值之間的相關(guān)性較差的緣故。

在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過程中，一體化校驗(yàn)平臺(tái)可以靈活地接入1臺(tái)～3臺(tái)在線監(jiān)測(cè)裝置，校準(zhǔn)工作可以24 h無人值守自動(dòng)完成，大大提高了校準(zhǔn)效率。最小二乘法曲線擬合校準(zhǔn)方法在國家電網(wǎng)公司得到推廣，將在特高壓交流監(jiān)控平臺(tái)中得到應(yīng)用。

3 結(jié)束語

成功研制了一種絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)評(píng)估及校準(zhǔn)系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：

(1)該系統(tǒng)可快速配制并穩(wěn)定儲(chǔ)存較大容量的低、中、高三種濃度的參考油樣，解決了絕緣油溶解氣體組分在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)；

(2)該系統(tǒng)通過人機(jī)界面、程序控制、以及相應(yīng)的電磁閥、管道、閥門及油缸等部件實(shí)現(xiàn)了低、中、高三個(gè)油樣的自動(dòng)校驗(yàn)、空白油樣清洗等功能，提高了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)效率；

(3)該系統(tǒng)自動(dòng)采集在線監(jiān)測(cè)裝置、自動(dòng)定值系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算檢測(cè)重復(fù)性、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差，并依據(jù)內(nèi)置分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，提高了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)效率；

(4)該系統(tǒng)采用最小二乘法原理對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，高效地提高在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

該系統(tǒng)的成功研制，大大提高絕緣油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的效率和在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，在電力行業(yè)有極大的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。