基于GIS組合設(shè)備的SF6氣體壓力精準監(jiān)測研究

李治 張洋 殷軍 崔巖 李黎

摘 要：SF6氣體壓力數(shù)據(jù)中的野值會導致數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，使SF6氣體壓力在線監(jiān)測精度與效率下降，設(shè)計一種針對變電站GIS組合電器設(shè)備的SF6氣體壓力在線監(jiān)測方法。通過SF6氣體壓力數(shù)據(jù)采集架構(gòu)獲取氣體壓力數(shù)據(jù)，采用回歸模型檢測并剔除壓力數(shù)據(jù)中的野值。以剔除野值后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Beattie-Bridgman方程計算電氣設(shè)備實時SF6氣體壓力值，利用灰色理論對壓力值展開擬合處理獲得精準的SF6氣體壓力在線監(jiān)測值。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的方法針對SF6氣體壓力數(shù)據(jù)采集質(zhì)量高，監(jiān)測精度較高。

關(guān)鍵詞：

GIS組合設(shè)備；SF6氣體；壓力監(jiān)測；回歸模型；數(shù)據(jù)補償

中圖分類號：TM631;TP274

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0177-04

Research on accurate monitoring of SF6 gas pressure based on GIS combination equipment

LI Zhi1，ZHANG Yang2，YIN Jun1，CUI Yan3，LI Li1

（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300310，China;

2.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China;

3.State Grid Tianjin Electric Power Company High Voltage Branch，Tianjin 300310，China）

Abstract：The outliers in SF6 gas pressure data can lead to poor data quality，leading to a decrease in the accuracy and efficiency of online monitoring of SF6 gas pressure.Therefore，a SF6 gas pressure online monitoring method for GIS combined electrical equipment in substations was designed.Gas pressure data through the SF6 gas pressure data collection architecture was obtained，and regression models were used to detect and eliminate outliers in the pressure data.Based on the data after removing outliers，the Beattie Bridgman equation was used to calculate the real-time SF6 gas pressure value of electrical equipment.Grey theory was used to fit and process the pressure value to obtain accurate online monitoring values of SF6 gas pressure.The experimental results indicated that the designed method had high quality data collection and monitoring accuracy for SF6 gas pressure.

Key words：GIS combined electrical equipment;SF6 gas;pressure monitoring;regression model;data compensation

SF6氣體具有無色、無毒和無味等化學特點，由于其滅弧性能和電氣絕緣性能良好，被廣泛應(yīng)用在各種電氣設(shè)備中，如變壓器、電流電壓互感器等［1-2］。變電站GIS組合電器設(shè)備極易出現(xiàn)SF6氣體泄露的問題，進而導致氣體壓力和密度降低，對人體健康產(chǎn)生一定的影響，同時降低了設(shè)備運行的安全性［3］。因此，監(jiān)測變電站GIS組合電氣設(shè)備中SF6氣體壓力可以保證人體健康和設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行。

針對以上問題的研究已經(jīng)取得了比較多的成果，例如分析了SF6氣體的光譜特性，針對混合氣體中各組分在光學波段內(nèi)存在的交叉干擾問題，采用交叉干擾處理技術(shù)對其展開校正，以此測量光學波段內(nèi)SF6氣體各組分的體積分數(shù)，實現(xiàn)壓力的監(jiān)測［4］。然而，該方法采集的氣體數(shù)據(jù)中存在大量的野值，導致數(shù)據(jù)采集質(zhì)量低。針對SF6氣體的局部放電情況進行了分析，并建立了相應(yīng)的數(shù)學模型，以此計算放電量，完成對SF6氣體的泄露監(jiān)測［5］。但是，該方法的監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果不符，且監(jiān)測時間過長，存在監(jiān)測精度低和監(jiān)測效率低的問題。

SF6氣體壓力數(shù)據(jù)中的野值會導致數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，因此提出變電站GIS組合電器設(shè)備SF6氣體壓力在線監(jiān)測方法。

1 SF6壓力數(shù)據(jù)采集與野值數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

設(shè)計用于變電站GIS組合電器設(shè)備SF6氣體壓力數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可知，利用多個SF6氣體采集裝置實時采集變電站GIS組合電器設(shè)備SF6氣體壓力信息，并對采集到的數(shù)據(jù)通過485總線或是以太網(wǎng)傳輸給SF6氣體監(jiān)測裝置，數(shù)據(jù)中心可以通過光纖或是IEC1850網(wǎng)絡(luò)獲取SF6氣體監(jiān)測裝置中的信息，數(shù)據(jù)中心可以對數(shù)據(jù)分析、處理與顯示，以此保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量與效率。

1.2 野值剔除

采集的SF6氣體壓力數(shù)據(jù)中會不可避免的存在野值，為了提高監(jiān)測精度，本文采用回歸模型［6-8］識別壓力數(shù)據(jù)中存在的野值，并將其剔除，提高壓力數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量。

假設(shè)Zerr代表采集到的壓力數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連續(xù)的野值數(shù)量；Zc代表野值數(shù)據(jù)參考寬度。根據(jù)Zerr、Zc可在采集的SF6氣體壓力數(shù)據(jù)中識別并剔除野值數(shù)據(jù)。

野值長度Zerr可通過下式計算得到：

Zerr=terr×gs

（1）

式中：terr代表野值持續(xù)的時間；gs代表SF6氣體采集裝置的頻率。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)Zerr的值過小與過大均會對野值剔除效果產(chǎn)生影響。因此需要根據(jù)工作經(jīng)驗以及SF6氣體壓力實際采集情況確定野值長度Zerr。當Zc的值過小時，無法準確的識別SF6氣體壓力數(shù)據(jù)中的野值;當Zc的值過大時，容易將正常的壓力數(shù)據(jù)判定為野值。

回歸平滑處理采集的SF6氣體壓力數(shù)據(jù)獲得回歸參考值，為了準確的識別SF6氣體壓力數(shù)據(jù)x（k）中存在的野值，所提方法設(shè)置了2個參考值X^b（k）、X^a（k），其計算公式分別為：

X^b（k）=∑Zci=1x（k-z-i）ZcX^a（k）=∑Zci=1x（k+z+i）Zc

（2）

式中：i、k為常數(shù)；z表示針對參考壓力數(shù)據(jù)的位置，目前識別位置對應(yīng)的最小偏移量?？赏ㄟ^下式計算得到：

z=Zerr2

（3）

式中：·」代表向下取整。

偏離范圍Rx（k）指的是當前時刻采集的SF6氣體壓力數(shù)據(jù)偏離附近值的范圍：

Rx（k）=Vmax（Zerr+Zc）2gs

（4）

式中：Vmax表示參數(shù)變化的最大值。

根據(jù)參考值X^b（k）、X^a（k）和偏離范圍Rx（k）確定用于野值識別的動態(tài)閾值范圍X^min（k）、X^max（k）。

當X^b（k）≤X^a（k）時，存在：

X^min（k）=X^b（k）-Rx（k）X^max（k）=X^a（k）+Rx（k）

（5）

當X^b（k）>X^a（k）時，存在：

X^min（k）=X^a（k）-Rx（k）X^max（k）=X^b（k）+Rx（k）

（6）

當x（k）X^max（k）時，表明數(shù)據(jù)x（k）屬于野值，將其剔除，剔除野值后的數(shù)據(jù)集合用X表示。

2 SF6氣體壓力在線監(jiān)測

采用Beattie-Bridgman方程計算變電站GIS組合電器設(shè)備的SF6氣體壓力p：

p=0.57×10-4ρt（1+B）-X′ρ2A

（7）

式中：ρ代表SF6氣體密度；t代表溫度；容器體積A；SF6氣體質(zhì)量B的計算公式為：

A=0.75×10-4（1-0.727×10-3ρ）

B=2.51×10-3ρ（1-0.846×10-3ρ）

（8）

假設(shè)存在一個變電站GIS組合電器設(shè)備的采集狀態(tài)數(shù)據(jù)序列P（0）=［p（0）（1），p（0）（2），…，p（0）（n）］，同時構(gòu)造累加數(shù)據(jù)數(shù)列P（1）=［p（1）（1），p（1）（2），…，p（1）（n）］，在此基礎(chǔ)上生成變電站GIS組合電器設(shè)備狀態(tài)的緊鄰均值X（1）=［x（1）（1），x（1）（2），…，x（1）（n）］，其中元素x（1）（n）可通過設(shè)備SF6氣體壓力狀態(tài)值計算得到：

x（1）（n）=p（1）（n）+p（1）（n-1）p

（9）

利用變電站GIS組合電器設(shè)備的緊鄰均值和壓力狀態(tài)分別建立矩陣N、U：

N=

-x（1）（2）1-x（1）（3）1-x（1）（n）1

，U=

-p（0）（2）-p（0）（3）-p（0）（n）

（10）

采用最小二乘估計法［9-11］根據(jù)上述矩陣設(shè)置參數(shù)β^=

（NTN）-1NTU=ab，并確定a、b的值。根據(jù)灰色理論GM（1，1）［12-13］對壓力值展開擬合處理：

r=dβ ^Up（1）dt+Nax

（11）

結(jié)合壓力值擬合［14-15］結(jié)果，確定SF6氣體壓力在線監(jiān)測結(jié)果如下：

PZ=rUp（0）（1）-Nba+Nba

（12）

3 實驗與分析

為了驗證變電站GIS組合電器設(shè)備SF6氣體壓力在線監(jiān)測方法的整體有效性，需要對其

展開測試。

變電站GIS組合電器設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：

額定電壓126 kV，

額定工作耐受電流230 kV，

額定頻率50 Hz，

額定電流3 150 A，

額定短時耐受電流40 kA，

額定峰值耐受電流100 kA，

額定短路持續(xù)時間4 s。

額定SF6氣體壓力（斷路器氣室）0.6 MPa＼.

SF6氣體年漏氣率小于1%＼.

SF6氣體水分含量（斷路器氣室）300 mg/L。

數(shù)據(jù)采集是監(jiān)測變電站GIS組合電器設(shè)備的關(guān)鍵步驟，引入RMS錯值作為指標，對所提方法、文獻［3］方法和文獻［4］方法的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量展開測試，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著采集數(shù)據(jù)的增多，所提方法、文獻［3］方法和文獻［4］方法的RMS錯值逐漸增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是采集的數(shù)據(jù)中存在異常數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量，在相同數(shù)據(jù)量下，所提方法的RMS錯值最低，說明該方法的數(shù)據(jù)采集結(jié)果更佳。

對一天內(nèi)變電站GIS組合電器設(shè)備的SF6氣體壓力展開在線監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由圖4可知，采用所提方法展開監(jiān)測時，獲得的監(jiān)測值與實際值相符，采用文獻［3］方法和文獻［4］方法展開監(jiān)測測試時，獲得的監(jiān)測值與實際值具有比較大的差距，說明這2種方法的監(jiān)測精度比較低，而所提方法具有良好的監(jiān)測精度。

采用上述方法在-25～25 ℃條件下展開監(jiān)測測試，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在不同的環(huán)境溫度下，所提方法的監(jiān)測結(jié)果仍然保持較高精度，驗證了所提方法具有良好的適用性。

4 結(jié)語

變電站GIS組合電器設(shè)備SF6氣體壓力在線監(jiān)測方法對采集壓力數(shù)據(jù)展開了野值剔除處理，提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，根據(jù)壓力值計算結(jié)果實現(xiàn)氣體壓力監(jiān)測，并通過實驗驗證了該方法的有效性。結(jié)合該方法的檢測結(jié)果，可以及時發(fā)現(xiàn)可能存在的泄漏問題，預防設(shè)備事故的發(fā)生，對于保證設(shè)備的安全運行和人員健康具有重要意義，還可以提高設(shè)備的運行效率和使用壽命。

【參考文獻】

［1］ 尹旭坤，董磊，武紅鵬，等.面向SF6氣體絕緣設(shè)備故障檢測的光聲CO氣體傳感器設(shè)計和優(yōu)化［J］.物理學報，2021，70（17）：82-88.

［2］ 田忠，常敏，金海勇，等.GIS設(shè)備內(nèi)SF6氣體泄漏檢測技術(shù)創(chuàng)新研究［J］.粘接，2023，50（1）：192-196.

［3］ 馬御棠，劉剛，耿浩，等.正極性電場中SF6氣體對導電微粒帶電特性的影響［J］.北京交通大學學報，2022，46（2）：160-166.

［4］ 陳圖南，馬鳳翔，袁小芳，等.SF6氣體絕緣電氣設(shè)備故障分解物檢測的多組分交叉干擾及校正算法綜述［J］.電工電能新技術(shù)，2021，40（1）：43-54.

［5］ 何聰，張軒瑞，袁文澤，等.交流與雷電沖擊疊加電壓下SF6氣體中沿面局部放電測量與數(shù)值計算［J］.中國電機工程學報，2021，41（1）：200-210.

［6］ 秦瑞兵，趙姣.一種基于遞歸殘差的回歸模型變點檢驗［J］.山西大學學報（自然科學版），2022，45（2）：363-368.

［7］ 鄭金輝，余旌胡，丁義明，等.回歸模型參數(shù)的變點檢測方法研究［J］.數(shù)學物理學報，2021，41（4）：1124-1134.

［8］ 于靜，王偉，王振林，等.一種基于多元回歸分析的元素測井氧閉合模型［J］.粘接，2020，41（2）：44-48.

［9］ 陳晶，朱全民.有理模型辨識的兩類新方法—混合迭代與柔性最小二乘法［J］.控制與決策，2022，37（1）：58-66.

［10］ 楊小玉，宋佳昕，謝里陽，等.基于最小二乘迭代威布爾分布的三參數(shù)估計［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2023，51（2）：20-26.

［11］ 薛光明，寧鵬，錢明軍，等.基于改進平均秩的最小二乘參數(shù)估計方法［J］.機械強度，2023，45（2）：380-385.

［12］ 徐寧，丁松，公彥德.灰色GM（1，1）預測模型及拓展研究進展［J］.數(shù)學的實踐與認識，2021，51（13）：52-59.

［13］ 程毛林，劉斌.拓展的灰色GM（1，1）冪模型及其應(yīng)用［J］.統(tǒng)計與信息論壇，2021，36（10）：3-11.

［14］ 張常光，單冶鵬，高本賢.考慮擋墻位移的土壓力數(shù)學擬合新方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2021，40（10）：2124-2135.1004.

［15］ 許浩源，李媛媛.GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對SAW壓力傳感器測量數(shù)據(jù)的擬合［J］.電子測量與儀器學報，2021，35（4）：7-14.

收稿日期：2023-10-13；修回日期：2024-01-17

作者簡介：李 治（1977-），男，碩士，高級工程師，研究方向：電力安全生產(chǎn)監(jiān)督管理;E-mail：lizhi_tj@126.com。

通訊作者：

李 黎（1976-），男，碩士，高級工程師，研究方向：電力安全生產(chǎn)監(jiān)督管理;E-mail：sunflowerpurple@126.com。

基金項目：

天津市自然科學基金項目（項目編號：20216KL42）。

國家電網(wǎng)公司科技項目（項目編號：1400-202157215A-0-0-00）；

引文格式：李 治，張 洋，殷 軍，等.基于GIS組合設(shè)備的SF6氣體壓力精準監(jiān)測研究［J］.粘接，2023，51（3）：177-180.