配電網(wǎng)設備狀態(tài)評估方法探討

【摘要】文中對配電網(wǎng)設備狀態(tài)評估框架進行構建，分析配電網(wǎng)狀態(tài)評估的特征，并對配電網(wǎng)中重要設備的狀態(tài)信息進行描述，提出設備狀態(tài)量評估標準和配網(wǎng)設備狀態(tài)評估方法，為配電網(wǎng)狀態(tài)維修決策提供參考依據(jù)。

【關鍵詞】狀態(tài)評估；配電網(wǎng)；維修決策；在線監(jiān)測

1.引言

傳統(tǒng)的定期檢修不但影響供電的連續(xù)性，而且容易因突發(fā)故障檢修不及時造成停電事故。狀態(tài)檢修便是在這樣的背景下提出。狀態(tài)檢修即根據(jù)設備的狀態(tài)安排檢修計劃，使得檢修更加合理。設備狀態(tài)評估作為聯(lián)系狀態(tài)檢修兩個主要部分——信息處理與決策的橋梁，如何使用設備檢測的各項數(shù)據(jù)對設備當前所處狀態(tài)做出即時、準確、符合下一步?jīng)Q策要求的綜合評價在整個狀態(tài)檢修工作中顯得尤為重要。

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的基礎，直接與電力用戶聯(lián)系，配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行與廣大人民群眾息息相關。然而配電網(wǎng)結(jié)構復雜，運行過程中面臨的不確定性因素很多，因此，配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部分。對配電設備合理地安排檢修計劃是提高配電網(wǎng)設備運行可靠性的非常重要的措施。配電網(wǎng)設備種類繁多，數(shù)量龐大，要對配電網(wǎng)中設備進行準確的狀態(tài)評估存在許多困難，然而隨著在線監(jiān)測技術和通訊技術的發(fā)展，使得對龐大的配電網(wǎng)絡進行狀態(tài)評估成為可能。本文對配電網(wǎng)設備的狀態(tài)評估方法進行探討，希望能對配電網(wǎng)狀態(tài)評估技術的發(fā)展提供幫助。

2.配電網(wǎng)設備狀態(tài)評估框架

現(xiàn)有的DMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、配網(wǎng)GIS系統(tǒng)等均含有部分設備的狀態(tài)信息，為便于狀態(tài)信息的采集、查詢、分析、統(tǒng)計，需建立配電網(wǎng)狀態(tài)信息平臺。狀態(tài)信息平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用IEC61850通信協(xié)議。配電網(wǎng)狀態(tài)評估和輔助維修決策平臺旨在建立一個規(guī)范的變電設備狀態(tài)評估方法體系，針對不同的數(shù)據(jù)類型，采用不同的狀態(tài)評估方案，使狀態(tài)評估的結(jié)果更加合理。圖1給出了配電網(wǎng)狀態(tài)評估系統(tǒng)物理結(jié)構圖。

配電網(wǎng)設備狀態(tài)評估需要包含以下幾個過程：1）狀態(tài)信息獲取，包括設備制造信息、投運前信息、運行中信息如檢修信息、帶電檢測信息以及在線監(jiān)測信息等；2）狀態(tài)信息管理，由于狀態(tài)信息繁多冗雜，需要對這些信息進一步進行分類整理，提取滿足當?shù)貙嶋H情況的狀態(tài)信息作為狀態(tài)評估指標依據(jù)；3）評估算法，根據(jù)整理所得數(shù)據(jù)，針對不同設備采取相應的評估算法，以獲得正確的評估結(jié)果；4）評估結(jié)果驗證，利用長期收集的案例組成的知識庫，驗證評估結(jié)果的正確性。具體的配電網(wǎng)設備評估系統(tǒng)框圖如圖2所示。

根據(jù)配電網(wǎng)本身的特性，對配電網(wǎng)實施狀態(tài)評估的過程有以下兩個特點：

（1）配電網(wǎng)設備種類繁多，數(shù)量龐大，分散面廣。設備的型號、規(guī)格、容量和數(shù)量也隨著用戶及負荷的不同而變化。同一類型設備的故障率因安裝和使用情況的差異而有所不同。因此，配電網(wǎng)設備和元件的特性數(shù)據(jù)和原始參數(shù)必須通過長期的、連續(xù)的統(tǒng)計才能反映其真實規(guī)律。

（2）要優(yōu)先對配電網(wǎng)中最主要，發(fā)生故障最能對系統(tǒng)供電可靠性造成重大損失的設備實施狀態(tài)評估，要分清主次抓重點，逐步實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設備狀態(tài)評估。

3.配電網(wǎng)主要設備的狀態(tài)信息

配電網(wǎng)中最主要的設備有變壓器、開關柜、配線電路、避雷器、容性設備和電氣接地裝置等。龐大的狀態(tài)信息中，設備的制造信息、投運前信息的統(tǒng)計和整理均較為完善；定期檢修由于在國內(nèi)已實行多年，其信息也比較完整，也具有比較統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報告，比如預防性試驗報告等，這里不作詳細描述。本文主要介紹不同設備應用最為廣泛的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

3.1 變壓器

變壓器的功能是將某一電壓等級轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的另一電壓等級，是配電網(wǎng)中最主要的設備之一。變壓器分為許多種類型，我國的配電變壓器主要為油浸式變壓器，主要由鐵芯和繞組構成，并放置在裝有變壓器油的油箱內(nèi)。變壓器的在線監(jiān)測狀態(tài)信息主要包含以下幾種：

（1）變壓器油中溶解氣體監(jiān)測。絕緣油在熱和電的作用下，會分解出H2、CO、CO2以及多種低分子烴類氣體，當充油電氣設備存在內(nèi)部故障是，會產(chǎn)生的氣體種類、氣體的含量和氣體產(chǎn)氣率均不相同[1]，即不同的故障類型有著不同的特征氣體。油中溶解氣體的在線監(jiān)測技術已相當成熟，其在線監(jiān)測原理可參考文獻[2]。

（2）局部放電監(jiān)測。局部放電是造成高壓電器設備最終發(fā)生絕緣擊穿的主要原因，變壓器內(nèi)部的局部放電產(chǎn)生、發(fā)展直至擊穿需要一定的時間，因此局部放電監(jiān)測應以破壞性放電監(jiān)測為主。變壓器局部放電在線監(jiān)測主要方法有超聲波法、電脈沖法、超高頻法、光測法等[3]。

（3）變壓器繞組變形監(jiān)測。繞組是發(fā)生故障較多的部件之一，變壓器在承受短路沖擊后繞組容易發(fā)生機械變形。繞組變形的在線監(jiān)測通常通過監(jiān)測變壓器短路電抗實現(xiàn)，具有實時、判據(jù)明確等特點。

（4）熱點溫度監(jiān)測。對98℃以上，140℃以下的低溫過熱，油中不能分解出可燃氣體和糠醛，因此無法用氣相和液相色譜法來分析，而這種溫度又會影響變壓器的壽命，因此測量繞組的熱點溫度是十分必要的。

3.2 容性設備

容性設備包含耦合電容器、電容式套管、電容式電壓互感器和電流互感器等。容性設備在線監(jiān)測示意測量在相電壓作用下流過絕緣介質(zhì)的電流為基礎的，目前常用的方法有不平衡補償法、電橋法、過零檢測法、數(shù)字波形分析法等[4]。通過檢測流過絕緣介質(zhì)的電流以及電流與相電壓之間的相角差，可以獲得介質(zhì)損耗角正切以及電容量等信息。

3.3 配電線路

電力線路按結(jié)構可分為架空線路和電纜線路兩大類。架空線路由導線、避雷線、桿塔、絕緣子和金具等構成。電纜線路由導線、絕緣層、包護層等構成。架空線路的導線和避雷線都架設在空中，要承受自重、風力、冰雪荷載等機械力的作用和空氣中有害氣體的侵蝕，同時還受溫度變化的影響，運行條件相當惡劣。由于配電網(wǎng)絡線路現(xiàn)場狀況復雜，難以做到全面的在線監(jiān)測，大部分線路仍以巡查檢修為主。配電架空線路的在線監(jiān)測主要為10kV架空線路的在線監(jiān)測，昆明供電局安裝的架空線路在線監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)線路負荷檢測、單相接地故障和相間短路故障監(jiān)測、過負荷報警、缺相運行報警等功能[5]。

電纜線路的造價比架空線路高，雖然檢修電纜線路費工耗時，但電纜線路不需在地面上假設桿塔，占地面積少，供電可靠性高，安全性高。目前電力電纜在線監(jiān)測技術使用最廣泛的是接電線電流在線監(jiān)測[6]，另外還有帶電檢測如電纜頭測溫、寬頻局放檢測等。

3.4 其它設備

如避雷器的泄漏電流、開關柜的溫度監(jiān)測等，這里不作詳細介紹。

4.配電網(wǎng)設備狀態(tài)評估算法

電氣設備狀態(tài)評估的算法多種多樣，最理想的狀態(tài)評估算法應該能夠提供量化的評估結(jié)果，便于工作人員的審查和檢修決策的制定。文獻[7]針對農(nóng)村配網(wǎng)設備狀態(tài)評估作出探討，對不同的配網(wǎng)設備作出狀態(tài)評分，然而該文章缺點在于僅采用常規(guī)巡檢參數(shù)作為評估的狀態(tài)信息，缺乏實時性。本文也采用狀態(tài)評分方法，主要分為單一狀態(tài)量評分和綜合評分兩種。

4.1 單一狀態(tài)量評分

對于結(jié)構簡單，故障狀態(tài)量明顯的配電網(wǎng)設備，單一的檢測方法所取得的數(shù)據(jù)往往便能獲得設備的運行狀態(tài)，比如容性設備的介質(zhì)損耗角正切、氧化鋅避雷器的泄漏電流、電纜的接地電流等，這些參數(shù)可采取單一狀態(tài)量評分法。計算公式如式（1）所示：

4.2 綜合評分

對于結(jié)構復雜的配電設備，比如變壓器，單一的狀態(tài)量往往難以反映設備的總體狀態(tài)或者某個部件的運行狀態(tài)，因而需要對多個狀態(tài)量進行綜合。綜合評分首先也要根據(jù)式（1）對單一量進行評分，并聯(lián)合多個能夠共同反映設備同一部件或同一故障形式的量作為綜合評分的狀態(tài)信息。比如繞組短路阻抗、繞組絕緣介損、繞組電容量和油中溶解氣體H2含量均能反映繞組故障，便可將這四個狀態(tài)量作為變壓器繞組的綜合評分狀態(tài)信息。綜合評分的計算公式如式（2）所示：

其中，xi為綜合量中的第i個單一狀態(tài)量的評分；wi為第i個單一量占綜合量評分的權重；m為該綜合量中單一量的個數(shù)；X為綜合評分值。綜合評分的關鍵在于單一量權重的確定，這同樣需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和學習過程。

根據(jù)設備的評分值判斷設備的運行狀態(tài)，并制定相應的檢修策略。按照百分制，配電網(wǎng)設備運行狀態(tài)與評分值之間的關系如表1所示。

5.結(jié)束語

本文對配網(wǎng)設備的狀態(tài)評估方法進行探討，提出配網(wǎng)設備的狀態(tài)評估框架和思路，對配電網(wǎng)重要設備的狀態(tài)信息和評估算法進行介紹。然而本文僅僅是對配網(wǎng)狀態(tài)評估作出了一定的探索和實踐，許多問題仍需進一步研究，比如在線監(jiān)測量的警示值、綜合量的各分量權重等需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、挖掘確定；評估結(jié)果需要根據(jù)已有案例對所采用的算法進行驗證等。

電力行業(yè)目前正經(jīng)歷著供銷體系的重大變革，即電力市場化運營。無論發(fā)電公司還是電網(wǎng)都會在確?？煽啃郧疤嵯鲁浞挚紤]電力運行的經(jīng)濟性。配網(wǎng)設備的可靠性正是設備監(jiān)測與檢修的首要目的。配網(wǎng)運行的經(jīng)濟性則對設備檢修的合理性、經(jīng)濟性提出了更多的要求。準確的狀態(tài)評估使得檢修計劃的制定更加合理，以減少維修過程造成的資源浪費。

參考文獻

[1]GB/T7252-2001，變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則[S].

[2]王友元，廖瑞金，陳偉根等.基于油色譜分析的變壓器故障在線預測方法[J].重慶大學學報（自然科學版），2005， 28（7）：34-37.

[3]王東升，丁立健，于龍濱.變壓器局部放電在線監(jiān)測技術[J].東北電力技術，2007（3）：34-37.

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[7]李禾.農(nóng)網(wǎng)配電線路設備狀態(tài)評估方法的探討[J].重慶電力高等?？茖W校學報，2012，17（3）：74-76，94.

作者簡介：

王彤（1976—），男，助理工程師，主要從事電力城區(qū)配網(wǎng)線路的運行檢修與搶修工作。

蘇柯（1982—），男，助理工程師，主要從事電力城區(qū)配網(wǎng)線路的運行檢修與搶修工作。

張帆（1986—），男，助理工程師，主要從事電力城區(qū)配網(wǎng)線路的運行檢修與搶修工作。

侯慧萍（1987—），女，助理工程師，主要從事電力城區(qū)配網(wǎng)線路的運行檢修與搶修工作。