基于可拓分析和熵值法的GIS狀態(tài)評估

王濤云，馬宏忠，崔楊柳，姜 寧，李 凱，許洪華

?

基于可拓分析和熵值法的GIS狀態(tài)評估

王濤云1，馬宏忠1，崔楊柳1，姜 寧2，李 凱2，許洪華2

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；2.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019)

GIS運行狀態(tài)評估是指導GIS狀態(tài)檢修的重要手段。將可拓分析理論引入GIS狀態(tài)評估中，以SF6氣體組分指標為主，并結(jié)合SF6氣體的純度、濕度和氣體中空氣含量指標來構(gòu)建關(guān)聯(lián)函數(shù)。結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)值與規(guī)程中規(guī)定的注意值和警示值的關(guān)系確定GIS狀態(tài)等級關(guān)系及相應的檢修策略。運用熵值法理論解決了GIS狀態(tài)評估中各指標的權(quán)重問題。實例分析表明，該評估方法可以準確地評估GIS的各個氣室狀態(tài)，有利于監(jiān)測預警和制定綜合檢修策略。

GIS；狀態(tài)評估；可拓分析；關(guān)聯(lián)函數(shù)；熵值法

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear，GIS)是電網(wǎng)運行的關(guān)鍵輸變電設(shè)備，被廣泛應用于我國110 kV及以上電壓等級電網(wǎng)中[1-3]，GIS包括元件多，結(jié)構(gòu)復雜，其性能和運行狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安全運行，GIS的狀態(tài)評估與判斷是亟待解決的關(guān)鍵問題[4]。在對GIS進行診斷分析的基礎(chǔ)上進一步進行狀態(tài)評價，制定快速、準確、合理的檢修策略，以迅速確定故障點、故障原因和類型，對于減少停電時間，提高維修效率和設(shè)備利用率具有至關(guān)重要的意義。

自20世紀80年代起，俄羅斯、德國、加拿大、日本等國家對SF6氣體分解技術(shù)進行了大量的實驗和檢測研究[5-9]?；赟F6氣體分解產(chǎn)物檢測的設(shè)備故障診斷技術(shù)研究，設(shè)立多個重大科研項目，取得了較大的成果。文獻[10]分析了SF6氣體分解產(chǎn)物檢測理論，并對運行、故障和型式試驗后的設(shè)備的氣體分解產(chǎn)物進行檢測和結(jié)果分析，以確定不同狀態(tài)下開關(guān)設(shè)備的SF6氣體分解產(chǎn)物組分及其含量，進而得到表征設(shè)備故障的SF6氣體分解特征氣體。文獻[11]總結(jié)前期研究成果的基礎(chǔ)上，提出了開關(guān)設(shè)備故障現(xiàn)場預判的參考指標及綜合診斷依據(jù)，并現(xiàn)場普測開關(guān)設(shè)備的SF6氣體分解產(chǎn)物。文獻[12]對GIS設(shè)備分解產(chǎn)物進行帶電檢測，并對檢測結(jié)果統(tǒng)計分析，得到不同類型設(shè)備中的分解產(chǎn)物特性。文獻[13]將SF6氣體分解產(chǎn)物應用到GIS故障診斷中。文獻[14]將SF6氣體中雜質(zhì)含量應用到GIS故障診斷中。

結(jié)合現(xiàn)有的研究成果可知，GIS運行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的特征氣體以SO2、H2S為主，以HF、CF4、CO和CO2為輔，可判斷設(shè)備狀態(tài)從而進行監(jiān)測預警。本文以SF6氣體組分指標為主，并結(jié)合SF6氣體的純度、濕度和氣體中空氣含量指標來對GIS狀態(tài)進行綜合評估。引入可拓分析理論來構(gòu)造各指標的關(guān)聯(lián)函數(shù)，結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)值與規(guī)程中規(guī)定的注意值和警示值的關(guān)系確定GIS狀態(tài)等級關(guān)系及相應的檢修策略。若GIS狀態(tài)為異常和嚴重時，應綜合應用特高頻、超聲波和振動法進行檢測分析。運用熵值法理論解決了GIS狀態(tài)評估中各指標的權(quán)重問題。實例分析表明，該評估方法可以準確地評估GIS的各個氣室狀態(tài)，有利于監(jiān)測預警和制定綜合檢修策略。

1 ?GIS評估指標關(guān)聯(lián)函數(shù)構(gòu)造

1.1 GIS評估指標的經(jīng)典域和節(jié)域

GIS各試驗數(shù)據(jù)通常情況下有兩個取值區(qū)間，一是經(jīng)典域即GIS正常運行時基本量變要求范圍；二是節(jié)域即GIS狀態(tài)發(fā)生改變的質(zhì)變范圍。GIS的各參量在量變范圍內(nèi)變化，其功能可以正常發(fā)揮；當GIS的量變突變到質(zhì)變的范圍內(nèi)時，則GIS可能存在故障，需要綜合診斷，加以確定。根據(jù)IEC62271-2003[15]、IEC60480-2007[16]的規(guī)定及大量的實驗室研究和現(xiàn)場實測，結(jié)合現(xiàn)有的分解產(chǎn)物評價指標，確定了GIS各評估指標的經(jīng)典域和節(jié)域如表1所示。

表1 GIS評估指標的經(jīng)典域和節(jié)域

1.2 基于可拓分析的GIS評估指標關(guān)聯(lián)函數(shù)構(gòu)造

可拓學中的幾個定義如下[17]：實軸上任意一點與實域上任意一有限區(qū)間0=[,]的距為，其計算式為

給定區(qū)間=[,]，且，則定義點關(guān)于區(qū)間0和組成的區(qū)間套的位值規(guī)定為

給定區(qū)間0=[,]，，則定義點與區(qū)間0關(guān)于0的左側(cè)距為

給定區(qū)間0=[,]，，則定義點與區(qū)間0關(guān)于0的右側(cè)距為

給定區(qū)間0=[,]，=[,]，，且，則最優(yōu)點0處的初等關(guān)聯(lián)函數(shù)為

此關(guān)聯(lián)函數(shù)在=0時達到最大值。

以越小越優(yōu)型指標SO2為例，分析SO2評估指標的關(guān)聯(lián)函數(shù)。由表1可知0=[0, 5]，=[0, 10]，由式(1)可得任意一個SO2的檢測值與區(qū)間0和的距分別為：，。由式(2)得點關(guān)于區(qū)間0和組成的區(qū)間套的位值為

SO2的值越小越好，所以最優(yōu)值0在區(qū)間0的左側(cè)，即0=0，所以由左側(cè)距公式(3)得。由式(5)可得氣體組分SO2的關(guān)聯(lián)函數(shù)為

設(shè)依次為0、2.5、5、7.5、10、15，分別計算其關(guān)聯(lián)函數(shù)值：(0)=1；(2.5)=0.5；(5)=0；(7.5)=-0.5；(10)=-1；(15)=-1.625。由計算可知SO2含量小于5 μL?L-1，關(guān)聯(lián)函數(shù)為正，且SO2含量越小關(guān)聯(lián)函數(shù)值越高，GIS的狀態(tài)越好；SO2含量等于5 μL?L-1，關(guān)聯(lián)函數(shù)為0，代表了規(guī)程中規(guī)定的注意值，即指標從量變突變到質(zhì)變的臨界點；SO2含量大于5 μL?L-1，關(guān)聯(lián)函數(shù)為負，表示指標已不在正常變化范圍之內(nèi)，可能存在故障，性能劣化越嚴重，關(guān)聯(lián)函數(shù)值負的越多。

越大越優(yōu)型指標以SF6氣體純度為例，最優(yōu)值0在區(qū)間0的右側(cè)，所以使用右側(cè)距公式建立關(guān)聯(lián)函數(shù)。直接給出計算結(jié)果為

同理，可以獲得其他指標的關(guān)聯(lián)函數(shù)，由于文章篇幅有限，不再贅述。由關(guān)聯(lián)函數(shù)值與規(guī)程中規(guī)定的注意值和警示值的關(guān)系，定義關(guān)聯(lián)函數(shù)的值與狀態(tài)等級及檢修策略的關(guān)系，如表2所示。

表2關(guān)聯(lián)函數(shù)值與狀態(tài)等級的關(guān)系

Table 2 Corresponding relation of correlation function value and state level

2 ?基于綜合權(quán)重的GIS的SF6氣體指標權(quán)重分配

2.1 評估指標常權(quán)權(quán)重的確定

指標的常權(quán)權(quán)重主要由GIS運行和檢修的五位權(quán)威性專家根據(jù)實際經(jīng)驗和基于GIS的SF6氣體檢測記錄統(tǒng)計獲得，專家在0~10之間給出GIS的SF6氣體各指標的評價值如表3所示。

五位權(quán)威性較高的專家的權(quán)重值e依次為0.72、0.68、0.65、0.62、0.78。SF6氣體指標的常權(quán)權(quán)重按計算，將其歸一化后可得

表3 SF6氣體組分指標評價值

2.2 基于熵值法的評估指標變權(quán)重系數(shù)的應用

為保證GIS運行狀態(tài)評估的準確性，評估時多次測量縱向歷史數(shù)據(jù)，利用熵值法[18-20]對常權(quán)權(quán)重值進行適當?shù)男拚?，以滿足評估指標變化的情況和具體實際問題中的動態(tài)差異，從而更加重視變化量大的指標，可以準確反映GIS的實際運行狀態(tài)。

設(shè)有次測量結(jié)果，個評價指標，其構(gòu)成數(shù)據(jù)矩陣為

(6)

某項指標的熵值表達式為

式中：>0，且=1/ln；；由式(7)可知，對于給定的指標，x差異性越大，則e越小，即該指標在綜合評估中的重要度就越高，為了方便理解，定義一個與指標測量數(shù)據(jù)差異性成正比的差異性因素向量=(1,2,,g)，則g=1-e。利用歸一化差異因數(shù)對常權(quán)權(quán)重進行調(diào)整得到變權(quán)權(quán)重[21]：

式中，w是常權(quán)權(quán)重值。

3 ?實例分析

2009年3月，現(xiàn)場檢修人員對某126 kV的 GIS進行日常巡視檢查時，發(fā)現(xiàn)某線路的隔離開關(guān)內(nèi)部有輕微的異聲，并對該氣室進行SF6氣體組分分析，多次測量縱向歷史數(shù)據(jù)，測量結(jié)果如表4所示。

表4 SF6氣體組分在線測量數(shù)據(jù)

將2009年5月12日測得的氣體組分指標代入關(guān)聯(lián)函數(shù)計算得1(SO2)=-1.2，2(H2S)=-0.333，3(CO)=-0.4，4(CF4)=-2，5(CO2)=2.3，6(HF)=0。利用熵值法，通過測量的三組縱向歷史數(shù)據(jù)對常權(quán)權(quán)重進行適當?shù)男拚苑从持笜司唧w變化情況，由式(6)可得數(shù)據(jù)矩陣36；由式(7)得到熵值；因而可計算出差異因素向量，并將其歸一化后為；再按式(8)計算出變權(quán)重系數(shù)。

=[0.820 0, 0.865 0, 0.947 7, 0.855 6, 0.892 2, 0.900 8]，=[0.250 5, 0.187 8, 0.072 8, 0.200 9, 0.150 0, 0.1380]，=[0.227 0, 0.193 2, 0.126 5, 0.177 9, 0.152 7, 0.1227]，氣體組分狀態(tài)判定值。

截至2009年5月12日同時測得SF6氣體純度為98.88%、空氣含量為150 μL?L-1及微水含量為600 μL?L-1。由關(guān)聯(lián)函數(shù)計算它們的關(guān)聯(lián)函數(shù)值依次為-0.053 6、-2和0.32，結(jié)合這幾項指標來綜合判斷GIS狀態(tài)。由上述分析可知氣體組分、SF6氣體純度、空氣含量和微水含量的關(guān)聯(lián)函數(shù)均為負值且氣體組分關(guān)聯(lián)函數(shù)值已小于-1，所以該氣室的故障已存在，需要安排正常設(shè)備更換該故障氣體；對退出的故障氣室進行超聲波、特高頻及振動信號多種局部放電檢測方法綜合診斷故障原因。檢測到超高頻信號的三維圖譜如圖1所示。

由圖1可以看出：局部放電信號在工頻周期內(nèi)分布規(guī)律，在工頻信號的正、負半周均有放電，主要集中在第一、第三象限，放電相位特征明顯，放電量較大且穩(wěn)定，放電重復率低。呈現(xiàn)出懸浮電位放電的典型圖譜。

AIA超聲波局部放電測試儀采用連續(xù)和相位測量模式，分別如圖2、圖3所示。

圖1局部放電UHF信號的三維圖譜

圖2 連續(xù)測量模式圖

圖3相位測量模式圖

由圖2可以看出：信號的有效值和峰值分別4 mV和20 mV，100 Hz的相關(guān)性明顯強于50 Hz。由圖3可以看出：可知一個周期內(nèi)信號有兩簇較集中的聚集點。由此可以判斷該氣室有電位懸浮故障。

解體檢查發(fā)現(xiàn)，CT的B相的屏蔽筒和筒壁的緊固螺栓松動，且靠近B相有大量的SF6分解粉末，如圖4所示。

圖4 氣室解體圖

4 結(jié)論

(1) GIS在線狀態(tài)評估以SF6氣體組分指標為主，并結(jié)合SF6氣體的純度、濕度和氣體中空氣含量指標來對GIS狀態(tài)進行判斷和監(jiān)測預警。根據(jù)評估結(jié)果，綜合應用特高頻、超聲波和振動法進行檢測分析。

(2) 引入可拓分析方法，構(gòu)造各指標的關(guān)聯(lián)函數(shù)，使GIS在正常運行的量變范圍內(nèi)關(guān)聯(lián)函數(shù)值為正，且關(guān)聯(lián)函數(shù)值越大狀態(tài)越優(yōu)；指標從量變突變到質(zhì)變的臨界點時關(guān)聯(lián)函數(shù)為0；GIS在不正常的運行范圍內(nèi)關(guān)聯(lián)函數(shù)為負值，且關(guān)聯(lián)函數(shù)值負的越多，GIS性能劣化越嚴重。

(3) 運用熵值法理論對GIS各指標常權(quán)權(quán)重值進行適當?shù)男拚詽M足評估指標變化的情況和具體實際問題中的動態(tài)差異。

(4) 通過實例分析表明，基于可拓分析和熵值法的GIS狀態(tài)評估可以準確地評估GIS的各個氣室狀態(tài)，有利于監(jiān)測預警和制定綜合檢修策略。

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(編輯 魏小麗)

Condition evaluation of gas insulated switchgear based on extension analysis and entropy method

WANG Taoyun1, MA Hongzhong1, CUI Yangliu1, JIANG Ning2, LI Kai2, XU Honghua2

(1. College of Energy and Electrical Engineering, HoHai University, Nanjing 211100, China; 2. Jiangsu Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China)

Condition evaluation of GIS is an important approach to providing decision-making for condition maintenance. Extension analysis is introduced into condition evaluation of GIS. With the basis of indexes of SF6 gas components, combining with the purity, air humidity and air content of SF6indexes to construct correlation functions according to SF6 gas components are widely used to the operation of GIS. Determine the relationship between the condition level and the corresponding maintenance strategies based on relations of correlation function values and note values and warning values specified by procedures. Entropy method is used to solve the weight problems of each index for GIS condition assessment. The results of an example analysis indicate that the method in this paper is capable of assessing the state of GIS in each chamber and it is conducive to the monitoring and early warning and developing comprehensive maintenance strategy.

gas insulated switchgear; condition evaluation; extension analysis; correlation function; entropy method

10.7667/PSPC151651

2015-09-16

王濤云(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；E-mail: 15751871750@163.com

馬宏忠(1962-)，男，博士，教授，研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；E-mail:hhumhz@163.com

崔楊柳(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。E-mail:cuiylhhu@163.com

江蘇省電力公司2015年重點科技項目(J2015054)