一種基于廣域量測(cè)的電容式電壓互感器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)樂(lè)山供電公司，四川 樂(lè)山 614000；3.國(guó)網(wǎng)甘孜供電公司，四川 康定 626000; 4.國(guó)網(wǎng)南充供電公司， 四川 南充 637000)

0 引 言

電力系統(tǒng)運(yùn)行分析離不開(kāi)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)物理量數(shù)據(jù)的測(cè)量裝置，測(cè)量裝置的精度與運(yùn)行狀態(tài)會(huì)伴隨使用年限與變電站端的復(fù)雜工況而發(fā)生變化，導(dǎo)致電壓采集量的偏移與突變。電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次采樣-轉(zhuǎn)換-傳輸周期，再傳送至調(diào)度自動(dòng)化主站分析系統(tǒng)后，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的偏差進(jìn)一步放大，甚至已經(jīng)無(wú)法在母線節(jié)點(diǎn)上滿足基爾霍夫定律，導(dǎo)致潮流計(jì)算與各類電網(wǎng)分析難以收斂，成為電網(wǎng)各項(xiàng)分析預(yù)警功能的重大隱患[1]。測(cè)量裝置的運(yùn)行管理包括現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及升級(jí)換代，如無(wú)法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，將難以適應(yīng)變電站智能化對(duì)測(cè)量設(shè)備智能化管理的迫切需求。

互感器誤差受采集原理與惡劣環(huán)境等影響會(huì)在其工作壽命內(nèi)出現(xiàn)量測(cè)偏差越限，同時(shí)互感器分布范圍大、數(shù)量多、難以帶電檢測(cè)與全面感知，使得現(xiàn)有的管理機(jī)制與檢驗(yàn)手段無(wú)法確定其真實(shí)情況與潛在隱患。

如何在面對(duì)廣域、多源頭、多測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)高效甄別、去偽存真，對(duì)其充分利用是一項(xiàng)世界難題。下面通過(guò)借助精細(xì)化的電容式電壓互感器采集偏差模型，對(duì)采集偏差貢獻(xiàn)進(jìn)行分解、聚類，結(jié)合廣域量測(cè)整合分析，突破量測(cè)波動(dòng)不確定局限，對(duì)廣域分布的互感器展開(kāi)量測(cè)偏差分析與運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)[2]。

1 基于廣域量測(cè)數(shù)據(jù)的偏差模型

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研[3]，電力系統(tǒng)高電壓等級(jí)中三相電壓分量不平衡度較低，可認(rèn)為三相電氣量呈對(duì)稱平衡分布。單個(gè)電容式電壓互感器(CVT)三相采集偏差貢獻(xiàn)D，主要由如下獨(dú)立偏差貢獻(xiàn)Di組成：分壓器引起的偏差D1、電磁單元引起的偏差D2、電源頻率變化引起的偏差D3、溫度變化引起的偏差D4、其他原因引起的偏差D5。

對(duì)某三相對(duì)稱運(yùn)行電網(wǎng)的A監(jiān)控范圍內(nèi)的任意第j個(gè)CVT(j∈A)，在任意t時(shí)刻取被量測(cè)點(diǎn)AB相的相間電壓值V(j，t),一定時(shí)間范圍內(nèi)的線電壓量測(cè)值矩陣記為

M(j，t)=D(j，t)×V(j，t),j∈A

(1)

定義總偏差矩陣為

(2)

1.1 設(shè)備內(nèi)部偏差

高壓電容C1和中壓電容C2的實(shí)際值與額定值C1n和C2n不相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓誤差。

(3)

額定頻率下可以利用電抗器的調(diào)節(jié)繞組對(duì)相位差進(jìn)行調(diào)整，但當(dāng)電容C1的介損因數(shù)tanδ1和電容C2的介損因數(shù)tanδ2不相等時(shí)，就會(huì)增加相位誤差。

(4)

在分壓部分不出現(xiàn)故障的情況下，測(cè)量偏差主要由分壓器變比引起，記為D1=fC∠δC。

電磁單元誤差包括空載誤差和負(fù)荷誤差，互感器運(yùn)行時(shí)應(yīng)為負(fù)荷誤差。

電壓誤差：

(5)

相位誤差：

(6)

在電磁單元不出現(xiàn)故障的情況下，測(cè)量偏差主要由電磁單元誤差引起，記為D2=fL∠δL。

設(shè)備內(nèi)部偏差主要由分壓偏差D1與電磁單元偏差D2組成，對(duì)某電網(wǎng)A監(jiān)控范圍內(nèi)的任意第j個(gè)CVT(j∈A)，定義一定時(shí)間范圍內(nèi)的內(nèi)部偏差矩陣Din(j，t)。

(7)

1.2 外部因素偏差

實(shí)際電網(wǎng)上的頻率經(jīng)常是偏離額定頻率的，這樣|X1-XC|的值將發(fā)生變化，即存在剩余電抗X0=|X1-XC|，相對(duì)于額定容抗之比，暫記為電源頻率變化引起的偏差D3。

此外，溫度變化、電磁干擾、數(shù)據(jù)傳輸通道等其他原因?qū)е碌钠?，在常?guī)運(yùn)行環(huán)境中具有較大隨機(jī)性，難以通過(guò)電氣模型精確描述。

因此，在分析過(guò)程中將D3、D4、D5合并成為外部因素偏差。對(duì)某電網(wǎng)A監(jiān)控范圍內(nèi)的任意第j個(gè)CVT(j∈A)，在任意t時(shí)刻采樣值S(j，t),定義一定時(shí)間范圍內(nèi)的外部偏差矩陣Dout(j，t)。

(8)

這部分偏差作為總偏差矩陣D(j，t)的一部分，會(huì)被集中監(jiān)視的主站系統(tǒng)納入統(tǒng)計(jì)，但是對(duì)設(shè)備本體的運(yùn)行健康狀態(tài)無(wú)法正確反饋。

將外部偏差矩陣定義為修正矩陣。因此，排除電源頻率、溫度變化、電磁干擾、數(shù)據(jù)傳輸通道等外界干擾因素，在總偏差矩陣的基礎(chǔ)上通過(guò)修正矩陣，即外部偏差矩陣進(jìn)行修正后，獲取真正能夠反饋設(shè)備問(wèn)題運(yùn)行狀況的內(nèi)部偏差矩陣Din(j，t)，成為了基于廣域運(yùn)行數(shù)據(jù)開(kāi)展設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

(9)

2 偏差分析與修正

2.1 基于狀態(tài)估計(jì)的聚類與集群

面對(duì)變電站電壓互感器數(shù)量眾多，分布廣泛的特點(diǎn)，求取不同特征環(huán)境下的修正矩陣[4]，即外部偏差矩陣Dout(j，t)，j∈A，從實(shí)時(shí)監(jiān)視的時(shí)效性上考慮存在一定困難。若基于一定環(huán)境特征開(kāi)展聚類分析，選取一定特征下的互感器集群J，嘗試求取Dout(j，t)，j∈J，(J為A的子集)，可極大縮短偏差分析的計(jì)算時(shí)間。同樣將作為輸入量的廣域量測(cè)數(shù)據(jù)M(j，t)，j∈A按照特征劃分為局部量測(cè)數(shù)據(jù)M(j，t)，j∈J。

真實(shí)的電壓值經(jīng)互感器、AD轉(zhuǎn)換、合并單元、前置網(wǎng)關(guān)機(jī)、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)等多級(jí)傳輸送至調(diào)控主站。傳輸過(guò)程中延時(shí)、誤差、丟失等原因?qū)е碌牟涣級(jí)臄?shù)據(jù)只能反映多級(jí)量測(cè)傳輸設(shè)備的狀態(tài)，需要經(jīng)剔除清理后才能用于源頭，即電壓互感器的狀態(tài)評(píng)估。

為保持電網(wǎng)可觀性，相同電壓節(jié)點(diǎn)的量測(cè)采集數(shù)據(jù)存在冗余?；谶@種冗余性開(kāi)展的狀態(tài)估計(jì)，可以幫助解決通道中斷和一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變更等外部偏差因素。若將相同電壓節(jié)點(diǎn)的電壓互感器納入一個(gè)統(tǒng)一的集群進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以高效區(qū)別內(nèi)部偏差與外部偏差對(duì)局部量測(cè)的總偏差進(jìn)行修正。

同一個(gè)集群的外部偏差在傳輸通道、時(shí)間延遲等因素上都具有較大共性，而集群間的偏差則相對(duì)獨(dú)立。不同電壓節(jié)點(diǎn)的量測(cè)采集數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)因素不大，不同電壓節(jié)點(diǎn)的電壓互感器納入不同集群，例如甲站500 kV集群與乙站220 kV集群的運(yùn)行環(huán)境存在典型區(qū)別。

2.2 基于局部量測(cè)的總偏差分析

基于電網(wǎng)冗余SCADA量測(cè)，調(diào)度自動(dòng)化主站的狀態(tài)估計(jì)應(yīng)用可以求得互感器集群J中各量測(cè)點(diǎn)AB相的相間電壓值，組成電壓值矩陣V(j，t)，j∈J。在電力系統(tǒng)中，電壓采集數(shù)據(jù)往往都需要在變電站采集。變電站端不具備大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采樣值需經(jīng)過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸至調(diào)控主站匯集。調(diào)控主站電壓數(shù)據(jù)根據(jù)采樣間隔主要分為：毫秒級(jí)的WAMS電壓值和秒級(jí)的SCADA電壓值。對(duì)于相同的時(shí)間間隔Tw，多通道的電壓量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于各個(gè)量測(cè)點(diǎn)相同的互感器，可以獲取每一個(gè)集群J內(nèi)部的互感器j在調(diào)控主站對(duì)應(yīng)的N個(gè)量測(cè)值M(j，k，t)，j∈J，k=1，2，……，N。

假設(shè)量測(cè)數(shù)據(jù)總體大致呈正態(tài)分布，如圖1所示。黑色區(qū)域是距平均值小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)的數(shù)值范圍。在正態(tài)分布中，此范圍所占比率為全部數(shù)值之68%。對(duì)于正態(tài)分布，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)(黑色、淺黑)的比率合起來(lái)為95%。對(duì)于正態(tài)分布，正負(fù)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之內(nèi)(黑色、淺黑、灰色)的比率合起來(lái)為99%,如圖1所示。

圖1 正態(tài)分布概率

(10)

由于電壓量測(cè)在調(diào)控主站均與電網(wǎng)一次設(shè)備模型一一關(guān)聯(lián)供狀態(tài)估計(jì)計(jì)算應(yīng)用，即對(duì)任意互感器j∈J有電壓量測(cè)M(j，t)與電壓值V(j，t)一一對(duì)應(yīng)，從而可以在調(diào)控主站實(shí)時(shí)求取基于局部量測(cè)數(shù)據(jù)M(j，t)，j∈J的總偏差矩陣D。

(11)

2.3 廣域量測(cè)異常辨識(shí)與修正

由于外部偏差作為修正矩陣不具備相應(yīng)電氣模型的支持，存在隨機(jī)性且波動(dòng)范圍大，非常容易導(dǎo)致修正后的內(nèi)部偏差矩陣出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)而引起誤判斷。考慮將集群J中的所有外部因素偏差簡(jiǎn)化為與j，t無(wú)關(guān)的隨機(jī)波動(dòng)量Dout，從而可以在相同電壓節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的集群J中求取修正后的局域內(nèi)部偏差矩陣Din。

(12)

若在狀態(tài)估計(jì)計(jì)算中，將電網(wǎng)A劃分為了P個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)，每個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的互感器集群J存在特定的修正矩陣Dout(p)，則對(duì)電網(wǎng)A中的任意互感器j∈J，可以計(jì)算出廣域內(nèi)部偏差矩陣Din。

(13)

3 基于內(nèi)部偏差的評(píng)估分析

類似于人體健康指數(shù)，互感器設(shè)備也同樣存在健康程度，對(duì)于大規(guī)模互感器設(shè)備而言，追蹤設(shè)備壽命過(guò)程，建立每一套設(shè)備的健康指數(shù)，能夠更好地幫助評(píng)估設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀。可將廣域內(nèi)部偏差矩陣Din(j，t)作為所有電壓互感器的健康指數(shù)“風(fēng)向標(biāo)”。橫向?qū)Ρ认嗤a(chǎn)廠家與相同型號(hào)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可將電容式互感器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分為健康、亞健康、不健康。內(nèi)部偏差超過(guò)該型號(hào)設(shè)備精度范圍即定義為不健康狀態(tài)；內(nèi)部偏差超過(guò)該型號(hào)設(shè)備精度范圍的80%而未超過(guò)100%即定義為亞健康狀態(tài)；內(nèi)部偏差不超過(guò)該型號(hào)設(shè)備精度范圍的50%即定義為健康狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)備內(nèi)部偏差模型，貫穿式擊穿故障會(huì)導(dǎo)致電容式互感器短時(shí)間周期內(nèi)從健康狀態(tài)直接進(jìn)入不健康狀態(tài)；分壓設(shè)備的老化偏移則會(huì)讓電容式互感器經(jīng)歷健康狀態(tài)—亞健康狀態(tài)—不健康狀態(tài)這一長(zhǎng)期過(guò)程。

4 應(yīng)用算例

以某調(diào)控主站的500 kV變電站220 kV母線運(yùn)行狀態(tài)為例，狀態(tài)估計(jì)可以判斷出并列運(yùn)行的Ⅰ母線、Ⅱ母線、Ⅲ母線線電壓228.412∠-2.375 kV與停運(yùn)的旁路母線線電壓0 kV，組成局部電壓值矩陣V，如表1所示。

基于某日15：30時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可獲知各互感器采集值M，并計(jì)算偏差值D與內(nèi)部偏差值Din，如表2所示。

基于當(dāng)月電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以15 min為采樣周期，在24 h內(nèi)共存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)96次，可繪制96點(diǎn)電壓互感器偏差電壓曲線。繪制內(nèi)部偏差曲線后發(fā)現(xiàn)該站Ⅱ母線PT內(nèi)部偏差存在78點(diǎn)超過(guò)該設(shè)備型號(hào)精度范圍的80%，即長(zhǎng)期超出最大允許采集偏差，處于亞健康狀態(tài)，懷疑電磁單元二次側(cè)出現(xiàn)匝間短路或電容單元存在損壞，建議停電檢修期間開(kāi)展核查。

5 結(jié) 語(yǔ)

所有的調(diào)控主站為開(kāi)展調(diào)度、監(jiān)控范圍內(nèi)的電網(wǎng)分析，必然需要消除SCADA不良量測(cè)，獲取收斂的可觀測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，基于每一個(gè)電壓節(jié)點(diǎn)都需要冗余的電壓量測(cè)值。冗余測(cè)點(diǎn)的量測(cè)數(shù)據(jù)為互感器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視提供了有效的分析環(huán)境。

利用調(diào)控主站數(shù)據(jù)采集面廣，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期長(zhǎng)，電網(wǎng)拓?fù)浞治鰷?zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，最大程度利用現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)，以相同電壓節(jié)點(diǎn)為特征，聚集電壓互感器集群，將廣域電壓偏差劃分為局域電壓偏差，逐步修正集群內(nèi)外部因素偏差，剔除不良數(shù)據(jù)。

表1 局部電壓值矩陣

表2 內(nèi)部偏差矩陣

實(shí)踐證明，調(diào)控主站的電壓運(yùn)行數(shù)據(jù)可以輔助評(píng)估電壓互感器的運(yùn)行狀態(tài)并給出隱患預(yù)警，無(wú)需額外增加采集成本，擴(kuò)大廠站無(wú)人值守后的監(jiān)視范圍，為電網(wǎng)監(jiān)視與分析提供更高的可靠性。