基于溫度傳感器的變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控方法

姬建富，劉宏偉，侯云飛，曹國(guó)梁，徐祖茵

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司蒙城縣供電公司，安徽 亳州 233500)

0 引言

變壓器具有電壓變換、阻抗變換等功能，是輔助電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備[1]。一旦變壓器出現(xiàn)故障問題，直接影響供電服務(wù)，為了確保變壓器運(yùn)行狀態(tài)良好，往往會(huì)在變壓器線圈下方安裝冷卻風(fēng)機(jī)，促進(jìn)變壓器的散熱，從而延長(zhǎng)變壓器的使用周期[2]?？紤]到冷卻風(fēng)機(jī)的重要功能，如何針對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，成為了電網(wǎng)研究的重點(diǎn)問題。

文獻(xiàn)[3]依托于非均勻環(huán)境參數(shù)，提出一個(gè)新的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控方法。采用耦合有限監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及降維線性模型進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的快速預(yù)測(cè)。同時(shí)，以解決分布“超實(shí)時(shí)”問題為目標(biāo)，設(shè)計(jì)相對(duì)完善的最優(yōu)評(píng)估方法，以此為基礎(chǔ)生成最終在線監(jiān)控技術(shù)。但是，該方法監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大。文獻(xiàn)[4]深入分析設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械轉(zhuǎn)矩與阻尼之間的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)一種新的在線監(jiān)控方法。以超低頻振蕩機(jī)組為主，根據(jù)振蕩頻率識(shí)別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性。但是，該方法響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5]以紅外攝像機(jī)為主要工具，將其安裝在合適的位置。根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境的紅外輻射吸收強(qiáng)度，選定最佳紅外波長(zhǎng)，結(jié)合作用距離定義公式，計(jì)算出最優(yōu)監(jiān)控距離。針對(duì)紅外攝像機(jī)采集圖像，進(jìn)行模糊圖像校正處理，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。但是，該方法抗干擾能力較差。

文中以變壓器冷卻風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用溫度傳感器直接獲取設(shè)備溫度信息測(cè)量結(jié)果，并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，所提方法與傳統(tǒng)方法相比，漏警概率大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控準(zhǔn)確性的提升。

1 基于溫度傳感器的變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

1.1 建立溫度傳感器布置方案

考慮到引發(fā)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障的因素有很多，文中采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析候選風(fēng)險(xiǎn)因素，生成有限狀態(tài)集，將溫度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，以“狀態(tài)”的形式表現(xiàn)出來(lái)[6]。針對(duì)所有的輸入風(fēng)險(xiǎn)因素狀態(tài)量，獲取組件狀態(tài)向量，再得到傳感器信息向量，將其以信息狀態(tài)集的形式表現(xiàn)出來(lái)，可得到：

(1)

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中傳感器信息狀態(tài)，確定冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度傳感器。考慮到初始監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以提供監(jiān)控信息，為了降低計(jì)算難度，在保證溫度信息完整的前提下，盡可能減少溫度傳感器數(shù)量。

針對(duì)每個(gè)傳感器位置進(jìn)行分析，獲取相應(yīng)的信息度量函數(shù)值，作為后續(xù)傳感器分配的基礎(chǔ)。信息度量函數(shù)值的計(jì)算，是為了保證溫度信息采集結(jié)果的全面性，每個(gè)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)[7]，溫度監(jiān)控值與變量之間存在密切關(guān)聯(lián)，根據(jù)事件發(fā)生概率與事件包含信息，將信息度量函數(shù)表示為：

(2)

式中：U表示事件包含的信息量；log表示對(duì)數(shù)函數(shù)；c表示對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)；k表示事件；η表示事件發(fā)生的概率。

溫度傳感器采集信息的單位，受到對(duì)數(shù)底數(shù)取值的影響。所以，傳感器組合數(shù)量計(jì)算公式為：

(3)

式中：l1表示傳感器位置潛在數(shù)量；l2表示允許的傳感器數(shù)量。為了便于計(jì)算，文中引入二進(jìn)制分析技術(shù)，分析風(fēng)險(xiǎn)因素狀態(tài)量，與傳感器布置數(shù)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到最合理的溫度傳感器布置方案。

1.2 構(gòu)建分布式溫度傳感模型

該文所提出的在線監(jiān)控方法，選用了分布式光纖傳感器，根據(jù)拉曼散射光完成溫度信息采集[8]。依托于量子力學(xué)原理，在入射光與介質(zhì)分子的共同作用下，拉曼散射的能級(jí)如圖1所示。

圖1 分子的拉曼散射能級(jí)圖

在正常拉曼聲子頻率下，光纖分子可以轉(zhuǎn)化為斯托克斯拉曼光子、反斯托克斯拉曼光子，分別表示為：

(4)

式中：a表示反斯托克斯拉曼散射光；s表示斯托克斯拉曼散射光；p表示入射光；v表示頻率；Δv表示拉曼聲子頻率；h表示光子散射性能。

分布式光纖度傳感器工作過(guò)程中，兩種散射光在激光脈沖傳播作用下，產(chǎn)生的光通量計(jì)算公式為：

(5)

式中：φ表示光通量；G表示散射截面相關(guān)系數(shù)；f0表示入射光平均傳播損耗；fs表示斯托克斯拉曼散射光平均傳播損耗；fa表示反斯托克斯拉曼散射光平均傳播損耗；exp 表示指數(shù)函數(shù)；W表示與粒子數(shù)分布相關(guān)的溫度調(diào)制函數(shù)。

針對(duì)兩種拉曼散射光進(jìn)一步分析，得出溫度調(diào)制函數(shù)表達(dá)公式：

(6)

式中：r表示波爾茲曼常數(shù)；E表示開爾文絕對(duì)溫度。

由于光纖分子與激光分子之間存在互相影響，入射光在分子的作用下，形成低頻的拉曼散射光子，并完成相鄰振動(dòng)態(tài)之間的連接[9]。引入波爾茲曼定律，根據(jù)光纖分子的粒子數(shù)熱分布情況，得到拉曼散射光強(qiáng)度比計(jì)算公式：

(7)

式中：θ表示散射光的強(qiáng)度；y表示普朗克常數(shù)。根據(jù)反斯托克斯拉曼散射光、斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比值結(jié)果，獲取變壓器冷卻風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。

變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控時(shí)，為了提升溫度傳感器的信噪比，增強(qiáng)溫度采集的抗干擾能力，文中提出將脈沖編碼技術(shù)，融入到分布式溫度傳感模型設(shè)計(jì)過(guò)程中。將激光序列脈沖看作發(fā)射源，通過(guò)調(diào)整脈沖寬度和最小脈沖值，增強(qiáng)溫度傳感器的空間分辨率，并達(dá)到抑制光纖非線性效應(yīng)的目的。結(jié)合了脈沖編碼、解碼技術(shù)的溫度傳感器，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用脈沖編碼、解碼的溫度傳感器示意圖

根據(jù)圖2所示的溫度傳感器結(jié)構(gòu)，完成變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行溫度的準(zhǔn)確采集，為后續(xù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸信道數(shù)字濾波

溫度傳感器采集的信息，主要向監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行傳輸，文中設(shè)計(jì)了2個(gè)指令的傳輸單元，2個(gè)信息傳輸單元作為中間件[10]，并建立數(shù)據(jù)傳輸通道，得到圖3所示的通訊模式。

利用圖3所示的數(shù)據(jù)通訊模式，得到變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行溫度信息。需要注意的是，在數(shù)據(jù)互傳環(huán)節(jié)，文中提出將數(shù)據(jù)信息傳送通道設(shè)置為2個(gè)，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收，避免數(shù)據(jù)沖突問題。

圖3 通訊模式

為了保證冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，文中提出針對(duì)信息傳輸信道，設(shè)置一個(gè)遞歸型濾波器，應(yīng)用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)采集信息進(jìn)行解析，去除部分干擾信息，得到符合要求的運(yùn)行溫度信息?？紤]到濾波器的設(shè)計(jì)需要參考監(jiān)控要求，在因果函數(shù)的作用下，促進(jìn)濾波器性能不斷提升。而對(duì)于具有實(shí)系數(shù)的傳遞函數(shù)來(lái)說(shuō)，可以劃分為偶函數(shù)和奇函數(shù)。

(8)

(9)

式中：∞表示正無(wú)窮；q表示因果規(guī)則；d(q)表示因果函數(shù)；lim表示極限函數(shù)?；诠?9)，可得到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸信道數(shù)字濾波器，其數(shù)學(xué)表達(dá)公式為：

λ=F·σ

(10)

式中：λ表示濾波器。采用公式(11)所示的數(shù)字濾波器。對(duì)傳感器采集的溫度信息進(jìn)行去噪處理，達(dá)到降低運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控誤差的目的。

1.4 實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

文中依托于多傳感器采集的溫度信息，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，獲取變壓器冷卻風(fēng)機(jī)異常狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果?？紤]到?jīng)]有給定的總體協(xié)方差矩陣，該文選用的分析方法為多元T2統(tǒng)計(jì)分析方法，根據(jù)均值和方差生成控制圖。明確溫度傳感器采集的樣本容量信息后，可以根據(jù)某一樣本的自身值與樣本均值，計(jì)算協(xié)方差矩陣。樣本統(tǒng)計(jì)量表示為：

(11)

考慮到樣本統(tǒng)計(jì)量會(huì)對(duì)第一自由度絕對(duì)服從的，且部分服從第二自由度，文中提出采用樣本均值，取代公式(11)中總體均值向量，得到：

(12)

結(jié)合給定顯著性水平值，可以得到多元T2統(tǒng)計(jì)控制圖的上限：

(13)

式中：ξ表示控制圖上限；β表示樣本維數(shù)；δ表示統(tǒng)計(jì)量的服從自由度；ρ表示顯著性水平。

對(duì)于每個(gè)采集的溫度樣本，分別計(jì)算其樣本統(tǒng)計(jì)量，再與控制圖上限進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量超出上限后，表明此時(shí)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異常，需要及時(shí)進(jìn)行處理。反之，若樣本統(tǒng)計(jì)量總是低于控制圖上限，表明此時(shí)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)正常。至此，實(shí)現(xiàn)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了體現(xiàn)文中設(shè)計(jì)的在線監(jiān)控方法具有可行性，選擇無(wú)人值守的110 kV變電所作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，針對(duì)變電所內(nèi)一臺(tái)尚未投入使用的變壓器，展開冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是普通油浸式變壓器，其內(nèi)部安裝了冷卻風(fēng)機(jī)，符合實(shí)驗(yàn)要求。應(yīng)用文中提出的在線監(jiān)控方法，明確該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采用直徑為5 mm的溫度傳感器作為主要工具，布置在傳感器內(nèi)容合理區(qū)域，實(shí)時(shí)獲取冷卻風(fēng)機(jī)溫度信息。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用短路法控制變壓器冷卻風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，便于觀察文中設(shè)計(jì)監(jiān)控方法的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)接線結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)接線圖

針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入380 V電源，通過(guò)調(diào)整調(diào)壓器數(shù)值，控制變壓器冷卻風(fēng)機(jī)的電流升高，直到滿足實(shí)驗(yàn)要求。本次實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的分布式光纖拉曼溫度傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 溫度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

將實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為13小時(shí)，運(yùn)用溫度傳感器連續(xù)輸出設(shè)備溫度信息，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控結(jié)果

根據(jù)溫度傳感器傳輸?shù)臏囟刃畔ⅲ玫綀D5所示的變壓器冷卻風(fēng)機(jī)溫度變化曲線。

圖5 變壓器冷卻風(fēng)機(jī)溫度變化曲線

根據(jù)圖5可知，變壓器冷卻風(fēng)機(jī)內(nèi)，分布在上層、中層和下層位置的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器所得到的信息有所差異，3個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的溫度最大值出現(xiàn)在3 h左右，分別達(dá)到了74.9 ℃、66.5 ℃以及53.2 ℃?；谏鲜龅贸龅臏囟刃畔?，按照文中提出的多元T2統(tǒng)計(jì)方法，形成圖6所示多元T2控制圖，如圖6所示。

圖6 變壓器冷卻風(fēng)機(jī)溫度多元T2控制

根據(jù)圖6所示的多元T2控制圖可知，所有時(shí)間段的冷卻風(fēng)機(jī)溫度控制值，均在控制上限值以下，表明變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)正常，也反映了文中提出在線監(jiān)控算法具有可行性。

2.3 監(jiān)控方法性能對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)條件下，運(yùn)用文中提出的在線監(jiān)控方法，以及文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]提出的監(jiān)控方法，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同監(jiān)控方法的漏警概率，明確所提方法監(jiān)控性能的優(yōu)越性，漏警概率計(jì)算公式為：

(14)

式中：φ表示漏警概率；α監(jiān)測(cè)結(jié)果為異常運(yùn)行狀態(tài)的樣本數(shù)；A表示異常運(yùn)行狀態(tài)樣本總數(shù)。分別計(jì)算預(yù)警次數(shù)為100，200，300，400，500，600，700次時(shí)，不同監(jiān)測(cè)方法的漏警概率，得到表2所示的對(duì)比結(jié)果。

表2 不同監(jiān)控方法的漏警概率對(duì)比

根據(jù)表2可知，文中提出的變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控方法，在實(shí)際應(yīng)用中漏警概率保持在5%以下，且平均值為1.71%。與之相比，文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]提出的監(jiān)控方法漏警概率明顯更高，分別達(dá)到了20%與30.86%。

綜上所述，以溫度傳感器為基礎(chǔ)的監(jiān)控方法，使得監(jiān)控結(jié)果的漏警概率降低了18.29%，29.15%，可以更加準(zhǔn)確地反映出變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了解決模擬溫度測(cè)量方式，測(cè)量結(jié)果誤差較大的問題，文中針對(duì)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)，提出以溫度傳感器為核心的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控方法。依托于準(zhǔn)確的溫度信息，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)控制圖分析方法，迅速得出冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)判斷結(jié)果，完成冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，文中所提方法的應(yīng)用，有效降低了監(jiān)控漏警概率，為電力系統(tǒng)安全提供了一定保障。但是，考慮到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程，未來(lái)還需要進(jìn)一步討論變壓器冷卻風(fēng)機(jī)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。