CN103944268A - 基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，首先基于电场云图重构方法计算出工频电场在所有网格中的分布情况，得到整个监控区域的电场云图，再通过将变电站设备正常运行状态的电场云图和实时重构的电场云图进行比对：1)如果电场强度的最大值有明显突变，则说明设备运行状态异常；2)如果电场强度较大值附近突然出现场强低点，且位置出现在安全距离以内，则判断有运维人员或接地设备出现在该区域。本发明的优点是：能够得到变电站工频电场的详细分布；通过将重构的电场云图与正常运行状态的电场云图进行比对，为无接触式的设备故障在线监测和作业人员近电告警安全保障提供了新的方法。

Description

基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法

技术领域

本发明涉及一种基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，具体是一种。

背景技术

近年来随着特高压电网的建设，对特高压变电站设备运行监测和运维人员安全保障要求也不断提高。

传统的设备电压电流等运行参数监测需要在设备上安装部署接触式的检测装置，带来安装维护困难的问题。

传统的运维人员安全保障方法为手表式或头盔式电场检测装置，当测量场强超过阈值时报警。存在的问题是该装置只检测一点的场强，适用于室外的较为空旷，电场源较为单一、场强衰减分布较为明显场景，而室内电磁环境复杂，多个带电设备的场强叠加，且存在大地、设备外壳接地等影响，戴有该装置进入室内变电站，常出现“一直报警”的情况。

而在传统的模拟电荷法中，首先根据经验设定模拟电荷的数量、位置与大小，根据匹配点的边界条件计算模拟电荷的位置和大小，然后采用校验点对模拟电荷进行调整，使模型的精度在允许误差范围内，对于复杂模型调整工作十分烦冗。传统的模拟电荷法在具体实施时，前处理数据准备过程需人工干预，应用中最棘手的问题是对于一个具体问题采用多少个模拟电荷，并且放置在什么位置上以及模拟电荷与匹配点之间采用何种配置关系最佳等问题。模拟电荷的个数、性质、位置和量值均对计算精度有较大影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种变电站电场云图重构方法，用于无接触式设备故障监测和运维人员安全保障。

按照本发明提供的技术方案，所述的基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法如下：

首先，将变电站的矩形监控区域划分为N个网格，随机部署M个场强测量点，每个测量点的位置为已知，场强测量点进行周期性同步采样，将采样结果发送到后台融合中心；

采用模拟电荷法对区域中的带电设备和大地进行等效，系统的压缩采样过程用式(1)描述：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{E}_{\mathrm{1,1}}& E_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& E_{1,N}\\ E_{\mathrm{2,1}}& E_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& E_{2,N}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ E_{M,1}& E_{M,2}& \·\·\·& E_{M,N}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_N\end{array}\right]---\left(1\right)$

即Y=EX

式(1)中，测量矩阵中的元素E_m,n为第m个网格中的传感节点测量到的位于第n个网格中模拟电荷的场强；当第n个网格中有等效的正电荷+q时x_n＝q，有等效的负电荷-q时，x_n＝-q，无等效电荷时x_n＝0，1≤n≤N；设等效的模拟电荷数量为K个，则N维向量X的稀疏度为K；传感器的测量结果Y为测量矩阵与稀疏向量X的乘积，Y的元素y_m为场强测量点的场强测量结果，其物理意义为所有等效的模拟电荷在该点产生的场强之和，1≤m≤M；

这样，测量过程就是得到Y的过程；重构过程就是根据Y和测量矩阵E计算出X的过程；贪婪重构算法设计如下，输入测量矩阵E，测量结果Y，输出重构信号

第一步：初始化，匹配残差y′＝y，重构结果

第二步：求解如下优化问题

(i,z_i)＝argmin||y′-Ez||₁，

即寻找一个网格，使得该网格中存在模拟电荷时测量结果的匹配残差最小化；其中z为稀疏度为1的列向量，即只有第i个元素的值为z_i，其余元素均为0，其物理意义为，网格i中含有z_i个等效的模拟电荷，若z_i为正值则为正电荷，若z_i为负值则为负电荷；

第三步：如果z≠0，则y′＝y′-Az，然后跳转到第二步；

第四步：信号重构结束，重构结果为

由此计算出了工频电场在所有网格中的分布情况，得到整个监控区域的电场云图，通过将变电站设备正常运行状态的电场云图和实时重构的电场云图进行比对：

1)如果电场强度的最大值有明显突变(如比正常状态大或者小的变化幅度超过10％)，则说明设备运行状态异常；

2)如果电场强度较大值附近突然出现场强低点，且位置出现在安全距离以内(电压等级10KV在0.7m内，35KV在1.0m内，110KV在1.5m内，220KV在3.0m内，500KV在5.0m内)，则判断有运维人员或接地设备出现在该区域，通过声光报警提示区域作业的运维人员注意自身安全。

场强测量点部署数量原则上是等效模拟电荷的数量的3～6倍。一般网格划分的数量N可取为场强测量点数量M的5～8倍。

本发明的优点是：本方法能够得到变电站工频电场的详细分布。变电站设备和线路故障，或者作业人员接近高场强危险区域，往往引起电场云图的变化。通过将重构的电场云图与正常运行状态的电场云图进行比对，为无接触式的设备故障在线监测和作业人员近电告警安全保障提供了新的方法。

附图说明

图1电场云图重构的问题模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

(一)系统模型

如图1所示，假设变电站监控区域为二维矩形区域，将此矩形区域划分为N个网格，五角星表示模拟电荷，三角形表示场强测量点。随机部署M个场强测量点，每个测量点的位置为已知。主要解决的问题是，通过少量场强测量点的电场强度测量，计算出工频电场在所有网格中的分布情况，得到整个监控区域的电场云图。

(二)系统组成、部署要求和网格划分要求

系统组成为变电站现场部署的场强测量点和后台融合数据中心。

场强测量点部署位置要求：在监控区域内近似随机的方式部署，即对于部署点的位置无苛刻要求，可以根据现场环境选择易于部署的点。对测量点的整体部署要求是尽量均匀，即不能全部集中在一个很小的区域。

场强测量点部署数量要求：原则上是等效模拟电荷的数量的3-6倍(压缩感知算法的要求)，可以根据实际监测性能要求进行调整。

网格划分要求：网格划分的过大或过小，都会降低电场云图的重构精度。一般网格划分的数量N可取为场强测量点数量M的5-8倍(经验值，可以获得最大的重构精度)。

(三)系统采样过程

系统的采样过程为，场强测量点进行周期性同步采样，将采样结果发送到融合中心。

采用模拟电荷法对区域中的带电设备和大地进行等效(这里不要求人为的去配置和设定模拟电荷的位置和数量，只是假设这种等效模型的存在性，等效模型的具体计算由算法自动完成)。

系统的压缩采样过程可用式(1)描述：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{E}_{\mathrm{1,1}}& E_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& E_{1,N}\\ E_{\mathrm{2,1}}& E_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& E_{2,N}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ E_{M,1}& E_{M,2}& \·\·\·& E_{M,N}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_N\end{array}\right]---\left(1\right)$

式(1)中，测量矩阵中的元素E_m,n为第m个网格中的传感节点测量到的位于第n个网格中模拟电荷的场强。当第n个网格中有等效的正电荷+q时x_n＝q(1≤n≤N)，有等效的负电荷-q时x_n＝-q(1≤n≤N)，无等效电荷时x_n＝0。设等效的模拟电荷数量为K个，则N维向量X的稀疏度为K。传感器的测量结果Y为测量矩阵与稀疏向量X的乘积，Y的元素y_m(1≤m≤M)为场强测量点的场强测量结果，其物理意义为，所有等效的模拟电荷在该点产生的场强之和。

这样，测量过程就是得到Y的过程；重构过程就是根据Y和测量矩阵E计算出X的过程。

本专利的方法不需人为设定模拟电荷的数量、位置、大小等信息，由重构算法自动完成。

(四)工频电场重构方法

本发明专利针对变电站工频电场重构问题的特点，利用模拟电荷等效模型设计了基于残差匹配优化的电场云图贪婪重构算法，无需变电站设备的参数以及空间分布情况等先验知识，就可以自动重构；如果有变电站设备参数及空间分布的先验知识，可以限定等效电荷所在网格的可能位置，进一步提高算法性能和运算速度。贪婪重构算法设计如下：

输入：测量矩阵E_M×N，测量结果Y_M×1

输出：重构信号

第一步：初始化，匹配残差y′＝y，重构结果

第二步：求解如下优化问题(i,z_i)＝argmin||y′-Ez||₁，即寻找一个网格，使得该网格中存在模拟电荷时测量结果的匹配残差最小化。其中z为稀疏度为1的列向量(只有第i个元素的值为z_i，其余元素均为0)。其物理意义为，网格i中含有z_i个等效的模拟电荷，若z_i为正值则为正电荷，若z_i为负值则为负电荷。(如果有等效电荷分布等先验知识，则i,z_i还需要满足先验知识约束条件。)

第三步：如果z≠0，则y′＝y′-Az，然后跳转到第2步；

第四步：信号重构结束，重构结果为

相比压缩感知的基追踪等重构算法，该方法充分利用了模拟电荷的物理意义，具有更高的运算速度和重构精度，对场强测量噪声更具鲁棒性。

(五)设备故障检测和人员安全保障方法

通过将变电站设备正常运行状态的电场云图和实时重构的电场云图进行比对：

1)如果电场强度的最大值有明显突变(比正常状态大或者小，变化幅度超过10％)，则说明设备运行状态异常，此时立即报警，运维人员及时排查设备故障。

2)如果电场强度较大值附近突然出现场强低点，且位置出现在安全距离以内(电压等级10KV在0.7m内，35KV在1.0m内，110KV在1.5m内，220KV在3.0m内，500KV在5.0m内)，则极可能是运维人员或其他接地设备出现在该区域，及时声光等报警提示区域作业的运维人员自身安全。

综上可以看到，本发明具有如下特点：

①采用电场测量与重构技术进行无接触式设备运行故障检测和人员安全保障，系统安装、运维简单，且实时性好；

②采用模拟电荷法对变电站运行设备进行等效，相比传统的模拟电荷法，本方法不需人为的设定模拟电荷的位置和数量，依靠算法自适应完成，从而克服了传统模拟电荷方法的主要缺点；

③根据电场的问题特点，采用压缩感知方法进行电场云图的重构，所采用的贪婪重构方法简单可靠，有明确的物理意义。

Claims (5)

1.基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，其特征是：

首先，将变电站的矩形监控区域划分为N个网格，随机部署M个场强测量点，每个测量点的位置为已知，场强测量点进行周期性同步采样，将采样结果发送到后台数据处理中心；

采用模拟电荷法对区域中的带电设备和大地进行等效，系统的压缩采样过程用式(1)描述：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{E}_{\mathrm{1,1}}& E_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& E_{1,N}\\ E_{\mathrm{2,1}}& E_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& E_{2,N}\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ \·& \·& & \·\\ E_{M,1}& E_{M,2}& \·\·\·& E_{M,N}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_N\end{array}\right]---\left(1\right)$

即Y=EX

式(1)中，测量矩阵中的元素E_m,n为第m个网格中的传感节点测量到的位于第n个网格中模拟电荷的场强；当第n个网格中有等效的正电荷+q时x_n＝q，有等效的负电荷-q时，x_n＝-q，无等效电荷时x_n＝0，1≤n≤N；设等效的模拟电荷数量为K个，则N维向量X的稀疏度为K；传感器的测量结果Y为测量矩阵与稀疏向量X的乘积，Y的元素y_m为场强测量点的场强测量结果，其物理意义为所有等效的模拟电荷在该点产生的场强之和，1≤m≤M；

这样，测量过程就是得到Y的过程；重构过程就是根据Y和测量矩阵E计算出X的过程；贪婪重构算法设计如下，输入测量矩阵E，测量结果Y，输出重构信号

第一步：初始化，匹配残差y′＝y，重构结果

第二步：求解如下优化问题

(i,z_i)＝argmin||y′-Ez||₁，

即寻找一个网格，使得该网格中存在模拟电荷时测量结果的匹配残差最小化；其中z为稀疏度为1的列向量，即只有第i个元素的值为z_i，其余元素均为0，其物理意义为，网格i中含有z_i个等效的模拟电荷，若z_i为正值则为正电荷，若z_i为负值则为负电荷；

第三步：如果z≠0，则y′＝y′-Az，然后跳转到第二步；

第四步：信号重构结束，重构结果为

由此计算出了工频电场在所有网格中的分布情况，得到整个监控区域的电场云图，通过将变电站设备正常运行状态的电场云图和实时重构的电场云图进行比对：

1)如果电场强度的最大值有明显突变，则说明设备运行状态异常；

2)如果电场强度较大值附近突然出现场强低点，且位置出现在安全距离以内，则判断有运维人员或接地设备出现在该区域，通过声光报警提示区域作业的运维人员注意自身安全。

2.如权利要求1所述基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，其特征是，所述电场强度的最大值有明显突变是指比正常状态大或者小的变化幅度超过10％。

3.如权利要求1所述基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，其特征是，所述安全距离以内是指：电压等级10KV在0.7m内，35KV在1.0m内，110KV在1.5m内，220KV在3.0m内，500KV在5.0m内。

4.如权利要求1所述基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，其特征是，所述场强测量点部署数量M是等效模拟电荷数量的3～6倍。

5.如权利要求1所述基于电场云图重构的变电站无接触式设备故障监测和运维人员安全保障方法，其特征是，所述网格划分的数量N取为场强测量点数量M的5～8倍。