CN111668926A - 一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，通过ANSYS等有限元软件、监测体系、仿真计算及环网单元温度、湿度传感器的布置，基于此可开发建立一套配网设备环网单元内部服役微环境专用监测系统，保证电气设备的安全运行。本发明通过采集电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度的故障样本数据，基于CNN神经网络以及XGBOOST算法，进行有效监督学习的模型训练，建立典型故障样本库，在完成实时监测的同时实现对所述环网单元的故障预测和健康策略制定；通过采集腐蚀速率作监测样本数据加以分析得到重要的监测阶段以合理分配监测资源。

Description

一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法
技术领域
本发明涉及一种配网设备环网单元监测技术，具体涉及一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法。
背景技术
在电网架构中，环网柜数量较多，分布较广，大量应用于开关房、综合房、箱式变电站等场所，随着智能电网的覆盖普及，环网柜的绝缘性、散热性、温湿度有效管理成为国内外本领域人员的重点关注对象。在湿热环境条件下，大气中的三个参数，温度、湿度、气压对电力设备绝缘有较大影响，设备内部湿度明显高于外界，环网单元的仪表玻璃及柜内容易出现凝露现象，电缆室受潮严重，长期存在放电现象，致使环网单元的部件绝缘性能下降，导致三相故障。随着环网柜的不断推广，应用企业的增多，温湿度的有效监测能力是影响电网安全事故的关键因素。
传统环网柜温湿度监测一般是独立安装温湿度传感器于环网单元，监测系统独立运行，无法有效的进行管理，安全管理效果不明显。由于本身带电和需要金属导线传输信号，受湿热环境影响，温湿度传感器绝缘性下降，易发生显示器损坏，显示字数不全、集成运放损坏、信号转换部分损坏等故障，难以确保数据的可靠性，后期的维护更换也直接影响设备运行和投资成本。
另外，目前大多数典型电站环网单元监测范围为电房整体环境及环网柜整体温湿度监测，忽视了环网柜内部和每个环网单元服役微环境的监测，无法准确实现分析诊断，故障趋势的预测等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，旨在解决湿热环境下服役环网柜的可靠性问题。基于此方法可有效改善环网柜内部温湿度监测分布情况，确保数据的准确性、完整性，同时避免湿热环境下对监测可靠性和安全性的影响，建立有效的管理监测平台。
本发明所提供的一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，包括以下步骤；
S1：建立环网单元三维结构模型；
S2：通过ANSYS软件，结合所述环网单元的关键部件以及材料的热、电气参数，对步骤S1环网单元三维结构模型的温湿度分布进行仿真分析，然后标注所述环网单元的温湿度监测部位；
S3：安装外置式温湿度记录仪于环网单元的柜体前后外表面以及分布于环网单元功能隔室的外表面，以监测环网单元柜体外部服役环境的温度、湿度，监测结果通过无线传输反馈至后台处理单元；
S4：安装内置式光纤光栅传感器于环网单元内部主要监测点，监测点采集信号通过电力光纤网传输至后台处理单元；
S5：采集电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度的故障样本数据，基于CNN神经网络以及XGBOOST算法，进行有效监督学习的模型训练，建立典型故障样本库以实现对所述环网单元的故障预测和健康策略制定；
S6：采集腐蚀速率作监测样本数据，展示所述监测样本数据在一系列阶段的变化趋势，并对各阶段的所述监测样本数据进行对比、分类分析，计算出各阶段对环网单元腐蚀速率的贡献因子，重点监测对腐蚀贡献较大的阶段。
本发明通过三维结构模型的仿真分析，步骤S2、S3中主要监测点通过仿真分析获取，可以合理分配监测资源，外置式温湿度记录仪结合光栅光纤传感器同时采集监测环网单元柜体的外部与内部温湿度信息。通过建立典型故障样本库，实现对设备的故障预测。并对监测数据变化趋势进行分析，设计重点监测部位的监测体系。
本发明还具有以下优化改进，
本发明为保障监测装置的绝缘性，步骤S4中采集带有温湿度信息的光纤光栅反射光谱传输给调节系统，根据光纤光栅波长变化得到监测点的温湿度值，同时传输至站内监控主机，进行温度显示，当超过温度安全限制时发出报警信号。光纤光栅电绝缘性、抗干扰、耐蚀性强，耐压水平达67kV/15cm,雷击冲击电压大于133kV/125mm，与环网柜内部的一次部件不会造成绝缘问题。由于带包层光纤的绝缘强度相较一次带电设备强度更好，在雷击过电压的情况下不会对环网柜内部设备造成影响。当处在湿热环境下运行，环网柜服役环境产生的凝露现象基本形成于柜体的外表面和柜子内侧空间，鉴于光纤光栅传感器的安装点基本都在设备内部的易发热的带电体上，避免了凝露现象构成的安全性威胁。
另外，光纤体积小，重量轻，可扰曲，在环网柜内部沿绝缘体表面顺畅敷设并给予固定，不会影响一次设备的正常检修和常规试验的进行。
优选地，步骤S4中的主要监测点分布于环网单元的断路器/负荷开关、铜排母线、控制小室、电缆靴，通过光纤光栅采集温湿度信号。
优选地，步骤S5中，模型训练完成后，输入环网单元设备实时运行的电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度，判断腐蚀速率以实时预测设备可能出现的问题，在此基础上制定维修策略。
优选地，步骤S2中，通过ANSYS软件将所述环网单元的三维结构模型进行网格划分，然后通过ANSYS软件的前处理器ANSYS CFX－PRE、求解器ANSYS CFX-Solver、后处理器ANSYS CFX－Post计算环网单元三维结构模型的温湿度仿真结果。
优选地，步骤6中，所述运行阶段包括环网单元生命初期阶段、老化阶段、异常阶段、故障阶段。
生命初期阶段：环网单元生命周期初期的时间阶段；该阶段故障率低。
老化阶段：环网单元正常运行下，受温湿度影响发生老化的时间阶段；
异常阶段：环网单元失去部分额定工作能力，可继续运行的时间阶段；
故障阶段：环网单元异常阶段进一步发展引发事故或致使设备损坏的时间阶段。
本发明具有以下优点：
1.本发明通过对环网单元进行仿真分析，得到环网单元的温湿度分布，准确确定监测位置，光纤光栅传感器监测环网单元内部状态结合外部温湿度记录仪监测外部状态，降低监测装置受到的环境影响，保证监测数据的完整性。
2.本发明通过建立典型故障样本库和长期的监测机制，可以实现对环网单元设备的故障预测，并制定针对性的设备健康管理策略。
3.本发明通过对试验样本在各个运行阶段的变化趋势分析，诊断出每个阶段的影响变化趋势的关键参数，实现对关键部位的重点监测，更加清晰展示试验过程中设备变化情况。
4.本发明的方法可用于实时在线监测环网单元服役过程，采集服役过程中关键变量信息，对数据进行挖掘分析，分析服役整个过程中设备性能、状态变化趋势，提升监测评价依据，更为客观的展示监测过程，不再是单一凭借监测结果来定性监测环网单元设备服役情况。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
图1为采用本发明配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法的环网单元结构图；
图2为采用本发明配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法的环网单元的柜体正视图；
图3为采用本发明配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法的环网单元的柜体后视图；
图4为采用本发明户外箱式环网单元湿热气候服役微环境监测方法的环网单元三维结构模型在无风状态内部空间的绝对温度分布仿真图；
图5为采用本发明户外箱式环网单元湿热气候服役微环境监测方法的环网单元三维结构模型在无风状态内部空间的绝对湿度分布仿真图；
图6为采用本发明配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法的监测系统流程图。
具体实施方式
如图1－3所示为一种环网单元的柜体结构图，其包括母线仓1、控制小室2、断路器/负荷开关室3、电缆靴4、电缆室5、柜体前外表面6、柜体后外表面7。
配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法包括以下步骤：
S1：建立环网单元三维结构模型；
S2：通过ANSYS软件，结合所述环网单元的关键部件以及材料的热、电气参数，对步骤S1环网单元三维结构模型的温湿度分布进行仿真分析，然后标注所述环网单元的温湿度监测部位；
S3：安装外置式温湿度记录仪于环网单元的柜体前后外表面以及分布于环网单元功能隔室的外表面，以监测环网单元柜体外部服役环境的温度、湿度，监测结果通过无线传输反馈至后台处理单元；
S4：安装内置式光纤光栅传感器于环网单元内部主要监测点，监测点采集信号通过电力光纤网传输至后台处理单元；
S5：采集电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度的故障样本数据，基于CNN神经网络以及XGBOOST算法，进行有效监督学习的模型训练，建立典型故障样本库以实现对所述环网单元的故障预测和健康策略制定；
S6：采集腐蚀速率作监测样本数据，展示所述监测样本数据在一系列运行阶段的变化趋势，并对各运行阶段的所述监测样本数据进行对比、分类分析，计算出各阶段对环网单元腐蚀速率的贡献因子，重点监测对腐蚀速率贡献较大的阶段。
具体的，通过长期监测获得环网单元生命初期阶段、老化阶段、异常阶段、故障阶段的腐蚀速率的变化趋势加以计算分析得出腐蚀较快的阶段作为重点监测对象。
其中，步骤S2中
以传热学为基础，建立相关热量传递方程，利用ANSYS等仿真软件，进行有限元分析，对环网单元的柜内部发热部位进行温度仿真。仿真参数见表1：
表1仿真参数
Figure BDA0001986453840000071
通过ANSYS有限元分析软件将环网柜内部主要发热元件进行分析,根据不同的环网单元接线方式与电流大小建立模型，研究风速、外壳尺寸、凝露的形成、分布、发展规律以及通风口设计效果的影响，合理优化环网柜结构、温湿度传感器的分布。
仿真控制方程：流体的运动控制方程包括纳维-斯托克斯方程、连续性方程和能量方程。在本项目中，利用标准的k-ε模型计算湍流。k为流体的湍动能，ε是流体的湍流耗散率。k-ε满足以下方程：
Figure BDA0001986453840000081
其中ρ是流体的密度，ν是流体速度矢量，t是时间，Gk是湍流产生率，μt是湍流的粘度系数，C1ε，C2ε是常数，δk、δε是湍流的普朗克常量。连续性方程的微分表达式为：
Figure BDA0001986453840000082
其中ρ是流体的密度，t是时间，u、v、w是x、y、z三个方向的速度分量。
通过仿真计算，选择设备内部空间的适当部位布设温湿度传感器，建立温湿度监测体系，其中，温度仿真分布示意图如图4所示，湿度仿真分布图如图5所示。根据温湿度的仿真分布，研究出各个温湿度水平体系。
其中，步骤S3中，温湿度记录仪共设置6个，作为外置式监测前端，分别分布在控制小室前外表面8、断路器/负荷开关室正面外表面9、电缆室前外表面10、母线仓背部外表面11、断路器/负荷开关室后外表面12、电缆室后外表面13。
作为优选实施例，步骤S4中采集带有温湿度信息的光纤光栅反射光谱传输给调节系统，根据光纤光栅波长变化得到监测点的温湿度值，同时传输至站内监控主机，进行温度显示，当超过温度安全限制时发出报警信号。
作为优选实施例，步骤S4中的主要监测点分布于环网单元的断路器/负荷开关、铜排母线、控制小室、电缆靴，通过光纤光栅采集温湿度信号。
作为优选实施例，步骤S5中，模型训练完成后，根据环网单元设备实时运行的电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度，判断腐蚀速率以实时预测设备可能出现的问题，在此基础上制定维修策略。
以温湿度影响为例加以说明：
温湿度引起的失效预测结果分析：
Figure BDA0001986453840000091
其中，V——腐蚀速率，g/m2·a
m1——测试前试样(环网单元)的质量，g；
m2——测试后试样(环网单元)的质量，g；
A——测试试样(环网单元)的表面积，m2；
t——测试时间，年(a)。
温湿度对腐蚀的影响见下表2：
Rh大于80％的时间称为潮湿时间，关于潮湿时间的分类见表2。
表2潮湿时间分类
Figure BDA0001986453840000101
可以根据实时测得的电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度结合经验公式预测判断环网单元的腐蚀速率。以合理的制定环网单元健康维护策略。提高维护效率的同时也降低了成本。
作为优选实施例，步骤S2中，通过ANSYS软件将所述环网单元的三维结构模型进行网格划分，然后通过ANSYS软件的前处理器ANSYS CFX－PRE、求解器ANSYS CFX-Solver、后处理器ANSYS CFX－Post计算环网单元三维结构模型的温湿度仿真结果。
图6中所示为采用于本方法构建的监测系统的流程图，还可以通过监测平台最终的数据诊断、失效趋势以及故障预测情况，对仿真三维结构模型进行修正，以使监测点设计更加合理。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1：建立环网单元三维结构模型；
S2：通过ANSYS软件，结合所述环网单元的关键部件以及材料的热、电气参数，对步骤S1环网单元三维结构模型的温湿度分布进行仿真分析，然后标注所述环网单元的温湿度监测部位；
S3：安装外置式温湿度记录仪于环网单元的柜体前后外表面以及分布于环网单元功能隔室的外表面，以监测环网单元柜体外部服役环境的温度、湿度，监测结果通过无线传输反馈至后台处理单元；
S4：安装内置式光纤光栅传感器于环网单元内部主要监测点，监测点采集信号通过电力光纤网传输至后台处理单元；
S5：采集电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度的故障样本数据，基于CNN神经网络以及XGBOOST算法，进行有效监督学习的模型训练，建立典型故障样本库以实现对所述环网单元的故障预测和健康策略制定；
S6：采集腐蚀速率作监测样本数据，展示所述监测样本数据在一系列运行阶段的变化趋势，并对各运行阶段的所述监测样本数据进行对比、分类分析，计算出各阶段对环网单元腐蚀速率的贡献因子，重点监测对腐蚀速率贡献较大的阶段。
2.根据权利要求1所述的配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，其特征在于，步骤S4中采集带有温湿度信息的光纤光栅反射光谱传输给调节系统，根据光纤光栅波长变化得到监测点的温湿度值，同时传输至站内监控主机，进行温度显示，当超过温度安全限制时发出报警信号。
3.根据权利要求1所述的配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，其特征在于，步骤S4中的主要监测点分布于环网单元的断路器/负荷开关、铜排母线、控制小室、电缆接头，通过光纤光栅采集温湿度信号。
4.根据权利要求1所述的配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，其特征在于，步骤S5中，模型训练完成后，根据环网单元设备实时运行的电流、电压、暂态电参量、环境温湿度、设备温度，判断腐蚀速率以实时预测设备可能出现的问题，在此基础上制定维修策略。
5.根据权利要求1所述的配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，其特征在于，步骤S2中，通过ANSYS软件将所述环网单元的三维结构模型进行网格划分，然后通过ANSYS软件的前处理器ANSYS CFX－PRE、求解器ANSYS CFX-Solver、后处理器ANSYS CFX－Post计算环网单元三维结构模型的温湿度仿真结果。
6.根据权利要求1所述的配网设备环网单元湿热气候服役微环境监测方法，其特征在于，步骤6中，所述运行阶段包括环网单元生命初期阶段、老化阶段、异常阶段、故障阶段。
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