CN116087762A - 基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法及系统,包括:构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场;采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列;基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。本发明以非接触的方式实时、准确地监测高压断路器的绝缘劣化。
Description
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域,尤其涉及一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法及系统。
背景技术
作为电力系统核心开关设备,高压断路器承担着开断电力系统正常工作电流和快速切除短路故障灯故障电流的工作,起到了控制及保护的双重作用。在长期运行过程中,高压断路器承受着恶劣的电磁、热力、机械等方面因素的影响,将会不可避免地导致内部绝缘劣化、触头发热烧蚀等问题,严重时将可能造成断路器操作机构拒动、误动,开关、瓷套爆炸,触头接触不良、发热严重,金属融化造成接地短路或瓷瓶炸裂等事故。因此,高压断路器的状态监测及评估事关重大,对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。
高压断路器内部绝缘劣化一般表现SF6含有微水等电解质、开关触头损坏、沿面或者密封部位受潮等,这些劣化现象均会导致其整体的介电特性、导电特性发生改变,进而影响其空间电场分布。现有技术中,高压断路器状态评估的方法主要依靠三种手段。其一是定期开展预防性试验,包括绝缘电阻测量、泄漏电流测量等,这些方法工作量大、现场操作繁琐,甚至需要停电处理,且无法及时发现潜在问题。其二是现场带电检测,主要有紫外成像检测和红外成像检测两种,但无法检测出内部绝缘劣化、触头故障等问题。第三种手段是利用声、光、热、电磁等传感器直接或间接地获取信号,评估、判定断路器的运行状态;目前能够识别断路器绝缘状态的主要监测手段如分合闸电流监测,采用侵入式测量方法,一般需要将电流传感器串入电流回路,会变更电气回路,因此,该方法一般需要停电施工,安装接线工作量较大,且一旦损坏后后期维护麻烦。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足,本发明提供一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法及系统,电场监测装置通过磁吸方式安装在断路器的套管法兰外部或者传动机构外壳处,通过监测三相操作机构外壳附近的工频电场幅值,以非接触的方式实时、准确地监测高压断路器的绝缘劣化,并在识别到明显内部绝缘故障后及时告知终端用户,提醒变电运检人员及时消除设备缺陷。
本发明采用如下的技术方案。
一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,包括:
步骤1,构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场;
步骤2,采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列;
步骤3,基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。
空间电场测量模型包括:d-dot电场探头,放大滤波模块,Lora通讯模块,MCU模块,锂电池、电池电压采集模块及充电保护模块。
感应电压修正值如下式:
式中,
γ为环境因素修正系数。
环境因素修正系数如下式:
式中,
αi为第i维度的速度参数,
Mx为某维度指标x的均值,
Δi为第i维度偏离极限。
步骤2包括:
步骤2.1,对绝缘合格的断路器,执行步骤1而获得的监测点阵列无缺陷空间电场构成第一参考数列Y,Y={y(k)|k=1,2,…,n},其中n为监测点的数量;对绝缘劣化的断路器,执行步骤1而获得的监测点阵列有缺陷空间电场构成比较数列Xj,Xj={xj(k)|k=1,2,…,n},j=1,2,…,m,m为待评价的监测点阵列的种类数;
步骤2.2,对待评价的第j种监测点阵列,计算第一参考数列中各元素与比较数列中各元素之间的量特征关联系数,如下式:
式中,
ξj(k)为是待评价的第j种监测点阵列下,比较数列中的元素xj(k)与第一参考数列中的元素y(k)之间的量特征关联系数,
ρ为分辨系数,ρ∈(0,1);
步骤2.3,对待评价的第j种监测点阵列,利用量特征关联系数,基于平均值法确定比较数列和第一参考数列之间的第一关联度,如下式:
式中,
rj为是待评价的第j种监测点阵列下,比较数列和第一参考数列之间的第一关联度;
步骤2.4,取关联度不超过第一关联度阈值的待评测的监测点阵列作为断路器的最优监测点阵列。
优选地,步骤2.1还包括:对断路器的监测点阵列空间电场的原始数据进行归一化处理。
第一关联度阈值的取值为0.2。
步骤3包括:
步骤3.1,对不同绝缘劣化类型的断路器,基于最优监测点阵列,执行步骤1而获得最优监测点阵列劣化空间电场构成第二参考序列,以空间电场测量模型获取的断路器在最优监测点阵列下的空间电场实测数据构成监测序列;
步骤3.2,按照步骤2.2至2.3计算第二参考序列和监测序列之间的第二关联度;
步骤3.3,当监测序列与第二参考序列的关联度不小于第二关联度阈值时,以第二参考序列所对应的绝缘劣化类型,作为监测序列的绝缘缺陷,并进行预警。
第二关联度阈值的取值为0.9。
一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测系统,包括:空间电场测量模型模块,最优监测点阵列模块,绝缘缺陷预警模块;
空间电场测量模型模块,用于构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场;
最优监测点阵列模块,用于采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列;
绝缘缺陷预警模块,用于基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,通过基于多点阵列空间电场的非接触式绝缘监测方法,来进行高压断路器的劣化状态的识别和评估,不仅能够弥补现有监测手段的不足,填补高压断路器非接触式绝缘监测技术的空白,而且能有效地实时监控高压断路器的劣化情况,以及时发现潜在故障缺陷,进一步保证辖区内电力系统的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明提出的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法的流程图;
图2为本发明实施例中d-dot电场探头的原理图;
图3为本发明实施例中建立空间电场监测点阵列策略的流程图;
图4为本发明实施例中绝缘劣化识别的流程图;
图5为本发明实施例中第二关联度的计算结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部实施例。基于本发明精神,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,如图1所示,包括:
步骤1,构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场。
具体地,在任一时刻,单个监测点测量得到的是监测点处的电场;通过连续不停的测量,在一个时间段内,得到的是监测点处电场的一个序列。
在一个非限制性的较优实施例中,空间电场测量模型包括:d-dot(微分形式的电容分压器)电场探头,放大滤波模块,Lora通讯模块,MCU模块,锂电池、电池电压采集模块及充电保护模块。
d-dot电场探头的原理如图2所示。将一个中空的金属球壳分成上、下两部分,分隔后的上、下半球为空间电场传感器的两个电极,并通过绝缘物质将其粘结在一起。在空间电场传感器内部用一个测量电容CM与上、下两个半球面相连接,若空间电场传感器放置在垂直于空间电场传感器两个半球面的电场EO(t)内时,两个半球面电极将感应出电荷,进而在测量电容CM的两端产生一个感应电压UM(t),感应电压UM(t)作为空间电场的测量信号。
测量电容CM两端的电压与监测点的电场强度成正比关系,其中Ω为环境因素。但是现场环境因素变化剧烈,导致现场环境条件与理论条件的差距很大,从而导致监测点的电场强度测量值存在较大的误差,因此需要对测量电容CM的感应电压UM(t)进行修正。
基于多维度差异化修正方法,利用环境因素数据和对应的修正方法,得到积极环境因素影响测量信号结果。
在不失一般性的前提下,假设环境因素Ω为一个不大于11维度的向量,包括但不限于温度、湿度、大气压力、露点、磁场强度等多个维度指标;此时感应电压修正值满足式(1):
式中,
γ为环境因素修正系数,满足式(2):
式中,
αi为第i维度的速度参数,
Mx为某维度指标x的均值,
Δi为第i维度偏离极限。
在一个非限制性的较优实施例中,以温度维度影响为例介绍Δi的计算方法,设标准温度为tb,一年统计数据为{t1,t2,…,t8736},t表示温度,下标表示一小时1个测量点,一年按365天计算。
计算温度维度下一年统计数据的均值:Mt=Mean{t1,t2,…,t8736};
计算温度维度下一年统计数据的方差:SDt=S.D.{t1,t2,…,t8736};
Δi为每个维度偏离极限取统计数据的3σ点,温度维度偏离极限Δt满足式(3):
Δt=3SDt (3)
进一步,如果现场环境条件与理论条件的差距极小,则γ接近于1,感应电压修正值满足式(4):
此外,无论是在均匀电场还是在非均匀电场中,本发明采用的d-dot电场探头,是一种球型结构的空间电场传感器,可以对任意类型的工频电场实现测量,测量电压都与监测点的电场强度成正比,因此通过测量和修正感应电压,能够获得准确的电场测量值,有利于提高绝缘监测的准确性和可靠性。
步骤2,采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列。
具体地,如图3所示,步骤2包括:
步骤2.1,对绝缘合格的断路器,执行步骤1而获得的监测点阵列无缺陷空间电场构成第一参考数列Y,Y={y(k)|k=1,2,…,n},其中n为监测点的数量;对绝缘劣化的断路器,执行步骤1而获得的监测点阵列有缺陷空间电场构成比较数列Xj,Xj={xj(k)|k=1,2,…,n},j=1,2,…,m,m为待评价的监测点阵列的种类数。
进一步,n也是用于监测的空间电场测量模型的数量。
优选地,对断路器的监测点阵列空间电场的原始数据进行归一化处理。
在一个非限制性的较优实施例中,需要采集的是不同空间位置的电场参量数据,虽然各电场参量数据的单位一致,但数值差异较大,因此需要消除数据量级的影响,即对原始数据进行归一化处理,满足式(5):
式中,
Wl[]min为断路器的点阵空间电场数据局数组中的最小值,
Wl[]max为断路器的点阵空间电场数据局数组中的最大值,
Wl[t]为断路器的点阵空间电场数据局数组中的待处理数据,
Wl'[t]为归一化处理后的数据。
步骤2.2,对待评价的第j种监测点阵列,计算第一参考数列中各元素与比较数列中各元素之间的量特征关联系数,满足式(6):
式中,
ξj(k)为是待评价的第j种监测点阵列下,比较数列中的元素Xj(k)与第一参考数列中的元素Y(k)之间的量特征关联系数,
ρ为分辨系数,ρ∈(0,1),ρ越小分辨力越大,具体取值可视情况而定。当ρ≤0.5463时,分辨力最好,通常取ρ=0.5。
步骤2.3,对待评价的第j种监测点阵列,利用量特征关联系数,基于平均值法确定比较数列和第一参考数列之间的第一关联度,满足式(7):
式中,
rj为是待评价的第j种监测点阵列下,比较数列和第一参考数列之间的第一关联度。
具体来说,第一关联度rj表征了待评测的第j种监测点阵列对应的缺陷电场与无缺陷电场的关联度。
步骤2.4,取关联度不超过第一关联度阈值的待评测的监测点阵列作为断路器的最优监测点阵列。其中,第一关联度阈值的取值为0.2。
步骤3,基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。
具体地,如图4所示,步骤3包括:
步骤3.1,对不同绝缘劣化类型的断路器,基于最优监测点阵列,执行步骤1而获得最优监测点阵列劣化空间电场构成第二参考序列,以空间电场测量模型获取的断路器在最优监测点阵列下的空间电场实测数据构成监测序列。
具体地,空间电场测量模型获取断路器在最优监测点阵列下的空间电场实测数据时,通过d-dot电场探头实施。
步骤3.2,按照步骤2.2至2.3计算第二参考序列和监测序列之间的第二关联度。
具体来说,第二关联度表征了运行状态的断路器绝缘状况与绝缘缺陷样本的关联程度,关联程度越大,出现绝缘劣化的可能性越高。
步骤3.3,当监测序列与第二参考序列的关联度不小于第二关联度阈值时,以第二参考序列所对应的绝缘劣化类型,作为监测序列的绝缘缺陷,并进行预警。
值得注意的是,本发明实施例中选择数值不小于0.9的第二关联度阈值对应的监测序列进行报警,是一种非限制性的较优选择,本领域技术人员可以根据工程实际需要和设备安全要求,选择不同的第二关联度阈值。
进一步,对于绝缘缺陷样本,不同类型的绝缘缺陷样本的缺陷等级分为三类,当进行预警时,不仅可对绝缘故障类型进行预警,亦可以判断绝缘故障等级,以对应不同等级的故障处置方式。
本发明两次采用灰色关联理论,步骤2中第一次采用灰色关联理论作为最优监测点阵列的确定策略,最优监测点阵列即为d-dot电场探头的布置阵列。步骤3中第二次采用灰色关联理论,以实现绝缘监测的绝缘评价方法。
以某变电站220kV少油断路器某相劣化程度监测情况为例,其于10月13日上午10时发出了轻度劣化报警。本实施案例中,选取3类缺陷(触头受损、绝缘受损、绝缘受潮),进行三种等级(1轻度、2中度、3重度)的预警,报警时的监测结果如图5所示,显示绝缘受潮等级1预警。
本发明通过多点阵列空间电场的非接触式高压断路器绝缘监测方法,来进行其劣化状态的识别和评估,该方法不仅能够弥补现有监测手段的不足,填补高压断路器非接触式在线监测技术的空白,而且能有效地实时监控高压断路器的劣化情况,以及时发现潜在故障缺陷,进一步保证辖区内电力系统的安全稳定运行。
本发明还提供了一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测系统,包括:空间电场测量模型模块,最优监测点阵列模块,绝缘缺陷预警模块;
空间电场测量模型模块,用于构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场;
最优监测点阵列模块,用于采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列;
绝缘缺陷预警模块,用于基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质,其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身,诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如,通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备,或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令,并转发该计算机可读程序指令,以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码,所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等,以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中,通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路,例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA),该电子电路可以执行计算机可读程序指令,从而实现本公开的各个方面。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,包括:
步骤1,构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场;
步骤2,采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列;
步骤3,基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。
2.根据权利要求1所述的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,
空间电场测量模型包括:d-dot电场探头,放大滤波模块,Lora通讯模块,MCU模块,锂电池、电池电压采集模块及充电保护模块。
5.根据权利要求1所述的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,
步骤2包括:
步骤2.1,对绝缘合格的断路器,执行步骤1而获得的监测点阵列无缺陷空间电场构成第一参考数列Y,Y={y(k)|k=1,2,...,n},其中n为监测点的数量;对绝缘劣化的断路器,执行步骤1而获得的监测点阵列有缺陷空间电场构成比较数列Xj,Xj={xj(k)|k=1,2,...,n},j=1,2,...,m,m为待评价的监测点阵列的种类数;
步骤2.2,对待评价的第j种监测点阵列,计算第一参考数列中各元素与比较数列中各元素之间的量特征关联系数,如下式:
式中,
ξj(k)为是待评价的第j种监测点阵列下,比较数列中的元素xj(k)与第一参考数列中的元素y(k)之间的量特征关联系数,
ρ为分辨系数,ρ∈(0,1);
步骤2.3,对待评价的第j种监测点阵列,利用量特征关联系数,基于平均值法确定比较数列和第一参考数列之间的第一关联度,如下式:
式中,
rj为是待评价的第j种监测点阵列下,比较数列和第一参考数列之间的第一关联度;
步骤2.4,取关联度不超过第一关联度阈值的待评测的监测点阵列作为断路器的最优监测点阵列。
6.根据权利要求5所述的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,
步骤2.1还包括:对断路器的监测点阵列空间电场的原始数据进行归一化处理。
7.根据权利要求5所述的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,
第一关联度阈值的取值为0.2。
8.根据权利要求5所述的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,
步骤3包括:
步骤3.1,对不同绝缘劣化类型的断路器,基于最优监测点阵列,执行步骤1而获得最优监测点阵列劣化空间电场构成第二参考序列,以空间电场测量模型获取的断路器在最优监测点阵列下的空间电场实测数据构成监测序列;
步骤3.2,按照步骤2.2至2.3计算第二参考序列和监测序列之间的第二关联度;
步骤3.3,当监测序列与第二参考序列的关联度不小于第二关联度阈值时,以第二参考序列所对应的绝缘劣化类型,作为监测序列的绝缘缺陷,并进行预警。
9.根据权利要求8所述的基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测方法,其特征在于,
第二关联度阈值的取值为0.9。
10.一种基于阵列空间电场的断路器非接触式绝缘监测系统,用于实现权利要求1至9任一项所述方法,其特征在于,
包括:空间电场测量模型模块,最优监测点阵列模块,绝缘缺陷预警模块;
空间电场测量模型模块,用于构建断路器单个监测点的空间电场测量模型,根据环境因素对空间电场测量模型的测量结果进行修正,获得断路器的监测点阵列空间电场;
最优监测点阵列模块,用于采用灰色关联理论,从断路器的监测点阵列空间电场中获取与无缺陷空间电场关联度不超过第一关联度阈值的监测点阵列,作为最优监测点阵列;
绝缘缺陷预警模块,用于基于最优监测点阵列,采用灰色关联理论,当断路器的空间电场测量模型的测量结果与劣化空间电场关联度不小于第二关联度阈值时,根据劣化空间电场对应的劣化类型,进行断路器绝缘缺陷预警。
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