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第44卷第8期2016年4月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,ol_44No.8Apr.16,2016D0I:10.7667/PSPC151651基于可拓分析和熵值法的GIS状态评估王涛云,马宏忠,崔杨柳,姜宁,李凯,许洪华(1.河海大学能源与电气学,江苏南京211100;2.江苏省电力公司南京供电公司,江苏南京210019)摘要:GIS运行状态评估是指导GIS状态检修的重要手段。将可拓分析理论引入GIS状态评估中,以s气体组分指标为主,并结合sF6气体的纯度、湿度和气体中空气含量指标来构建关联函数。结合关联函数值与规程中规定的注意值和警示值的关系确定GIS状态等级关系及相应的检修策略。运用熵值法理论解决了GIS状态评估中各指标的权重问题。实例分析表明,该评估方法可以准确地评估GIS的各个气室状态,有利于监测预警和制定综合检修策略。关键词:GIS;状态评估;可拓分析;关联函数;熵值法ConditionevaluationofgasinsulatedswitehgearbasedonextensionanalysisandentropymethodWANGTaoyun,MAHongzhong,CUIYangliu,JIANGNing2,LIKai,XUHonghua2(1.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HoHaiUniversity,Nanjing211100,China;2.JiangsuNanjingPowerSupplyCompany,Nanjing210019,China)Abstract:ConditionevaluationofGISisallimportantapproachtoprovidingdecision-makingforconditionmaintenance.ExtensionanalysisisintroducedintoconditionevaluationofGIS.withthebasisofindexesofSF6gascomponents,combiningwiththepurity,airhumidityandaircontentofSF6indexestoconstructco.elationfunctionsaccordingtoSF6gascomponentsarewidelyusedtotheoperationofGIS.Determinetherelationshipbetweentheconditionlevelandthecorrespondingmaintenancestrategiesbasedonrelationsofcorrelationfunctionvaluesandnotevaluesandwarningvaluesspecifiedbyprocedures.EntropymethodisusedtosolvetheweightproblemsofeachindexforGISconditionassessment.TheresultsofanexampleanalysisindicatethatthemethodinthispaperiscapableofassessingthestateofGISineachchamberanditisconducivetothemonitoringandearlywarninganddevelopingcomprehensivemaintenancestrategy.Keywords:gasinsulatedswitchgear;conditionevaluation;extensionanalysis;correlationfunction;entropymethod0引言气体绝缘金属封闭开关设备(GasInsulatedSwitchgear,GIS)是电网运行的关键输变电设备,被广泛应用于我国110kV及以上电压等级电网中[1-3],GIS包括元件多,结构复杂,其性能和运行状态直接影响电网的安全运行,GIS的状态评估与判断是亟待解决的关键问题【4J。在对GIS进行诊断分析的基础上进一步进行状态评价,制定快速、准确、合理的检修策略,以迅速确定故障点、故障原因和类型,对于减少停电时间,提高维修效率和设备利用率具有至关重要的意义。基金项目:江苏省电力公司2015年重点科技项目(J2015054)白20世纪8b年代起,俄罗斯、德国、加拿大、日本等国家对SF6气体分解技术进行了大量的实验和检测研究【5J。基于SF6气体分解产物检测的设备故障诊断技术研究,设立多个重大科研项目,取得了较大的成果。文献【10]分析了sF6气体分解产物检测理论,并对运行、故障和型式试验后的设备的气体分解产物进行检测和结果分析,以确定不同状态下开关设备的sF6气体分解产物组分及其含量,进而得到表征设备故障的SF气体分解特征气体。文献【11]总结前期研究成果的基础上,提出了开关设备故障现场预判的参考指标及综合诊断依据,并现场普测开关设备的sF6气体分解产物。文献【12】对GIS设备分解产物进行带电检测,并对检测结果统计分析,得到不同类型设备中的分解产物特性。.116.电力系统保护与控制文献【13】将sF6气体分解产物应用到GIS故障诊断中。文献[14】将SF6气体中杂质含量应用到GIS故障诊断中。结合现有的研究成果可知,GIS运行设备状态监测的特征气体以SO2、H2S为主,以HF、CF4、CO和CO2为辅,可判断设备状态从而进行监测预警。本文以sF6气体组分指标为主,并结合sF气体的纯度、湿度和气体中空气含量指标来对GIS状态进行综合评估。引入可拓分析理论来构造各指标的关联函数,结合关联函数值与规程中规定的注意值和警示值的关系确定GIS状态等级关系及相应的检修策略。若GIS状态为异常和严重时,应综合应用特高频、超声波和振动法进行检测分析。运用熵值法理论解决了GIS状态评估中各指标的权重问题。实例分析表明,该评估方法可以准确地评估GIS的各个气室状态,有利于监测预警和制定综合检修策略。1GIS评估指标关联函数构造1.1GIS评估指标的经典域和节域GIS各试验数据通常情况下有两个取值区间,一是经典域即GIS正常运行时基本量变要求范围;二是节域即GIS状态发生改变的质变范围。GIS的各参量在量变范围内变化,其功能可以正常发挥;当GIS的量变突变到质变的范围内时,则GIS可能存在故障,需要综合诊断,加以确定。根据IEC62271.2003【J、IEC60480.2007【的规定及大量的实验室研究和现场实测,结合现有的分解产物评价指标,确定了GIS各评估指标的经典域和节域如表1所示。表1GIS评估指标的经典域和节域Table1ClassicalfieldandsegmentofassessmentindexesofGIS1.2基于可拓分析的GIS评估指标关联函数构造可拓学中的几个定义如下f"】:实轴上任意一点x与实域上任意一有限区间Xo=[a,b】的距为p(x,Xo),其计算式为(x,Xo)=l-(1)I二l二给定区间【c,,且Xoc,则定义点X关于区间和组成的区间套的位值规定为Ip(x,)一p(x,),≠D(x,Xo,X)={p(x,)p(x,Xo)且芒)Co;(2)Ip(x,)一p(x,Xo)+一b,其他。∈给定区间Xo=[a,6】,Xo(,(口+b)/2],则定义点X与区间关于o的左侧距为p(x,xo,)=—ax,x口;∈(x一日),[a,(3)——aXo—bXo。∈给定区间Xo=[a,,X0[(+b)/2,b),则定义点X与区间关于0的右侧距为—Ia,Xo;∈p(X ̄X0aXo)={(6一x),xIx。,加;(4)∈给定区间Xo=[a,b】,[c,,X0【a,b】,且c,则最优点o处的初等关联函数为()=p(x,xo,Xo)此关联函数在]c:0时达到最大值。以越小越优型指标SO:为例,分析SO评估指标的关联函数。由表1可知Xo=[O,5】,[0,10],由式(1)可得任意一个S02的检测值与区间和的距分别为:p(x,)=l一2.5I-2.5,p(x,)=I)c一5l一5。由式(2)得点x关于区间和组成的区间套的位值为Ix-5[-Ix-2.51-2.5,SO2的值越小越好,所以最优值0在区间的左侧,即0=0,所以由左侧距公式(3)得pL(X,X0,Xo)=一5。由式(5)可得气体组分802的关联函数为王涛云,等基于可拓分析和熵值法的GIS状态评估.117.1l—():一ll广—U一5—51-x-2.512.5一551--2.5[-7.5,;.∈xX0。设依次为0、2.5、5、7.5、10、15,分别计算其关联函数值:O)=1;K(2.5)=0.5;5)=0;7.5)一0.5;10)一1;15)一1.625。由计算可知“SO2含量小于5L・L~,关联函数为正,且SO2含量越小关联函数值越高,GIS的状态越好;SO2含量等于5uL・L~,关联函数为0,代表了规程中规定的注意值,即指标从量变突变到质变的临界点;SO2含量大于5uL・L~,关联函数为负,表示指标已不在正常变化范围之内,可能存在故障,性能劣化越严重,关联函数值负的越多。越大越优型指标以SF6气体纯度为例,最优值o在区间的右侧,所以使用右侧距公式建立关联函数。直接给出计算结果为Il~—jl(x)={IlT==一【l一99一97.51一f一99.5I一299一—97.5rIx-99.5I-3,X:Co;.∈Xo。同理,可以获得其他指标的关联函数,由于文章篇幅有限,不再赘述。由关联函数值与规程中规定的注意值和警示值的关系,定义关联函数的值与状态等级及检修策略的关系,如表2所示。表2关联函数值与状态等级的关系Table2Correspondingrelationofcorrelationfunctionvaluell、andstatelevel’关联函数值状态等级处理方法2基于综合权重的GIS的SF6气体指标权重分配2.1评估指标常权权重的确定指标的常权权重主要由GIS运行和检修的五位权威性专家根据实际经验和基于GIS的sF6气体检测记录统计获得,专家在0~10之问给出GIS的SF6气体各指标的评价值如表3所示。五位权威性较高的专家的权重值w依次为0.72、0.68、0.65、0.62、0178。SF6气体指标的常权5∑权重按=x//5计算,将其归一化后可得i=1=【0.2034,0.1986,0.1801,0.1549,0.1555,0.1O75]。表3SF6气体组分指标评价值Table3EvaluationvalueofSF6indexes主窒量墨墨El(0.72)8.58.37.56.56.54.5E2(0.68)8.88.27.66.26.84.2E3(0.65)8.28.57.86.86.24.8E4(0.62)8.68.37.26.66.64.6E5(0.78)8.48.2756.36.44.42.2基于熵值法的评估指标变权重系数的应用为保证GIS运行状态评估的准确性,评估时多次测量纵向历史数据,利用熵值法[18-20]对常权权重值进行适当的修正,以满足评估指标变化的情况和具体实际问题中的动态差异,从而更加重视变化量大的指标,可以准确反映GIS的实际运行状态。设有/,/次测量结果,m个评价指标,其构成数据矩阵X为=1Xl2…mX21x22…mx.1…Xn2某项指标,的熵值表达式为ej=一P(xu)lnp(xU)(7)i=1≤∑式中:k>O,且k=l/lnm ̄0ej1;p(xg)=xu/。i=1由式(7)可知,对于给定的指标J,差异性越大,则es越小,即该指标在综合评估中的重要度就越高,为了方便理解,定义一个与指标测量数据差异性成…正比的差异性因素向量G=1,g2,,gm),则g『=卜已,。利用归一化差异因数对常权权重进行调整得到变权权重:…w,=0.5g,+O.5wj(J=1,2,,n)(8)式中,W/是常权权重值。3实例分析2009年3月,现场检修人员对某126kV的GIS进行日常巡视检查时,发现某线路的隔离开关内部有轻微的异声,并对该气室进行sF6气体组分分析,。多次测量纵向历史数据,测量结果如表4所示。.1l8.电力系统保护与控制表4SF6气体组分在线测量数据Table4Onlinemeas ̄ememdataofSF6gascomponentl20505107I6=I5190162618ll113120253825l∑气体组分状态判定值=国=一1.0943。图1局部放电UHF信号的三维图谱Fig.13-DplotofUHFPDsignal有效值2Omv图2连续测量模式图Fig.2Figureofcontinuousmeas ̄ememmode图3相位测量模式图Fig.3Figureofphasemeas ̄ememmode由图2可以看出:信号的有效值和峰值分别4mV和20mV,100Hz的相关性明显强于50Hz。由图3可以看出:可知一个周期内信号有两簇较集中的聚集点。由此可以判断该气室有电位悬浮故障。解体检查发现,CT的B相的屏蔽筒和筒壁的紧固螺栓松动,且靠近B相有大量的SF分解粉末,如图4所示。王涛云,等基于可拓分析和熵值法的GIS状态评估图4气室解体图Fig.4Figureofdisintegrationforairchamber4结论(1)GIS在线状态评估以SF6气体组分指标为主,并结合SF6气体的纯度、湿度和气体中空气含量指标来对GIS状态进行判断和监测预警。根据评估结果,综合应用特高频、超声波和振动法进行检测分析。(2)引入可拓分析方法,构造各指标的关联函数,使GIS在正常运行的量变范围内关联函数值为正,且关联函数值越大状态越优;指标从量变突变到质变的临界点时关联函数为0;GIS在不正常的运行范围内关联函数为负值,且关联函数值负的越多,GIS性能劣化越严重。(3)运用熵值法理论对GIS各指标常权权重值进行适当的修正,以满足评估指标变化的情况和具体实际问题中的动态差异。(4)通过实例分析表明,基于可拓分析和熵值法的GIS状态评估可以准确地评估GIS的各个气室状态,有利于监测预警和制定综合检修策略。参考文献[1]余高旺.新一代智能变电站中多功能测控装置的研制与应用[J】.电力系统保护与控制,2015,43(6):127.132.YUGaowang.Researchandapplicationofmultifunctionalmeasurement&controldeviceofnewgenerationsmartsubstation[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,43(6):127-132.[23崔杨柳,马宏忠,王涛云,等.基于故障树理论的GIS故障分析[J].高压电器,2015,51(7):125.129.CUIYangliu,MAHongzhong,WANGTaoyun,eta1.FaultanalysisofGisbasedonfaulttreetheory[J].HighVoltage—Apparetns,2015,51(7):125129.[3]周星,许家珲,张嵌.智能变电站SF6气体微水监测系统的选型与配置【J].电网与清洁能源,2014,3O(2):48.51.ZHOUXing,XUJiahui,ZHANGQian.Selectionandconfiguration0fSF6Micro-watermonitoringsysteminthesmartsubstati0n[J].PowerSystemandCleanEnergy,2014,—30(2):4851.[4]邓永辉.高压开关设备典型故障案例汇编(2006.2010年)[M].北京c中国电力出版社,2013:1-47.[5]PIEMONTESIM,NIEMEYERL.SorptionofSF6andSF6decompositionproductsbyactivatedaluminaandmolecularsieve13X[C】//IEEEIntemationalSymposiumonElectricalInsulation,Montreal,Quebec:IEEE,1996:828.838.[6]SUEHIROJ,ZHOUGHARAM.Detectionofpartial—dischargeinSF6gasusingacarbonnanotubebasedgassensor[J].SensorsandActuators,2005,105(2):164-169.[7]BEYERC,JENETTH,KL0CKOWD.InfluenceofreactiveSFxgasesonelectrodesurfacesafterelectricaldischargesunderSF6atmosphere[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,2000,7(2):234.240.[8]CHUFYSF6decompositioningasinsulatedequipment[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,—1986,21(5):693725.[9]TOMINAGAS,KUWAHARAH,HIROOKAK,eta1.SF6gasanalysistechniqueanditsapplicationforevaluationofinternalconditionsinSF6gasequipment[J].IEEETransactionsonPowerApparatusandSystems,—1981,100(9):41964206.[1O]颜湘莲,王承玉,季严松,等.开关设备中SF6气体分解产物检测的应用[J].电网技术,2010,34(9):32.34.YANXianglian,WANGChengyu,JlYansong,eta1.SwitchingequipmentinthedecompositionproductsofSF6gassensingapplications[J].PowerSystemTechnology,2010,34(9):32-34.[11]颜湘莲,王承玉,杨韧,等.应用SF6气体分解产物的高压开关设备故障诊断[J】.电网技术,2011,35(12):120.123.YANXianglian,WANGChengyu,YANGRen,eta1.Faultdiagnosisofl1ighvoltageswitchgearsbydecompositionproductsofSF6[J].PowerSystemTechnology,2011,—35(12):120123.[12]颜湘莲,宋杲,王承玉,等.基于SF6气体分解产物检测的气体绝缘开关设备状态监测[J】.电力自动化设备,—2014,34(6):8388.YANXianglian,SONGGao,WANGChengyu,eta1..120.电力系统保护与控制—GasinsulatedswitchgearstatemonitoringbasedonSF6decompositionproductsdetection[J].ElectricPower—AutomationEquipment,2014,34(6):8388.[13]季严松,王承玉,杨韧,等.SF6气体分解产物检测技术及其在GIS设备故障诊断中的应用[J].高压电器,—2011,47(2):100103.JIYansong,WANGChengyu,YANGPen,eta1.MeasuringtechniqueofSF6decompositionproduc 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