CN103761577A - 基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策*** - Google Patents

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郭丽娟
邓雨荣
邬蓉蓉
张炜
陶松梅
吴秋丽
梁俊斌
吕泽承
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Abstract

本发明公开了一种基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，它包括线监测***、技术监督***、调度SCADA***及生产MIS***构成的数据中心，其特征在于还包括：与所述数据中心连接，并获取数据的数据获取接口模块、内核处理模块、核心业务模块状态评估接口模块等。该***采用分层、集中式架构，详细定义分层的组成、接口及其通信实体；利用事件触发机制，具有数据存储的通用模型，满足对多类设备数据运算和处理的需要，具有高内聚、松散耦合性。并以设备状态评价导则及风险评估导则为依据，接入***相关数据，通过判断电容型设备的介质损耗角的变化以判断设备风险大小；实现设备状态评价的自动评价，极大提高设备开展状态评价工作效率，同时减少过多人为参与评判造成的误评判。

Description

基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***
技术领域
本发明涉及一种智能电网中高压变电设备状态检修的研究与应用，特别是涉及一种高压电容型设备运维策略辅助决策***。
背景技术
近年来，随着电网规模的快速扩大，***大面积停电事故时有发生，单一设备故障的影响不仅仅局限于自身，可能会扩大至区域电网甚至全***。因此，维修决策中仅仅考虑设备自身影响而不计入其对***的影响，不能满足***安全运行的要求。充分考虑设备在***中的不同位置、故障后果大小的差异，引入风险评估可以兼顾安全性和经济性，将风险引入状态评估中可以很好的衡量设备自身状态及设备故障带来的影响，因此风险评估是一种更加全面合理的检修技术。 
基于风险评估的状态的研究最早源于石化行业，风险评估在电力行业的应用尚处于起步阶段。目前，仅利用严重度指标来评估***风险，利用自定义的严重度函数分别计算线路过负荷、低电压、电压失稳以及连锁故障的等简单的风险指标，且这些工作多集中于理论分析，完整的工程实际应用经验少；也没有构建完整的电容型设备基于风险的状态检修决策***。
另一方面，介质损耗因数                                                
Figure 2013106913004100002DEST_PATH_IMAGE001
是表征电容型设备绝缘状况的一项重要指标。其中
Figure 888875DEST_PATH_IMAGE002
是指介质损耗角即在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角的余角。介质损耗因数tanδ是反映绝缘介质损耗大小的特征参量,实际经验表明,对于体积较小的电容型设备,测量其整体绝缘介质损耗因数可较灵敏地发现设备中发展性的局部缺陷、设备绝缘受潮和劣化变质等。因而,测量tanδ对于判断电容型设备的绝缘状态十分重要。同时，由于电气设备介质损耗角是一个微小值，现场的频率偏移和谐波干扰很容易影响它，甚至淹没它的真实值，必须寻找高性能的精确测量方法。
如目前，测量介质损耗角可分为硬件法和软件法。硬件法主要有过零比较法、电桥平衡法等，此类方法存在硬件处理环节多、抗干扰能力差、累积误差大等缺点；谐波分析法是目前主要的软件分析方法，其原理基于傅里叶变换，利用三角函数的正交性使求解基波分量不受谐波和直流的影响，故可以达到较高稳定性和测量精度。基于正弦信号本身的特点和数字频谱分析理论可知，只有信号在满足整周期采样和整周期截断计算才能准确的实现信号的频谱分析，否则会出现频谱泄漏和栅栏效应，使计算结果出现较大误差，尤其是相位误差更大。实际中电网频率时常波动，采样装置的采样频率很难准确的保持在电网频率的整数倍，这也使得无法得到整周期截断的样本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，该***以设备状态评价导则及风险评估导则为依据，利用***相关数据，通过判断电容型设备的介质损耗角的变化以判断设备风险大小，实现设备状态评价的自动评价，极大提高设备开展状态评价工作效率，同时减少过多人为参与评判造成的误评判。
本发明采用以下技术方案实现上述目的：
一种基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，它包括线监测***、技术监督***、调度SCADA***及生产MIS***构成的数据中心，其特征在于还包括：
与所述数据中心连接，并获取数据的数据获取接口模块；
输入端与所述数据获取接口模块输出端连接，主要由数据处理引擎和导则处理引擎组成的内核处理模块；
从所述内核处理模块获取并处理电容型设备实时/历史数据及反映设备工况状态的特征参数，计算设备当前介质损耗角，预测介质未来发展趋势的风险评估模块；
与所述内核处理模块连接，包括数据获取子模块、数据处理服务子模块、状态量监测预警子模块、健康评估子模块、检修决策子模块、风险评估子模块，并构成分层架构的核心业务模块；
从所述内核处理模块获取信息，包括图表生成器、报表生成器和各种通用控件组成，并分别与所述的核心业务模块和介质损耗角风险评估模块作双向通信的状态信息一体化展示模块；
为所述的状态信息一体化展示模块提供工作用具，主要由规则建模工具、报表建模工具、图表建模工具、管理工具组成的辅助工具模块；
信息输入端与所述的状态信息一体化展示模块输出端连接的检修辅助决策结果输出模块，它输出并存储状态评价结果。
所述数据获取接口模块具备IEC 61850的MMS通讯能力，并在满足电力二次***安全防护规定的前提下，信息交互总线具有通过正/反向物理隔离装置跨越生产管理信息***大区，实现与数据中心的信息交互。
所述内核处理模块主要由数据处理引擎、导则处理引擎组成，其中，数据处理引擎根据评价导则的数据需求从外***抽取数据，并采用配置文件描述的形式灵活配置数据处理流程，实现状态量及其计算方法的灵活定义，以适应专业技术发展的需要；导则处理引擎负责解析状态评价模型，并完成状态评价的具体计算，导则处理引擎应能够灵活配置各类设备的状态评价导则，支持按设备、部件进行状态评价。
所述介质损耗角风险评估模块以三相电压信号作为相位基准信号，三相电流信号与基准信号相位夹角即为所求；首先将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量，其次将信号在频域内做功率谱分析，并根据重心法则对基波频率修正从而精确得出信号基波频率；然后用样条插值法对原始电压、电流信号进行插值计算，并进行整周期重采样；最后根据快速傅里叶算法求得各次谐波电压与电流的相位夹角，从而得出介质损耗角；同时根据数值变化情况进行风险评估。
所述的核心业务模块其各架构层之间采用基于事件监听机制的数据总线技术进行通信,主要功能包括：获取并处理电容型设备相关基础资料、设备实时/历史数据等反映设备健康状态的特征参数，评价设备当前健康状况，预测未来发展趋势；对状态劣化和趋势不良的设备及时发布状态预警消息，并进行有效的故障模式和原因的分析；通过综合优化检修策略模型分析，提出检修决策建议，指导状态检修工作的具体实施；根据状态评价模型，计算设备风险值，量化状态评价结果，为设备运维部门提供决策依据。
所述的状态信息一体化展示模块主要由图表生成器、报表生成器、各种通用控件组成，其中，图表生成器能够跟据用户的需要灵活配置定义各类专业图表，提供强大的图表生成技术；报表生成器能灵活定义各类设备评价报告，满足各种技术层面对报告的需要；通用控件包括通用的台帐、试验数据、标签、菜单、索引树、帮助窗口等常用展现要素，实现展现形式的灵活，展现方式通过配置文件描述，无需编写特定页面，符合组件式可插拔软件设计思想。
所述的辅助工具模块用于基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***的***管理与构建，可以根据状态决策业务需要实现规则建模、报表建模、图表建模等管理。
所述的检修辅助决策结果输出模块实现电容型设备状态评估、检修策略制定计算结果的对外***输出及储存。
以上结构的一种基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，该***采用分层、集中式架构；详细定义分层的组成、接口及其通信实体，利用事件触发机制，具有数据存储的通用模型，满足对多类设备数据运算和处理的需要，具有高内聚、松散耦合性。并以设备状态评价导则及风险评估导则为依据，利用***相关数据，通过判断电容型设备的介质损耗角的变化以判断设备风险大小，实现设备状态评价的自动评价，极大提高设备开展状态评价工作效率，同时减少过多人为参与评判造成的误评判。本发明的突出优点在于：
1、克服现有电容型设备介质损耗因素精确计算的不足，提出一种能准确、高效的电容型设备介质损耗因数计算方法。
2、通过考虑电容型设备介质损耗角的变化，实时反应设备存在风险，不断修正数据提高设备状态评估准确度。
3、综合考虑在线监测***、技术监督***、生产MIS***等数据，真实地还原设备状态，确保提高设备状态评估及状态检修决策基础数据的全面性。
附图说明
图1 是本发明的结构方框图。
图 2 是本发明风险评估计算的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作详细描述。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，包括数据获取接口模块1、内核处理模块2、核心业务模块3、介质损耗角风险评估模块4、状态信息一体化展示模块5、辅助工具模块6、检修辅助决策结果输出模块7。其中，数据获取接口模块1的信号输入端与包括线监测***、技术监督***、调度SCADA***及生产MIS***构成的数据中心连接，信号输出端与内核处理模块2的信号输入端连接；内核处理模块2的信号输出端与核心业务模块3、介质损耗角风险评估模块4和状态信息一体化展示模块5的信号输入端连接；核心业务模块3与状态信息一体化展示模块5之间为双向通信；同理，状态信息一体化展示模块5与介质损耗角风险评估模块4之间也为双向通信；辅助工具模块6为所述的状态信息一体化展示模块5提供工作用具；检修辅助决策结果输出模块7提取状态信息一体化展示模块5中的相关数据，并进行对外***输出及储存。其中：
数据获取接口模块1通过IEC 61850的MMS通讯方式接入调度SCAD***、生产MIS***、技术监督***及在线监测***的相关工况数据，并通过通信电缆传送至内核处理模块2进行处理。
内核处理模块2通过数据处理引擎、导则处理引擎对数据获取接口模块1接入的数据进行状态评价。
介质损耗角风险评估模块3通过基于基波频率修正原理的电容型设备介质损耗因素精确计算方法对数据获取接口模块1接入的电容型设备监测数据进行介质损耗角计算及风险评估。
核心业务模块4通过获取并处理数据获取接口模块1接入的电容型设备相关基础资料、设备实时/历史数据等反映设备健康状态的特征参数，评价设备当前状况，预测未来发展趋势，量化状态评价结果。核心业务模块4采用分层架构，各层包括数据获取子模块、数据处理服务子模块、状态量监测预警子模块、健康评估子模块、检修决策子模块、风险评估子模块，各程序模块可配置并可动态迁移。
状态信息一体化展示模块5对数据获取接口模块1接入的数据、介质损耗角风险评估模块3及核心业务模块4的计算结果进行展示。
辅助工具模块6对状态信息一体化展示模块5进行规则建模、报表建模、图表建模等管理。
检修辅助决策结果输出模块7提取状态信息一体化展示模块5中的状态评估、状态检修决策计算结果数据，并进行对外***输出及储存。
以上的数据获取接口模块1、内核处理模块2、核心业务模块3、介质损耗角风险评估模块4、状态信息一体化展示模块5、辅助工具模块6和检修辅助决策结果输出模块7均为现有技术和产品，或为本领域的技术人员根据现有技术和需要而易设计和做出。
介质损耗角风险评估的计算流程如图2所示，介质损耗角风险评估的计算以三相电压信号作为相位基准信号，三相电流信号与基准信号相位夹角即为所求。首先将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量；其次将信号在频域内做功率谱分析，并根据重心法则对基波频率修正从而精确得出信号基波频率；然后用样条插值法对原始电压、电流信号进行插值计算，并进行整周期重采样；最后根据快速傅里叶算法求得各次谐波电压与电流的相位夹角，从而得出介质损耗因素。
上述计算方法，具体采用以下步骤实现：
将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量 ；
将去除直流量后的电压、电流信号在频域内进行功率谱分析，并根据能量矩原理精确测出信号基波频率；
将电压、电流信号加Hanning自卷积窗函数进行功率谱分析，得到多根离散的功率谱谱线。
上述步骤完成后，令最大功率谱谱线的幅值为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，横坐标为
Figure 471035DEST_PATH_IMAGE004
；同时令第
Figure DEST_PATH_IMAGE005
根谱线的幅值为
Figure 223091DEST_PATH_IMAGE006
，第
Figure DEST_PATH_IMAGE007
根谱线的幅值为
Figure 170187DEST_PATH_IMAGE006
；
上述步骤完成后，若
Figure 437220DEST_PATH_IMAGE008
，那么基波频率公式采用公式（1）：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中f为基波频率，
Figure 826001DEST_PATH_IMAGE010
为信号频率分辨率。
若
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，那么基波修正频率公式采用公式（2）；
    
Figure 432563DEST_PATH_IMAGE012
，其中f为基波频率，
Figure 612877DEST_PATH_IMAGE010
为信号频率分辨率。
 
采用样条插值法对原始电压、电流信号进行插值计算；
在区间
Figure DEST_PATH_IMAGE013
,下列等式（3）定义了输出插值y；
Figure 304890DEST_PATH_IMAGE014
;………………(3)
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；          
Figure 228852DEST_PATH_IMAGE016
；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；    
Figure 689920DEST_PATH_IMAGE018
；
上述步骤完成后,对电压、电流信号进行整周期重采样
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，其中
Figure 306715DEST_PATH_IMAGE020
是重采样频率;
Figure DEST_PATH_IMAGE021
=100;
Figure 486024DEST_PATH_IMAGE022
为信号基波频率。
上述步骤完成后，截取整周期长度的样本，根据快速傅里叶算法求得基波电压与电流的相位夹角。
进一步算出基波电压和基波电流相位夹角的余角即为为介质损耗角δ,然后求出介质损耗角δ的正切即得到介质损耗因数tanδ，并根据计算结果进行风险评估。
工作原理和过程是：基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***以设备状态评价导则及风险评估导则为依据，并接入SCADA***、MIS***、技术监督***及在线监测***相关数据，并通过判断电容型设备的介质损耗角的变化以判断设备风险大小；通过以上计算结果实现设备状态评价的自动评价，极大提高设备开展状态评价工作效率，同时减少过多人为参与评判造成的误评判。由于***在省级电网公司进行完整部署，地市，包括班组和网省用户均通过互联网方式登录***在指定权限下查询检修辅助决策结果等功能。
介质损耗角
Figure DEST_PATH_IMAGE023
可反映电容型设备绝缘功率损耗大小，尤其对较小设备的绝缘性能比较灵敏，是电容型设备是否存在风险的关键指标。精确测量电气设备的介质损耗角对电力***的安全稳定运行具有重要的意义。例如，当20℃时电容型变压器套管介质损耗因素tanδ值超出表1中的数值时，应采取以下措施：
表1 电容型变压器套管介质损耗因素tanδ值注意值
Figure 945168DEST_PATH_IMAGE024
    1、立即查明测试数据异常原因，同时检查测试装置是否存在异常； 
2、缩短预防性试验周期；
3、采用红外热成像检测方式，检查套管是否存在温度异常 ；
4、检查套管油位是否存在异常；
5、必要时对套管进行停电测试，测试要求如下：
（1）油纸电容型套管的 tanδ一般不进行温度换算，当 tanδ与出厂测试值或上一次测试值比较有明显增长或接近上表所列数值时，应综合分析 tanδ与温度、电压的关系。当 tanδ随温度增加明显增大 或 试 验 电 压 由 10kV 升 到设备最高电压（Um）/ 3 时，tanδ增量超过±0.3%，不应继续运行。
（2）测量变压器套管 tanδ时，与被试套管相连的所有绕组端子连在一起加压，其余绕组端子均接地，套管末屏接电桥，正接线测量 。
（3）对具备测试条件的电容型套管可以用带电测试电容量及 tanδ代替 
6、查明原因后，根据情况采取检修、更换等处理方式。

Claims (8)

1.一种基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，它包括线监测***、技术监督***、调度SCADA***及生产MIS***构成的数据中心，其特征在于还包括：
与所述数据中心连接，并获取数据的数据获取接口模块（1）；
输入端与所述数据获取接口模块（1）输出端连接，主要由数据处理引擎和导则处理引擎组成的内核处理模块（2）；
从所述内核处理模块（2）获取并处理电容型设备实时/历史数据及反映设备工况状态的特征参数，计算设备当前介质损耗角，预测介质未来发展趋势的风险评估模块（4）；
与所述内核处理模块（2）连接，包括数据获取子模块、数据处理服务子模块、状态量监测预警子模块、健康评估子模块、检修决策子模块、风险评估子模块，并构成分层架构的核心业务模块（3）；
从所述内核处理模块（2）获取信息，包括图表生成器、报表生成器和各种通用控件组成，并分别与所述的核心业务模块（3）和介质损耗角风险评估模块（4）作双向通信的状态信息一体化展示模块（5）；
为所述的状态信息一体化展示模块（5）提供工作用具，主要由规则建模工具、报表建模工具、图表建模工具、管理工具组成的辅助工具模块（6）；
信息输入端与所述的状态信息一体化展示模块（5）输出端连接的检修辅助决策结果输出模块（7），它输出并存储状态评价结果。
2.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述数据获取接口模块具（1）备IEC 61850的MMS通讯能力，并在满足电力二次***安全防护规定的前提下，信息交互总线具有通过正/反向物理隔离装置跨越生产管理信息***大区，实现与数据中心的信息交互。
3.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述内核处理模块（2）主要由数据处理引擎、导则处理引擎组成，其中，数据处理引擎根据评价导则的数据需求从外***抽取数据，并采用配置文件描述的形式灵活配置数据处理流程，实现状态量及其计算方法的灵活定义，以适应专业技术发展的需要；导则处理引擎负责解析状态评价模型，并完成状态评价的具体计算，导则处理引擎应能够灵活配置各类设备的状态评价导则，支持按设备、部件进行状态评价。
4.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述介质损耗角风险评估模块（4）以三相电压信号作为相位基准信号，三相电流信号与基准信号相位夹角即为所求；首先将电压信号和电流信号在时域内去除直流分量，其次将信号在频域内做功率谱分析，并根据重心法则对基波频率修正从而精确得出信号基波频率；然后用样条插值法对原始电压、电流信号进行插值计算，并进行整周期重采样；最后根据快速傅里叶算法求得各次谐波电压与电流的相位夹角，从而得出介质损耗角；同时根据数值变化情况进行风险评估。
5.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述的核心业务模块（3）其各架构层之间采用基于事件监听机制的数据总线技术进行通信,主要功能包括：获取并处理电容型设备相关基础资料、设备实时/历史数据等反映设备健康状态的特征参数，评价设备当前健康状况，预测未来发展趋势；对状态劣化和趋势不良的设备及时发布状态预警消息，并进行有效的故障模式和原因的分析；通过综合优化检修策略模型分析，提出检修决策建议，指导状态检修工作的具体实施；根据状态评价模型，计算设备风险值，量化状态评价结果，为设备运维部门提供决策依据。
6.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述的状态信息一体化展示模块（5）主要由图表生成器、报表生成器、各种通用控件组成，其中，图表生成器能够跟据用户的需要灵活配置定义各类专业图表，提供强大的图表生成技术；报表生成器能灵活定义各类设备评价报告，满足各种技术层面对报告的需要；通用控件包括通用的台帐、试验数据、标签、菜单、索引树、帮助窗口等常用展现要素，实现展现形式的灵活，展现方式通过配置文件描述，无需编写特定页面，符合组件式可插拔软件设计思想。
7.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述的辅助工具模块（6）用于基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***的***管理与构建，可以根据状态决策业务需要实现规则建模、报表建模、图表建模等管理。
8.根据权利要求1所述的基于风险评估与状态评价的电容型设备辅助决策***，其特征在于：
所述的检修辅助决策结果输出模块（7）实现电容型设备状态评估、检修策略制定计算结果的对外***输出及储存。
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