智能电网在线监测与故障诊断

智能电网在线监测与故障诊断,2,2001年开始研发输电线路在线监测与诊断系统。本项目涵盖的监测诊断内容：1）导线、绝缘子、MOA、杆塔等设备自身故障；2）自然灾害对输电设备造成的破坏（暴雪、台风、泥石流、雷击等）；3）人为因素对输电设备的破坏等。,项目简介,3,GPRS/CDMA/GSM,二、项目概况（1）,自2001年起研发成功系列在线监测与故障诊断系统，并产业化，包括：1）输电线路覆冰监测与预测模型；2）输电线路导线测温及动态增容系统；3）输电线路导线舞动监测与诊断算法；4）输电线路导线风偏角监测与计算；5）输电线路导线微风振动监测与诊断算法；6）输电线路绝缘子污秽状况监测与诊断算法；7）输电线路MOA监测与诊断算法；8）输电线路杆塔倾斜监测与计算；9）输电线路微气象监测及微气象对线路运行的影响机理；10）输电线路防盗监控及报警策略；11）输电线路图像/视频监控及差异性分析;12）输电线路运行工况智能化故障诊断专家系统。,4,5,监控中心,查询终端,图像、力、倾斜角度、风偏角度、温度、湿度、风速、风向等,GPRS/CDMA/GSM,监测装置,监测装置,监测装置,监测装置,项目概况（1）（1）输电线路覆冰在线监测系统与相关模型研究,6,7,实时监测各杆塔上的覆冰和导线舞动情况，并通过对分机的点测巡测的实时数据进行分析判断，利用各种模型计算、判断该监测点的覆冰状况，根据用户需求和覆冰生长机理给出预报警；报警信息有界面报警和短消息模式发给当前管理员和相关领导；专家软件集中管理覆冰导线重量变化以及环境参数，提供单独和全面的查询、分析和图表等，建立完善覆冰信息数据库，为理论模型的修正和准确计算提供一种手段；部分开放计算模型，允许用户将运行经验导入计算模型，使载荷、覆冰计算更加准确，报警更加可靠；,8,覆冰雪在线监测系统成功监测案例（1）,人工除冰，冰灾成功避免,监测系统报警,9,2007年1月安装在武汉超高压公司的监测系统成功监测线路冰雪发展过程,覆冰雪在线监测系统成功监测案例（2）,10,2008-2-279:38:00,2008-2-2614:39:00,2008-2-269:39:00,2008-2-2514:35:00,四川省电力公司西昌电业局的覆冰定性在线监测系统,覆冰雪在线监测系统成功监测案例（3）,11,覆冰预测模型研究,贵州电网110kV滥二线2008-12-14至2009-01-28的覆冰监测数据为分析对象,12,表1模糊规则表,图6各样本点实际覆冰与预测覆冰数据的对比,13,办公环境,2005年3月，国家电网公司在北京特别召开提高电网输送能力工作会议，会议指出“在加快特高压骨干电网建设的同时，需积极提高现有电网输送能力”。,如何安全提高现有输电线路单位走廊的输送容量?,2009年国家电网提出建造“智能电网(SmartGrid)”，动态增容系统作为前端仪表、输送容量调度中心的最重要组成单元，进一步确定了这一研究的必要性。,静态提温增容技术实时动态增容技术,项目概况-（2）输电线路测温及动态增容系统,14,华东区域电网越限次数统计,15,温度、湿度、日照强度、雨量、风速、风向等）,后台单元现场单元,16,系统功能：实时监测导线温度及环境温度、湿度、风速、日照等；诊断中心以曲线、报表等方式反映各接点温度变化情况；按照动态增容理论计算当前线路可允许的最大载流量；为电网运行提供微气候参考；具有智能报警功能。,17,输电线路载流量简化计算模型,840/848,930/936,1010/1015,90,750/748,855/850,950/939,80,630/627,760/750,865/853,70,470/467,640/628,775/753,60,40,30,20,环境温度（）,导线温度(),模型验证结果,动态增容模型研究,18,图模型预测实时载流量与SCADA实际电流比较,19,表2专家软件计算的载流量与SCADA数据对比（A）,20,输电线路跃迁时的温度变化模型和弧垂变化模型,21,输电线路隐性容量计算模型,22,运行实例分析,该系统自2009年在江苏省电科院安装运行，系统运行稳定，载流量计算模型经过修正和改善，初步达到指导线路运行的目的。,（a）导线温度监测数据,23,（a）导线温度监测数据,（b）环境温度变化曲线图,（c）环境湿度变化曲线图,（d）环境风速变化图,（e）环境日照强度变化图,24,根据上述监测数据和载流量计算出当前线路运行的载流量，并将模型计算结果与SCADA数据对比分析，分析发现两者之间的误差小于5%。,载流量模型计算值与SCADA系统数值对比,25,项目概况,（3）输电线路导线舞动监测与诊断算法实现了导线舞动的在线监测。研制了基于位移传感器、加速度传感器的输电导线舞动在线监测技术，可实现对导线舞动特征参数包括舞动的半波数、舞动频率、舞动幅值、舞动时的导线张力等信息的监测。创新点：舞动加速度传感器设计、导线舞动机理以及舞动轨迹还原算法等。授权实用新型2项、公开发明2项。,安装现场,舞动传感器安装,专家软件,26,27,项目概况,（4）输电线路导线风偏角监测与计算将角度传感器同时安装在导线跳线和绝缘子串下端两个位置，建立了线路风偏角分析计算模型，保证了风偏角的测量精度。创新点：角度传感器设计、角度传感器同步采样、导线侧角度传感器的电源和信号传输设计等。授权实用新型2项、申请发明1项。,角度传感器安装,专家运行界面,28,项目概况,（5）输电线路导线微风振动监测与诊断算法由若干台导线振动采集单元和一台线路监测子站组成。通过测量在导线线夹出口处附近的动弯应变来反映风振状况。创新点：振动振幅/频率采集处理、微风振动疲劳破坏机理以及振动破坏诊断算法等。公开发明2项。,微风振动传感器安装现场,专家界面,29,项目概况,(6)输电线路绝缘子污秽在线监测系统前期采用绝缘子泄漏电流进行绝缘子污秽的判断，并设计了新型光学传感器进行污秽检测，建立了模糊神经网络方法等专家诊断模型，绘制了国内第一套动态污区分布图。创新点：泄漏电流传感器、新型光学传感器、污秽诊断分析模型等。授权发明1项、实用新型2项。,安装现场,动态污区图,泄漏电流传感器,光学盐密传感器,30,项目概况,(7)输电线路杆塔倾斜监测与计算通过双轴倾角传感器测出杆塔在顺线路方向和横线路方向倾斜角度，进而计算出杆塔在顺线路方向和横线路方向的倾斜度和综合倾斜度。创新点：双轴倾角传感器的设计。申请发明1项。,角度传感器,安装现场,专家软件界面,31,项目概况,（8）输电线路微气象监测及微气象对线路运行的影响机理实现了运行输电线路沿线区域的温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、日照强度等气象信息采集；研究了微气象对输电线路运行的影响机理，提出并制定了覆冰区、舞动区、微风振动区、污秽区等微气象区划分标准。创新点：新型传感器设计、微气象对线路运行影响机理等。授权实用新型1项、申请发明1项。,安装现场,1000kV输电线路微气象区划分,32,项目概况,（9）输电线路防盗监控及报警策略现场布置生物传感器、微波、超声以及振动传感器，当在遭到人为破坏时，并可配置摄像机，自动调整云台和镜头，进行拍摄并报警。创新点：新型防盗传感器、防盗报警策略。,安装杆塔总体图,安装现场,33,项目概况,（10）输电线路图像/视频监控及差异性分析研究了弹性图匹配、隐马尔可夫模型、小波分析、神经网络等各种图像处理算法并嵌入到监控中心专家软件中，首次基于图像视频差异性分析实现了绝缘子覆冰、导线覆冰、导线风偏、导线舞动和杆塔防盗等线路运行状态提取。创新点：各种图像识别智能算法、摄像机低功耗设计及专家诊断模型等。申请发明3项。,安装现场,专家软件,34,舞动差异化分析过程,覆冰差异化分析过程,35,项目概况,（11）全工况在线监测和预警专家系统提出并实现了基于因特网技术的电气设备远程在线状态监测与诊断系统的构架，研究了系统结构和子系统功能，实现了系统的网络通信、远程诊断及多服务器/多专家网上会诊等工作机制和关键技术。创新点：多信息数据融合技术、综合诊断算法等。授权软件著作权3项。,全国输电线路在线监测中心（西安金源）,监测中心运行专家软件界面,36,技术认定证明：,1产品鉴定证书陕工交办签字（2007）003号2国家高压电器质量监督检验检验中心检验报告06391号和06844号3国网武汉高压研究所2007输电字第3073号4国网电力建设研究院检验报告K307S39075国家电电力建设研究院检验报告K106S35976电力工业电力线路器材质量检测中心S211-20077陕西国防区域计量站7101校准实验室拉力传感器检定证书L105121858西安航空发动机有限公司理化检测中心拉杆受力检测报告(2006)第15字9陕西电力科学研究院高低温、振动试验报告200604910国家高压电器质量监督检验中心检验报告07310号,37,11国家高压电器质量监督检验中心检验报告07551号12陕西省软件评测中心检测报告2007-4171号13陕西电力科学研究院检测报告2006-083号14产品鉴定证书陕工交办签字（2004）030号15国家绝缘子避雷器质量监督检验中心检验报告NO.WJ-090-200416国家高压电器质量监督检验检验中心检验报告NO.0595517西北电力试验研究院检验报告200417018西安科技计划项目验收证书（2006）50号19华北电网北京超高压公司验收会资料20陕西省软件评测中心检测报告2007-4170号21陕西电力科学研究院检测报告2006-109号22国家高压电器质量监督检验中心检验报告07552号,38,四、推广应用,产品用于除台湾外全国网省公司，并出口菲律宾；用于国内首条1000kV晋东南-荆阳交流特高压、800kV向家坝-上海直流特高压、西北750kV平凉-乾县、三峡输变电工程等国家重点工程；已及时发现100余起线路安全隐患，发挥了重要作用。,39,运行案例,(1000kVHVAC),40,2011年贵州电网运行数据分析【20套装置，19套运行正常，截至2011年1月16日共正确指导了20次融冰过程。】,41,在线监测技术是真正实现状态检修的重要基础，但在线监测装置由于发展时间短、运行条件恶劣等原因还存在一些问题。如华东电网公司及华东电研院2005年对国家电网系统内的在线监测装置进行统计发现：在已装的742套主变在线监测设备中，已成功地发现缺陷及报警的有19台次，这说明还是有效果的；但监测设备的自身事故却有350台次，因而在调查该不该进一步推广该类在线监测设备时，赞成的仅占三分之一。可是与主变在线监测设备相比，对金属氧化物避雷器的在线监测持赞成态度的达83，而对电容型设备在线监测持赞成态度的仅14。出现此类差异主要是由于装置的稳定性和实用性引起的。据统计在20022005年安装的输电线路在线监测装置80%以上已经无法运行，笔者在2002年研发了输电线路泄漏电流在线监测系统，截至到2006年合作单位西安金源电气有限公司更换了泄漏电流在线监测装置250余套。这其中既有装置本身的原因，也有用户管理维护的原因以及产品缺乏行业标准无法指导生产等原因，为了使在线监测技术真正成为防止电网事故大面积停电的第一道防御系统的关键技术，我们必须尽快解决如下相关问题。现场安装视频。,当前在线监测技术存在的问题：,42,在线监测与故障诊断技术的标准化,在线监测技术总体还处于研发阶段，其新技术、新方法和诊断软件都在不断完善和改进，加之市场竞争导致相互沟通少，因此在线监测装置与诊断阈值的标准化问题进展缓慢。在线监测能实现连续监测设备运行状态的变化，但要判断被监测设备是否需停电维修或报警，还需要积累大量的经验和数据；同时离线试验与在线监测的同一个特征量是否等价也还需要运行经验来检验。对于运行部门目前最关心的报警阈值问题，其阈值只能按已有的运行经验和参考同类设备安装在线监测设备后连续监测的数据变化规律或已发生事故的数据来确定，且因同一类输变电设备不同厂家采用的工艺水平、材质等也有很大差异，实际上也很难规定不同类型输电设备的统一报警的阈值。随着在线监测装置的推广应用，在掌握大量数据变化规律与设备故障的实践经验后，最终可制定出不同输变电设备的报警阈值范围。目前，在线监测数据与离线试验数据之间有一定差异，不能把在离线试验诊断标准中的数据作为在线监测数据的诊断标准。,43,在线监测技术的稳定性与可靠性,电路设计监测分机为了能够在高低温、强磁场下稳定运行，需采取一些措施，硬件方面：需要采用工业级甚至军品级的元器件；需针对各输入输出接口，采取防雷、防渗、防干扰等措施的保护电路设计；此外，各传感器和主电子线路分置于独立的屏蔽盒中，系统采用屏蔽盒内多层隔离的方法，防止大信号串入烧坏核心电路。软件方面：微处理器软件除设置有常用的看门狗、防飞指令外，还应设置有大量的错误陷阱及标志，一旦程序出现任何问题，系统都能采取复位、自动纠错等方式自行维护，保证软件常年正常运行。另外，对于一些重要数据和标志，系统还采用多重备份的方式对其进行保护。,44,2.超低功耗技术现场在线监测分机往往安装在高压杆塔上，对输电设备状态信息和环境参数进行长年24小时不间断监测，能源问题成为系统功能实现和可靠运行的关键。现场监测分机应在综合应用各种先进的超低功耗设计方案的基础上，塔上监测主机采用超低功耗微处理器及其它低功耗器件，降低整机工作电流。杆塔监测单元可采用以太阳能电池对硅能蓄电池进行浮充的供电方式，并采用微处理器对电池特性进行实时检测，严格按照蓄电池充放电特性曲线进行充放电控制。系统同时采用系统休眠、待机及定时开机的工作方式，使系统整机即使在无阳光情况下也可连续运行45天以上，以确保其常年运行。对于测量导线温度、导线舞动、振动监测的单元则需要采取导线抽能、太阳能加蓄电池、电池等方式供电。,45,3.传感器技术先进的传感器是实现预测性维修的重要手段，也是一个长盛不衰的研究热点。因为故障诊断技术的发展首先取决于能否获取尽可能多的有用信息，这是数据处理和诊断决策的基础。一些原来用于军事方面的传感技术已有一部分移植到电气设备的状态监测上来，如光纤传感器等。目前研究重点就是发展集成化、阵列化、智能化的传感器和压敏、热敏及气敏等敏感元器件产品。除传感器本身的问题外，需要研究的还包括传感器的放置问题，在很多情况下，传感器的位置不同可能会造成不同的测量结果。,46,4.无线通信针对输电线路分布广、距离远的特点，采用传统的RS232、RS485、红外、无线电等短距离通信手段无法实现对输电线路的实时监测。通信技术是制约在线监测技术发展的瓶颈，随着GSM/GPRS/CDMA/卫星通信技术的发展，实现远距离监测成为可能。杆塔上现场监测分机通过GSM/GPRS/CDMA模块与监控中心进行远距离无线通信。通过优化天线设计、对通讯单元和采样单元进行时间和空间隔离、整机多层屏蔽等方式保证数据采集和通讯的正常运行。对于没有移动信号的地区可采用无线接力方式将信号传递到有移动信号杆塔，再通过GSM/GPRS/CDMA网络远距离传输。或采用卫星通信的方式，但其功耗大，价格高。,47,5.老化试验作为制造商，首先是在线监测装置的所有元器件要经过相应的老化试验才能选用；其次是整机系统的各个单元通过必要的老化试验找出薄弱环节，同时整机系统也要进行出厂老化试验，要进行哪些老化试验项目，目前虽无标准可循，但可借用相应的其它行业标准。,48,6.电磁兼容性在高电压、大电流的强电场环境中，以微电子线路为主体的微处理器、计算机及网络等监测装置常受到强电磁辐射、雷电冲击、高频噪声和谐波干扰等，引起系统可靠性降低，轻则产生误动作，重则系统“死机”。为解决抗干扰问题，研究者和制造商们花了很大的力气研究防电磁干扰的问题，系统在硬件和软件两方面都采用了相应措施。目前在实验室已做到非常高的精度，问题在于对不同变电站的干扰源及其传播路径需要做出对应的分析和采取相应的措施。因此，需要在总结运行经验的基础上，制定相应的出厂和安装完后交接时的电磁兼容性试验标准。按照先前经验，在750kV以下的输电线路至少需通过以下四项试验：静电放电抗扰度试验四级，工频磁场抗扰度试验四级，浪涌(冲击)抗扰度试验四级，电快速瞬变脉冲群抗扰度试验四级。,49,7.现场维护在线监测系统同其他设备一样，需要进行维护，而目前没有相关的运行维护标准，也未出台相应的维护制度，必须将在线监测系统纳入到与其他设备一样的维护制度中来，才能发挥它的作用。在线监测的传感器及前置放大器等辅助器件，在长时间复杂而恶劣环境中运行后，电子器件因老化而使相应特性及灵敏度发生变化，光敏、气敏等传感件敏感性降低、机构部件不灵等，都会使检测的数据发生偏差，需要定期重新设置标定、检修或更新。因此在线监测装置厂商需要给出可靠的免维护时间或更换周期，厂商与用户可通过在线监测技术及时了解和掌握运行状况，商定维修方案。厂商在目前需要建立自己产品分布的信息管理网站和高水平的快速反映维护队伍，用户也要有从事在线监测装置维修与技术管理的专职工程师。,50,状态分析与故障诊断,1.监测量选择问题要求系统所选的监测参量能够有效地反映设备的特征状态，其测量准确度要满足状态评估的要求，监测参数的选择是选用在线监测系统时非常重要的一个环节。经过多年的输变电设备运行维护尤其是预防性试验积累的经验，对输变电设备的状态参数已有了较多的了解，这在DL/T596中已阐释。在线监测的主要任务是对既能直接或间接反映主设备性能状态又可实现在线测量的参数进行监测。在线监测的特征量既包含了一些可实现在线监测的离线试验项目，也在不断研究和引入一些反映设备运行状态的新特征量，从而全面地反映设备的运行状态；同时，运行电压下测量的特征量参数比预防性试验所加电压下的离线试验的同一特征参数正确度高，更能真实地反映设备运行的实时状态。,51,表1-1输电线路在线监测的主要项目,52,2.智能算法由于监测量与故障之间往往缺乏一一对应关系，如何处理监测技术的状态分析准确度和智能化水平之间的关系仍是一个重要课题。目前在线监测数据的积累还远未达到制定分析判断标准的程度，报警阈值设置多少合适没有充分依据。目前模糊控制、神经网络、专家知识等智能算法已经开始应用于在线监测。由于神经网络具有突出的特征提取、模式识别和模式分类的能力，因此可采用神经网络来提取设备状态特征、状态识别和故障诊断。而基于知识的系统（专家系统）则具有知识的综合、推理、判别的能力，因而可应用于设备的综合管理、状态评估和系统集成。此外，近年发展迅速的小波变换，用于突变的非平稳信号的分析，比传统的FFT变换有更好的效果，因此用它来分析由于状态的变化而引起的信号突变及特征提取将是一种很有用的工具。为尽快制定诊断标准，各电力行业必须组织一些专业技术人员对管辖区域监测系统统一管理和对监测数据统一分析；积极采用多种特征量的在线监测系统，以便积累各种特征量与故障间的关系及变化规律，而不要轻易放