低代价鲁棒高压电抗器隔震消能监控系统设计

王坚

（武汉供电设计院有限公司，湖北武汉 430030）

电力已成为现代社会不可或缺的重要能源形式，电力系统的稳定运行对经济社会具有良好的保障支撑作用。电抗器是电力系统的重要设备之一，对于抑制过电压过电流、补偿线路无功、维持电压稳定等方面发挥着重要作用[1-3]。电抗器在工作过程中会产生剧烈振动，这些振动会造成变电站配电装置楼内噪声较大，甚至影响电抗器自身及其他电力设备的正常运行[4-6]。另外由于地震自然灾害，超标的振动可能会引起电抗器结构变形、故障损坏，严重时甚至会引起大范围停电事故[7-10]。因此通常在电抗器底座安装隔震消能装置，降低电抗器振动噪声，减小对地震振动的影响。

电抗器及其隔震消能装置通常由人工方式维护，但这样对于隔震消能装置的健康状态以及能否起到消能减震的效果，并不能进行准确地定量评估。

为了提升隔震消能装置监控维护的智能化水平，该文针对高压电抗器隔震消能监控系统设计展开了深入研究。

1 高压电抗器隔震消能监控系统设计

1.1 系统架构

高压电抗器隔震消能监控系统结构如图1 所示，其由传感器系统、数据采集与传输系统、监控系统构成[11-13]。

图1 高压电抗器隔震消能监控系统结构

传感器系统用于实现电抗器不同位置的振动信号采集，所采取的传感器类型主要为加速度传感器和应变传感器。

数据采集与传输系统由多通道数据采集仪和数据传输通道构成，能够获取、汇集和上传传感器系统中多个传感器的输出信号。

监控系统是实现高压电抗器隔震消能监测分析的核心，其通过对传感器系统采集的信号进行分析处理，实现对电抗器隔震消能的实时监控和智能控制，主要功能包括信号的分析处理、异常状态告警、数据库管理等。

1.2 主要功能

高压电抗器隔震消能监控系统主要功能如图2所示，其包括用户管理、监测数据可视化、状态评估与预警、预警信息管理和数据储存管理等。

图2 高压电抗器隔震消能监控系统主要功能

2 低代价鲁棒隔震消能监控数据分析方法

隔震消能监控方法如图3所示。将传感器获取的应变力、位移、加速度等数据作为算法的输入数据，经过标准化、异常剔除等数据预处理操作，然后采用逼近理想点法（TOPSIS）进行数据分析[14-16]，从而评估隔震消能装置的健康状态，得到综合状态评估值。当其大于相应预警等级的阈值时，表明隔震消能装置处于异常工作情况，通过告警信息、交互界面等向工作人员发出异常预警。该方法仅需对传感器获得的数据进行简易的综合处理与分析，对监控系统的硬件配置和计算能力要求不高，总体成本较低。但是系统所监测的数据涵盖了应变力、位移、加速度等多个指标，对隔震消能装置异常状态的识别更为敏感，且系统鲁棒性强[17]。

图3 低代价鲁棒的隔震消能监控算法

2.1 监测数据预处理方法

监测数据预处理主要包括异常数据剔除以及数据特征的提取。

异常数据剔除基于莱茵达准则，求取检测数据的算术平均值及均方差，判断准则如下：式中，与σ分别为测试数据集{xi|i=1,2,…,n}的算术平均值和均方差，计算方法如下：

2.2 基于TOPSIS的监测数据分析方法

假设共有m个隔震消能装置状态d1,d2,…,dm组成状态集，对于任一状态，共有n个监测指标a1,a2,…,an组成监测指标集，则监测矩阵X=(xij)m×n的表达式如下：

式中，xmn为状态dm监测指标an的值。

为了消除不同监测指标量纲差异对隔震消能装置状态评估的影响，需要对各个状态的评估指标值进行归一化，得到归一化评估矩阵Y=(yij)m×n。归一化的方法如下：

在监测指标值越大，隔震下消能装置状态越优的情况下：

在监测指标值越小，隔震消能装置状态越优的情况下：

由于不同监测指标对隔震消能装置状态的反映程度不同，以权重系数衡量这种影响关系。将归一化评估矩阵与权重矩阵相乘，得到加权归一化评估矩阵Z=(zij)m×n：

式中，w=[w1,w2,…,wn]T为权重矩阵，wn为监测指标an的权重系数。

为准确评估隔震消能装置状态，获取电抗器在正常工作以及施加外部振动情况下监测系统测得的指标值，将其加入监测状态集。再从状态集中确定正负理想状态，正理想状态表示各个监测指标均为最优的状态；负理想状态表示各个监测指标均为最劣的状态，如式（7）所示：

式中，J+为其值越大状态越优的监测指标集合；J-为其值越大状态越差的监测指标集合。

计算待评价状态与正、负理想状态的距离：

式中，为第i个待评价状态与正理想状态的距离；为第i个待评价状态与负理想状态的距离。

进一步计算待评价状态的综合状态评估值ei：

由上式可知，综合状态评估值在[0,1]范围内，综合状态评估值越小则隔震消能装置状态越优；反之，则隔震消能装置状态越差。当综合状态评估值大于一定的阈值时，则说明隔震消能装置处于异常工作状态，此时监控系统发出异常告警。

基于TOPSIS 的监测数据分析算法流程如图4所示。

图4 基于TOPSIS的监测数据分析算法流程

3 算例分析

该文在高压电抗器现场环境和软硬件配置情况下，应用所提出的隔震消能监控系统设计方案，以验证其有效性。仿真实验基于湖北武汉元宝山220 kV变电站数据进行，电抗器为山东泰开电力电子有限公司生产的BKSC-10000/10 型电抗器，采用干式铁芯设计，产品尺寸为3 100 mm×1 400 mm×2 850 mm，重量为16.5 吨，并在底部安装了减震装置。

3.1 隔震消能监控系统硬件配置

根据隔震消能监控系统的功能需求，该文从低代价、高可靠的原则出发，对监测系统的硬件设备进行选型。主要硬件设备如表1 所示，其包括加速度传感器4 个、应变传感器4 个、多通道数据采集仪1个、服务器1 个及电源1 个。

由表1 可知，隔震消能监控系统整体的硬件需求较低，具有良好的工程应用前景。

表1 隔震消能监控系统主要硬件设备

3.2 隔震消能监控系统数据分析结果

1）正常运行及施加外部振动的监测数据

在高压电抗器正常运行、施加外部振动情况下，监测指标数据如表2 所示。可以看出，在施加外部振动情况下，系统监测到的位移、加速度和频谱峰值等指标均明显大于正常运行情况下的数值。

表2 正常运行及施加外部振动下的监测数据

因此，隔震消能监控系统可以通过监测位移、加速度和频谱峰值等指标，评估高压电抗器隔震消能装置的健康状态。

2）预警等级划分

高压电抗器隔震消能监控系统根据位移、加速度和频谱峰值等监测数据，计算得到隔震消能装置的综合状态评估值U，从而进一步根据综合状态评估值划分状态预警等级，如表3 所示。预警等级分为正常、I 级、II 级和III 级，预警等级越高则隔震消能装置状态越差。

表3 预警等级

3）隔震消能综合状态评价结果

基于上述仿真实验条件，该文设计的高压电抗器隔震消能监控系统最终得到的监测数据如表4所示。

表4 高压电抗器隔震消能监控系统监测数据

基于TOPSIS 的监测数据分析方法得到隔震消能装置的综合状态评估与预警等级划分结果，如表5所示。

表5 综合状态评估与预警等级划分

由表5 可知，所监测的高压电抗器隔震消能系统的综合状态评估值为：S5＞S1＞S4＞S7＞S3＞S6＞S2。根据预警等级划分结果，S1和S5为III 级预警，S4为II级预警，S3和S7为I级预警，S8、S6和S2为正常。

由上述分析可知，所提基于TOPSIS 的监测数据分析方法，能够通过传感器采集的监测数据，监测评估高压电抗器隔震消能装置的健康状态，状态预警结果精细准确，具有较强的鲁棒性。

4 结束语

该文开展了高压电抗器隔震消能监控系统的设计研究，构建了监控系统整体架构，提出基于TOPSIS 的监测数据分析方法。通过仿真实验与分析表明，所设计监控系统仅需传感器以及采集子站等相应的硬件，应用成本较低。该监测数据分析方法能够综合评估隔震消能装置的健康状态，并对故障异常状态进行预警，保障隔震消能装置的正常、稳定工作。但文中设计的隔震消能监控系统仅适用于PC 端，为进一步提升监控运维的智能化水平，有必要研究设计便携式隔震消能运维装置，这将在后续研究中开展。