灰色理论在预测SF6组合电器漏气情况中的应用

费　韬，叶金翔，许　格

(国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 杭州 311232)



灰色理论在预测SF6组合电器漏气情况中的应用

费韬，叶金翔，许格

(国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 杭州 311232)

摘要:GIS设备在变电站的应用越来越普遍，但漏气是影响GIS设备正常运行的一个非常重要的因素。GIS设备漏气时，其气室压力值下降呈非线性趋势。通过灰色理论来拟合该下降趋势，得到拟合后的趋势曲线，该趋势曲线通过残差、关联度及后验差三种检验方式进行检验，若检验结果满足要求，则该拟合是有效的。因此，可通过拟合后的下降曲线，来预测漏气的GIS设备下一步的漏气情况，为检修计划的制定提供参考。文中以国内某特高压变电站500 kV GIS组合电器气室SF6气体泄漏为例，详细阐述了利用灰色理论建立模型，检验该模型，并进一步利用该模型来预测该组合电器将来SF6气体泄漏的情况。

关键词：变电站；GIS；SF6漏气；灰色理论；检修计划；在线监测

0　SF6 GIS简介

SF6气体是一种无毒、无色、无味，化学性能极稳定的物质，具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能，其耐电强度为同等压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的3倍，是世界上目前最优良的绝缘介质和灭弧介质，现广泛应用在SF6断路器、SF6组合电气设备GIS、SF6电流电压互感器及小容量的变压器上[1]。GIS(Gas Insulated Switchgear)是指SF6封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体[2]。

1　变电站SF6在线监测装置的应用

变电站SF6在线监测装置的作用是将GIS设备内SF6气体的压力值上传到变电站计算机监控系统，以供远程监控及数据整合利用[3]。

变电站GIS组合电器内SF6的压力值通过现场传感器，经接入层模数转换，IEC61850通信规约转换，再接入变电站监控系统。通过监控系统可实时查看组合电器SF6压力值，并对数据进行记录。SF6在线监测装置接入监控系统的结构如图1所示。

图1 SF6在线监测接入监控系统结构图

2　灰色理论简介

灰色系统理论是在经典控制理论、现代控制理论(包括大系统理论)、模糊控制理论(即白色控制理论)的基础上，针对要求高而又难于用传统方法建模的系统发展起来的新方法。灰色系统理论进行预测具有要求原始数据少、不考虑分布规律、短期预测精度高、易于检验等优点，现已在很多领域得到了应用。

变电站GIS组合电器在发生SF6气体泄露时，SF6气体的压力值相应地不断下降。但是根据在线监测装置采集到的SF6压力值历史数据分析，以及现场的运行经验，GIS组合电器设备漏气时，SF6压力值下降趋势是非线性的。另一方面，GIS组合电器设备SF6气体压力值的大小受到许多因素的影响，比如电气设备负荷大小、环境温度。同时，经在线监测装置上送的压力值，又受到传感器误差、通信异常等因素影响。

因此组合电器SF6压力值的变化是一个典型的灰色系统。通过灰色系统理论对发生漏气的SF6组合电器漏气速度进行预测具有一定的现实意义。

3　案例分析

国内某特高压变电站对在线监测装置采集到的组合电器SF6压力值数据进行历史比对时，发现500 kV GIS设备某气室的SF6压力值不断下降。现场利用红外检漏仪对该气室进行检测，确定该气室存在漏气现象，并定位了漏气点。如图2为红外检漏仪检测情况，图3为该气室漏气点位置。

图2 通过红外检漏仪探测到漏气点

图3 现场确定漏气点位置

经过检测，确定该漏气点位于GIS设备罐体，如图3所示。GIS组合电器设备的正常运行要求内部SF6气体压力值维持在一定范围内。SF6气体的持续泄露将导致气体压力的不断降低，进而危及到设备的可靠运行。一定时期内可以对该气室进行带电补充SF6气体，使气体压力值升高至额定值或大于额定值，以维持该设备继续运行；要根本解决该漏气问题，应该制定停电计划，对该设备进行整体更换。

该设备投入运行约一年，运行过程中曾经补气2次。该气室压力值及补气情况如表1所示。

表1　漏气气室SF6压力历史值

从表1可知，运行到第12个月时，该气室压力降至0.494 Mpa，然后现场进行了补气，使压力值升至0.536 Mpa。

GIS组合电器设备的正常运行要求内部SF6气体的压力值应不低于额定值。则现场补气之后，气体压力何时会降低到额定值以下，成为本文讨论的重点。在对降低到额定值的时间进行预测之后，就可以此为参考依据，制定检修计划，或再次带电补气，或停电更换设备。

下面将利用在线监测装置采集存储的气室压力值历史数据，进行灰色理论建模，拟合该设备气体压力下降趋势曲线，以预测数据的走势。

4　模型的建立及验证

4.1　建立模型

令原始数据序列为X0：

然后先构造累加数列

式中，

再作紧邻均值生成

Z(1)=(Z(1)(1),Z(1)(2),…,Z(1)(n))

构造B矩阵和Y矩阵如下：

由于灰色理论GM(1,1)白化方程为

求出X(1)后，累减即可得到预测模拟序列

式中，

于是，将历史数据导入X(0)，即可得到由该模型生成的拟合序列X(0)。

4.2　模型检验

下面通过三种方法：残差检验法、关联度检验法、后验差检验法来验证该模型的精度。

(1)残差检验法

首先构建残差序列

然后计算平均相对误差：

导入历史数据进行计算，运行初期至6个月这段时间的σ=0.0018，精度为99.82%；6个月至12个月σ=0.0019，精度为99.81%；第12个月至今σ=0.0015，精度为99.85%，很明显，精度非常高，预测结果可信。

(2)关联度检验法

首先将原始序列和预测序列都初始化，每个数都除以第一个数，得到

再求出差序列Δ=(▯(1)，▯(2)，…，▯(n))，其中▯(k)=|x1(k)-x2(k)|

求出二级差M=max(maxΔ))，M=min(minΔ))

然后计算关联系数序列

导入历史数据进行计算，运行初期至6个月这段时间的γ=0.701，第6个月至第12个月γ=0.719，第12个月至今γ=0.674，依据灰色理论，要求γ越大越好，一般认为γ>0.6，模型令人满意[4]。因此本模型符合要求。

(3)后验差检验法

先求出原始序列的均方差

小误差概率：

经计算，运行初期至6个月这段时间的c=0.078，p=1，6个月至12个月c=0.076，p=1；第12个月至今c=0.278，p=0.96，根据文献[5]，后验差比值c<0.35，且p>0.95的精度等级为“好”(共四个等级，分别为:好，合格，勉强，不合格)，所以该模型满意。

综上，通过三种检验方法对该模型进行了检验，检验结果符合要求。所以，利用灰色理论来拟合本次漏气的GIS气室SF6气体压力值下降趋势，是可靠的。

4.3　根据模型预测气室压力值下降趋势

最后一次补气之后，将在线监测装置采集并存储的SF6历史压力值数据导入模型，得到拟合序列X(0)。

观察拟合序列发现，补气后的231天压力降至额定值0.5 Mpa。因此若要保证该气室始终不低于额定值运行，则应考虑不迟于此时间进行处理。可以进行再次补气，但因漏气点并未消除，所以补气后还应继续跟踪该设备漏气情况；或者考虑纳入停电计划[6]，对该设备进行更换处理。

5　灰色理论模型的推广应用

变电站在正常运行情况下，通过人工或在线监测装置采集到大量非线性、较易受环境影响的数据，对这些数据的分析平常只能靠人工检查，费时费力，且在数据量大的情况下，难以发现隐藏的问题，且难以准确判断变化趋势。根据上述模型在分析SF6气室压力、断路器液压、避雷器泄露电流、变电设备局部放电在线监测、潮流等变电站重要数据方面，都能提供一个较为合理的预测，为制定变电站设备检修计划和运维工作提供更好的支撑作用。

参考文献：

[1]孟勇．GIS设备SF6漏气处理技术[J]．应用技术，2009，5(b):120．

[2]李褆．SF6全封闭组合电器的漏气分析与处理[J]．湖北电力，2003,27(4)：53-62．

[3]刘可龙．SF6气体在线监测技术的现状及发展趋势[J]．通信电源技术, 2013,30(6):83-88 ．

[4]徐国祥．统计预测和决策[M]．上海：上海财经大学出版社，2008.

[5]宁宣熙，刘思峰. 管理预测与决策方法[M]. 北京：科学出版社，2009.

[6]李鸣青．气体绝缘金属封闭开关设备的漏气处理[J]．供用电, 2010,27(6):72-73 ．

李志锋(1977-)，男，广西北流人，主要从事数据中心动力系统运维、节能减排和项目管理工作。

江玉彬(1980-)，男，江西九江人，高级工程师，PMP，主要从事数据中心的规划设计、项目管理工作。

罗健(1976-)，男，江西九江人，主要从事电力系统运维和项目管理工作。

叶金翔(1985-)，男，变电运维值班员，从事超高压及特高压变电站运维工作。

许格(1990-)，男，变电运维值班员，从事超高压及特高压变电站运维工作。

设计应用

Application of Grey Theory in Predicting SF6Leakage in GIS Equipment

FEI Tao, YE Jin-xiang, XU Ge

(Maintenance Branch of Zhejiang Electric Power Company of State Grid, Hangzhou 311232, China)

Abstract:The application of GIS equipment in substation is more and more popular, but gas leakage plays an important role in safe operation of GIS equipment. When it happens, the decrease of pressure in the air chamber shows a nonlinear tendency. Through fitting the tendency with gray theory, we can get the trend curve which is then tested by the residual error, the criticality and the posterior error. As a result, the decrease curve tested can be used to predict the next step of the gas leakage and give reference for formulating the maintenance schedule. As an example, the SF6leakage in 500 kV GIS device of some ultra-high voltage substation is modeled on the basis of gray theory. After passing test, the model is then used to predict the tendency of gas leakage in the composite apparatus.

Key words:substation; GIS; SF6leakage; gray theory; maintenance schedule; online monitoring

收稿日期：2014--

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0084-03

作者简介：费韬(1985-)，男，2009年毕业于浙江大学，变电运维值班员，从事超高压及特高压变电站运维工作。 王旭(1986-)，男，河南郑州人，主要从事数据中心动力系统运维、节能减排和项目管理工作。