开关类成套设备自动化检测技术研究

宋进良，周 洁，徐 晨

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国家电投东北新能源发展有限公司，辽宁 沈阳 110181；3.沈阳捷通消防车有限公司，辽宁 沈阳 110011)

高压开关类成套设备广泛应用于配电系统，是极其重要的配电自动化设备，其稳定、可靠运行对电力系统具有十分重要的意义。近年来，国内对开关类成套设备的性能要求越来越高，开关类成套设备的入网试验与性能评估成为关键技术。当前，国内外对开关类成套设备整体参数综合测试的研究还比较少，缺少故障智能化诊断评估方法。

为适应配电网建设、运营及发展需求，提高开关类成套设备的入网质量，本文提出了一种基于柔性检测技术的开关类成套设备智能信息化试验平台，可提高高压开关类成套设备试验工作效率，实现高压设备检测过程的智能化。

基于无线网络的开关类成套设备自动化检测系统将智能化开展开关类成套设备性能检测评估，可自动实现数据采集与诊断分析，确保电网安全运行[1]。

1 测试原理

试验系统以PLC为控制核心，以现场总线为通信网络，通过链接通信接口对升流装置、升压装置和多路数据分析仪进行控制与数据采集分析。系统通过智能切换装置实现对开关类成套设备直流电阻测量、变比试验、温升试验、耐压试验和雷电冲击试验的自动化检验，并将整个数据采集过程通过通信模块存储于系统数据库中[2]。该系统采用模块化设计，各工位之间依靠现场总线衔接，可通过远程控制实现数据诊断与分析。

开关类成套设备由储能电机通过单向滚针轴承带动链轮转动，达到储能的目的。

试验系统采用FPGA技术，试验过程采用独立分量分析算法分析。在试验过程中，系统自动对数据准确度进行不确定度分析。

系统采用多路温度直流测试技术，如图1所示，待测的直流电阻连接到变送器端子(输出为 0～5 V 或 4～20 mA)，再从变送器端子接入该装置的多路 DC信号输入负载端。通过多路信号数据分析仪进行远程设定。

图1 直流测温原理图

2 系统理论算法与绝缘性能

2.1 系统参数计算

电压有效值计算：

(1)

电流有效值计算：

(2)

单相有功功率计算：

(3)

当谐波分量存在时，三相有功功率和：

(4)

iC(k)}

(5)

无功功率：

(6)

(7)

当谐波分量不存在时，式(6)可以准确计算出无功功率，其原理是对于正弦信号，无功功率定义为

Q=UIsinφ=UIcos(φ-90°)

(8)

当谐波分量存在时，利用式(7)计算得到Fryze无功功率。

2.2 电测参数真有效值积分算法

假设N足够大，平均功率计算公式为

(9)

(10)

(11)

式中：u(t)、i(t)为电压、电流的瞬时值；T为信号周期。

(12)

(13)

2.3 独立分量分析算法

独立分量分析在柔性检测系统中应用的信号识别与优化分析其分析流程如图2所示[3]。

图2 独立分量分析流程图

为达到柔性系统优化处理，通过算法计算近似应用数据。

a.球化

对W进行线性变换，使得z(t)的各分量方差值为1，且不相关。

b.正交变换

使得yi的方差值保持数值为1，且各分量相互独立。

c.判据

(14)

式中:p(yi)和p(y)为未知参量，对其进行预概率预估计，统计独立性可以描述为

(15)

当式(15)中函数y的各分量独立时，I(y)=0可以定义为信息极小化的相互判据。由x求y=BX，由此可得模型的预估结论：

H(y)=H(x)+log|B|

(16)

(17)

2.4 信号传递函数

信号传递函数SITF(signal-transfer function)是对系统进行评估的重要参数之一，输入信号假定描述为标靶与其周围环境之间的温度差值(见图3)。

图3 信号传递函数

SITF的推算过程如下：

(18)

式中：G为系统增益系数；R(λ)为对波长λ的响应度；Ad为探测器面积；F为基数；∂Me(λ,TB)/∂T为辐射泰勒级数的简化式；Tsys(λ)为系统光学传递函数。采用最小二乘法推导出信号传递函数：

(19)

存在于响应度函数中的偏置，可表示为

(20)

式中：

(21)

(22)

3 评估试验

为测试开关类成套设备试验评估系统的有效性和优越性，针对开关类成套设备的直流电阻测量、温升试验和雷电冲击试验进行评估分析。

3.1 绕组直流电阻测量

为了验证绕组是否存在匝间短路，电压分接开关是否接触良好，系统采用数字测量系统开展直流电阻测量，自动完成测量、过渡过程判断、数据采集与分析。如图4所示，当回路电流达到IN时，S2合上，S1断开，回路转入稳流状态，在变压器两端产生的电压降UX=RXIN；从而得到RX：

(23)

图4 直流电阻数字测试原理图

3.2 局放试验

采用开关柜局放的电磁测量法，系统试验电源设置变频电源，利用校正脉冲发生设备进行系统放电参数校准，交流耐压试验装置升电压至预加电压，系统自动记录放电量如图5所示。

图5 局放试验结果

3.3 雷电冲击试验

雷电冲击试验系统采用独立分量分析技术对数据进行分析，硬件结构采用电压发生器、电流发生器和分压器相互衔接，系统可由上位机控制电压发生器和电流发生器开展雷电冲击试验，通过分压器进行数据实时采集分析。对开关类成套设备按额定值进行雷电冲击试验，试验数据如图6所示[8]。

图6 雷电冲击电压波形

4 结束语

开关类成套设备的广泛应用对提高电力系统的供电可靠性具有重要的现实意义。本文针对开关类成套设备全性能抽检试验中的各类问题，提出了一种全新的智能检测与评估方法，系统采用PLC为控制核心,通过交流采样技术和独立分量分析技术实现实时数据采集与分析，提高了系统运行的稳定性，减少了响应时间。试验结果表明，该方法不仅提高了开关类成套设备试验的准确性，具有较强的鲁棒性，而且克服传统方法对全性能参数难以分割的缺点，实现了开关类成套设备全性能自动化检测与评估。试验方法采用自动优化识别技术，简化了开关类成套设备的试验过程，在电网的物资抽检工作中将发挥更重要的作用，有着广泛的应用前景[9]。