基于变权理论的高压隔离开关健康监测系统的研究

肖 匀，王文瑞，王 斌，鲁方林，朱耀平

(1.太湖电力建设有限公司，江苏无锡 214000;2.中国科学院上海高等研究院，上海 201120;3.无锡锡能电力实业有限公司，江苏无锡 214000)

高压隔离开关在电力系统的安全稳定运行中具有重要作用，是变电站中使用量最大、应用范围最广的高压开关设备［1－3］。高压隔离开关在使用过程中可能出现触头过热、分合闸不到位、传动机构卡涩、瓷瓶

断裂等故障［4－5］，为了保证电力系统的可靠稳定运行，需要建立一套高压隔离开关健康监测系统，及时发现高压隔离开关在运行过程中的故障缺陷，并及时通知到相关的运维人员，便于及时启动事故处理预案。

目前针对高压隔离开关的研究主要集中在故障诊断方面，关于高压隔离开关的综合状态监测和健康评价的研究相对较少，文献［6］对隔离开关的运行状态进行监测，设计的状态监测及预警系统能够监测隔离开关的异常缺陷;文献［7］基于物联网技术设计了隔离开关分合闸监测系统;文献［8］基于红外传感技术对隔离开关的触头温度进行在线监测;文献［9］基于电机电流对隔离开关分合闸电机的运行状态进行监测，进一步实现高压隔离开关机械故障诊断;文献［10］基于加权灰靶理论对隔离开关的健康状态进行评估。

为了实现对高压隔离开关的运行状态进行综合的监测，本文设计了基于变权理论的高压隔离开关健康监测系统，实现了对高压隔离开关运行状态的远程智能监控，并利用变权理论和模糊理论建立了高压隔离开关运行状态评价体系，实现对高压隔离开关的综合健康评价。

1 系统总体设计

高压隔离开关健康监测系统采用分布式结构设计，主要包括高压隔离开关监测装置、高压隔离开关检测传感器网络和高压隔离开关健康监测平台。其系统组成如图1所示。

图1 高压隔离开关健康监测系统结构图

高压隔离开关健康监测系统主要用于电力系统中高压隔离开关的智能化监控，集成了数据智能采集技术、传感器网络技术、数据处理技术、带电检测技术和故障诊断技术等，该系统能够对分散的高压隔离开关进行快速部署和智能监测，为高压隔离开关的故障诊断和设备检修提供数据支撑，最终形成高压隔离开关状态监测、健康评价与设备运维的一体化智能监控系统。

该系统采用传感器网络技术可接入多种类型的传感器，包括红外成像测温传感器、激光对射传感器、工频电场检测传感器、振动传感器、微气象检测传感器和红外摄像机等。高压隔离开关监测装置将传感器采集的数据进行汇聚，并将数据传输至远程服务器，通过在远程服务器上运行的基于变权理论的高压隔离开关健康评价算法，对高压隔离开关进行实时的健康状态评价，通过高压隔离开关监测平台对高压隔离开关健康监测系统进行管理和数据展示。高压隔离开关监测装置能够对传感器网络中的数据进行自动化数据采集，保证了健康评价过程中数据源的准确性和可靠性。

2 高压隔离开关监测装置

高压隔离开关监测装置作为高压隔离开关健康监测系统的核心，连接了传感器网络和健康监测平台，对高压隔离开关传感器网络中的各种传感器进行数据的汇聚、融合和存储，并通过通信单元将数据发送至远程服务器。高压隔离开关监测装置的硬件框图如图2所示。

高压隔离开关监测装置以 i.MX6Quad系列的ARM芯片作为主控单元的核心处理器［11］，主控单元作为装置的核心模块主要实现整个系统的数据处理和对其他模块的管理调度。

图2 高压隔离开关监测装置硬件框图

通信单元包括WiFi通信和4G LTE通信，WiFi采用CC3200，4G采用ME909s－821 LTE模块。WiFi和4G LTE通信用于与远程服务器之间数据交互。通信方式兼容电力通用的 IEC61850 标准［12－13］。

定位单元采用NEO－M8模块，支持GPS、伽利略、格洛纳斯和北斗定位，定位单元用于对监控系统进行位置定位和授时，便于远程服务器获取监控系统的实时位置和标准时间，便于高压隔离开关健康监测系统接入电力GIS(geographic information system)系统。

存储单元包括内部存储模块和外部存储模块，内部存储包括1 GB DDR3内存和4 GB eMMC闪存，外部存储包括SD卡和SATA接口的固态硬盘，存储单元主要负责装置中程序的运行和数据的存储。

供电单元为系统各个模块提供稳定的电压，供电电压包括3.3 V和5 V两种，通过线性稳压器为各个模块提供相应的电压，供电单元包括开关机电路、稳压电路、充电电路和电量检测电路。

传感器网络通过主控的外设接口与主控单元进行数据通信，外设接口包括USB接口、RS485接口、RS232接口、以太网接口和无线射频。

图3为高压隔离开关监测装置的实物图，监测装置主机能够接入红外成像测温传感器、激光对射传感器、工频电场检测传感器、振动传感器、微气象检测传感器和红外摄像机等。

3 高压隔离开关传感器网络

图3 高压隔离开关监测装置实物图

高压隔离开关传感器网络主要实现对高压隔离开关关键位置的运行状态数据采集，并将数据发送到高压隔离开关监测装置。可接入的传感器包括红外成像测温传感器、激光对射传感器、工频电场检测传感器、振动传感器、微气象检测传感器和红外摄像机等。本文对设计的红外成像测温传感器、振动传感器和工频电场检测传感器进行展开介绍。

3.1 红外成像测温传感器

红外成像测温传感器是将红外探测模块和成像系统集成在一个传感器上的新型带电检测测温传感器［14－15］。红外成像测温传感器通过红外热成像的技术检测目标对象的温度，主要通过非接触式测量检测高压隔离开关的触头和触指的温度变化。其主要包括红外探测单元、信号采集单元、红外图像处理单元、通信单元和供电单元5个部分。图4为红外成像测温仪的硬件架构框图。

图4 红外成像测温传感器架构图

图4 中，红外探测器上的镜头将目标物体发出的红外光进行汇聚，红外探测器将采集的红外信号发送至信号采集单元，红外图像处理单元对采集的红外图像数据进行处理，并通过红外测温算法转换成温度数据，通信单元将数据发送到高压隔离开关监测装置，供电单元为整个系统提供电能。

3.2 振动传感器

振动传感器主要检测高压隔离开关传动机构的振动信号，通过对振动信号进行分析，判断高压隔离开关是否出现传动机构卡涩的故障。振动传感器主要包括MEMS加速度传感器、信号调理电路、模数转换电路、核心控制器、通信单元和供电单元［16］。图5为振动传感器的硬件架构框图。

图5 振动传感器硬件架构图

图5 中，采用高精度的MEMS加速度传感器采集振动信号，通过信号调理电路对模拟信号进行放大、滤波等处理，并将信号传输到模数转换器，通过模数转换器转换为数字信号，由核心控制器对信号进行数据处理并通过通信单元发送到高压隔离开关监测装置，供电单元为振动传感器各个模块提供电能。

3.3 工频电场检测传感器

工频电场检测传感器主要用来检测高压隔离开关导电臂的工频电场变化，当高压隔离开关出现一些典型的缺陷后会引起工频电场变化。工频电场检测仪主要包括球形电容传感器、信号调理电路、数据采集单元、数据处理单元、通信单元和供电单元［17］。图6为工频电场检测仪的硬件架构框图。

图6 工频电场检测传感器架构图

图6 中，通过球形电容传感器获取电场中的感应电势，经过信号调理电路的滤波放大电路，由数据采集单元的A/D模块转换为数字信号，经过数据处理单元的工频电场场强算法将感应电动势转换为电场数据，通过通信单元将数据发送至监测装置，供电单元为工频电场检测仪的各个模块提供电能。工频电场检测传感器采用CT取电的方式为系统提供电能。

4 基于变权理论的高压隔离开关健康评价

基于变权理论的高压隔离开关健康评价通过对高压隔离开关关键部位进行状态监测，选取合理、科学的评价指标体系，建立高压隔离开关健康状态评价等级，运用合适的计算方法统筹兼顾健康评价指标体系中的所有指标对高压隔离开关运行状态的影响，综合评估出高压隔离开关的健康状态，便于相关工作人员能够更准确、合理地了解高压隔离开关当前的健康状态。

4.1 模糊综合评价

模糊理论由美国控制理论专家 Zadeh教授于1965年提出的，主要指现实生活中除了经典集合论中对“非此即彼”现象描述外，还存在一种“亦此亦彼”的模糊现象［18－20］。利用各种评价因素对被评价对象的影响，并利用某种计算方法做出最终评价的评价方法叫做模糊综合评价法［21］。模糊综合评价的主要步骤包括:

(1)确定指标因素集 V=(v1，v2，…，vm);

(2)确定评价集 U=(u1，u2，…，un);

(3)确定指标权重集 A=(a1，a2，…，am);

(4)进行单因素模糊评价 Ri=(ri1，ri2，…，rin);

(5)构造综合评价矩阵:

(6)综合评价，由单因素评价矩阵R与指标权重集A合成得到综合评价集:根据最大隶属度的原则得到最终的综合评价结果。

4.2 评价指标和评价集

在高压隔离开关健康评价中，某一个传感器监测到的数据只能反映某个方面的状态，并且每一类特征量的监测数据对整体状态的反映都具有相对优势和局限性，不能仅仅通过单一的监测指标来判断整个高压隔离开关的健康状态。本文在分析高压隔离开关典型故障的基础上，结合专家经验和传感器的技术水平综合考虑，选取了高压隔离开关触头/触指温度、开合状态、导电臂电场强度、传动机构振动、环境温度、湿度和瓷瓶完整度7个具有代表性和便于测量的特征量作为高压隔离开关健康状态评价的评价指标体系。

结合高压隔离开关运行状态与设备运维和检修经验，将高压隔离开关的健康状态分为5级，从高到底依次为:健康、正常、预警、轻度故障、故障，采用集合形式表示为 U=(u1，u2，u3，u4，u5)，相应等级的高压隔离开关状态和评价结果如表1所示。

4.3 变权理论的指标权重

目前对高压隔离开关的健康评价尚处于起步阶段，对评价指标体系的建立和各个指标权重的分配没有明确的行业标准，相关的评价算法还处于探索研究阶段。结合高压隔离开关的实际情况，本文借鉴专家经验的方式，根据高压隔离开关的实际运行场景，通过专家模糊打分方式来确定高压隔离开关健康评价模型中各项指标因素的初始权重。由于考虑到设备的实际健康状态由多个因素相互影响，提出了变权重的高压隔离开关综合健康评价方法。

表1 高压隔离开关健康评价评语集

在对高压隔离开关进行综合评价时，一般给各个指标因素设定固定的权重，但是难以反映各个指标因素的变化对整个高压隔离开关造成的影响［22－23］。当某项指标因素超过预警值甚至出现故障时，有可能出现由于初始权重分配较小，经过模糊综合评价后得到的高压隔离开关依然处于正常状态的结果，从而造成异常信息被湮没。因此，引入变权理论，实现了对指标因素权重的实时调整，可以反映出模糊综合评价中各个指标因素状态的均衡性［24］，本文对指标因素权重做动态变权处理，即指标因素劣化程度越大其权重也越大，从而避免由于权重过小造成异常信息被湮没的情况发生。

设指标因素初始权重为ai，进行变权处理后为

式中:αi为指标的劣化度;β为变权系数。

4.4 隶属度函数

目前，模糊综合评价常用的隶属度函数模型主要有:正态分布、柯西分布、梯形分布、岭型分布和三角分布等［25］，本文选用梯形分布与三角分布结合的隶属度函数，符合高压隔离开关健康评价的实际需求。图7为隶属度函数分布图。

图7 隶属度函数分布图

隶属度函数的具体表达式为:

5 应用分析

将设计的基于变权理论的高压隔离开关健康监测系统进行实际应用，在无锡某变电站对GW4型高压隔离开关进行安装部署。对高压隔离开关监测装置采集的传感器数据进行综合评价，结合变权理论对指标因素的权重进行实时调整。根据式(2)的隶属函数计算出各个指标因素的隶属度，并得到GW4型高压隔离开关运行状态的模糊关系矩阵R。利用专家模糊打分的方法确定各个指标因素的初始权重，利用式(1)计算出变权处理后的权重。使用合成算子计算出高压隔离开关健康评价的综合评价集，采用最大隶属度原则选取隶属度最大的值对应的评价等级作为最后综合评价结果。

基于变权理论的高压隔离开关健康监测系统，通过对高压隔离开关的现场应用，其创新点主要体现在以下几个方面:

(1)高压隔离开关状态监测方面，对高压隔离开关运维检修的关键部位进行在线监测，实现对高压隔离开关的带电检测，通过传感器网络能够接入不同类型的传感器，实现同时对高压部位和低压部位的检测。

(2)采用变权理论对指标因素的权重进行处理，保证最终的评价结果更符合实际，具有更高的准确性。避免某些指标因素由于初始权重较小，在进行综合评价时异常信息被湮没的情况。

(3)运维检修方面，通过对高压隔离开关进行健康评价并得到评价结果，高压隔离开关健康监测系统能够给出运维检修建议，并形成高压隔离开关健康评估报告，运维检修人员根据形成的报告作进一步处理，减少了运维人员的工作量，提高了运维检修的效率。

(4)能够进行快速安装部署，通过接入电力GIS便于对整个电力系统高压隔离开关进行健康监测，根据不同类型的高压隔离开关选择需要接入的传感器进行快速配置，实现高压隔离开关的智能化监测。

基于变权理论的高压隔离开关健康监测系统有效地提升了高压隔离开关的运维管理效率和智能化水平，丰富了高压隔离开关健康监测的手段，节约了人力成本，减少了运维工作人员的工作量。

6 结束语

研究基于变权理论的高压隔离开关健康评价技术，并研制了高压隔离开关监测装置和用于高压隔离开关状态监测的一些传感器，结合高压隔离开关的实际应用场景进行了应用推广，该系统具有以下特点:

(1)网络化、智能化、自动化水平高，基于变权理论的高压隔离开关健康监测系统紧密结合高压隔离开关的运维检修实践，综合了运维人员的切实需求，将网络化、智能化、自动化技术应用到解决实际问题中。

(2)健康监测效率高，高压隔离开关健康监测系统可以实现高压隔离开关不同部位的传感器数据同步采集，通过综合健康评价，形成高压隔离开关健康评估报告，大大提高了高压隔离开关的运维效率。

(3)健康监测理念先进，高压隔离开关健康监测系统改变了传统高压隔离开关健康评价的模式，全面提升了运维人员的工作效率和质量。

(4)可扩展性强、易于推广，高压隔离开关健康监测系统能够扩展多种不同类型的传感器，系统安装部署便捷。该系统结合了运维人员的实际需求，对于保障高压隔离开关的安全稳定运行具有重要意义。