一种基于边缘计算的气体密度继电器自诊断方法

2024-01-19黄小泵张亮陈少帅

环境技术 2023年12期

黄小泵，张亮，陈少帅

（1.上海乐研电气有限公司,上海 201802； 2.国网河北省电力有限公司超高压分公司,石家庄 050000）

引言

SF6 气体作为一种优良的绝缘/灭弧气体，在高压领域应用极其广泛[1-3]，绝大多数气体绝缘电气设备采用该气体作为绝缘/灭弧介质。气体绝缘设备中的SF6 气体含量的多少与绝缘/灭弧性能的强弱有直接关系，如果气体绝缘电气设备在运行过程中发生泄漏，SF6 气体含量低于安全阀值，将给电气设备的安全、可靠运行造成重大影响。由于SF6 的含量对电力设备的重要性，我国从上世纪八十年代开始引进密度继电器技术来监测电力设备中SF6 气体含量。然而，实际应用过程中气体密度继电器因长时间不动作，经常发生控制触点氧化、机构卡涩或损坏、精度下降等问题[4-6]，在SF6 气体含量低于安全阀值时不能有效监测，严重影响电网的运行安全。因而，原电力部和国家质检总局均出台相关的技术标准/规范要求：定期校验在网运行的密度继电器[7-9]。

目前，校验密度继电器的方式包括两种。一种是尚未进行免拆卸校验改造的电气设备，校验此类设备上的密度继电器需先对电力设备停电，然后拆卸密度继电器送到有资质的监测机构校验，校验合格后安装并重新运行，这种校验方法存在送检繁琐、效率低、成本高、需要停电的问题，影响电网的运行效率与人民的生产生活。另一种是已进行免拆卸校验改造的电气设备，校验此类设备上的密度继电器需运维人员携带密校验仪到现场对密度继电器逐一校验。这种校验方法与第一种校验方法相比，在效率和成本上有很大提高，但校验过程受环境的影响较大，校验精度易受影响，且SF6 气体的温室效应是CO2的23 500 倍，是《京都议定书》明确限制的六种温室气体之一[12]，在校验过程中不可避免的有SF6 气体会排放到大气，污染环境。

截止到2018 年底，国网在运行的126 kV 以上断路器有112 669 台，组合电器91 801 个间隔，超过130万只密度继电器被使用，加上南网及各大发电集团密度继电器的使用量，在运行的密度继电器超过200 万只，如此数量的密度继电器需要定期校验，给电网运维带来了极大的挑战。本文通过多传感器融合和边缘计算技术结合的方法，将传统校验仪的功能融合于密度继电器中，使普通远传密度继电器具备校验仪的功能，使密度继电器在正常运行工程中可以定期对自身进行体检，体检数据在仪表端（边缘侧）就地分析、诊断，实现设备没有故障时免人工维护，设备有故障时精准定位，并通过通讯网络上传故障信息，主动告知运维人员，使运维工作简单、精准。

1 自校验密度继电器

1.1 密度继电器现场校验原理

当前电网中的气体绝缘电气设备大多已完成免拆卸校验，定期校验都是安排专业运维人员到现场作业完成。由于SF6 气体在现场校验，其压力会随着环境温度、太阳辐射、气流等多因素的影响，因此如果直接测量压力并不能实现SF6 气体密度的准确测量。为了使测量结果能够真实反馈电气设备中SF6 的含量，在电网中一般规定在20 ℃下测量的SF6 压力称为其密度，在其它温度下测量的压力，要将该温度下的压力转换为20 ℃下的压力作为标准值（简称密度值P20）[13-15]。

根据密度继电器现场校验技术，在实施现场校验前，需要先让校验仪与密度继电器放在同一环境温度下恒温2 h，待校验仪的温度与密度继电器的温度一致后开展校验工作。校验前，首先将密度继电器的接点信号与后台系统的接点监测平台信号断开，确保校验过程中不会触发误报警、误闭锁信号，然后将校验仪的接点信号线与密度继电器的接点信号线对应接通；然后将校验仪的气路与密度继电器的气路连通，并关闭密度继电器与本体之间的气路通路；然后通过压力调节气罐对密度继电器进行降压，触发密度继电器的接点动作，校验仪采集接点动作时的压力、温度信号，密度继电器所有接点的动作值校验完成后，再对密度继电器进行升压操作，使密度继电器的触点切换至开断状态，校验仪记录密度继电器返程时触点状态切换时的压力、温度信号值；校验操作完成后，校验仪中的微处理单元将触点动作时的压力、温度转换为20 ℃下的标准压力值（即密度值P20），在人机界面上显示。具体工作原理如图1 所示。

1.2 自校验密度继电器设计方案

自校验密度继电器由机械部分和数字化感知单元两部分组成，如图2 所示。机械部分包括显示装置和接点装置。显示装置的气路与气体绝缘设备的气室直接连通，可实时就地显示设备内SF6 气体的密度值P20 值；接点装置具有1 ～4 对报警/闭锁接点，当电气设备发生漏气时，设备的气体低于设定的报警/闭锁值，密度继电器内的接点信号被触发，向监测平台发送报警/闭锁信号，提醒运维人员维护设备/以及闭锁电气设备操作。数字化感知单元包括电源模块、传感器、自校验模块、通信模块和数据处理模块等五部分。其中电源模块负责给整个自校验密度继电器供电；传感器分为压力传感器和温度传感器，能够实时采集气体的压力、温度；自校验模块能够在没有人工参与的情况下，按程序设定时间或后台指令自动对密度继电器进行校验，自校验模块内的调压装置采用脉冲加热气室的方式实现气路内气体压力的升降，达到触发密度继电器接点动作的目的；数据处理模块将密度继电器采集的业务数据、自校验数据、诊断数据进行就地分析处理，通过通信模块将分析结果反馈至监测平台。监测平台和自校验密度继电器之间的通信采用交互的形式，即自校验密度继电器可以把监测数据传输给监测平台，监测平台也可对自校验密度继电器发送指令。

图2 自校验密度继电器设计方案

1.3 自校验密度继电器校验原理

自校验密度继电器在非校验时，对电气设备的温度、压力、密度等参量进行监测，确保电气设备的安全可靠运行。在校验时，密度继电器会先对自身健康情况和校验环境进行诊断分析，确认具备实施校验条件，开始执行校验（校验原理如图3 所示）。

图3 自校验密度继电器工作原理

首先，切断密度继电器与接点监测平台的信号连通，确保校验时接点监测平台不会收到报警信号；其次，关闭电控阀，使密度继电器气路与电气设备气室断开；再次，启动调压机构调节密度继电器气路中的压力，是密度继电器的接点动作，智控模块采集的接点动作时的温度值和压力值，经过内部程序计算，输出校验结果，传输给后台系统；最后，恢复密度继电器与电气设备气路的连通和密度继电器接点信号与接点监测平台的连通，密度继电器正常监测电气设备的状态。

1.4 在线监测系统设计

在线监测系统功能模块包括信息总览、表计列表、详细信息、告警列表和系统设置等五部分组成。信息总览能够统计现场密度继电器的在线、离线、告警等状态信息。表计列表用于显示所有与在线监测系统实现连接的密度继电器，在线状态的密度继电器的图标为亮色，离线密度继电器图标颜色为灰色；选中某个具体的密度继电器时，详细信息区域会展示该密度继电器的详细监测信息，包括在线监测数据、告警状态分析、传感器的ID、自校验结果及精度分析和通过大数据分析的泄漏率等；告警列表框用于显示所有告警密度继电器的告警详细信息；系统设置用于对密度继电器发送指令、更改配置，主要包括告警阈值、自校验时间、数据上传周期等功能。在线监测系统功能框图如图4 所示。

图4 在线监测系统功能框图

2 气体密度的算法模型

根据SF6 气体的物理特性，在密闭容器中，一定温度下的SF6 气体压力可以代表SF6 气体密度。由于SF6 气体为非理想气体,它的压力变化特性与理想气体压力变化特性相差较大，所以不能采用理想气体方程PV=nRT 来换算[16-19]。上海乐研电气有限公司在长期从事SF6 气体检测保护特性的研究中，通过大量的实践和理论结合，得出了一套较为成熟可信的SF6 密度软测量模型及其换算公式。在日常的环境温度变化范围内，通过该公式求解，能够得到特定温度、压力下的密度值，并可以将任意温度下的压力换算为20 ℃时的标准压力，用20 ℃时的标准压力来表针实际环境条件下高压电气设备中SF6 气体的密度。公式具体表征如下：

式中：

ρ—密度（kg/m3）；

T—温度（K）；

P—压力（Mpa，绝对压力）。

从上述公式可以看出，只要测量出SF6 气体的温度和压力之后，就可以得到一个关于密度ρ 的一元三次方程。对于一元三次方程有多种方法求解，其中最经典的是利用皮尔—卡丹公式用计算机进行数值求解，计算流程简便且求解过程直观可信。

设一元三次方程x3+px+q=0 在复数集中的根是x1，x2，x3，那么:

上面的求根公式称为皮尔—卡丹公式。将SF6密度曲线方程式（5）和式（6）代入到方程式（4）中，得到普通形式的一元三次方程，再采用正交变换即可得到标准形式的一元三次方程。通过卡丹公式求解即可得到气体密度。

3 试验验证

为了验证自校验密度继电器自校验功能在不同环境温度下的适应性和稳定性，搭建如图5 所示的试验平台。选用参数为0.40/0.35/0.30/0.30 自校验密度继电器试品，试品编号分别为1#、2#、3#，将三只试品安装在充有气的气罐上（气罐体积为20 L，充有0.4 MPa 的SF6 气体）；气罐包含四个气路接口，三个用于安装试品，另外一个用于安装压力传感器，实时监测气罐内的压力变化，气罐和试品之间安装有三通阀，密度继电器校验仪可以通过三通阀来关断密度继电器与气罐之间的气路，并校验试品的接点性能。试验时，将装有试品的气罐放入温箱中，模拟自校验密度继电器在不同的温度应力下工作的环境，温箱的温度采用PT1000 传感器实时采集，试验过程中的所有数据通过上位机展示并存储，展示界面如图6 所示。

图5 自校验密度继电器试验平台

图6 在线监测系统平台

试验平台搭建好后，将安装有试品的装置放入温箱中，温箱的温度设置为-30 ℃，保持该温度2 h，使用校验仪校验三只试品的接点动作标准值（Pij 标准值，P 表示接点动作值，i 表示接点序号，j 表示试品编号），记录校验的数据后，使试验平台恢复到校验仪校验试品前的状态，并启动三只试品的自校验程序，待自校验完成，输出接点的动作值（Pij 校验值，P 表示接点动作值，i表示接点序号，j 表示试品编号），该温度等级试验结束。按照相同的试验方法，依次在-30 ℃、-10 ℃、…、60℃等10 个温度环境的试验，记录并整理测试结果。

图7、8 为校验仪和试品在不同温度下校验三只智自校验密度继电器接点P1 和P2 的结果。从图可知，校验仪校验三只试品接点动作值均随着温度的降低而升高，接点P2 与接点P1 相比，其动作值随着温度变化的趋势更为平缓，其原因为三只试品采用气体补偿方式补偿温度带来的压差，而密度继电器仅能补偿一个密度值，本次试验的三只试品补偿压力约为0.29 MPa，接点P1 设定的的动作值为0.35 MPa，接点P2 设定的动作值为0.30 MPa，两个接点的动作值均比补偿气室压力大，表现为欠补，而接点P2 设定的动作值与补偿气室压力之间的压差比接点P1 设定的动作值与补偿气室压力之间的压差小，产生的温度补偿误差就小，因此自校验密度继电器接点P1/P2 的动作值随着压力的降低增大，且接点P2 比接点P1 的动作值随着温度的变化更为平缓，该变化规律也符合密度继电器的补偿规律。在密度继电器进行自校验时，所测接点P1、P2 的动作值随着温度降低而增大，其变化规律和校验仪测试结果一致，但自校验密度继电器所测结果比校验仪所测P1 接点动作值偏大，两者之间的误差在（0.000 9～0.001 6）MPa 之间波动，原因在于自校验密度继电器的压力传感器和温度传感器组成的测试系统存在系统误差。

图7 试品P1 接点自校验结果

图8 试品P2 接点自校验结果

图9 为校验仪和试品在不同温度下校验三只自校验密度继电器接点P2、P3 的结果。从图中可知，密度继电器接点P2、P3 的校验值和标准值之间存在一定的差值，但校验结果均符合密度继电器接点值随温度变化的结果，在所有温度点的测试中，只要自校验密度继电器在常温下P2、P3 同时动作，在进行试验的（-30～60）℃温度范围内，其接点动作一致性也不会随着温度发生变化。