基于状态监测系统的输电线路生产管理模式研究

1  绪论  

 

随着我国国民经济快速增长，对电力的需求量也呈急剧增加趋势。由于我国煤炭、水力一次资源分布极其不均衡，决定了能源主要靠电网传输，输电线路作为电网中极其重要的组成部分，其运行安全性和可靠性越来越受到电力系统运行、管理和科研人员的关注。按使用的材质来区分，输电线路主要分为架空线路和电缆线路二种，架空线路主要应用于野外露天之下的中高压、特高压传送；而电力电缆主要用于都市、发电厂和其他电力设备范围内的中低压传送。随着我国输电线路总长度和传输容量的不断增长，对输电线路巡视、检修等运行管理的难度也越来越大，即使在特定条件下的检测也需要大量的人力物力，难以获得及时数据。在这种情况下，急需提高输电线路运行管理的自动化水平，寻求输电线路故障监测与故障诊断的有效方法就显得重要。 现阶段对于输电线路故障监测与诊断方法主要着重于架空输电线路故障测距技术的研究和电力电缆绝缘在线监测技术的研究。以下将对电力电缆绝缘和架空输电线路故障监测与诊断的研究意义及现阶段的研究状况分别进行介绍。  

 

1.1  架空输电线路故障在线监测研究意义及发展现状 

目前在国内外的供电部门中，架空输电线路因为其一次性投资较小、适合于不同的地理环境，因此被广泛采用。同时在电力系统中，随着国民经济的发展，电力输送容量和输送距离迅速增长，大容量，远距离的输电线路投入运行，线路安全性的要求也越来越高。架空输电线由于长期处于野外，受各种自然条件的影响，输电导线在多种因素的长期作用下会导致材质脆变，雷击闪络、外力破坏等会引起导线表面损伤，尤其是在海滨及工业区的输电线更容易受到腐蚀，致使输电线路产生断股、损伤、低阻、对地短路、断路等故障，严重影响电力系统的安全运行。 检修是保证架空输电线路健康运行的必要手段。几十年来我国架空输电线路的技术管理一直采用的是架空输电线路预防性试验加输电线路计划性大修的维护方式[1][2]。这种检修方式既有利更有弊，其优点是：(1)能够发现和处理架空输电线路缺陷，减少设备运行中的损坏，保证电力生产的安全；(2)能够减少架空输电线路事故或者障碍造成的非计划性停电，保证供电的质量和可靠性。但这种维修方式不能事先掌握线路的运行状态，而且采用一刀切的方式：到期必修。实践表明其中相当量的检修是没有实际意义的，多余的。造成了线路的“过度检修”，可以得知过去的架空输电线路计划性检修方式已与现在的电力生产不相适应，有必要采用新的线路维修方式，因此产生了“线路状态检修”的新思路。输电线路状态检修是从预防性检修发展来的更高层次的检修体制，它根据输电线路的日常检查、定期重点检查、在线状态监测和故障诊断所提供的信息，经过分析处理，判断设备的健康和设备劣化状况及发展趋势，并在设备故障前和性能降低到不允许极限前有计划安排检修。这种方式有很强的针对性，能够有效提高输电线路的可用率，并能降低检修费用。在电力系统中推行状态监测是输电线路检修制度发展的必然选择[3]。 

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1.2  电缆绝缘在线监测的意义及研究现状

随着现代化工业的发展和城市化水平的提高，电力电缆作为传输电能的重要工具，越来越得到人们的重视。随着经济建设发展，电力电缆不但被用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力连接线，而且在城网供电中的比例越来越大，许多城市的市区已逐步取代架空输电线路，电力电缆应用的电压等级也越来越高。特别是在城市电网中，为了减少线路走廊及提高送电的可靠性，要求提高电缆化比例及主干道电线入地，广泛地采用地下电缆作为高压、中压输配电线路。交联聚乙烯(XLPE)电力电缆以其电气性能好、击穿电场强度高、介质损耗角正切值 tanδ 小、绝缘电阻高、有较高的耐热性和抗老化性能、允许工作温度高、载流量大、适宜于高落差与垂直敷设等优点被广泛应用。 XLPE 电缆投入运行后，由于受到电、热、机械、化学等因素的作用将发生绝缘老化。以前，由于电力系统庞大，电缆的运行周期比较长，绝缘老化缓慢，电缆的监测和诊断却没有引起人们足够重视。近年来，随着电缆数量的增多及运行时间的延长，以前安装的 XLPE 绝缘电缆的老化故障频繁，造成绝缘击穿事件严重，甚至引起部分电网系统停电，给国民经济带来重大的经济损失。并且电缆的价格也非常昂贵，仅在美国，地下配电电缆系统需要更换的费用就达 150 亿美元。对于连续运作的电力系统来说，电缆的在线监测与故障诊断成为了亟待解决的问题，也是电力系统状态检修不应缺少的环节。 为了在运行过程中掌握电缆的老化情况、过负荷情况，及时发现异常现象以避免事故的发生，还有必要对之进行在线的绝缘检测及诊断，对一些隐性的故障进行较准确的早期预报，做到防患于未然。所以对电力电缆进行在线监测，对电缆的潜在故障进行早期预报，对保障城市电网的安全可靠运行，节约突然停电造成的经济损失有着重要的意义。 

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2  非线性频率特性分析法故障检测原理  

 

2.1  概述 

随着现代工业的发展，工程系统对高效率、高可靠性、高质量及低成本等综合指标的要求,使得系统的复杂性不断增加,给信息处理,系统建模及性能预测提出了新的课题。特别是对于航空、核能、通讯、电力等可靠性要求很高的系统，不但要求故障发生时的及时诊断与隔离，更要求对系统和设备的运行状态和潜在故障进行监测和早期预报，以防止重大事故的发生，保证系统的安全性与可靠性。此外，故障监测和早期预报技术还能帮助企业改革传统的计划性维修体制，实现基于状态监测和故障预报的预测维修体制，提高设备利用率，降低运行成本。因此，故障监测与预报已经成为现代化工程系统的重要问题。如何建立有效、可靠的系统分析方法，对复杂工程系统的行为特性进行综合分析和评判，以实现对系统和设备的有效监控，仍然是有待解决的问题。 几十年来，在经典的系统分析理论中，线性系统的频率响应分析法一直被广泛用于机械、电气、通讯、建筑、电子、自动控制等工程系统的分析与设计。当前对于线性系统的故障诊断与检测问题已经有了较为深入的研究和比较成熟的方法。然而,  对于非线性系统的故障监测和诊断问题，现有的研究成果有限。一方面，是由于非线性系统的复杂性和多样性；另外，故障检测与诊断要求得到系统的在线状态或参数估计，对非线性系统，其状态与参数的在线估计手段还并不多。特别是当被测系统存在模型不确定性、噪声的统计特性不理想的情况时，就更加困难。一般常用的非线性系统的故障检测与诊断方法包括[26]：自适应非线性观测器法、扩展卡尔曼滤波方法、自适应扩展卡尔曼滤波法、非线性未知输入观测器方法等，这些方法都相对薄弱，而且大部分只能对系统作故障检测而不能做诊断。

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2.2  非线性输出频率响应函数 

本章结合非线性频率特性分析法故障检测原理推导出了基于 NOFRF 的输电线路故障监测的算法。运用非线性频率响应函数对系统固有特性描述的唯一性，建立输电线路不同运行状态的频率响应模式，根据发生故障后传输线频率响应特性的变化，进行故障征兆模式的特征抽取与识别，① 不同的 n 值，对于系统中的两个连续部分其 n 阶 NOFEF 比值是一样的。 ② 如果系统中的两个连续部分都在非线性部分的左边，这两部分的一阶NOFRF 比值和高阶 NOFRF 比值是一样的。 ③ 如果这两连续部分最少有一个在非线性部分的右边时，这两部分的一阶NOFRF 比值和高阶 NOFRF 比值是不一样的。 这些特性对于近期基于 NOFRF 的非线性系统频率分析法的发展起着重要的作用，尤其对于多自由度系统的非线性成分的准确定位有很大的帮助。 

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3  架空输电线路故障在线监测....19 

3.1  架空输电线路等效电路模型 ......19

3.2  电力载波 ...........22 

3.3 基于电力载波信号的架空输电线路状态监测与故障诊断模型 ..... 28 

3.4  本章小结 ........... 31 

4  架空输电线路故障监测与诊断方法研究 .......... 33 

4.1  基于 NOFRF 的架空输电线路正常运行状态的特征分析 .... 34 

4.2  输电线接地故障的仿真分析 ...... 37 

4.3  基于 NOFRF 算法的输电线路高阻故障在线监测与诊断仿真实验 ............ 47

4.4  输电线路断路故障的仿真 .......... 59

4.5  输电线路断股、损伤故障的仿真初探 ........ 64 

4.6  本章小结 ........... 69 

5  电力电缆故障在线监测 ........... 71 

5.1  电力电缆概述 ............71

5.2  基于电力载波信号的电力电缆状态监测与故障诊断模型 ............76

5.3  本章小结 ...........79 

 

6  电力电缆故障监测与诊断方法研究  

 

6.1  基于 NOFRF 的电力电缆正常运行状态的特征分析 

基于以上介绍的电力电缆载波通信的仿真模型，如果通过定义绝缘中某一微小圆柱体为故障发生位置（即此处绝缘材料是逐步老化直至击穿的），当此处绝缘的电阻 Rf、Cf的值逐渐变化时，电力电缆等效电路参数模型也同时在发生变化，则载波接收机接收到的载波信号因传输线特性的变化也会发生变化。水树枝老化被认为是造成交联聚乙烯电缆在运行中被击穿的主要原因[59-61]。自从1968年首次在地下直埋式XLPE电缆绝缘中发现“水树枝”以来，人们一直没有停止过有关水树枝引发和生长机理、水树枝结构及特性的研究。特别是近些年来，一方面，由于水树枝老化导致早起敷设应用的XLPE电缆绝缘击穿停电事故呈逐年上升之势，并不断造成重大经济损失，水树枝现象已成为电力电缆安全运行的重大隐患，迫使人们不断加强对XLPE电缆绝缘老化状况的诊断技术研究工作。另一方面，伴随许多新技术新设备的不断出现将水树枝激励及检测技术研究推向新的阶段。 在绝缘中存在缺陷、微孔和水分的前提下，由于缺陷或微孔处的电场畸变，会导致在较低的电压下引发水树枝，这便是XLPE电缆绝缘中水树枝的引发及生长特征。水树枝的生长相对较慢，但伴随水树枝生长，水树枝尖端的电场将愈加集中，局部高电场强度最终会导致水树枝尖端产生电树枝，电树枝一旦形成，极可能造成电缆绝缘在短期内被击穿。 

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结论

 

本文在研究非线性频率分析方法故障监测原理的基础上，结合输电线路故障监测与诊断研究了基于 NOFRF 的输电线路运行状态监测及故障诊断。主要研究内容总结如下： 

① 建立了电力载波信号的输电线路状态监测与故障诊断模型，验证了输电线路载波通信模型的正确性。为输电线路故障在线监测提供了信号激励和信号截取仿真实现模型，进而提供了基于 NOFRF 的架空输电线路的状态监测与故障诊断提供了有效的模式识别仿真平台。 

② 将 NOFRF 方法与输电线路故障监测相结合，提出了基于非线性频率特性分析的输电线路故障监测与诊断方法，为输电线路状态监测与故障诊断提供了一种新方法。 

③ 基于 NOFRF 的架空输电线路不同故障类型、故障发生不同位置情况进行了仿真试验。仿真实验结果表明，对于架空输电线路的低阻接地故障、高阻接地故障、架空线的断股和局部损伤故障、断路故障情况，NOFRF 方法都能有效、准确的识别出故障类型及故障发生位置，验证了基于 NOFRF 的架空输电线路故障监测与诊断的有效性。 

④ 基于 NOFRF 仿真了电力电缆正常运行和电缆不同段出现水树枝老化故障情况，通过电缆绝缘出现水树枝老化故障和正常运行电缆的特征值i,kE 的对比，分析识别了i,kE 值出现畸变时所对应的电力电缆不同段出现绝缘老化的故障信息，仿真实验结果表明，电缆绝缘出现水树老化时，NOFRF 方法能准确的识别出故障发生位置。同时对电力电缆发生开路、低阻接地、高阻接地故障进行了仿真分析，验证了基于非线性频率特性分析方法的电力电缆故障监测与诊断方法的有效性。 

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参考文献（略）