变电站用一次设备智能监测与故障分析系统研制

主要内容：

（1）以高压断路器为例，研究了变电一次设备的结构特点，了解其基本工作机理。研究往年高压断路器所发生的主要故障类型，并找出发生故障的原因，从而确定在线监测的主要数据量；

（2）研究适合于变电一次设备的信息处理技术，包括两个方面，一方面研究消噪技术，主要研究的是基于小波变换的消噪技术；另一方面研究信号特征量提取技术。主要包括触头三相位移信号、分合闸线圈电流信号以及振动信号的特征量的提取；

（3）研究基于数据融合的故障诊断算法，主要研究的是Dempster-Shafer证据理论，并对D-S证据理论进行改进，使其能够更加准确、稳定地用于高压开关柜的故障诊断；

（4）利用Visual C++ 6.0，Matlab等软件，实现以上研究内容的算法，并完成高压断路器、开关柜的在线监测与诊断装置。

（5）建立了变电站一次设备信息系统（含断路器电子档案系统、隔离开关电子档案系统、变压器电子档案系统、其他一次设备电子档案系统），实现了一次设备信息的动态运维和状态管理。

项目研究整体思路如图1所示：

图1 项目整体设计思路图

本项目选用高压断路器的合闸振动信号作为监测对象，设计了以高压断路器为例的变电一次设备机械故障的诊断系统，其结构框图如图2所示。采用加速度传感器获取断路器合闸动作过程中的振动信号，用MP4221数据采集卡对信号进行采集后再送入计算机进行信号处理和故障模式识别。

图2 系统结构框图

本项目开发了一种基于合闸振动信号进行一次设备机械故障诊断装置，通过在一次设备机械构件上安装测量振动的传感器，在线收集一次设备（如高压断路器、开关柜）合闸操作的机械振动信号并运用功率谱分析技术对合闸振动信号进行分析，提取振动信号的功率谱包络线，应用小波技术提取功率谱包络线的故障特征，通过与离线训练建立的故障特征数据库进行对比来获取高压断路器机械故障诊断结果。这种方法可以有效克服外界的干扰，鲁棒性强。应用合闸振动信号诊断一次设备机械故障的研究能够保证高压断路器安全、可靠的工作，解决现有的一次设备采取的定期监测和诊断方法的不足，保障供配电安全，维护了良好的社会经济秩序与生产。

本项目研发装置实现了电气设备间信息共享和故障诊断，测量精度高、判断准，其数字化智能型的技术特征适合于新型灵活交流输变电和数字化变电站，符合国家产业政策和优先发展方向。本项目在完成了众多技术创新，并取得了显著的效益：

通过省科技查新中心查新，省重点实验室第三方验证。

完成编著专著1部并完成教学试用。

授权发明专利2项，授权实用新型专利7项、软著权1项。

参与制定地方标准1项。

共发表论文6篇，其中3篇EI检索。

江苏省电力检修公司南京分部对下辖的南京、镇江地区的220kV和500kV变电站的高压断路器、开关柜进行了改装试用，有效监测断路器工作状况，准确判断断路器故障类型，有效帮助变电站运维人员排除和防止故障发生。

在匹瑞电气等五家公司进行了试用和推广，反响良好，取得了较为显著的经济效益。图3 位置传感器安装调试图

图4 高压断路器现场试验图

图5 诊断装置调试现场

图6装置现场安装与接线调试

1. 构建了一次设备（断路器、开关柜等）机械故障诊断系统的硬件平台，以高压断路器为例，提出了一种振动传感器的布置方案。，通过信号线振动传感器和信号处理电路连接，数据采集卡的输入通道与断路器机构箱内合闸和分闸位置信号连接。

2. 利用小波单层分解及希尔伯特变换求取高频部分包络来求取高压断路器触头刚合点，提高了故障判断的准确性与有效性。

3. 采用小波分段能量比的新方法来提取振动信号特征量，该方法既可以体现振动信号的能量分布，还可以体现高低能量分布的比值，其效果相对于传统方法有较大提高，为故障诊断提供了依据。

4. 采用了基于数据融合的变电一次设备故障诊断算法，基于开放的识别框架，利用证据间的距离判别冲突情况，设计出在不同冲突情况下的证据合成公式，用其对变电一次设备的故障进行诊断。

5. 应用了支持向量机训练算法，采集目标一次设备的分合闸振动信号后，提取振动信号的包络谱，通过将所述特征与预先建立的样本断路器振动数据库中数据进行比对，实现故障诊断。