楊群,齊鵬洋,李昊,劉釗

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

近年來,我國用電量的急劇增長和源荷分布不均衡的發(fā)展現(xiàn)狀,使具有輸送距離遠(yuǎn)、容量大、損耗低等優(yōu)勢的特高壓輸電建設(shè)快速發(fā)展[1],與之配套的換流站投運(yùn)數(shù)量不斷增多。作為換流站核心設(shè)備的換流閥在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量熱量,其冷卻系統(tǒng)可靠性顯得至關(guān)重要。電氣設(shè)備常用的冷卻方式主要有水冷、自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷[2],而換流閥大都采用去離子水進(jìn)行冷卻降溫[3],因此及時掌控?fù)Q流閥水冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)對保障其穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前,在換流站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)方面,已開展多方面研究:文獻(xiàn)[4]通過增加切換開關(guān)乙炔在線監(jiān)測裝置、油耐壓測量裝置等,利用直流控制保護(hù)系統(tǒng)綜合判斷,實(shí)現(xiàn)了對換流變壓器分接開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測和評估;文獻(xiàn)[5]利用多頻率點(diǎn)等效溫升試驗(yàn)方法,通過等效計算阻尼電容器實(shí)際工作時的損耗,并選擇合適的試驗(yàn)頻率和電流,能夠準(zhǔn)確評估阻尼電容器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài);文獻(xiàn)[6]提出了一種基于多狀態(tài)數(shù)據(jù)均衡與極端梯度提升的特高壓換流閥狀態(tài)評估方法,文獻(xiàn)[7]提出了一種基于故障本征證據(jù)和特征指標(biāo)的換流變壓器狀態(tài)評估方法,通過兩次評估,大大提高了換流變壓器故障判定的準(zhǔn)確率;文獻(xiàn)[8]基于熵權(quán)灰關(guān)聯(lián)分析法建立了空冷器的狀態(tài)評估方法,對準(zhǔn)確分析空冷器故障原因具有一定的指導(dǎo)價值;針對特高壓換流閥狀態(tài)評估中原始數(shù)據(jù)不均衡、模型難以解釋等問題,文獻(xiàn)[9]提出了一種基于輕量梯度提升機(jī)與夏普利加法解釋歸因分析的特高壓換流閥狀態(tài)評估方法,為換流閥狀態(tài)評估結(jié)果提供了依據(jù)與支撐。上述文獻(xiàn)從不同方面對換流站主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究,以期實(shí)現(xiàn)對其狀態(tài)準(zhǔn)確評估,而對主設(shè)備散熱進(jìn)而保障其可靠運(yùn)行的閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評估方面的研究還比較匱乏。

本文研究換流站閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成,選取其主要?dú)v史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)指標(biāo),構(gòu)建閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)體系。通過三角形函數(shù)和半梯形函數(shù)相結(jié)合以及專家調(diào)查法確定不同數(shù)據(jù)指標(biāo)的隸屬度、利用層次分析法確定各個指標(biāo)權(quán)重。在此基礎(chǔ)上建立基于改進(jìn)D-S理論的閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評估模型,并通過算例對模型進(jìn)行驗(yàn)證,為運(yùn)維人員及時掌控閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、保障其可靠運(yùn)行提供借鑒。

1 換流站閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成分析

在特高壓輸電系統(tǒng)中,閥水冷系統(tǒng)作為換流閥冷卻設(shè)備,主要是把閥體等元件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量熱量帶走,保障各個元件在溫度允許范圍內(nèi)運(yùn)行。根據(jù)作用和結(jié)構(gòu)布局,閥水冷系統(tǒng)可分為內(nèi)水冷系統(tǒng)和外水冷系統(tǒng),前者屬于密閉系統(tǒng),采用密閉循環(huán)方式對換流閥進(jìn)行散熱,主要由主循環(huán)回路、去離子回路、氮?dú)夥€(wěn)壓回路和補(bǔ)水回路等組成;后者屬于開放式系統(tǒng),主要由噴淋泵、冷卻塔、水處理單元等構(gòu)成,通過噴淋泵對內(nèi)冷水管道進(jìn)行噴淋散熱,利用冷卻塔風(fēng)扇將交換的熱量排出,形成一個周而復(fù)始的循環(huán)系統(tǒng)[10-11],整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 換流閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成

閥水冷系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中,由于電化學(xué)腐蝕、水中雜質(zhì)積累等原因,會造成如均壓電極銹垢、濾芯堵塞,如圖2所示,從而影響整個閥水冷系統(tǒng)的冷卻能力,給換流站的可靠性埋下隱患。

(a)均壓電極銹垢

2 閥水冷系統(tǒng)狀態(tài)評估指標(biāo)體系

2.1 評估指標(biāo)體系構(gòu)成

為了對所選指標(biāo)便于構(gòu)建判斷矩陣和分配權(quán)重,準(zhǔn)確對閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做出評估,選取反映閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的典型指標(biāo),將其分為歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù),具體評估指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)體系構(gòu)成

圖3中,歷史數(shù)據(jù)由系統(tǒng)投運(yùn)時間、運(yùn)行時間、告警次數(shù)等構(gòu)成,主要根據(jù)系統(tǒng)前期投運(yùn)和后期運(yùn)維檢修記錄得到。實(shí)時數(shù)據(jù)由設(shè)備運(yùn)行環(huán)境參數(shù)、設(shè)備自身參數(shù)等構(gòu)成,主要通過安裝各類傳感器和壓力表計等進(jìn)行實(shí)時采集,傳輸至后端系統(tǒng)得到。

參考某換流站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)維要求,選取閥水冷系統(tǒng)評估指標(biāo)期望值如表1、表2所示,其中表1投運(yùn)時間是指初次投運(yùn)開始到目前為止總的運(yùn)行時間,檢修時間是指本次檢修距離最近一次檢修的時間間隔,檢修次數(shù)和告警次數(shù)以及系統(tǒng)缺陷數(shù)是1年內(nèi)各自的總次數(shù)。

表1 閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)指標(biāo)期望值

表2 閥水冷系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)指標(biāo)期望值

備注:歷史數(shù)據(jù)指標(biāo)期望值是離散變量,各個指標(biāo)期望值包含上限值和下限值。

備注:實(shí)時數(shù)據(jù)指標(biāo)期望值是連續(xù)變量,主要參考換流站閥水冷系統(tǒng)實(shí)際工程得到,各個指標(biāo)期望值包含上限值和下限值。

2.2 隸屬度確定

為了得到準(zhǔn)確的評估結(jié)果,本文將閥冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為正常、異常、故障,以反映閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種指標(biāo)為元素組成因素集u={u1,u2,…,ui}(i=1,2,…,m),形成評語集v={v1,v2,v3}={正常,異常,故障}。對第i個因素ui做出評判,其對vj(j=1,2,3)的隸屬度為rij,從而得到ui的單因素評價集ri=(ri1,ri2,ri3),即評語集v上的模糊子集,其中rij通過隸屬函數(shù)得到。

目前常用的隸屬函數(shù)主要有梯形分布、三角形分布、正態(tài)分布等,由于三角形隸屬函數(shù)形狀簡單,與其他較復(fù)雜的隸屬函數(shù)得出的結(jié)果差別較小,因此本文將三角形函數(shù)和半梯形函數(shù)相結(jié)合,確定實(shí)時數(shù)據(jù)中各指標(biāo)的隸屬度,具體模型如圖4所示。歷史數(shù)據(jù)通過文獻(xiàn)[12]中專家調(diào)查法得到各指標(biāo)的隸屬度。

圖4 三角形與半梯形隸屬度計算模型

由于閥水冷系統(tǒng)各元件隨著運(yùn)行時間增加會逐漸老化,因此圖4中引入相對劣化率[13]。相對劣化率是1個定量指標(biāo),能夠反映元件實(shí)際狀態(tài)與故障狀態(tài)相比的相對劣化程度,取值范圍為0～1,參考文獻(xiàn)[13],此處取0.3,0.5,0.7作為閥水冷系統(tǒng)3種運(yùn)行狀態(tài)下的邊界。

由圖4可得相應(yīng)的隸屬函數(shù)為

式中:uv1(x)—uv3(x)表示實(shí)時數(shù)據(jù)中各指標(biāo)劣化率為x時對應(yīng)于狀態(tài)v1—v3的隸屬函數(shù)。

3 狀態(tài)評估模型構(gòu)建

3.1 基于層次分析法評估因素權(quán)重的確定

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)建立在專家咨詢基礎(chǔ)上,將復(fù)雜系統(tǒng)中各種指標(biāo)劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?把多層次、多指標(biāo)的權(quán)重賦值簡化為各指標(biāo)重要性的兩兩比較,是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法,具有將非定量事件定量化的優(yōu)點(diǎn)[14],本文采用AHP構(gòu)建各因素之間的判斷矩陣N為

式中:uij代表評估因素ui對uj(j=1,2,…,m)的相對重要性數(shù)值。

3.2 基于改進(jìn)D-S理論評估模型的構(gòu)建

3.2.1 D-S理論分析

D-S(Dempster-Shafer)理論也稱D-S證據(jù)理論,以證據(jù)的方式來表征不確定性,通過對同一識別框架上的各證據(jù)體進(jìn)行融合推理,從不精確和不完整信息中得到可能性最大的結(jié)論,具有不依賴先驗(yàn)信息、同時處理隨機(jī)和認(rèn)知不確定性的優(yōu)勢[15]。該理論涉及3個重要函數(shù)[16-18],即基本信任分配函數(shù)mass、似然函數(shù)Pl、信任函數(shù)Bel,基本表達(dá)式如下:

1)給定一識別框架Θ,則函數(shù)mass:2Θ→[0,1],滿足

(3)

式中:m(A)為Θ上A的mass函數(shù),表示對A的信任程度,且使得m(A)>0的A稱為焦元;?表示空集。

2)似然函數(shù)為

(4)

組成的信任區(qū)間為[Bel(A),Pl(A)],表示當(dāng)前證據(jù)對A的信任程度,對單一因素集則有m(A)=Bel(A)=Pl(A)。

3)信任函數(shù)為

(5)

對于?A?Θ,識別框架Θ上的有限個mass函數(shù)m1,m2,…,mi,相應(yīng)的焦元為A11,A12,…,A1j,…,Ai1,Ai2,…,Aij(i=1,2,…,m;j=1,2,…n),則根據(jù)D-S理論,可得可信度分配函數(shù)為

3.2.2 改進(jìn)D-S理論評估模型構(gòu)建

D-S理論合成規(guī)則中,通常假設(shè)各證據(jù)重要程度相同,即給定同一Θ上基于不同證據(jù)的Bel,若證據(jù)不是完全沖突的,則可以利用D-S合成規(guī)則得出一個新的Bel;但在證據(jù)嚴(yán)重沖突情況下,直接運(yùn)用傳統(tǒng)D-S理論,結(jié)果往往出現(xiàn)評估失效現(xiàn)象。基于此,本文引入描述證據(jù)重要程度的權(quán)重系數(shù)對D-S理論進(jìn)行改進(jìn),具體如下。

設(shè)識別框架Θ={A1,A2,…,Aj},對應(yīng)的i個證據(jù)形成的基本可信度分配矩陣為

利用本文所述AHP法得到各個證據(jù)的權(quán)重向量為β=[β1,β2,…,βi],則Aj的第i個基本可信度分配函數(shù)為βimi(Ai)。將可信度最大的證據(jù)視為首要證據(jù),權(quán)為1,其他證據(jù)相對于首要證據(jù)的證據(jù)權(quán)為ωi,令第x條為首要證據(jù),則第j條次要證據(jù)轉(zhuǎn)換后的證據(jù)基本概率分配為

(8)

各條證據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可利用D-S理論得到第j個狀態(tài)概率分配函數(shù)模型為

m(j)=m1(j)⊕m2(j)⊕…⊕mi(j)

(9)

該模型所得最大概率對應(yīng)的狀態(tài)即為最終評估結(jié)論,上述評估流程如圖5所示。

圖5 基于AHP與改進(jìn)D-S理論的狀態(tài)評估流程

圖5中,評估指標(biāo)由前述所選閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)構(gòu)成,利用AHP法得到各個證據(jù)的判斷矩陣,計算其特征值,其中最大特征值λi對應(yīng)的特征向量即為各個證據(jù)的權(quán)重,進(jìn)而計算基本可信度分配函數(shù)βimi(Aj),選取可信度最大的證據(jù)為首要證據(jù),以首要證據(jù)為基準(zhǔn)對其他證據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通過D-S理論得到第j個狀態(tài)概率,則最大概率對應(yīng)的狀態(tài)即為最終評估結(jié)論。

4 算例分析

以寧夏某±800 kV特高壓直流輸電工程換流站為例,通過采集閥水冷系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù),基于本文所給AHP和改進(jìn)D-S理論,對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估,具體參數(shù)選取如表3—表4所示。

表3 閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)評估指標(biāo)測試值

表4 閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)評估指標(biāo)測試值

依據(jù)本文前述三角形函數(shù)和半梯形函數(shù)相結(jié)合以及專家調(diào)查確定實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)隸屬度如表5—表6所示。

表5 閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)評估指標(biāo)隸屬度

表6 閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)評估指標(biāo)隸屬度

利用D-S理論和改進(jìn)后D-S理論對表5—表6隸屬度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行評估,選取最大評估值對應(yīng)的狀態(tài)為該閥水冷系統(tǒng)此時運(yùn)行狀態(tài),所得結(jié)果如表7所示。

表7 基于D-S理論的閥水冷系統(tǒng)狀態(tài)評估對比

備注:運(yùn)行狀態(tài)評估值由D-S理論改進(jìn)前后模型計算得到,且對于同一模型最大值對應(yīng)的狀態(tài)為閥水冷系統(tǒng)最終評估結(jié)論。

盡管基于D-S理論改進(jìn)前的模型和改進(jìn)后的模型最終評估結(jié)論一致,但改進(jìn)前模型所得異常和正常運(yùn)行狀態(tài)評估值差值僅為0.011,小于改進(jìn)后異常和正常運(yùn)行狀態(tài)評估值差值0.094,因此基于D-S理論改進(jìn)前的模型會使評估狀態(tài)區(qū)分不明顯,甚至可能造成最終評估結(jié)論錯誤,而基于D-S理論改進(jìn)后的模型更能準(zhǔn)確得到評估結(jié)果,在不同評估狀態(tài)的識別方面具有一定的優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所給改進(jìn)D-S理論評估閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確度,利用智能清洗裝置對該系統(tǒng)濾芯進(jìn)行清洗,清洗后所得實(shí)時數(shù)據(jù)如表8所示。同樣基于上述評估流程,所得評估結(jié)果為[正常,異常,故障]=[0.596,0.325,0.079],則此時閥水冷系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

表8 閥水冷系統(tǒng)濾芯清洗指標(biāo)實(shí)時測試值

由濾芯清洗前后數(shù)據(jù)和評估結(jié)果可知,評估結(jié)果各個數(shù)據(jù)之間差值比較明顯,其中正常與故障狀態(tài)差值最大,達(dá)到0.517(0.596-0.079=0.517),能夠顯著區(qū)分閥水冷系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)。此外,濾芯清洗后閥水冷系統(tǒng)出水溫度明顯升高、管道流速增大,閥水冷系統(tǒng)降溫能力得到增強(qiáng),系統(tǒng)由異常狀態(tài)恢復(fù)至正常狀態(tài),因此濾芯對閥水冷系統(tǒng)正常運(yùn)行起著十分重要的作用。

5 結(jié) 論

1)通過研究換流站閥水冷系統(tǒng)整體構(gòu)成,選取主要?dú)v史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)指標(biāo),構(gòu)建了閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)體系。

2)利用層次分析法確定了各個指標(biāo)權(quán)重,建立了基于改進(jìn)D-S理論的閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評估模型。

3)利用實(shí)際工程中閥水冷系統(tǒng)主要指標(biāo)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證,并以濾芯清洗前后數(shù)據(jù)為例對評估結(jié)果進(jìn)行了對比。

4)所建模型評估結(jié)果對運(yùn)維人員掌握閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),及時采取措施處理異常問題,保障閥水冷系統(tǒng)可靠運(yùn)行具有較大的實(shí)際指導(dǎo)價值。