专利名称：基于电气信息的设备性能评价系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电气信息的设备性能评价系统及方法，在挖掘电网设备性能指标的最小特征，运用外围电气量测信息的基础上，实现了设备运行性能的实时过程化评估。
背景技术：
输电网元件的安全运行是建设坚强电网的基础，元件的安全管理贯穿其全寿命周期过程。针对如何检验、评价周期过程元件健康状况的问题，国家电网公司于2006年初下发了《输变电设备评价标准》。根据《国家电网公司关于开展输变电设备评价工作的实施意见》，为加强输变电设备管理，全面提高输变电设备的健康水平管控能力，及时发现、掌握输变电元件在设计选型、监造、安装调试、交接验收、运行维护、检修、技术监督、技术改造等阶段中遗留的突出和倾向性问题，查找输变电元件生产和管理工作的薄弱环节，制定有效地预防性元件事故措施，确保电网安全稳定运行，需要有效而深入地开展输变电元件的评价工作。输变电元件评价是生产管理的基础管理工作，是实现闭环管理的关键环节之一，是消除安全风险与隐患， 保证输变电元件安全运行的重要手段。目前国内外的电网设备性能评估技术多依赖独立的各种检测手段，实现其在线监测与性能诊断，以服务电网运行的安全控制与元件状态检修等功能。这种做法一是需要附加若干量测仪器，增设测点，使得元件状态监测信息量剧增，对有效信息的筛选和元件总体性能的把握缺少最小特征的度量；二是无法考虑电网层面上元件间有机的物理规律关联; 三是无法抓住元件性能老化渐进的量变过程，观察正常运行元件的性能劣化趋势；四是增加的各种监测设备本身的可靠性和寿命有限，且增大了对它们的维护工作量。因此，有必要探讨从元件的已有的众多监测信息中挖掘反映性能本质的最小特征，寻求电网性能评估的快速、直观的简化方法，对于提高电力系统安全可靠运行有重要的理论意义。
发明内容
本发明的主要目的就是为了解决目前电力系统设备性能评估中存在的问题，提供一种基于电气信息的设备性能评价系统及方法。它充分挖掘现有SCADA系统电气量测信息，通过电气量组合成的性能指标达到对元件性能的有效反映。综合运用随机过程理论，实现了电网元件性能的实时动态评估。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案—种基于电气信息的设备性能评价系统，它采用C/S架构包括基础数据层、元件性能评估平台和分析应用层；其中，基础数据层为系统提供基础数据的平台；元件性能评估平台完成对输电元件运行性能评估；分析应用层根据元件评价结果，发现性能发生劣化的元件，安排电气设备检修；
所述基础数据层包括图形数据模块主要功能是实现系统接线图的绘制，包括元件的添加和删除等功倉泛。网络拓扑数据模块根据系统接线图，分析得到电网拓扑结构。元件资源数据模块元件几何参数(元件序号、分类元件序号、名称、型号、尺寸等)、物理参数(额定电压、所在母线等)的输入模块。元件历史数据模块元件运行的历史数据信息模块，包括电压，电流，有功功率和无功功率。实时监测数据模块元件实时监测数据接口。所述元件性能评估平台包括广义电网拓扑划分模块基于节点消去的网络拓扑分析方法，将电网划分为变电站和输电线路等效元件的有机组合形式。变电站运行性能评估模块根据变电站性能指标(导纳、阻抗、效率、三相不平衡)，以及性能指标的数字变化规律，实时评估变电站的运行性能。输电线路运行性能评估模块根据输电线路性能指标(导纳、阻抗、效率、不平衡度指标、电阻)，以及性能指标的数字变化规律，实时评估输电线路的运行性能。所述电气设备检修策略模块，在元件性能评估平台的基础上，根据元件性能评估结果，及时发现性能劣化元件，作为执行人员进行电气设备检修的参考。一种基于电气信息的设备性能评价方法，具体步骤为I)基础数据层完成变电站以及输电线路各参数的采集，形成图形数据以及实时监测数据，并上传到元件性能评估平台；2)元件性能评估平台分别对变电站运行性能和输电线路运行性能进行评估；评估结果上传到分析应用层；3)分析应用层根据评估结构，及时发现性能劣化元件，作为执行人员进行电气设备检修的参考。I、变电站运行性能评估算法假设待评估当前日为i，其运行性能评估具体步骤如下I)性能指标矩阵的确定根据当前日i对应的SCADA中的电气信息，运用变电站拓扑分析，确定变电站的连通片以及连通片各端口的电气量测信息。分别计算不同性能指标对应基础运算单元在各采样时刻点的电纳、电抗、效率和三相不平衡指标，构成电纳矩阵[Y]i、电抗矩阵[Z]i、效率指标矩阵[!!几和三相不平衡指标矩阵[u]i。其中，矩阵列号都对应采样时刻点。由于基础运算单元不同，[YL、[nL、[Uli的行号对应连通片，[Zh的行号按连通片顺序依次对应不同的相互连通的出线端节点片。2)建立评语集将变电站运行性能的状态分为“正常”与“异常”两个等级。3)门槛值的确定由于运行性能评估包含两部分内容，门槛值也应包含两部分，设定原则为⑴对于米样时刻点，以前一日的滚动均值μ和滚动方差σ 2为依据，波动范围的中心轴为μ，根据评估保守程度的要求，可选择统计波动范围为± σ、±2σ、±3σ。(2)为了确定日周期评估门槛值，定义每日运行性能正常的采样时刻点数所占比例为正常率，日复一日的正常率统计构成正常率时间序列，近似服从高斯分布。若正常率时间序列中前一日的滚动均值为Ψ和滚动方差为Θ2，保守起见，当前日评估门槛值可选择Ψ-2Θ或Ψ-3Θ。根据i-Ι日的历史信息，分别计算不同连通片中各采样时刻点的滚动均值 μ (tk)和滚动方差4 )，其中(k e [I, N])，以及正常率时间序列的滚动均值Ψη和滚动方差Θ。。结合性能指标的理论正常波动范围，按照门槛值设定原则，确定各采样时刻点的性能指标的正常波动范围为[ μ η (tk) -min (m σ (tk), η μ (tk)), μ (tk) +min (m σ (tk), η μ (tk))]其中，m可取1、2、3，根据评估的保守程度而定；n为理论正常波动范围值。进一步， 构造i日的电纳门槛值矩阵[MY]i、电抗门槛值矩阵[Mz]i、三相不平衡指标门槛值矩阵[Mu] i和效率指标门槛值矩阵[Mn]it)其中，性能指标门槛值矩阵与性能指标矩阵中元素一一对应。同时，确定当前日i中不同连通片的日周期评估门槛值为Ψη-πιΘη，并构成日周期评估门槛值矩阵[M1Jit5其中，m可取1、2、3，根据评估的保守程度而定。4)采样时刻点性能评估对比性能指标矩阵与性能指标门槛值矩阵，确定性能指标评估结果矩阵[Ργ]ρ [Pz]i、[Pu][PnIiO 以电纳指标为例，设 yjk、mY, jk、pY, Jk 分别为[Y]i、[MY]i、[PY]i 对应 j 行、 k列的元素，对比运算法则如下(I)若 yJk e mY, Jk,表示电纳指标正常，pY, Jk = O ； (2)若 y]k ^ mr, jk，且 yJk > μ (tk) -min (m σ (tk), η μ (tk))，表示电纳指标越上限，Py, jk = I ；(3)若 y]k ^ mr, β，且 yJk < μ (tk) -min (m σ (tk), η μ (tk)),表示电纳指标越下限，pY, Jk = I ；从而，可确定电纳评估结果矩阵[PY]i。同理，确定电抗评估结果矩阵[PzL、三相不平衡评估结果矩阵[PJi和效率指标评估结果矩阵[Pn]i。综合[PUPUPu] JP [PJi，以连通片为基础对象，运用多性能指标逻辑运算， 确定采样时刻点性能评估结果矩阵[P]i。最终确定的[P]i，其元素为O或1，0表示正常，I 表示异常。5)变电站综合运行性能评估根据[PL，统计各连通片([Ph的行向量)的正常率，并与[M1Ji中相应门槛值对比。若各连通片的正常率全大于门槛值，评判变电站综合运行性能为正常；否则，评判变电站综合运行性能为异常。若变电站综合运行性能为正常，则性能评估过程结束，评判运行性能为正常，并将当前日i对应的统计数据归入正常运行历史信息中，为下一日性能评估做准备；若变电站综合运行性能为异常，则性能评估过程需要延时观察。延时观察时间由变电站的潜伏故障期决定，延迟时间内的变电站综合运行性能评估方法重复以上的过程，注意，延迟时间内的门槛值保持i日门槛值不变。延时观察时间内，统计变电站综合运行性能评估为异常的概率P，P的门槛值由准确度要求确定。若P大于门槛值，则评判变电站运行性能为异常，需运行人员及时维护；否则，评判变电站运行性能为正常。2、输电线路运行性能评估算法I)计算待评判日性能指标设当前待评判日为i，利用待评判日输电线路两侧的SCADA信息，分别计算各性能指标在各采样时刻的值，构成性能指标矩阵Dg 288x6，如下所示
1^^^12^^^13^^^14^^^15^^^16
_Λ2881 -^2882 *^2883 *^2884 *^2885 *^2886 _矩阵行数表示待评判日共有288个采样点；列数表示每个采样点都有六个性能指标，分别是效率、等效电阻、电抗、电纳、负序不平衡度、零序不平衡度。2)建立评语集将输电线路各性能指标与输电线路的总体性能均分为“正常”与“异常种状态。3)确定评判标准根据待评判日之前的历史数据，计算288个采样时刻各个性能指标历史数据的数字特征如均值[μ η] 288Χ6、方差
288><6等，及每日性能正常的采样点应占总采样点的比例的均值Ψη、方差Θ。等。对待评判日每一采样时刻点性能指标j的评判，以为中心，根据实际情况确定波动范围，如 ±。Hi-Jk, j)、±2 0^4，j)或 ±3σ inGc，j)，其中 j e [1,6] 表示六个不同的性能指标。按照门槛值设定原则，确定各采样时刻点k性能指标j的正常波动范围为μ (k, j) 土min (a (k, j) σ (k, j), b (k, j) μ (k, j))式中，a(k，j)可根据评判的要求取不同的值；b(k，j)为性能指标j的理论正常波
动范围。对待评判日输电线路性能的评判，按前述性能评判的有效准则，各采样时刻点正常率的变化范围应以Ψ η为中心，根据实际情况确定波动范围，如- η、-2 Θ η或-3 Θ H。 当历史数据较少时，可根据实际情况给定波动范围。4)评判各采样时刻点输电线路性能根据第一步所得的待评判日的性能指标，根据第三步确定的各性能指标在各采样时刻的评判标准，确定各采样时刻各性能指标是否正常，正常记为0，越限记为1，得到评判结果矩阵[Pi] 288X6。根据输电线路性能评价的有效准则以及各性能指标间的牵制关系，确定各采样时刻输电线路的性能是否正常，正常记为0，异常记为1，得到评判结果矩阵[Fi] 288X1。5)评判输电线路整日性能根据[&] 288Χ1，计算待评判日性能正常的采样点应占总采样点的比例，根据第三步确定的标准，判断输电线路在待评判日的性能是否正常，正常记为0，异常记为I。若输电线路性能正常，则评判过程结束，量测信息入库，为下一日准备；否则，则要进行延时观察，与变电站性能评估时原理相同。所述指标为I、变电站性能指标经过广义电网的拓扑划分，变电站可等效为图3所示，其中等效元件的入口节点数为n，出口节点数为m。以下推导的指标以此为基础。
权利要求
1.一种基于电气信息的设备性能评价系统，其特征是，它采用C/S架构包括基础数据层、元件性能评估平台和分析应用层；其中，基础数据层为系统提供基础数据的平台；元件性能评估平台完成对输电元件运行性能评估；分析应用层根据元件评价结果，发现性能发生劣化的元件，安排电气设备检修。
2.如权利要求I所述的基于电气信息的设备性能评价系统，其特征是，所述基础数据层包括图形数据模块，主要功能是实现系统接线图的绘制，包括元件的添加和删除等功能；网络拓扑数据模块，根据系统接线图，分析得到网络的拓扑结构；元件资源数据模块，元件几何参数、物理参数的输入模块；元件历史数据模块，元件运行的历史数据信息模块，包括电压，电流，有功功率和无功功率;实时监测数据模块,元件实时监测数据接口。
3.如权利要求I所述的基于电气信息的设备性能评价系统，其特征是，所述元件性能评估平台包括广义电网拓扑划分模块，基于节点消去的网络拓扑分析方法，将电网划分为变电站和输电线路等效元件的有机组合形式；变电站运行性能评估模块，根据变电站性能指标，以及性能指标的数字变化规律，实时评估变电站的运行性能；输电线路运行性能评估模块，根据输电线路性能指标，以及性能指标的数字变化规律， 实时评估输电线路的运行性能。
4.如权利要求I所述的基于电气信息的设备性能评价系统，其特征是，所述电气设备检修策略模块，在元件性能评估平台的基础上，根据元件性能评估结果，及时发现性能劣化的元件，作为执行人员进行电气设备检修的参考。
5.一种采用权利要求I所述的基于电气信息的设备性能评价系统的评价方法，其特征是，具体步骤为1)基础数据层完成变电站以及输电线路各参数的采集，形成图形数据以及实时监测数据，并上传到元件性能评估平台；2)元件性能评估平台分别对变电站运行性能和输电线路运行性能进行评估；评估结果上传到分析应用层；3)分析应用层根据评估结构，及时发现性能劣化的元件，作为执行人员进行电气设备检修的参考。
6.如权利要求5所述的基于电气信息的设备性能评价系统的评价方法，其特征是，所述变电站运行性能评估方法为假设待评估当前日为i，其运行性能评估具体步骤如下I)性能指标矩阵的确定根据当前日i对应的SCADA中的电气信息，运用变电站拓扑分析，确定变电站的连通片以及连通片各端口的电气量测信息；分别计算不同性能指标对应基础运算单元在各采样时刻点的电纳、电抗、效率和三相不平衡指标，构成电纳矩阵[Y] i、电抗矩阵[Z] i、效率指标矩阵[!11和三相不平衡指标矩阵[UL ;其中，矩阵列号都对应采样时刻点；由于基础运算单元不同，[Y]i、[nL、[Uli的行号对应连通片，[ZL的行号按连通片顺序依次对应不同的相互连通的出线端节点片；2)建立评语集将变电站运行性能的状态分为“正常”与“异常”两个等级；3)门槛值的确定(1)对于米样时刻点，以前一日的滚动均值μ和滚动方差σ2为依据，波动范围的中心轴为μ，根据评估保守程度的要求，选择统计波动范围为± O、±2 0、±3 0 ；(2)为了确定日周期评估门槛值，定义每日运行性能正常的采样时刻点数所占比例为正常率，日复一日的正常率统计构成正常率时间序列，近似服从高斯分布；若正常率时间序列中前一日的滚动均值为Ψ和滚动方差为Θ2，当前日评估门槛值选择Ψ-2Θ或Ψ-3Θ ;根据i_l日的历史信息，分别计算不同连通片中各采样时刻点的滚动均值Ui-Jtk)和滚动方差，其中(ke [1，N])，以及正常率时间序列的滚动均值Ψη和滚动方差; 结合性能指标的理论正常波动范围，按照门槛值设定原则，确定各采样时刻点的性能指标的正常波动范围为[U η (tk) -min (m σ (tk), η μ (tk)), μ (tk) +min (m σ (tk), η μ (tk))]其中，m可取1、2、3，根据评估的保守程度而定；n为理论正常波动范围值；构造i日的电纳门槛值矩阵[MY]i、电抗门槛值矩阵[MzL、三相不平衡指标门槛值矩阵[MJi和效率指标门槛值矩阵[MJi ;其中，性能指标门槛值矩阵与性能指标矩阵中元素一一对应；同时，确定当前日i中不同连通片的日周期评估门槛值为Ψη-πιΘη，并构成日周期评估门槛值矩阵[M1Ji ;其中，m取1、2、3，根据评估的保守程度而定；4)采样时刻点性能评估对比性能指标矩阵与性能指标门槛值矩阵，确定性能指标评估结果矩阵[PY]i、[Pz]i、 [PJi、[PnIi ;综合[PA、[PzIi> [PJi和[PnL，以连通片为基础对象，运用多性能指标逻辑运算，确定采样时刻点性能评估结果矩阵[p]i;最终确定的[P]i，其元素为O或1，0表示正常，I表示异常；5)变电站综合运行性能评估根据[P]i，统计各连通片即[Ph的行向量的正常率，并与[M1Ji中相应门槛值对比；若各连通片的正常率全大于门槛值，评判变电站综合运行性能为正常；否则，评判变电站综合运行性能为异常；若变电站综合运行性能为正常，则性能评估过程结束，评判运行性能为正常，并将当前日i对应的统计数据归入正常运行历史信息中，为下一日性能评估做准备；若变电站综合运行性能为异常，则性能评估过程需要延时观察；延时观察时间由变电站的潜伏故障期决定，延迟时间内的变电站综合运行性能评估方法重复以上的过程，延迟时间内的门槛值保持i日门槛值不变；延时观察时间内，统计变电站综合运行性能评估为异常的概率P，P的门槛值由准确度要求确定；若P大于门槛值，则评判变电站运行性能为异常，需运行人员及时维护；否则，评判变电站运行性能为正常。
7.如权利要求5所述的基于电气信息的设备性能评价系统的评价方法，其特征是，所述输电线路运行性能评估方法I)计算待评判日性能指标设当前待评判日为i，利用待评判日输电线路两侧的SCADA信息，分别计算各性能指标在各采样时刻的值，构成性能指标矩阵DU 288x6，如下所示
全文摘要
本发明公开了一种基于电气信息的设备性能评价系统及方法。它充分挖掘现有SCADA系统电气量测信息，通过电气量组合成的性能指标达到对元件性能的有效反映。综合运用随机过程理论，实现了电网元件性能的实时动态评估。它采用C/S架构包括基础数据层、元件性能评估平台和分析应用层；其中，基础数据层为系统实现其功能提供基础的数据平台；元件性能评估平台在广义电网拓扑划分的基础上，实现变电站和输电线路运行性能评估；分析应用层在元件性能评估平台的基础上，根据元件性能评估结果，及时发现性能劣化元件，作为执行人员进行电气设备检修的参考。
文档编号G01R31/00GK102590652SQ20121000616
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者周大洲, 王勇, 蒋哲, 郭志红, 韩学山 申请人:山东电力研究院