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　　随着我国大电网联网的深入，电网安全问题越来越受到重视。引发电网安全事故的原因一般是由于电气设备故障或退出运行，进一步诱发电网安全事故。近年来，故障跳闸事故主要由于两类原因引起，并对电网安全稳定运行威胁巨大：①电网运行中的元件故障隐患没有及时发现，进而逐步演变为严重的电网事故；②气象环境原因引起多台电气设备退出运行，导致的区域性多重故障。

　　摘要：电气设备在线监测信息不仅可以用于电气设备的检修，而且可以用于在线确定电气设备的安全状态，进一步实现大电网安全监控。本文提出了一种利用电气设备在线监测信息实现大电网安全监控的思路和方法，利用电气设备在线监测信息评估电气设备的安全状态，将电气设备安全状态从0/1两种状态改变为[0，1）状态，为大电网安全分析、风险预警和安全控制提供故障筛选的依据，并确定重点监控对象。在此基础上，论文从确定安全监控重点对象、提供故障筛选的依据、建立安全分析概率模型和安全控制概率模型等方面讨论了在线监测信息对大电网安全监控的影响，并研究了利用电气设备在线监测信息实现大电网安全监控的实施路线。

　　关键词：电网安全,风险预警,安全控制,安全评估,在线监测

　　0引言

　　在电网调度EMS系统中，电气设备的安全状态采用0/1模型，即只有正常、故障两种状态。因此，在常用的静态安全分析和暂态安全分析中，故障筛选的原则按照可靠性需求和历史故障统计结果确定。这种处理方法不能考虑电气设备故障隐患、气象环境对电气设备运行的影响。

　　众多学者致力于电气设备的在线监测技术的研究，典型电气设备如输电线路[1-2]、变压器[3-7]、断路器[8]、换流阀[9]等在线监测技术成果显著，并已经取得了现场实际运行经验。但是，目前电气设备的在线监测及其随后发展起来的电气设备健康状况评估[3]的研究成果都是应用于电气设备状态检修和日常维护。大量的电气设备在线监测信息局限在设备级应用，没有完全发挥其应有的作用。

　　本文提出了一种利用电气设备在线监测信息实现大电网安全监控的思路和方法，利用电气设备在线监测信息，将电气设备安全状态从0/1两种状态改变为[0，1）状态，为大电网安全分析、风险预警和安全控制提供故障筛选的依据，并确定重点监控对象。在此基础上，论文研究了利用电气设备在线监测信息实现大电网安全监控的功能和实施路线。

　　1与大电网安全相关的在线监测信息

　　大电网的主要电气设备包括输电线路、变压器、断路器、换流阀等。与大电网安全相关的在线监测信息是指可以评估大电网电气设备安全状态的在线监测信息。输电线路的在线监测信息包括：导线舞动幅值、弧垂偏差、相间弧垂偏差、同相子导线弧垂偏差、覆冰厚度；绝缘子泄漏电流有效值、最高泄露电流幅值；避雷器阻性泄露电流；杆塔倾斜率、垂直负荷；地线弧垂偏差、相间弧垂偏差等，以及风速、降雨量、雷电、山火等环境气象信息。

　　变压器的在线监测信息包括：绝缘油的温度、湿度、酸度、油中气体、漏油、油中微水；局部放电；铁芯和绕组的铁芯接地电流、油温；套管介质损耗、油中气体、局部放电；有载分接头开关的油中气体、局部放电、微水含量等。

　　断路器的在线监测信息包括：机械特性的分闸不同期、合闸不同期、刚分速度、刚合速度；电气特性的相对磨损程度、累计开断电流、累计开断次数、运行年限；绝缘性能的SF6气体微水含量、套管介质损耗、套管油中气体、套管局部放电等。

　　换流阀的在线监测信息包括：晶闸管损坏个数、晶闸管运行温度、晶闸管运行电压、晶闸管运行电流、换流阀电压分布不均匀；换流阀冷却水的换流阀塔漏水、换流阀冷却水水温、换流阀冷却水流量；换流阀局部放电等。

　　2大电网电气设备的安全状态确定

　　电气设备的在线监测数据可以用来评估电气设备的安全状态。电气设备的安全状态不仅仅只是0/1状态（即停用/运行），利用在线监测数据可以在线实时评估电气设备的故障概率，即得到电气设备的[0，1）安全状态。

　　目前在线监测设备的准确性和可靠性参差不齐，完全依赖在线监测数据建立电气设备数学模型的电气设备故障概率评估受到实用化限制。专家经验在弥补在线监测量的准确性和可靠性的缺陷和对各个在线监测量重要性认知上的差异性具有重要作用，因此类似模糊层次评估方法是确定电气设备的安全状态的较好选择。

　　输电线路、变压器、断路器、换流阀的在线监测数据通过通信网络传输到电气设备安全状态评估数据采集模块，然后通过OSB数据总线送到设备故障概率在线评估模块。设备故障概率在线评估模块包含输电线路故障概率实时评估模块、变压器故障概率实时评估模块、断路器故障概率实时评估模块、换流阀故障概率实时评估模块。（如图1所示）

　　采用模糊层次评估方法确定电气设备安全状态的原理框图如图2、图3、图4、图5所示。

　　输电线路、变压器、断路器、换流阀的故障概率评估都需要进行模糊量化、权系数确定、模糊评估三个步骤。其中：

　　①模糊量化就是将在线监测数据根据各监测量的正常值域范围和故障特征量化成[0，1]区间的归一化数据。

　　②未确知数学理论认为，对于不确定信息，用一个区间及该信息在区间上的信度分布（未确知有理数）来表示会比用确定的实数更符合实际情况。根据未确知有理数法确定权系数的一般步骤为：1）选择权威性较高的专家评价结论作为处理对象；2）综合专家的意见构造指标重要性的未确知有理数；3）计算未确知有理数的数学期望值，得指标的权重赋值；4）归一化同层次下的指标权重赋值。

　　构筑评估指标重要性程度的未确知有理数，方法如下：设有m位专家对评估变压器综合状态的n个指标进行重要性评价，通过评价得到m位专家关于n个指标的估计值，将同一指标取值相同的信度值乘以专家权重值（归一化）后分别加以合并，可得指标的重要性未确知有理数[4]：A=x■，x■，φ■（x），φ■（x）=■■，x=ω■（i=1，2，…，k）0，其它（1）

　　j=1，2，…，n；x■，x■为指标重要性取值区间，φ■（x）为指标重要性值可信度分布密度函数。■■表示指标j的重要性取值同为ω■的可信度和。计算该未确知有理数的数学期望值E（φ■（x））。由定义知E（φ■（x））是一阶未确知有理数，x仅在一点处可信度不为零，显然这个不为零的点即为指标j的权重赋值。

　　③模糊评估方法参见文献[5-6]。

　　3在线监测信息对大电网安全监控的影响

　　由于将电气设备的安全状态从0/1模型改变为更加符合实际的[0，1）模型，将对大电网安全监控产生良性影响，主要表现在：

　　3.1确定安全监控重点对象目前我国EMS中，电气设备安全状态采用0/1模型，采用极端运行方式（丰大、丰小、枯大、枯小）的离线静态安全分析、离线暂态安全分析、离线动态安全分析结果（或采用安全事故历史数据分析结果）按照可能诱发安全事故的故障集确定安全监控重点对象，并直接应用于在线安全监控中。这种方法不能突出安全监控重点对象的变化特征，有可能使安全监控重点对象的变化特征淹没在海量数据中，造成安全隐患。

　　当电气设备安全状态采用[0，1）模型时，大电网安全监控重点对象根据采用实时运行方式的在线静态安全分析、在线暂态安全分析、在线动态安全分析的分析结果在线确定。这将引起安全监控思路上的变革：①由于在线确定安全监控重点对象，可对安全监控重点对象采用各种满足人机工效学的手段进行突出监视，如高亮度显示、趋势变化、特定监控窗口监视、报警提醒等等；②由于在线确定安全监控重点对象，可对安全监控重点对象进行预控判据计算，确定是否需要进行安全预控；③统计确定的安全监控重点对象，对长期需要重点监控的对象进行分析，确定电网改造目标。

　　3.2提供故障筛选的依据在EMS中，为了降低安全分析的计算量，故障筛选时经常采用的方法。当电气设备安全状态采用0/1模型时，故障筛选的依据根据可靠性原则和统计故障概率确定，筛选出对电网静态安全、暂态安全、动态安全影响大和经常发生的故障作为计算条件。

　　当电气设备安全状态采用[0，1）模型时，故障筛选的依据根据可靠性原则和实时故障概率确定。电网安全分析的扫描周期可以根据实时故障概率进行调整，安全分析的启动条件改变为：①运行方式变化；②实时故障概率变化；③定时扫描。这样有可能缓解安全分析的计算量和安全扫描之间的矛盾。

　　3.3采用更加符合实际的安全分析概率模型和安全控制概率模型当电气设备安全状态采用0/1模型时，电网安全分析模型和安全控制的模型采用确定性模型。当电气设备安全状态采用[0，1）模型时，电网安全分析模型和安全控制模型可以采用确定性模型，也可以采用概率模型。若采用确定性模型，需要按照上述方法进行故障筛选。本文更加推荐采用概率模型。主要是因为大型风电场/风电场群、大型太阳能发电站逐步接入电网，新能源发电的出力波动特性很难采用确定模型来表征，采用概率模型将具有更大的优势。

　　4利用在线监测信息实现大电网安全监控的实施

　　4.1两种实施模式利用在线监测信息实现大电网安全监控可以采用两种实施模式：一是所有在线监测信息都传送到调度主站，在调度主站完成电气设备安全状态评估和大电网安全监控；二是在线监测信息先在变电站集中，并完成电气设备安全状态评估，将评估结果传送到调度主站，在调度主站完成大电网安全监控。也可以采用这两种模式的折中方案。

　　由于气象环境数据往往单独处理和建设，上述第一种实施模式将具有更大的优势。

　　4.2在线监测装置的设置输电主干网的输电线路、变压器、断路器、换流阀等主要电气设备都需要装设在线监测装置。

　　架空输电线路可以在输电线路沿线选点设置在线监测装置。选点原则可以考虑为线路首端、输电线路运行在严酷条件的输电杆塔处、统计故障较多的输电杆塔处等。选点数目没有严格限制。架空输电线路各在线监测装置采集的在线监测数据上传到某侧变电站或直接上传到调度进行架空输电线路故障概率的在线评估。

　　包括雷电、雨量、风速、覆冰、山火等影响电气设备运行气象环境数据，包括宏观气象数据和微气象环境数据。宏观气象数据是指一个地区的整体气象条件，如降雨、风力等级、雷电等信息，可能以一定概率影响多回架空输电线路。宏观气象数据由气象部门发布，可以采用与气象局数据的联网方式获得。微气象环境数据是指电气设备安装位置的局部气象条件，如雷电、雨量、风速、覆冰等，采用就地传感器获取。

　　4.3通信方式选择在线监测数据一般以变电站为单位集中预处理，然后上传到调度。变压器、断路器、换流阀等电气设备的在线监测数据采用RS485、TCP/IP网络等近距离通信方式传输到变电站数据采集终端；输电线路上装设的在线监测数据采用GSM/CDMA公网等通信方式传输到变电站数据采集终端。

　　变电站数据采集终端与EMS主站之间一般采用TCP/IP网络通信或串行远动通信。

　　4.4数据模型和数据存储目前的EMS大多采用CIM数据模型，但是在线监测数据并没有建设CIM模型。因此需要对CIM模型，并存储在EMS数据平台中。

　　5结论

　　将电气设备在线监测信息和电网运行工况数据结合，将改变EMS安全监控的思路和实现方法，更好地保证电网运行安全。

　　5.1采用电气设备在线监测信息，可以用于在线确定电气设备的安全状态，将电气设备安全状态从0/1两种状态改变为[0，1）状态。

　　5.2采用电气设备在线监测信息，将影响安全监控的重点对象、故障筛选、安全分析概率模型和安全控制概率模型等方面，进一步改变EMS安全监控的思路和实现方法。

　　5.3根据电气设备安全状态评估的地点不同，利用在线监测信息实现大电网安全监控可以采用两种实施模式：一是在调度主站完成电气设备安全状态评估和大电网安全监控；二是在变电站完成电气设备安全状态评估，在调度主站完成大电网安全监控。可以根据实际情况选择实施模式。

　　参考文献：

　　[1]帅海燕，龚庆武，陈道君.计及污闪概率的输电线路运行风险评估理论与指标体系[J].中国电机工程学报，2011（16）：48-54.

　　[2]王瑞祥，夏莹，熊小伏.计及气象因素的输电线路维修风险分析[J].电网技术，2010（1）：219-222.

　　[3]袁志坚等.变压器健康状态评估的灰色聚类决策方法[J].重庆大学学报（自然科学版），2005（3）：22-25.