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高壓并聯(lián)電抗器（高抗）運行期間調(diào)節(jié)輸電線路的無功功率，對維持電壓具有重要的作用。由于受到繞組電流產(chǎn)生的電磁力，磁通在鐵心餅表面產(chǎn)生的麥克斯韋力和磁致伸縮的影響，電抗器存在顯著的振動與噪聲。在長期振動狀態(tài)下容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞和緊固件松動，而油箱表面聲振特征與內(nèi)部機械狀態(tài)存在緊密關(guān)聯(lián)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件松動后其振動形態(tài)發(fā)生了變化，可能導(dǎo)致箱體局部發(fā)生振動幅值波動或出現(xiàn)其他頻率分量，因此可以通過提取油箱表面的聲振信號對電抗器運行狀態(tài)進(jìn)行評估。

國內(nèi)外大量研究表明，通過建立具有層次變化的特征向量與系統(tǒng)不同嚴(yán)重程度下缺陷之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而得以有效判斷缺陷類型和故障源區(qū)域。由于生產(chǎn)廠家或型號的不同，每臺高壓并聯(lián)電抗器在出廠時制造工藝并不完全相同，隨著電抗器投運時間的增加，不同時刻下的聲振信號也會發(fā)生不同程度的改變，因此運用傳統(tǒng)的聲振分析法時并不能避免不同時間維度下電抗器本身所處環(huán)境和運行工況所帶來的機械狀態(tài)影響。

近年來，隨著人工智能的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)作為一種深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，逐漸成為監(jiān)測電力設(shè)備運行狀態(tài)方面?zhèn)涫荜P(guān)注的數(shù)據(jù)處理方法。深度學(xué)習(xí)模型擁有多個非線性映射層級，可以對輸入信號逐層抽象并提取特征，從而挖掘出更深層次的潛在規(guī)律。同時隨著電力設(shè)備數(shù)據(jù)量上升以及特征復(fù)雜化，越來越多的學(xué)者將深度學(xué)習(xí)模型應(yīng)用于電力設(shè)備故障檢測并取得了很好的效果。

具有記憶和遺忘功能的時間序列預(yù)測模型在國內(nèi)外不同領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，這些應(yīng)用結(jié)果證明了它不僅可以出色地捕獲數(shù)據(jù)的變化趨勢，而且可以表征時序數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系。電力設(shè)備聲振特征既可作為衡量其內(nèi)部缺陷嚴(yán)重程度的指標(biāo)，同時具有一定隨時序變化的特有屬性。因此針對每臺制造工藝不同、運行環(huán)境各異的高壓并聯(lián)電抗器，分別挖掘其聲振特征時序變化的運行狀態(tài)評估方法具有一定的自適應(yīng)性和個性化。

結(jié)合現(xiàn)場電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和聲振特征預(yù)測的現(xiàn)實需求，國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)電力設(shè)備與電氣絕緣國家重點實驗室的研究人員，使用時間序列預(yù)測的方法來研究電抗器聲振特征的未來變化趨勢。

圖1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

他們開發(fā)了一套全天候、抗電磁干擾能力強、具有記錄穩(wěn)態(tài)信號和暫態(tài)信號的電抗器聲學(xué)振動實時采集系統(tǒng)。針對某1000kV變電站內(nèi)特高壓并聯(lián)電抗器的聲振數(shù)據(jù)，提出了一種基于門控循環(huán)單元（Gated Recurrent Unit, GRU）網(wǎng)絡(luò)模型的聲振特征預(yù)測方法。該方法包含詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的功能等，結(jié)構(gòu)上包括輸入層、隱藏層和輸出層三個網(wǎng)絡(luò)層，功能上可實現(xiàn)多通道信號的多特征參量預(yù)測。

圖2 測點布置

研究人員表示，采用長短期記憶（LSTM）和門控循環(huán)單元（GRU）預(yù)測模型對電抗器聲振特征進(jìn)行預(yù)測，通過與真實測量值對比，預(yù)測結(jié)果的整體趨勢、波動程度均與實測數(shù)據(jù)接近吻合，同時模型輸出結(jié)果中特征參量的波動趨勢可為狀態(tài)評估提供參考。

圖3 缺陷區(qū)域

研究結(jié)果表明，該電抗器聲振信號在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足變電站現(xiàn)場投入使用需求。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)運行，初步形成了以奇偶次諧波比、50Hz比重、基頻幅值與基頻比重為指標(biāo)的缺陷診斷方法。他們利用本方法對一臺接地線未連接的缺陷高抗聲振特征進(jìn)行評估，結(jié)果表明，模型輸出結(jié)果與實測結(jié)果是否吻合，可說明電抗器當(dāng)前振動特征波動是否存在規(guī)律性，可判斷箱體內(nèi)部是否存在機械缺陷。

研究人員最后強調(diào)指出，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)和時間序列預(yù)測模型對電抗器聲振特征進(jìn)行對比分析的方法，可有效捕捉并適應(yīng)電抗器聲振特征的變化規(guī)律和波動趨勢，避免了電抗器斷電檢修帶來的整體影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，該方法可以作為電抗器狀態(tài)評估的有效途徑，為現(xiàn)場運維人員提供及時、有效的參考價值，在一定程度上可以提高現(xiàn)場電力設(shè)備運行的完備率。

本文編自2022年第9期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于在線監(jiān)測系統(tǒng)與聲振特征預(yù)測模型的高壓并聯(lián)電抗器運行狀態(tài)評估方法”。本課題得到了國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目資助的支持。