基于GIS组合设备的SF6气体压力精准监测研究

李治 张洋 殷军 崔岩 李黎

摘 要：SF6气体压力数据中的野值会导致数据质量不高，使SF6气体压力在线监测精度与效率下降，设计一种针对变电站GIS组合电器设备的SF6气体压力在线监测方法。通过SF6气体压力数据采集架构获取气体压力数据，采用回归模型检测并剔除压力数据中的野值。以剔除野值后的数据为基础，采用Beattie-Bridgman方程计算电气设备实时SF6气体压力值，利用灰色理论对压力值展开拟合处理获得精准的SF6气体压力在线监测值。实验结果表明，设计的方法针对SF6气体压力数据采集质量高，监测精度较高。

关键词：

GIS组合设备；SF6气体；压力监测；回归模型；数据补偿

中图分类号：TM631;TP274

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0177-04

Research on accurate monitoring of SF6 gas pressure based on GIS combination equipment

LI Zhi1，ZHANG Yang2，YIN Jun1，CUI Yan3，LI Li1

（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300310，China;

2.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China;

3.State Grid Tianjin Electric Power Company High Voltage Branch，Tianjin 300310，China）

Abstract：The outliers in SF6 gas pressure data can lead to poor data quality，leading to a decrease in the accuracy and efficiency of online monitoring of SF6 gas pressure.Therefore，a SF6 gas pressure online monitoring method for GIS combined electrical equipment in substations was designed.Gas pressure data through the SF6 gas pressure data collection architecture was obtained，and regression models were used to detect and eliminate outliers in the pressure data.Based on the data after removing outliers，the Beattie Bridgman equation was used to calculate the real-time SF6 gas pressure value of electrical equipment.Grey theory was used to fit and process the pressure value to obtain accurate online monitoring values of SF6 gas pressure.The experimental results indicated that the designed method had high quality data collection and monitoring accuracy for SF6 gas pressure.

Key words：GIS combined electrical equipment;SF6 gas;pressure monitoring;regression model;data compensation

SF6氣体具有无色、无毒和无味等化学特点，由于其灭弧性能和电气绝缘性能良好，被广泛应用在各种电气设备中，如变压器、电流电压互感器等［1-2］。变电站GIS组合电器设备极易出现SF6气体泄露的问题，进而导致气体压力和密度降低，对人体健康产生一定的影响，同时降低了设备运行的安全性［3］。因此，监测变电站GIS组合电气设备中SF6气体压力可以保证人体健康和设备的安全、稳定运行。

针对以上问题的研究已经取得了比较多的成果，例如分析了SF6气体的光谱特性，针对混合气体中各组分在光学波段内存在的交叉干扰问题，采用交叉干扰处理技术对其展开校正，以此测量光学波段内SF6气体各组分的体积分数，实现压力的监测［4］。然而，该方法采集的气体数据中存在大量的野值，导致数据采集质量低。针对SF6气体的局部放电情况进行了分析，并建立了相应的数学模型，以此计算放电量，完成对SF6气体的泄露监测［5］。但是，该方法的监测结果与实际结果不符，且监测时间过长，存在监测精度低和监测效率低的问题。

SF6气体压力数据中的野值会导致数据质量不高，因此提出变电站GIS组合电器设备SF6气体压力在线监测方法。

1 SF6压力数据采集与野值数据处理

1.1 数据采集

设计用于变电站GIS组合电器设备SF6气体压力数据采集架构，如图1所示。

由图1可知，利用多个SF6气体采集装置实时采集变电站GIS组合电器设备SF6气体压力信息，并对采集到的数据通过485总线或是以太网传输给SF6气体监测装置，数据中心可以通过光纤或是IEC1850网络获取SF6气体监测装置中的信息，数据中心可以对数据分析、处理与显示，以此保证数据采集质量与效率。

1.2 野值剔除

采集的SF6气体压力数据中会不可避免的存在野值，为了提高监测精度，本文采用回归模型［6-8］识别压力数据中存在的野值，并将其剔除，提高压力数据的整体质量。

假设Zerr代表采集到的压力数据中出现连续的野值数量；Zc代表野值数据参考宽度。根据Zerr、Zc可在采集的SF6气体压力数据中识别并剔除野值数据。

野值长度Zerr可通过下式计算得到：

Zerr=terr×gs

（1）

式中：terr代表野值持续的时间；gs代表SF6气体采集装置的频率。

经研究发现Zerr的值过小与过大均会对野值剔除效果产生影响。因此需要根据工作经验以及SF6气体压力实际采集情况确定野值长度Zerr。当Zc的值过小时，无法准确的识别SF6气体压力数据中的野值;当Zc的值过大时，容易将正常的压力数据判定为野值。

回归平滑处理采集的SF6气体压力数据获得回归参考值，为了准确的识别SF6气体压力数据x（k）中存在的野值，所提方法设置了2个参考值X^b（k）、X^a（k），其计算公式分别为：

X^b（k）=∑Zci=1x（k-z-i）ZcX^a（k）=∑Zci=1x（k+z+i）Zc

（2）

式中：i、k为常数；z表示针对参考压力数据的位置，目前识别位置对应的最小偏移量。可通过下式计算得到：

z=Zerr2

（3）

式中：·」代表向下取整。

偏离范围Rx（k）指的是当前时刻采集的SF6气体压力数据偏离附近值的范围：

Rx（k）=Vmax（Zerr+Zc）2gs

（4）

式中：Vmax表示参数变化的最大值。

根据参考值X^b（k）、X^a（k）和偏离范围Rx（k）确定用于野值识别的动态阈值范围X^min（k）、X^max（k）。

当X^b（k）≤X^a（k）时，存在：

X^min（k）=X^b（k）-Rx（k）X^max（k）=X^a（k）+Rx（k）

（5）

当X^b（k）>X^a（k）时，存在：

X^min（k）=X^a（k）-Rx（k）X^max（k）=X^b（k）+Rx（k）

（6）

当x（k）X^max（k）时，表明数据x（k）属于野值，将其剔除，剔除野值后的数据集合用X表示。

2 SF6气体压力在线监测

采用Beattie-Bridgman方程计算变电站GIS组合电器设备的SF6气体压力p：

p=0.57×10-4ρt（1+B）-X′ρ2A

（7）

式中：ρ代表SF6气体密度；t代表温度；容器体积A；SF6气体质量B的计算公式为：

A=0.75×10-4（1-0.727×10-3ρ）

B=2.51×10-3ρ（1-0.846×10-3ρ）

（8）

假设存在一个变电站GIS组合电器设备的采集状态数据序列P（0）=［p（0）（1），p（0）（2），…，p（0）（n）］，同时构造累加数据数列P（1）=［p（1）（1），p（1）（2），…，p（1）（n）］，在此基础上生成变电站GIS组合电器设备状态的紧邻均值X（1）=［x（1）（1），x（1）（2），…，x（1）（n）］，其中元素x（1）（n）可通过设备SF6气体压力状态值计算得到：

x（1）（n）=p（1）（n）+p（1）（n-1）p

（9）

利用变电站GIS组合电器设备的紧邻均值和压力状态分别建立矩阵N、U：

N=

-x（1）（2）1-x（1）（3）1-x（1）（n）1

，U=

-p（0）（2）-p（0）（3）-p（0）（n）

（10）

采用最小二乘估计法［9-11］根据上述矩阵设置参數β^=

（NTN）-1NTU=ab，并确定a、b的值。根据灰色理论GM（1，1）［12-13］对压力值展开拟合处理：

r=dβ ^Up（1）dt+Nax

（11）

结合压力值拟合［14-15］结果，确定SF6气体压力在线监测结果如下：

PZ=rUp（0）（1）-Nba+Nba

（12）

3 实验与分析

为了验证变电站GIS组合电器设备SF6气体压力在线监测方法的整体有效性，需要对其

展开测试。

变电站GIS组合电器设备主要技术参数：

额定电压126 kV，

额定工作耐受电流230 kV，

额定频率50 Hz，

额定电流3 150 A，

额定短时耐受电流40 kA，

额定峰值耐受电流100 kA，

额定短路持续时间4 s。

额定SF6气体压力（断路器气室）0.6 MPa＼.

SF6气体年漏气率小于1%＼.

SF6气体水分含量（断路器气室）300 mg/L。

数据采集是监测变电站GIS组合电器设备的关键步骤，引入RMS错值作为指标，对所提方法、文献［3］方法和文献［4］方法的数据采集质量展开测试，结果如图2所示。

由图2可知，随着采集数据的增多，所提方法、文献［3］方法和文献［4］方法的RMS错值逐渐增大，出现这种现象的主要原因是采集的数据中存在异常数据和缺失数据，降低了数据的整体质量，在相同数据量下，所提方法的RMS错值最低，说明该方法的数据采集结果更佳。

对一天内变电站GIS组合电器设备的SF6气体压力展开在线监测，监测结果如图3所示。

由图4可知，采用所提方法展开监测时，获得的监测值与实际值相符，采用文献［3］方法和文献［4］方法展开监测测试时，获得的监测值与实际值具有比较大的差距，说明这2种方法的监测精度比较低，而所提方法具有良好的监测精度。

采用上述方法在-25～25 ℃条件下展开监测测试，结果如图4所示。

由图4可知，在不同的环境温度下，所提方法的监测结果仍然保持较高精度，验证了所提方法具有良好的适用性。

4 结语

变电站GIS组合电器设备SF6气体压力在线监测方法对采集压力数据展开了野值剔除处理，提高了数据采集质量，根据压力值计算结果实现气体压力监测，并通过实验验证了该方法的有效性。结合该方法的检测结果，可以及时发现可能存在的泄漏问题，预防设备事故的发生，对于保证设备的安全运行和人员健康具有重要意义，还可以提高设备的运行效率和使用寿命。

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收稿日期：2023-10-13；修回日期：2024-01-17

作者简介：李 治（1977-），男，硕士，高级工程师，研究方向：电力安全生产监督管理;E-mail：lizhi_tj@126.com。

通讯作者：

李 黎（1976-），男，硕士，高级工程师，研究方向：电力安全生产监督管理;E-mail：sunflowerpurple@126.com。

基金项目：

天津市自然科学基金项目（项目编号：20216KL42）。

国家电网公司科技项目（项目编号：1400-202157215A-0-0-00）；

引文格式：李 治，张 洋，殷 军，等.基于GIS组合设备的SF6气体压力精准监测研究［J］.粘接，2023，51（3）：177-180.