基本信息
- 项目名称：
- 气体绝缘组合电器超高频局部放电智能在线监测系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 1. 作品背景 本作品是智能电网的重要组成部分。智能电网代表着当今世界电力系统发展变革的最新方向。在美国的经济复苏计划中，新任总统奥巴马提出了对美国进行大规模智能电网改造。在中国，国家电网公司总经理刘振亚在特高压国际会议致词中提出“到2020年，将全面建成统一的坚强智能电网”。智能电网的核心之一就是电力设备状态检测，以避免因设备故障造成电网大面积停电。 本作品能为城市电网中广泛使用的GIS提供在线监测以实现状态检修，避免因设备故障造成的电网大面积停电事故。目前，国内外还没有成熟的GIS超高频在线监测产品。 2. 作品原理 本作品基于虚拟仪器技术，通过Visual C#、SQL Server、LabVIEW等软件平台和高速数字采集器，采用合适的总线模式，利用虚拟控件来控制底层硬件，实现了在线监测、数据分析、数据实时保存、历史查询、故障报警、显示等功能，具有经济高效、使用灵活、功能强大等特点。该系统能够帮助变电站工作人员进行GIS放电故障类型判断、检修维护和决策，便于一般技术人员轻松使用。 3. 作品价值 目前，本作品在重庆大溪沟220kV GIS变电站挂网运行，每年能创造140余万元的直接经济效益和600余万元的间接经济效益。2009年初，该监测系统成功预警该变电站的一起绝缘事故，避免了渝中半岛CBD大面积停电事故的发生。 4. 作品支撑 本作品结合虚拟仪器与超高频技术实现对GIS变电站在线监测。本作品已授权3项国家发明专利并公开实审1项国家发明专利；作品成员以第1、2作者身份共发表论文14篇，其中国外SCI期刊收录6篇，EI期刊收录3篇。 本作品获得多位专家的推荐，其中包括4名院士（1名科学院院士和3名工程院院士），2名IEEE Fellow，1名美国弗吉尼亚理工大学教授，其他各高校如清华大学、上海交通大学、武汉大学等相关领域5名专家。
- 详细介绍：
- 1. 作品背景 智能电网代表着当今世界电力系统发展变革的最新方向。在美国的经济复苏计划中，新任总统奥巴马提出了对美国进行大规模智能电网改造。在中国，国家电网公司总经理刘振亚在特高压国际会议致词中提出“到2020年，将全面建成统一的坚强智能电网”。智能电网的核心之一就是电力设备状态检测，以避免因设备故障造成电网大面积停电。本作品是智能电网的重要组成部分。 2. 气体绝缘组合电器简介 随着城市建设规模的不断扩大和现代化发展，用地日益紧张，建设敞开式的变电站非常困难。气体绝缘组合电器(GIS)是20世纪60年代中期才出现的一种新型电器装置，其是把变电所里各种电气设备除变压器外全部组合装配在一个封闭的金属外壳里，常充以0.4～0.5MPa的SF6气体，以实现导体对外壳、相间以及断口间的可靠绝缘。GIS是由若干相互直接联结在一起的单独元件构成，如母线、断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、互感器等。GIS同传统敞开式高压配电装置相比，具有占地面积小，结构紧凑，不受外界环境的影响，运行可靠，检修周期长，安装方便等优点。因GIS大量在城市电网中使用，一旦其发生突发性故障，将造成电网大面积停电，不仅会给国民经济发展带来重大影响，而且迅速造成城市陷入瘫痪并引发危及公共安全的重大灾害。 GIS广泛应用的运行经验表明，GIS可靠性非常高，但其内部不可避免的潜伏性绝缘缺陷会引起突发性故障逐步扩大，国内外都出现过多起大的GIS闪络和击穿事故。由于制造和运行中GIS内部不可避免会存在各种潜伏性绝缘缺陷（如在电极上出现金属毛刺、绝缘介质中存在空隙、安装运输时部件松动或接触不良、运行中的绝缘老化、以及金属自由微粒等），都可能产生不同程度的局部放电，而长期的局部放电会使绝缘劣化并逐步扩大，甚至造成整个绝缘击穿或沿面闪络，导致突发性停电事故的发生，造成巨大的直接和间接经济损失。GIS突发性故障最通常的早期特征是在完全击穿前发生局部放电，而局部放电在线监测可以有效发现GIS内上述潜伏性绝缘缺陷，以避免重大事故的发生。 3. 作品意义 本作品能为城市电网中广泛使用的GIS提供在线监测，避免因设备故障造成的电网大面积停电事故，是智能电网的重要组成部分。目前，国内外还没有成熟的GIS超高频在线监测产品。 通过对GIS局部放电在线监测，可以监测GIS的绝缘状况，预先发现GIS内存在的绝缘缺陷，避免绝缘事故的发生。由于现场伴有强大的电磁干扰，且GIS内产生的局部放电信号非常微弱，对其进行有效地在线监测有着很大的难度。从80年代以来，如何提供足够灵敏度的局部放电测量系统，并对各种潜伏性缺陷类型进行识别以及故障定位，已成为该领域关注的热点问题。因此，应用先进的传感器技术、神经网络和小波理论、计算机等技术，实现对GIS现场进行局部放电在线监测具有重大的科学和实用意义。 该作品在各电力部门推广应用后，使GIS局部放电监测方法和手段更为多样、可靠，可进一步避免或减少停电事故的发生，提高电力系统供电的可靠性；该作品能对GIS局部放电实现连续有效和准确的在线监测，根据在线监测系统显示的数据，可判断缺陷的严重程度、种类、位置等信息，在后续阶段的维护和检修中节省了时间和金钱，降低不必要的大量人力资源浪费，提高了设备利用率，推动电力科技进一步向自动化、智能化方面进步，并逐步取代现行的定期停电预防性维修体系。维修体系的根本性变革将促进企业技术的跨越，而我国电力行业已将实施状态维修列为对现有检修制度进行改革的一项重大措施，不仅具有重大的科学意义，也具有重大的现实意义。本作品适用于电力行业、工业企业中动力系统的GIS变电站（含发电厂升压站），蕴含有很高的科技价值和广阔的市场前景，在转化为高新技术产业后，可以发展和带动一些与本作品相关的高新技术企业，今后还可以进一步开拓国际市场，增大高新技术作品在国际上的影响力，展示我国在电气设备在线监测及故障诊断技术领域内的科技创新能力。 4. 作品原理 本作品的目的在于针对GIS局部放电检测的不足之处，提供一种气体绝缘组合电器超高频局部放电智能在线监测系统，具有高效、使用灵活、功能强大等特点，结合现代信号分析处理和数据库等数字处理技术，帮助GIS变电站工作人员进行GIS放电故障类型判断、检修维护决策，便于一般技术人员轻松使用。 本作品基于虚拟仪器技术，通过Visual C#、SQL Server、LabVIEW等软件平台和高速数字采集器，采用适合的总线模式，利用虚拟控件来控制底层硬件，由功能强大的软件来完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了在线监测、数据分析、数据实时保存、历史查询、故障报警、显示等功能。 5. 作品应用 本作品作为智能电网的有机组成部分，能够应用在所有GIS变电站。目前，本作品正在重庆大溪沟220kV GIS变电站挂网运行，2009年初，该监测系统成功预警该变电站的一起绝缘事故，避免了渝中半岛CBD大面积停电事故的发生。本作品每年能为社会贡献140余万元的直接经济效益和600余万元的间接效益。 6. 作品支撑 本作品部分成果以论文形式在国内外高水平期刊上发表，其中国外的权威期刊有IEEE Transactions on Power Delivery、IEEE Transactions on DEI、European Transactions on Electrical Power等；国内权威期刊有电工技术学报、电力系统自动化、高电压技术等。作品参与人员以第一作者或第二作者（导师第一作者）身份共发表论文14篇，其中国外SCI期刊收录6篇（其中3篇已发表、3篇已录用），EI期刊收录3篇；以第三至第五作者身份共发表论文13篇。 本作品已授权3项国家发明专利，公开实审1项国家发明专利。 本作品同时还获得多位专家的推荐，其中包括4名院士（1名科学院院士3名工程院院士），2名IEEE Fellow，1名美国弗吉尼亚理工大学教授，其他各高校如清华大学、上海交通大学、武汉大学等相关领域5名专家。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的目的在于针对GIS局部放电检测的不足之处，提供一种气体绝缘组合电器超高频局部放电智能在线监测系统，具有高效、使用灵活、功能强大等特点，结合现代信号分析处理和数据库等数字处理技术，帮助GIS变电站工作人员进行GIS放电故障类型判断、检修维护决策，便于一般技术人员轻松使用。 本作品基于虚拟仪器技术，通过Visual C#、SQL Server、LabVIEW等软件平台和高速数字采集器，采用适合的总线模式，利用虚拟控件来控制底层硬件，由功能强大的软件来完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了在线监测、数据分析、数据实时保存、历史查询、故障报警、显示等功能。 本作品的主要创新点，技术关键和主要技术指标： ①发明了用于现场GIS变电站的外置微带天线传感器，其工作频带340MHz～440MHz，中心频率为390MHz，相对带宽25.6%，达到宽频带天线范围； ②研制出超高频微带滤波放大器，并设计出超高频多路智能开关作为控制多路传感器的检测通道，带宽为300～1000MHz、放大倍数达到30dB； ③首次提出了应用复小波变换技术对采集的超高频局部放电信号进行去噪的方法，并首次建立了用于复小波变换的复阈值技术，应用表明，复小波去噪技术大大优于传统的实小波去噪技术； ④揭示了用于GIS局部放电灰度图像的分形特征，首次提出用局部放电图像正负半周的盒维数和信息维数描述GIS局部放电灰度图像特征，应用结果表明模式识别率可达到91％。
科学性、先进性
- 目前，国内外没有成熟的GIS超高频在线监测产品。 本作品已公开实审1项国家发明专利。 本作品部分成果以论文形式在国内外高水平期刊上发表，其中国外的权威期刊有IEEE Transactions on Power Delivery、IEEE Transactions on DEI、European Transactions on Electrical Power等；国内权威期刊有电工技术学报、电力系统自动化、高电压技术等。其参与人员以第一作者或第二作者（导师第一作者）身份共发表论文14篇，其中国外SCI期刊收录6篇（其中3篇已发表、3篇已录用），EI期刊收录3篇；以第三至第五作者身份共发表论文12篇。 本作品同时还获得多位专家的推荐，其中包括4名院士（1名科学院院士，3名工程院院士），2名IEEE Fellow，1名美国弗吉尼亚理工大学教授，其他各高校如清华大学、上海交通大学、武汉大学等相关领域5名专家。
获奖情况及鉴定结果
- 获第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛重庆赛区特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段，已挂网运行
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，图片，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品在各电力部门推广应用后，使GIS减少停电事故的发生，提高电力系统供电的可靠性。本作品正在重庆大溪沟220kV GIS变电站挂网运行，2009年初，该监测系统成功预警该变电站的一起绝缘事故，避免了渝中半岛CBD大面积停电事故的发生。 经济效益分析 该系统投入运行后提高了企业的经济效益，主要表现在以下几个方面： ①因减少绝缘预防性试验，每年可节省人工费用y1=20万元。 ②因减少机械台班，每年可节省人工费用y2 =1.2万元。 ③因减少停电带来的增收为y3，按每年减少1天主变压器停电时间计算，主变容量为180MVA，电价为0.4元/度，折合增收电费y3=180000*24*0.4*0.7= 120万元，为直接经济效益。 ④每年直接经济效益y=y1+y2+y3=20+1.2+120=141.2万元。 社会效益分析 若按重庆市每度电的生产值2元计，每年可创间接经济效益600万元人民币。
同类课题研究水平概述
- a. 目前，国内外没有成熟的GIS超高频在线监测产品。如ABB公司在销售GIS产品时，可根据用户需求设计解决方案，但系统原件购置、安装、维护以及软件系统研发均由用户自行负责。对用户来说，这种方法没有实用性。本作品通过对超高频传感、强电磁干扰环境下故障信号提取、故障信号识别等技术的研究，结合虚拟仪器技术，实现对GIS绝缘故障的采集与分析，便于现场使用。 b. 现有的UHF 局部放电传感器，如中国专利号为Zl200420084834.7的“气体绝缘变电站局部放电超高频在线故障定位装置”，其宽频带天线的频带为600～5000MHz，但是由于局部放电频带越高，能量越小，导致检测幅值较小。又如专利号为Zl200320109957.7的“一种超宽频带局部放电检测传感器”，其带宽为10～3000MHz，但由于空气中电晕放电的频率通常在100～200MHz，该传感器低频段过低，不能克服检测现场强烈的电晕干扰，容易受到干扰影响。传统的微带贴片天线是窄频带天线，满足不了UHF 局部放电检测的要求。本作品发明的宽频带微带贴片天线，频带为340MHz～440MHz，中心频率为390MHz，带宽为100MHz，相对带宽为25.6%，达到宽屏带天线的范围，适用于UHF 局部放电信号的检测。 c. 陈祥训等人提出复小波算法提取电力系统故障信号。Haibo He等人将复小波变换用于反射信号的研究，取得了不错的效果。迄今为止，国内外尚未见有文献提及构造应用于非平稳局部放电信号去噪的复小波去噪算法。阈值的选择一直是复小波变换的难点。传统的做法将阈值直接作用于复系数的模上，如Sylvain Sardy等人将这种方式的阈值应用于雷达信号提取。国内尚未见关于复小波阈值研究的文献。本作品首次提出的复阈值算法，考虑复小波系数实部与虚部的不同特性，根据不同的需要，用独立的算法分别处理实部与虚部，以达到更好的去噪效果，是对传统阈值算法的创新。 d. 故障特征信息提取。现有的模式识别方法一般采用统计特征、分形特征、小波特征、矩特征等。本作品率先在国内研究局部放电的分形特征，提取了局部放电三维谱图的盒维数和信息维数，取得良好的识别效果。为了克服单一分形维数缺点，首次采用多重分形的方法，从系统的局部出发来研究局部放电谱图的整体特征，更加全面、有效的对分形结构进行描述，揭示其本质，提高了模式识别率。
