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基本信息

項(xiàng)目名稱：
氣體絕緣組合電器超高頻局部放電智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
1. 作品背景 本作品是智能電網(wǎng)的重要組成部分。智能電網(wǎng)代表著當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新方向。在美國(guó)的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃中，新任總統(tǒng)奧巴馬提出了對(duì)美國(guó)進(jìn)行大規(guī)模智能電網(wǎng)改造。在中國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞在特高壓國(guó)際會(huì)議致詞中提出“到2020年，將全面建成統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”。智能電網(wǎng)的核心之一就是電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，以避免因設(shè)備故障造成電網(wǎng)大面積停電。 本作品能為城市電網(wǎng)中廣泛使用的GIS提供在線監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，避免因設(shè)備故障造成的電網(wǎng)大面積停電事故。目前，國(guó)內(nèi)外還沒有成熟的GIS超高頻在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。 2. 作品原理 本作品基于虛擬儀器技術(shù)，通過Visual C#、SQL Server、LabVIEW等軟件平臺(tái)和高速數(shù)字采集器，采用合適的總線模式，利用虛擬控件來控制底層硬件，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、歷史查詢、故障報(bào)警、顯示等功能，具有經(jīng)濟(jì)高效、使用靈活、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠幫助變電站工作人員進(jìn)行GIS放電故障類型判斷、檢修維護(hù)和決策，便于一般技術(shù)人員輕松使用。 3. 作品價(jià)值 目前，本作品在重慶大溪溝220kV GIS變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，每年能創(chuàng)造140余萬元的直接經(jīng)濟(jì)效益和600余萬元的間接經(jīng)濟(jì)效益。2009年初，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功預(yù)警該變電站的一起絕緣事故，避免了渝中半島CBD大面積停電事故的發(fā)生。 4. 作品支撐 本作品結(jié)合虛擬儀器與超高頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS變電站在線監(jiān)測(cè)。本作品已授權(quán)3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利并公開實(shí)審1項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利；作品成員以第1、2作者身份共發(fā)表論文14篇，其中國(guó)外SCI期刊收錄6篇，EI期刊收錄3篇。 本作品獲得多位專家的推薦，其中包括4名院士（1名科學(xué)院院士和3名工程院院士），2名IEEE Fellow，1名美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)教授，其他各高校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、武漢大學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域5名專家。
詳細(xì)介紹：
1. 作品背景 智能電網(wǎng)代表著當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新方向。在美國(guó)的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃中，新任總統(tǒng)奧巴馬提出了對(duì)美國(guó)進(jìn)行大規(guī)模智能電網(wǎng)改造。在中國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞在特高壓國(guó)際會(huì)議致詞中提出“到2020年，將全面建成統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”。智能電網(wǎng)的核心之一就是電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，以避免因設(shè)備故障造成電網(wǎng)大面積停電。本作品是智能電網(wǎng)的重要組成部分。 2. 氣體絕緣組合電器簡(jiǎn)介 隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和現(xiàn)代化發(fā)展，用地日益緊張，建設(shè)敞開式的變電站非常困難。氣體絕緣組合電器(GIS)是20世紀(jì)60年代中期才出現(xiàn)的一種新型電器裝置，其是把變電所里各種電氣設(shè)備除變壓器外全部組合裝配在一個(gè)封閉的金屬外殼里，常充以0.4～0.5MPa的SF6氣體，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體對(duì)外殼、相間以及斷口間的可靠絕緣。GIS是由若干相互直接聯(lián)結(jié)在一起的單獨(dú)元件構(gòu)成，如母線、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、避雷器、互感器等。GIS同傳統(tǒng)敞開式高壓配電裝置相比，具有占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，不受外界環(huán)境的影響，運(yùn)行可靠，檢修周期長(zhǎng)，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。因GIS大量在城市電網(wǎng)中使用，一旦其發(fā)生突發(fā)性故障，將造成電網(wǎng)大面積停電，不僅會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大影響，而且迅速造成城市陷入癱瘓并引發(fā)危及公共安全的重大災(zāi)害。 GIS廣泛應(yīng)用的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，GIS可靠性非常高，但其內(nèi)部不可避免的潛伏性絕緣缺陷會(huì)引起突發(fā)性故障逐步擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外都出現(xiàn)過多起大的GIS閃絡(luò)和擊穿事故。由于制造和運(yùn)行中GIS內(nèi)部不可避免會(huì)存在各種潛伏性絕緣缺陷（如在電極上出現(xiàn)金屬毛刺、絕緣介質(zhì)中存在空隙、安裝運(yùn)輸時(shí)部件松動(dòng)或接觸不良、運(yùn)行中的絕緣老化、以及金屬自由微粒等），都可能產(chǎn)生不同程度的局部放電，而長(zhǎng)期的局部放電會(huì)使絕緣劣化并逐步擴(kuò)大，甚至造成整個(gè)絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致突發(fā)性停電事故的發(fā)生，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。GIS突發(fā)性故障最通常的早期特征是在完全擊穿前發(fā)生局部放電，而局部放電在線監(jiān)測(cè)可以有效發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)上述潛伏性絕緣缺陷，以避免重大事故的發(fā)生。 3. 作品意義 本作品能為城市電網(wǎng)中廣泛使用的GIS提供在線監(jiān)測(cè)，避免因設(shè)備故障造成的電網(wǎng)大面積停電事故，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)外還沒有成熟的GIS超高頻在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。 通過對(duì)GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)GIS的絕緣狀況，預(yù)先發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)存在的絕緣缺陷，避免絕緣事故的發(fā)生。由于現(xiàn)場(chǎng)伴有強(qiáng)大的電磁干擾，且GIS內(nèi)產(chǎn)生的局部放電信號(hào)非常微弱，對(duì)其進(jìn)行有效地在線監(jiān)測(cè)有著很大的難度。從80年代以來，如何提供足夠靈敏度的局部放電測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)各種潛伏性缺陷類型進(jìn)行識(shí)別以及故障定位，已成為該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題。因此，應(yīng)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波理論、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)具有重大的科學(xué)和實(shí)用意義。 該作品在各電力部門推廣應(yīng)用后，使GIS局部放電監(jiān)測(cè)方法和手段更為多樣、可靠，可進(jìn)一步避免或減少停電事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)供電的可靠性；該作品能對(duì)GIS局部放電實(shí)現(xiàn)連續(xù)有效和準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)，可判斷缺陷的嚴(yán)重程度、種類、位置等信息，在后續(xù)階段的維護(hù)和檢修中節(jié)省了時(shí)間和金錢，降低不必要的大量人力資源浪費(fèi)，提高了設(shè)備利用率，推動(dòng)電力科技進(jìn)一步向自動(dòng)化、智能化方面進(jìn)步，并逐步取代現(xiàn)行的定期停電預(yù)防性維修體系。維修體系的根本性變革將促進(jìn)企業(yè)技術(shù)的跨越，而我國(guó)電力行業(yè)已將實(shí)施狀態(tài)維修列為對(duì)現(xiàn)有檢修制度進(jìn)行改革的一項(xiàng)重大措施，不僅具有重大的科學(xué)意義，也具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本作品適用于電力行業(yè)、工業(yè)企業(yè)中動(dòng)力系統(tǒng)的GIS變電站（含發(fā)電廠升壓站），蘊(yùn)含有很高的科技價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景，在轉(zhuǎn)化為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)后，可以發(fā)展和帶動(dòng)一些與本作品相關(guān)的高新技術(shù)企業(yè)，今后還可以進(jìn)一步開拓國(guó)際市場(chǎng)，增大高新技術(shù)作品在國(guó)際上的影響力，展示我國(guó)在電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的科技創(chuàng)新能力。 4. 作品原理 本作品的目的在于針對(duì)GIS局部放電檢測(cè)的不足之處，提供一種氣體絕緣組合電器超高頻局部放電智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有高效、使用靈活、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代信號(hào)分析處理和數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)字處理技術(shù)，幫助GIS變電站工作人員進(jìn)行GIS放電故障類型判斷、檢修維護(hù)決策，便于一般技術(shù)人員輕松使用。 本作品基于虛擬儀器技術(shù)，通過Visual C#、SQL Server、LabVIEW等軟件平臺(tái)和高速數(shù)字采集器，采用適合的總線模式，利用虛擬控件來控制底層硬件，由功能強(qiáng)大的軟件來完成信號(hào)的采集、分析處理和結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、歷史查詢、故障報(bào)警、顯示等功能。 5. 作品應(yīng)用 本作品作為智能電網(wǎng)的有機(jī)組成部分，能夠應(yīng)用在所有GIS變電站。目前，本作品正在重慶大溪溝220kV GIS變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，2009年初，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功預(yù)警該變電站的一起絕緣事故，避免了渝中半島CBD大面積停電事故的發(fā)生。本作品每年能為社會(huì)貢獻(xiàn)140余萬元的直接經(jīng)濟(jì)效益和600余萬元的間接效益。 6. 作品支撐 本作品部分成果以論文形式在國(guó)內(nèi)外高水平期刊上發(fā)表，其中國(guó)外的權(quán)威期刊有IEEE Transactions on Power Delivery、IEEE Transactions on DEI、European Transactions on Electrical Power等；國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊有電工技術(shù)學(xué)報(bào)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、高電壓技術(shù)等。作品參與人員以第一作者或第二作者（導(dǎo)師第一作者）身份共發(fā)表論文14篇，其中國(guó)外SCI期刊收錄6篇（其中3篇已發(fā)表、3篇已錄用），EI期刊收錄3篇；以第三至第五作者身份共發(fā)表論文13篇。 本作品已授權(quán)3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，公開實(shí)審1項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。 本作品同時(shí)還獲得多位專家的推薦，其中包括4名院士（1名科學(xué)院院士3名工程院院士），2名IEEE Fellow，1名美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)教授，其他各高校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、武漢大學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域5名專家。

作品圖片

  • 氣體絕緣組合電器超高頻局部放電智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
  • 氣體絕緣組合電器超高頻局部放電智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本作品的目的在于針對(duì)GIS局部放電檢測(cè)的不足之處，提供一種氣體絕緣組合電器超高頻局部放電智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有高效、使用靈活、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代信號(hào)分析處理和數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)字處理技術(shù)，幫助GIS變電站工作人員進(jìn)行GIS放電故障類型判斷、檢修維護(hù)決策，便于一般技術(shù)人員輕松使用。 本作品基于虛擬儀器技術(shù)，通過Visual C#、SQL Server、LabVIEW等軟件平臺(tái)和高速數(shù)字采集器，采用適合的總線模式，利用虛擬控件來控制底層硬件，由功能強(qiáng)大的軟件來完成信號(hào)的采集、分析處理和結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、歷史查詢、故障報(bào)警、顯示等功能。 本作品的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： ①發(fā)明了用于現(xiàn)場(chǎng)GIS變電站的外置微帶天線傳感器，其工作頻帶340MHz～440MHz，中心頻率為390MHz，相對(duì)帶寬25.6%，達(dá)到寬頻帶天線范圍； ②研制出超高頻微帶濾波放大器，并設(shè)計(jì)出超高頻多路智能開關(guān)作為控制多路傳感器的檢測(cè)通道，帶寬為300～1000MHz、放大倍數(shù)達(dá)到30dB； ③首次提出了應(yīng)用復(fù)小波變換技術(shù)對(duì)采集的超高頻局部放電信號(hào)進(jìn)行去噪的方法，并首次建立了用于復(fù)小波變換的復(fù)閾值技術(shù)，應(yīng)用表明，復(fù)小波去噪技術(shù)大大優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)小波去噪技術(shù)； ④揭示了用于GIS局部放電灰度圖像的分形特征，首次提出用局部放電圖像正負(fù)半周的盒維數(shù)和信息維數(shù)描述GIS局部放電灰度圖像特征，應(yīng)用結(jié)果表明模式識(shí)別率可達(dá)到91％。

科學(xué)性、先進(jìn)性

目前，國(guó)內(nèi)外沒有成熟的GIS超高頻在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。 本作品已公開實(shí)審1項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。 本作品部分成果以論文形式在國(guó)內(nèi)外高水平期刊上發(fā)表，其中國(guó)外的權(quán)威期刊有IEEE Transactions on Power Delivery、IEEE Transactions on DEI、European Transactions on Electrical Power等；國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊有電工技術(shù)學(xué)報(bào)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、高電壓技術(shù)等。其參與人員以第一作者或第二作者（導(dǎo)師第一作者）身份共發(fā)表論文14篇，其中國(guó)外SCI期刊收錄6篇（其中3篇已發(fā)表、3篇已錄用），EI期刊收錄3篇；以第三至第五作者身份共發(fā)表論文12篇。 本作品同時(shí)還獲得多位專家的推薦，其中包括4名院士（1名科學(xué)院院士，3名工程院院士），2名IEEE Fellow，1名美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)教授，其他各高校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、武漢大學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域5名專家。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽重慶賽區(qū)特等獎(jiǎng)

作品所處階段

中試階段，已掛網(wǎng)運(yùn)行

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖片，錄像

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

該作品在各電力部門推廣應(yīng)用后，使GIS減少停電事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)供電的可靠性。本作品正在重慶大溪溝220kV GIS變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，2009年初，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功預(yù)警該變電站的一起絕緣事故，避免了渝中半島CBD大面積停電事故的發(fā)生。 經(jīng)濟(jì)效益分析 該系統(tǒng)投入運(yùn)行后提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ①因減少絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，每年可節(jié)省人工費(fèi)用y1=20萬元。 ②因減少機(jī)械臺(tái)班，每年可節(jié)省人工費(fèi)用y2 =1.2萬元。 ③因減少停電帶來的增收為y3，按每年減少1天主變壓器停電時(shí)間計(jì)算，主變?nèi)萘繛?80MVA，電價(jià)為0.4元/度，折合增收電費(fèi)y3=180000*24*0.4*0.7= 120萬元，為直接經(jīng)濟(jì)效益。 ④每年直接經(jīng)濟(jì)效益y=y1+y2+y3=20+1.2+120=141.2萬元。 社會(huì)效益分析 若按重慶市每度電的生產(chǎn)值2元計(jì)，每年可創(chuàng)間接經(jīng)濟(jì)效益600萬元人民幣。

同類課題研究水平概述

a. 目前，國(guó)內(nèi)外沒有成熟的GIS超高頻在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。如ABB公司在銷售GIS產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)解決方案，但系統(tǒng)原件購(gòu)置、安裝、維護(hù)以及軟件系統(tǒng)研發(fā)均由用戶自行負(fù)責(zé)。對(duì)用戶來說，這種方法沒有實(shí)用性。本作品通過對(duì)超高頻傳感、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下故障信號(hào)提取、故障信號(hào)識(shí)別等技術(shù)的研究，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS絕緣故障的采集與分析，便于現(xiàn)場(chǎng)使用。 b. 現(xiàn)有的UHF 局部放電傳感器，如中國(guó)專利號(hào)為Zl200420084834.7的“氣體絕緣變電站局部放電超高頻在線故障定位裝置”，其寬頻帶天線的頻帶為600～5000MHz，但是由于局部放電頻帶越高，能量越小，導(dǎo)致檢測(cè)幅值較小。又如專利號(hào)為Zl200320109957.7的“一種超寬頻帶局部放電檢測(cè)傳感器”，其帶寬為10～3000MHz，但由于空氣中電暈放電的頻率通常在100～200MHz，該傳感器低頻段過低，不能克服檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈的電暈干擾，容易受到干擾影響。傳統(tǒng)的微帶貼片天線是窄頻帶天線，滿足不了UHF 局部放電檢測(cè)的要求。本作品發(fā)明的寬頻帶微帶貼片天線，頻帶為340MHz～440MHz，中心頻率為390MHz，帶寬為100MHz，相對(duì)帶寬為25.6%，達(dá)到寬屏帶天線的范圍，適用于UHF 局部放電信號(hào)的檢測(cè)。 c. 陳祥訓(xùn)等人提出復(fù)小波算法提取電力系統(tǒng)故障信號(hào)。Haibo He等人將復(fù)小波變換用于反射信號(hào)的研究，取得了不錯(cuò)的效果。迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚未見有文獻(xiàn)提及構(gòu)造應(yīng)用于非平穩(wěn)局部放電信號(hào)去噪的復(fù)小波去噪算法。閾值的選擇一直是復(fù)小波變換的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的做法將閾值直接作用于復(fù)系數(shù)的模上，如Sylvain Sardy等人將這種方式的閾值應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)提取。國(guó)內(nèi)尚未見關(guān)于復(fù)小波閾值研究的文獻(xiàn)。本作品首次提出的復(fù)閾值算法，考慮復(fù)小波系數(shù)實(shí)部與虛部的不同特性，根據(jù)不同的需要，用獨(dú)立的算法分別處理實(shí)部與虛部，以達(dá)到更好的去噪效果，是對(duì)傳統(tǒng)閾值算法的創(chuàng)新。 d. 故障特征信息提取?，F(xiàn)有的模式識(shí)別方法一般采用統(tǒng)計(jì)特征、分形特征、小波特征、矩特征等。本作品率先在國(guó)內(nèi)研究局部放電的分形特征，提取了局部放電三維譜圖的盒維數(shù)和信息維數(shù)，取得良好的識(shí)別效果。為了克服單一分形維數(shù)缺點(diǎn)，首次采用多重分形的方法，從系統(tǒng)的局部出發(fā)來研究局部放電譜圖的整體特征，更加全面、有效的對(duì)分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，揭示其本質(zhì)，提高了模式識(shí)別率。
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