智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

摘要：變電設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)變電站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化的必要條件，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動(dòng)。電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)不僅可以掌握電力設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行情況， 還可以根據(jù)其專家系統(tǒng)利用其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行綜合診斷，電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能變電站的基礎(chǔ)。文中針對(duì)目前變電站設(shè)備的監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合近年來該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和智能電網(wǎng)的發(fā)展方向，對(duì)變電站智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行綜述。

變電站作為智能電網(wǎng)的核心組成部分，其建設(shè)獲得了越來越多的關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，變電站一次設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的傳感系統(tǒng)，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動(dòng)的變電站[1]。電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證電力設(shè)備正常工作，有效開展?fàn)顟B(tài)檢修，并預(yù)估設(shè)備的損耗以建立全壽命周期管理體系，電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能變電站的基礎(chǔ)。因此以設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修成為實(shí)現(xiàn)智能變電站并最終建立智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一，該技術(shù)近年來獲得越來越多的重視。電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)不僅是設(shè)備狀態(tài)檢修模式的基礎(chǔ)，也是智能變電站綜合自動(dòng)化正在實(shí)施的電氣運(yùn)行模式的需要。無論是智能變電站還是無人值守變電站在其監(jiān)控系統(tǒng)中都需要增加一個(gè)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷專家系統(tǒng)， 用以作為輔助決策手段，進(jìn)而提高監(jiān)控能力。要想實(shí)現(xiàn)真正的無人值守，必須加入電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的內(nèi)容，這樣變電站綜合自動(dòng)化才更加完善和更有效。所以在測(cè)量、控制、保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)等綜合自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，融合電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將推動(dòng)變電站綜合自動(dòng)化向前發(fā)展[2]。

電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)不僅可以掌握電力設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行情況，還可以根據(jù)其專家系統(tǒng)利用其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行綜合診斷，為設(shè)備檢修提供輔助決策。為了解決電力設(shè)備故障診斷中所遇到的主要技術(shù)難題，需要突破常規(guī)方法進(jìn)行故障診斷的局限，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、灰色軌跡理論、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、模糊理論模型等各種算法，對(duì)電力設(shè)備實(shí)行故障診斷。利用各種數(shù)學(xué)模型從實(shí)現(xiàn)原理上進(jìn)行比較分析，研究出多種改進(jìn)的學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)電力設(shè)備故障診斷絡(luò)模型。

1 電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指通過傳感器、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)， 及時(shí)獲取設(shè)備的各種特征參量并結(jié)合一定算法的專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析處理， 對(duì)設(shè)備的可靠性做出判斷，對(duì)設(shè)備的剩余壽命作出預(yù)測(cè)，從而及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提高供電可靠性。電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)大大降低維修周期內(nèi)的設(shè)備故障率，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供技術(shù)依據(jù)， 并及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和異常征兆，確保設(shè)備安全運(yùn)行，從而提高供電可靠性。由于變電站內(nèi)電力設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)各異，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的類型也千差萬別，但是，不論什么類型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，都需要經(jīng)過3 個(gè)步驟：采集設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào);對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸;分析處理數(shù)據(jù)及診斷。

變電站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜， 所采集到的模擬信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中不免受到外界的各種干擾而產(chǎn)生信號(hào)失真， 為了解決模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸后所導(dǎo)致的失真問題， 現(xiàn)在傾向于將微弱的模擬信號(hào)就地模擬轉(zhuǎn)換，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由主機(jī)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)及處理。依據(jù)IEC 61850 關(guān)于變電站功能、變電站通信網(wǎng)絡(luò)以及整體系統(tǒng)建模的分層設(shè)定， 智能變電站分為三層結(jié)構(gòu)：過程層、間隔層、站控層。如圖1 所示。分層(級(jí))分布式的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。它由安裝在變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和安裝在主控室內(nèi)的數(shù)據(jù)分析和診斷系統(tǒng)，再通過網(wǎng)絡(luò)， 把若干個(gè)變電站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集到相關(guān)管理部門的數(shù)據(jù)管理診斷系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)變電站的電氣設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

分層(級(jí))分布式系統(tǒng)采用總線式結(jié)構(gòu)，增加或減少監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均不需要改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要在通信總線上掛接以不同類型及數(shù)量的智能組件，就可實(shí)現(xiàn)不同高壓電氣設(shè)備、不同項(xiàng)目的連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，因而系統(tǒng)的開放性較好。所有的數(shù)據(jù)處理在就地完成，主控計(jì)算機(jī)僅完成通信控制和故障診斷，減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。所有的智能組件均應(yīng)具備嚴(yán)格的自檢功能，測(cè)量數(shù)據(jù)全部采用光纖通信方式傳輸，克服長(zhǎng)距離傳輸模擬信號(hào)所導(dǎo)致的波形失真問題，并且可及時(shí)反映出就地模塊自身的工作狀況，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度。而且，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。即使通信光纜故障或主機(jī)故障，還可使用便攜式設(shè)備就地進(jìn)行檢測(cè)。以國(guó)內(nèi)首座220 kV 智能變電站無錫西涇變?yōu)槔?，其智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)跨部門、跨系統(tǒng)的大型綜合管理信息系統(tǒng)，如無錫供電公司西涇智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的部門有生產(chǎn)技術(shù)部、調(diào)控中心、安監(jiān)部、監(jiān)控中心等各主要生產(chǎn)部門;涉及到的系統(tǒng)有PMIS，SCADA，EMS 等;涉及到的裝置有變壓器綜合管理平臺(tái)、GIS 局放監(jiān)測(cè)裝置、斷路器監(jiān)測(cè)裝置、避雷器檢測(cè)裝置等[3，4]。所以在設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊時(shí)，除考慮自身的相對(duì)獨(dú)立性和開放性以外，還得重點(diǎn)考慮與其他已有系統(tǒng)模塊的集成。

一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示， 該功能框圖涵蓋了常見一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

3 電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)(Expert Systems)是人工智能中的一個(gè)重要分支，是關(guān)于問題求解的一種智能軟件。它是一種在相關(guān)領(lǐng)域中具有專家水平能力的智能程序系統(tǒng)。它能利用領(lǐng)域內(nèi)專家多年積累的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，模擬人類專家的思維過程， 求解需要專家才能解決的困難問題。專家系統(tǒng)通過知識(shí)進(jìn)行推理，在問題所在的領(lǐng)域內(nèi)推導(dǎo)出滿意的答案，即“專家系統(tǒng)=知識(shí)+推理”，這區(qū)別于常規(guī)計(jì)算機(jī)程序“程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”的一般模式，以達(dá)到“智能監(jiān)測(cè)、智能判斷、智能管理、智能驗(yàn)證”的目的。變電站故障診斷專家系統(tǒng)主要是根據(jù)電氣設(shè)備如斷路器、變壓器、避雷器和容性互感器等一次設(shè)備進(jìn)行開發(fā)和研究。專家系統(tǒng)主要包括：數(shù)學(xué)模型和專家評(píng)估模型兩大塊。數(shù)學(xué)模型是指利用改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型， 把歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理分析， 診斷出運(yùn)行電力設(shè)備的健康狀況。專家評(píng)估模型是指利用知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)診斷運(yùn)行電力設(shè)備的故障情況， 也可以采用人機(jī)交互診斷混合推理策略， 對(duì)運(yùn)行電力設(shè)備提出維護(hù)方案。變電設(shè)備專家診斷系統(tǒng)作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)和最終目標(biāo)，需要依托監(jiān)測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，目前仍處于研究發(fā)展階段。

4 智能變電站綜合告警系統(tǒng)

智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照站內(nèi)信息高度集成共享的原則，一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的信息量，除了常規(guī)的四遙信息外，還融入了大量設(shè)備的狀態(tài)信息、動(dòng)態(tài)PMU 信息等。信息的高度融合與共享，對(duì)現(xiàn)有的變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 如果按照傳統(tǒng)的報(bào)警信息分類和組織模式，當(dāng)變電站發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控報(bào)警信息窗中將充斥著成百上千的提示、預(yù)告信息及事故信息，出現(xiàn)滾屏刷屏現(xiàn)象，監(jiān)控值班員眼花繚亂，無所適從，很難抓住重點(diǎn)，很容易遺漏重要告警信號(hào)，延誤處理使變電站運(yùn)行值班人員無法在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確判斷事故原因，不利于事故的及時(shí)處理。智能變電站實(shí)現(xiàn)了基于IEC 61850 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變電站全景數(shù)據(jù)的高度整合， 但如何實(shí)現(xiàn)基于變電站告警信息的綜合分析和變電站運(yùn)行異常處理專家系統(tǒng)， 為變電站值班人員進(jìn)行事故處理提供輔助決策， 是提高變電站運(yùn)行和管理水平以及智能化程度的重要標(biāo)志之一。

智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合了報(bào)警信息綜合展示、變電站異常信號(hào)分析與處理輔助決策系統(tǒng)， 構(gòu)建對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視功能， 并將變電站所有故障信號(hào)進(jìn)行分類管理，建立多重故障推理模型，從而實(shí)現(xiàn)事故異常的輔助決策。5 電力變壓器故障診斷專家系統(tǒng)診斷實(shí)例變壓器異?，F(xiàn)象往往是從變壓器外表暴露出來的，如聽到異常聲音、聞到異常氣味、瓦斯繼電器動(dòng)作報(bào)警、油溫升高等，所有這些故障現(xiàn)象均是由變壓器內(nèi)部故障波及到外部的結(jié)果[5]。測(cè)試實(shí)例： 某主變氣相色譜分析的結(jié)果如表1所示。

查詢變壓器局部放電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)有輕微的局放信號(hào)發(fā)生。根據(jù)變壓器油中溶解氣體的含量變化，在主變故障診斷專家系統(tǒng)中輸入表征故障現(xiàn)象，進(jìn)行初步判斷。綜合局部放電信息，再結(jié)合其他運(yùn)行和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證輸出故障原因。專家系統(tǒng)初步給出故障原因?yàn)榻饘佼愇飸腋》烹?、開關(guān)接觸不良放電、將軍帽懸浮電位放電和油流放電等。故障后對(duì)主變壓器吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)套管均壓球松動(dòng)，產(chǎn)生懸浮放電故障。

6 結(jié)束語

變電設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)還處于發(fā)展起步階段，根據(jù)其現(xiàn)狀及特點(diǎn)，提出以下建議：

(1) 將成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)引入電網(wǎng)一次設(shè)備，提高智能一次設(shè)備的監(jiān)測(cè)有效性和準(zhǔn)確性。智能一次設(shè)備已成為明確的發(fā)展方向，只有進(jìn)一步提高智能一次設(shè)備實(shí)用性，才能保證其良性發(fā)展。

(2) 促進(jìn)智能一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)二次技術(shù)的融合，真正實(shí)現(xiàn)測(cè)、計(jì)、控、檢、保五大功能與一體，其信息共享暢通、功能融合良好、運(yùn)行操作可靠。

(3) 進(jìn)一步開發(fā)智能一次設(shè)備的綜合分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)價(jià)、壽命預(yù)估、故障診斷的高級(jí)應(yīng)用功能。使得智能組件的設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與專業(yè)技術(shù)人員的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致， 智能化水平明顯提升。

(4) 加強(qiáng)智能設(shè)備入網(wǎng)的檢測(cè)、檢定工作。智能設(shè)備尚處于發(fā)展階段，產(chǎn)品不成熟，只有建立健全入網(wǎng)檢測(cè)、檢定工作，將該工作體系化、常態(tài)化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，切實(shí)提高一次設(shè)備智能化水平。

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作者簡(jiǎn)介：金逸(1978)，男，江蘇南京人，工程師，從事電力調(diào)度、科技管理工作;劉偉(1980)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事高電壓絕緣、智能電網(wǎng)技術(shù)研究工作;査顯光(1985)，男，安徽池州人，工程師，從事高電壓試驗(yàn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作;費(fèi)益軍(1978)，男，江蘇無錫人，高級(jí)工程師，從事高電壓絕緣、狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作。

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