楊 超 張 霖

（貴陽供電局，貴陽 550002）

在電力系統(tǒng)不斷向高電壓、大容量、自動化方向發(fā)展的今天，長期以來采用的計劃檢修體制弊端明顯，“一刀切”的工作模式浪費了大量人力物力，還會引發(fā)維修故障，已不能適應(yīng)設(shè)備現(xiàn)代化管理水平的步伐。對設(shè)備開展?fàn)顟B(tài)檢修，“當(dāng)修必修”，而非“到期必修”，已是現(xiàn)代電力設(shè)備管理的必然趨勢[1]。要實行狀態(tài)檢修，其前提是對設(shè)備的運行工況進(jìn)行及時準(zhǔn)確地評估。

近年來隨著微電子、傳感器、通信技術(shù)的不斷成熟，電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)得以快速發(fā)展。通過在線監(jiān)測手段，可以及時、準(zhǔn)確的掌握運行設(shè)備的絕緣狀況。但是由于目前與設(shè)備相關(guān)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分散于各個試驗和監(jiān)測系統(tǒng)，只有部分聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到相關(guān)部門，監(jiān)控查詢都相當(dāng)不便；且在線監(jiān)測技術(shù)還不夠成熟，僅僅依靠某一項在線數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的狀態(tài)容易產(chǎn)生誤診斷，如果能夠結(jié)合巡視、離線檢查數(shù)據(jù)等綜合評價設(shè)備的絕緣狀態(tài)，則具有更高的準(zhǔn)確性。

本項目旨在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)建立一個變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)，以改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備管理模式，實現(xiàn)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息的資源共享，并對設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的狀態(tài)評估和故障診斷。該系統(tǒng)的研究能夠消除電力系統(tǒng)長期存在的“數(shù)據(jù)孤島”問題，提高電網(wǎng)供電可靠率，節(jié)省設(shè)備管理成本，輔助狀態(tài)檢修工作的開展，具有重要的理論意義與經(jīng)濟(jì)價值。

1 變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

近年來國內(nèi)電力公司都在積探索變電設(shè)備的狀態(tài)檢修，開發(fā)了一些用于生產(chǎn)管理的自動化系統(tǒng)、基于離線和在線數(shù)據(jù)的專家系統(tǒng)以及針對具體設(shè)備的狀態(tài)診斷系統(tǒng)，取得了一定的成果。由于信息采集的局部孤立性和缺失統(tǒng)一的管理，往往不能形成一個有機的統(tǒng)一整體，所以造成了變電設(shè)備狀態(tài)評估與故障診斷方法和判據(jù)的單一性[2]。

基于電力系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)檢修所必須解決的問題和技術(shù)發(fā)展水平，本項目研究的變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)主要分為以下3個層面：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與管理、信息查詢與監(jiān)控、狀態(tài)評估與診斷，如圖1所示。各個層面間層層遞進(jìn)，相互關(guān)聯(lián)，針對各層次的單元和功能需要，系統(tǒng)具有開放性和方便的可擴(kuò)充性。

圖1 智能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與管理

作為項目研究工作開展的重要基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的采集與管理層是一個變電設(shè)備狀態(tài)信息的完整數(shù)據(jù)庫，內(nèi)含設(shè)備管理、在線數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)、帶電數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)、規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)等幾個方面，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與管理

變電設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自不同的系統(tǒng)，包括高壓及化學(xué)信息管理和分析系統(tǒng)、各種在線監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等，具有管理分散、專業(yè)數(shù)量多、數(shù)據(jù)格式各異的特點。為使各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)，需要規(guī)范通用的通信標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式。

狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信一系列的規(guī)范化，使其形成一個規(guī)范的輸出，實現(xiàn)了不同系統(tǒng)的完全互聯(lián)和統(tǒng)一管理；數(shù)據(jù)接口部分按照國際電工委員會的IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)編制各類系統(tǒng)接入平臺的接口程序，以便于不同系統(tǒng)的應(yīng)用程序與平臺互聯(lián)。

本層面具體的實施方案如下。

1）設(shè)備代碼統(tǒng)一

現(xiàn)已安裝的在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測的對象都是變電站某一運行位置的設(shè)備，這些設(shè)備代號在這個在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種形式的編碼，在另一個在線監(jiān)測系統(tǒng)中又是另一種編碼。要統(tǒng)一管理在線數(shù)據(jù)，首先要統(tǒng)一管理各監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測對象設(shè)備的編碼。本項目首先建立了接口并與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一編碼，使各個廠商的在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的編碼信息標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

2）在線數(shù)據(jù)存儲格式統(tǒng)一

結(jié)合各在線監(jiān)測廠家提供的相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的格式，為各種類型設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了在線數(shù)據(jù)的存儲格式和通信標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)不同的接口程序，實現(xiàn)現(xiàn)有在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)和上傳。建立的這個在線數(shù)據(jù)的存儲格式和通信標(biāo)準(zhǔn)也提供給新安裝的在線廠家，要求其開發(fā)出相應(yīng)的接口，以便數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)和上傳。

3）建立與各類已有管理系統(tǒng)的接口

（1）與《生產(chǎn)管理系統(tǒng)》接口。在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，還有很多信息是在線數(shù)據(jù)平臺需要和關(guān)切的，如變電站信息、運行維護(hù)數(shù)據(jù)、故障信息及作業(yè)數(shù)據(jù)等。

（2）與《調(diào)度SCADA信息系統(tǒng)》接口。從調(diào)度SCADA系統(tǒng)中獲取與變電設(shè)備運行相關(guān)的數(shù)據(jù)，作為判斷變電設(shè)備運行狀態(tài)的一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）與《高壓及化學(xué)信息管理和分析系統(tǒng)》接口。實施和開發(fā)了《設(shè)備高壓及化學(xué)信息管理和分析系統(tǒng)》，管理和維護(hù)包含全部歷年供電局的各種設(shè)備詳細(xì)的銘牌信息，高壓及化學(xué)專業(yè)的試驗數(shù)據(jù)。

（4）各種設(shè)備規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)庫的建立。判斷設(shè)備狀態(tài)一個重要的依據(jù)就是各類設(shè)備的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)前這類數(shù)據(jù)多半是以手冊、文本或電子文檔的方式呈現(xiàn)，要實現(xiàn)大量、快速、自動及智能的數(shù)據(jù)比對，必須建立這類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化的存儲方式。本項目收集了最新國網(wǎng)執(zhí)行和遵守的各種設(shè)備規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)和建立在線數(shù)據(jù)平臺的設(shè)備規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)庫。

3 信息的查詢與監(jiān)控

系統(tǒng)的上一層面完成了設(shè)備各種數(shù)據(jù)的收集和管理，本層面就是使用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的查詢、分析、統(tǒng)計和監(jiān)控等功能操作。

3.1 查詢功能

查詢功能重點強調(diào)了用戶的個性化設(shè)置，提供靈活多樣的查詢方式，綜合多角度向技術(shù)人員和管理人員呈現(xiàn)需要的任意數(shù)據(jù)（如圖3所示）。

圖3 設(shè)備狀態(tài)信息的圖形化展示

通過設(shè)備狀態(tài)查詢可以了解設(shè)備的總體運行情況，包括當(dāng)時的運行環(huán)境（溫度、濕度、運行狀態(tài)、運行電壓等）；各狀態(tài)量的實時值；狀態(tài)量越限報警提示。使用者如果想要進(jìn)一步了解該設(shè)備的詳細(xì)情況，可以選擇一個或多個關(guān)心狀態(tài)量查看實時變化曲線或者圖譜；也可以選擇歷史數(shù)據(jù)或者其他設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，同時能夠調(diào)出家族缺陷、檢修維護(hù)等信息。

3.2 分析功能

分析功能是運用各種數(shù)學(xué)分析手段，對各類設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1）繪制設(shè)備狀態(tài)量及增量的均值曲線，預(yù)測設(shè)備狀態(tài)量的變化趨勢，分析其何時超標(biāo)。

2）比較設(shè)備狀態(tài)量的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和停電常規(guī)試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)性分析，以評價在線監(jiān)測裝置的準(zhǔn)確性。

3）隨著運行經(jīng)驗的積累，對設(shè)備狀態(tài)量變化的認(rèn)識逐步加深，結(jié)合有關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)定期對報警閥值進(jìn)行修正。

4）可以開放性地根據(jù)變電站、設(shè)備類型、廠家、型號不同條件任意選擇設(shè)備進(jìn)行對比分析，方便技術(shù)人員找出潛在規(guī)律。

3.3 統(tǒng)計功能

本功能主要用于自動統(tǒng)計設(shè)備有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，便于專業(yè)人員的查詢分析，降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作量，提升專業(yè)管理水平。

1）設(shè)備監(jiān)測情況統(tǒng)計。統(tǒng)計正常、異常及故障不同監(jiān)測狀況設(shè)備的數(shù)量及所占比例。

2）報警和缺陷統(tǒng)計。既可以統(tǒng)計單個具體設(shè)備的報警和缺陷出現(xiàn)次數(shù)，也可以按照設(shè)備類型、廠家、型號等不同條件統(tǒng)計相應(yīng)的報警和缺陷情況，為以后設(shè)備招標(biāo)選型提供參考。

3）裝置故障率統(tǒng)計。統(tǒng)計每個廠家安裝的在線監(jiān)測裝置的故障率，為評價在線監(jiān)測裝置的可靠性提供技術(shù)支持。

3.4 監(jiān)控功能

監(jiān)控功能采用地區(qū)→變電站→設(shè)備三層展示模式（如圖4所示），將各類設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷得到設(shè)備健康狀態(tài)展示在圖上，通過3層展示模式全景式的展現(xiàn)變電站及其設(shè)備的狀態(tài)。

圖4 3層展示模式

監(jiān)控界面依據(jù)設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)的正常、異常及故障情況直觀地以綠色、黃色和紅色顯示出來，對所有設(shè)備的報警情況給予提示；情況嚴(yán)重時報告缺陷，以跳出窗口或者短信等形式引起監(jiān)控人員的注意，以便及時做出處理。

4 狀態(tài)評估與診斷

本層面是在數(shù)據(jù)收集匯總的基礎(chǔ)上建立智能化的狀態(tài)評估及故障診斷系統(tǒng)，它包括設(shè)備狀態(tài)評估、設(shè)備故障診斷兩個子模塊。

4.1 設(shè)備狀態(tài)評估

近年來隨著電網(wǎng)建設(shè)迅猛發(fā)展，電網(wǎng)內(nèi)各類變電設(shè)備眾多，預(yù)防性試驗、帶電測試、在線監(jiān)測以及大修更改所得的數(shù)據(jù)非常龐大。僅依據(jù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備狀態(tài)量做“是非制”的簡單判斷，對設(shè)備狀態(tài)做離散的分析，很難迅速、準(zhǔn)確地把握設(shè)備絕緣狀況，必須建立輔助評估系統(tǒng)來完成[3]。依據(jù)設(shè)備狀態(tài)特征量和狀態(tài)評價相關(guān)導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)首次引入了關(guān)聯(lián)分析與變權(quán)重的綜合狀態(tài)評估方法。

由于設(shè)備發(fā)生故障時，往往不僅引起一個狀態(tài)量的變化，因此需要對設(shè)備的各狀態(tài)量變化情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析來判斷其運行狀態(tài)，關(guān)聯(lián)分析是根據(jù)實際運行中電力設(shè)備的故障類型以及發(fā)生故障時對應(yīng)變化狀態(tài)量之間的相互聯(lián)系來對各狀態(tài)量進(jìn)行分類，分類之后以綜合狀態(tài)量的形式來對設(shè)備的整體狀態(tài)進(jìn)行評價。

當(dāng)設(shè)備狀態(tài)評估采用常權(quán)重系數(shù)時，會出現(xiàn)其固有的缺陷，即當(dāng)某一狀態(tài)量數(shù)值嚴(yán)重偏離正常值時，往往代表著設(shè)備某一方面性能已嚴(yán)重下降，但是根據(jù)常權(quán)重系數(shù)來進(jìn)行評估時，由于其權(quán)重占整體比例并不大，設(shè)備整體評價可能還是正常水平，因而不能準(zhǔn)確反映設(shè)備真實的運行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用變權(quán)重方法對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評價，若某一狀態(tài)量評分明顯較其他狀態(tài)量偏低，則能夠自動調(diào)整此狀態(tài)量的權(quán)重系數(shù)，評分越低則表示故障越嚴(yán)重，其變權(quán)重系數(shù)就越大。

結(jié)合關(guān)聯(lián)分析與變權(quán)重的方法對變電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評價，可以避免因環(huán)境突變或設(shè)備偶爾原因造成的單個狀態(tài)量異常影響變電設(shè)備的整體評價結(jié)果，也能夠防止因某方面狀態(tài)量權(quán)重系數(shù)不夠大從而在整體評價中反映不出此方面故障的嚴(yán)重程度，可以極大地提高最終評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 油浸式變壓器狀態(tài)評估樣表

4.2 故障診斷

由于變電設(shè)備故障的多樣性以及產(chǎn)生故障的原因非常復(fù)雜，使得要準(zhǔn)確地找出設(shè)備的癥結(jié)所在相當(dāng)困難。系統(tǒng)在狀態(tài)評估模塊的基礎(chǔ)上增加了故障診斷模塊，通過當(dāng)今先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析手段，對各種檢測結(jié)果進(jìn)行更加科學(xué)的管理和有效的應(yīng)用[4]。

隨著“數(shù)字電力”建沒的不斷深入，與生產(chǎn)設(shè)備有關(guān)的信息以數(shù)據(jù)庫的形式存儲在企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)服務(wù)器中。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)呈爆炸性增長，常規(guī)的方法已經(jīng)捉襟見肘，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入電力系統(tǒng)分析中勢在必行。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是近年來新興的一種深層次的數(shù)據(jù)分析方法，就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程。本模塊是在微軟SQL Server數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)挖掘模塊和 Excel數(shù)據(jù)挖掘客戶端為藍(lán)本開發(fā)的，數(shù)據(jù)挖掘工具欄樣式如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)挖掘模塊的工具欄

在應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評估時，運用決策樹算法、聚類分析算法、貝葉斯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等數(shù)理統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)庫中大量的設(shè)備信息進(jìn)行分析，篩選出其中跟變電設(shè)備運行狀態(tài)有關(guān)的特征狀態(tài)量，找出不同狀態(tài)量與設(shè)備運行狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系和對應(yīng)關(guān)系，建立一個比較完善的變電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，可以有效改善變電設(shè)備故障復(fù)雜、不確定性程度高等不利于故障診斷的因素，極大提高診斷的準(zhǔn)確性。

5 效益分析

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)不但是一個全面的變電設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，也是一個設(shè)備狀態(tài)信息的發(fā)布平臺，更是一個變電設(shè)備故障診斷和檢修維護(hù)咨詢的管理平臺。系統(tǒng)的開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1）在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)建立了統(tǒng)一的在線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，能及時掌握變電設(shè)備的運行狀態(tài)，避免非計劃停電事故的發(fā)生

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)涵蓋了一次設(shè)備出廠以來所有的離線數(shù)據(jù)和帶電測試、運維數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)已全部實時上傳聯(lián)網(wǎng)，總共涉及52個變電站、9種在線監(jiān)測類型以及 180套在線監(jiān)測系統(tǒng)（如圖7所示）。專業(yè)技術(shù)人員通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備狀況進(jìn)行監(jiān)控分析，實現(xiàn)了在線監(jiān)測的常態(tài)化管理，并建立了完備的檔案數(shù)據(jù)庫。

圖7 系統(tǒng)的在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

2011年6月10日，110kV久長1號主變發(fā)本體輕瓦斯信號，系統(tǒng)中油色譜單組份在線監(jiān)測數(shù)據(jù)“氫氣濃度”、“時變化量”告警。對變壓器本體絕緣油取樣化驗發(fā)現(xiàn)油中乙炔、氫氣含量超標(biāo)，高壓直流電阻測試不合格，通過分析確定變壓器調(diào)壓開關(guān)故障引起內(nèi)部高能量局部放電。6月14日對調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)A 相兩個過渡電阻中靠近奇數(shù)檔側(cè)的一個靜觸頭脫落，導(dǎo)致調(diào)壓開關(guān)切換檔位故障，隨后對開關(guān)故障進(jìn)行了修復(fù)。由于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的使用及時發(fā)現(xiàn)久長 1號主變調(diào)壓開關(guān)故障，避免調(diào)壓開關(guān)的損壞，事故停電造成的負(fù)荷損失，挽回直接經(jīng)濟(jì)損失 30多萬元；而且該變電站擔(dān)負(fù)著周邊鐵合金廠、磷化工企業(yè)、水泥廠等重要負(fù)荷，一旦發(fā)生事故，會給這些企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2）對設(shè)備實行狀態(tài)評估，減少設(shè)備停電檢修試驗時間，提高企業(yè)售電量，節(jié)省了設(shè)備運維成本

2011年7月至8月運用該系統(tǒng)對我局管轄的110kV及以上電壓等級的變壓器和SF6斷路器開展了狀態(tài)評價工作，共涉及752臺一次變電設(shè)備。其中處于正常狀態(tài)的 673臺套，占總數(shù)的 89.49% ；注意狀態(tài)的31臺套，占總數(shù)的4.12%；異常狀態(tài)的39臺套，占總數(shù)的5.19%；嚴(yán)重狀態(tài)的9臺套，占總數(shù)的1.2%。

根據(jù)設(shè)備評價狀態(tài)的結(jié)果不同，2012年開始在預(yù)試周期的安排上進(jìn)行了不同考慮。對狀態(tài)評價較好的設(shè)備延長了預(yù)試定檢的周期，由原來的3年一次改為現(xiàn)在的6年一次，大大減少了設(shè)備停電時間，節(jié)省了人工定檢費用；對存在問題的設(shè)備，根據(jù)問題性質(zhì)和嚴(yán)重程度，采取了相應(yīng)的控制措施。

6 結(jié)論

變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)的研究，在區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)建立了統(tǒng)一的在線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，能實時掌控一次設(shè)備的運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)故障，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；同時開發(fā)的智能狀態(tài)評估與故障診斷系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)信息科學(xué)管理和有效應(yīng)用，準(zhǔn)確判斷設(shè)備的絕緣狀況和發(fā)展趨勢，輔助了狀態(tài)檢修工作的開展。

當(dāng)然，變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能系統(tǒng)還有一些亟待解決的技術(shù)問題，如在線監(jiān)測技術(shù)還需要進(jìn)一步研究，缺乏統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的模塊和功能還需要開發(fā)和完善，這些都需要在今后的工作中不斷努力。

[1] 國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部.設(shè)備狀態(tài)檢修規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京:中國電力出版社, 2008.

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