龔東武 郭宏燕

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

電力變壓器作為電力系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備，其運行狀況的正常與否將直接決定系統(tǒng)的安全性及可靠性。隨著電力系統(tǒng)向著智能化方向快速發(fā)展，對一次設(shè)備的運行維護(hù)提出了更高的要求；尤其隨著無人值守變電站的增加，要求設(shè)備維護(hù)人員能對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)[1-3]。探索變壓器遠(yuǎn)程可視化診斷的工程實施方法對提高一次設(shè)備運維水平具有重要意義。隨著在線監(jiān)測技術(shù)在智能化變電站內(nèi)的廣泛應(yīng)用，特別是各種在線監(jiān)測裝置的安裝為變壓器的遠(yuǎn)程可視化診斷提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文基于DGA 數(shù)據(jù)和Spring 框架探討變壓器遠(yuǎn)程可視化診斷系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。

1 變壓器遠(yuǎn)程可視化診斷系設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

圖1 診斷系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖

基于變電站一次設(shè)備運行和檢修模式，診斷系統(tǒng)可設(shè)計成圖1結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由3 大部分組成： 油中溶解氣體分析（DGA）裝置、在線監(jiān)測站端單元和一次設(shè)備管理應(yīng)用終端。DGA 裝置是變壓器專用在線監(jiān)測裝置，完成變壓器油中氣體含量的分析和采集，然后通過IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)送至在線監(jiān)測站端單元[4-5]；在線監(jiān)測站端單元進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、變壓器診斷及診斷結(jié)果發(fā)布；一次設(shè)備管理應(yīng)用終端遠(yuǎn)程發(fā)送診斷請求，在線監(jiān)測站端單元執(zhí)行診斷命令，將診斷結(jié)果以圖形方式反饋給應(yīng)用終端。監(jiān)測數(shù)據(jù)在電力信息系統(tǒng)中定義為Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)，供電公司內(nèi)網(wǎng)為信息安全Ⅲ區(qū)?？紤]到數(shù)據(jù)安全性，系統(tǒng)設(shè)計中采用防火墻進(jìn)行安全防護(hù)。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計成基于J2EE 平臺的B/S 多層Web 體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)如圖2所示，分為數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)訪問層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層共3 層。數(shù)據(jù)庫層選用MySQL 5.0數(shù)據(jù)庫存儲變壓器DGA 數(shù)據(jù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)訪問層采用Spring 整合Hibernate 的方案。為在不犧牲Hibernate 強大功能的前提下盡量降低Hibernate的使用難度，本系統(tǒng)采用了基于Spring 提供的模板類來使用Hibernate；業(yè)務(wù)應(yīng)用層采用Spring WEB MVC 框架。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框架圖

1.3 Spring 框架

Spring 是分層的Java SE/EE 應(yīng)用一站式的輕量級開源框架，以IoC 和AOP 為內(nèi)核，提供了展現(xiàn)層Spring MVC 和持久層Spring JDBC 以及業(yè)務(wù)層事務(wù)管理等眾多的企業(yè)級應(yīng)用技術(shù)[6]。

Spring MVC 能很好地實現(xiàn)控制邏輯、業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)邏輯和顯示的分離，減少代碼的重復(fù)性，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性[7-8]。特別是變電設(shè)備的診斷算法復(fù)雜多樣，將診斷邏輯分離出來對提高開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護(hù)性尤其重要。

遠(yuǎn)程診斷業(yè)務(wù)在框架中的數(shù)據(jù)和信息傳遞方式如圖3所示。操作員通過瀏覽器發(fā)出診斷請求，DispatchServlet 組件截獲請求，通過HandlerMaping組件獲取請求對應(yīng)的Handler（處理器），處理器通過持久化層獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行診斷計算，然后將Model 填充到視圖中，將 ModelAndView 送至DispatchServlet 組件，DispatchServlet 組件利用ViewResolver 進(jìn)行視圖渲染，在將視圖返回給瀏覽器，形成可視化診斷閉環(huán)。

圖3 MVC 操作流程圖

2 診斷方法及建模

2.1 大衛(wèi)三角形算法

變壓器診斷應(yīng)用較多的是油中溶解氣體分析法，如羅杰斯比值法，IEC 推薦的三比值法和大衛(wèi)三角形法[9]。為了提高診斷的準(zhǔn)確度國內(nèi)外又引入了專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10-11]、模糊數(shù)學(xué)、進(jìn)化遺傳算法[12]及各種混合診斷系統(tǒng)[13-14]等方法。大衛(wèi)三角形法和三比值法相比不存在編碼盲區(qū)，便于進(jìn)行診斷可視化。

變壓器的電或熱故障導(dǎo)致絕緣油裂解產(chǎn)生氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烷（C2H4）、乙炔（C2H2）等故障氣體。1974年杜威（Duval）提出了以CH4、C2H4、C2H2三組分的相對含量為基礎(chǔ)的三角圖法。本文使用該算法作為故障診斷算法。大衛(wèi)三角形描述如下。

1）氣體含量計算：

2）故障區(qū)域描述見表1。

表1 大衛(wèi)三角形區(qū)域極限表

大衛(wèi)三角形是一個等邊三角形，每邊代表一種氣體在三種氣體總和中的百分含量，依據(jù)表1將三角形劃分為多個區(qū)域，不同的區(qū)域代表不同的變壓器故障。具體見圖4。

圖4 大衛(wèi)三角形建模分析圖

2.2 可視化建模

大衛(wèi)三角形算法的圖形由規(guī)則的幾何圖形構(gòu)成，模型構(gòu)造中可以用形體表面的邊界表示法（B-rep）和計算實體幾何法（CSG）。具體過程如下：

1）建立一個用來繪制大衛(wèi)三角形的背景圖形區(qū)域。該區(qū)域為一個長度為l 的正方形。

2）大衛(wèi)三角形場景幾何描述見圖4。指定上述圖形繪制區(qū)域的左上點坐標(biāo)為（0，0），大衛(wèi)三角形建立在繪圖區(qū)域正中間，即三角形最上面的點與繪圖區(qū)域的距離和三角形底邊與繪圖區(qū)域的底邊距離相等都為d。在此基礎(chǔ)計算邊界表示法所需參數(shù)。由于大衛(wèi)三角形是平面圖，只需要計算出各頂點表，然后確定各故障區(qū)域的邊表即可描述整個大衛(wèi)三角形。各區(qū)域處理方法相同，以D1 區(qū)（低能放電區(qū)）為例進(jìn)行計算，D1 區(qū)頂點表計算見表2，邊表見表3。

3）根據(jù)頂點表和邊表繪制區(qū)域輪廓，并進(jìn)行顏色渲染。

4）進(jìn)行刻度繪制和標(biāo)識繪制。

5）故障點映射。DGA 裝置每做一次油氣分析產(chǎn)生一組油中溶解氣體濃度值，挑選CH4、C2H4和C2H2濃度值，根據(jù)式（1）至式（3）計算得到CH4%、C2H4%和C2H2%，形成一組坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)將故障點映射到大衛(wèi)三角形場景中。由圖4可知，大衛(wèi)三角形中任意一點p通過變換有px=x′，py=y′，pz=z′，即在大衛(wèi)三角形中選擇CH4%、C2H4%和C2H2%中任意兩個參數(shù)可以確定點的位置。本文選擇C2H4%和C2H2%進(jìn)行故障點定位。

表2 大衛(wèi)三角形頂點表

表3 D1 區(qū)域邊表

3 軟件實現(xiàn)及驗證

3.1 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型部分用Java 語言進(jìn)行開發(fā)，整體框架選用 Spring 3.2.3，數(shù)據(jù)庫操作部分選用Hibernate 3.0，動態(tài)頁面設(shè)計選用JSP2.3。系統(tǒng)實現(xiàn)的主體部分如下：

1）定義配置文件

配置Web 部署文件（web.xml），利用Spring MVC 的DispatcherServlet 來進(jìn)行請求分派。將*.htm類型請求映射到Controller 上。所有*.htm 請求由DispatcherServlet 進(jìn)行分發(fā)處理。在 dispatcher- servlet.xml 文件中配置InternalResourceViewResolver進(jìn)行視圖解析。

2）視圖設(shè)計

視圖部分由 davidFrame.jsp、davidList.jsp 和davidShape.jsp 等幾個.jsp 文件組成。在jsp 頁面上定義toDavidList. htm 和davidImage.htm 等URL 請求。davidList.htm 用于請求DGA 原始數(shù)據(jù)模型；davidImage.htm 用于請求診斷后的數(shù)據(jù)模型。

3）控制設(shè)計

設(shè)計一個POJO 類DialogController，通過Spring提供的注解標(biāo)注@Controller 將該類變成 Spring MVC 的控制器。該類負(fù)責(zé)診斷邏輯之間的映射。在類中設(shè)計返回ModelAndView 類的方法davidImage()，利用@RequestMapping 注解davidImage.htm 請求和該方法之間映射關(guān)系。

4）診斷數(shù)據(jù)模型設(shè)計

診斷模型由以下類構(gòu)成：

（1）DavidTriangle——大衛(wèi)三角形診斷算法類。該類完成圖4圖形模型的實現(xiàn)。主要功能為繪制大衛(wèi)三角形和故障區(qū)域邊界；給不同的故障區(qū)域填充不同顏色，并標(biāo)上區(qū)域編碼D1、T1 和T2 等；繪制三邊的刻度，標(biāo)上刻度值和坐標(biāo)標(biāo)識；繪制區(qū)域示例圖；提供故障點繪制接口。將最終的數(shù)據(jù)以ImageIO 流輸出至視圖。

（2）GasDao 和Gas——數(shù)據(jù)庫操作相關(guān)類。Gas 類注解為domain 對象，用來映射數(shù)據(jù)庫中的gas表；GasDao 訪問Gas 的Dao。兩者都采用注解配置的方式定義成Spring 的Bean。

（3）DailogService——業(yè)務(wù)接口類。通過@Service注解標(biāo)注為服務(wù)層的Bean，提供與數(shù)據(jù)庫操作相關(guān)的業(yè)務(wù)接口。

軟件主要流程如圖5所示，用戶通過登錄認(rèn)證后進(jìn)入davidFrame 頁面，通過頁面發(fā)出toDavidList請求，控制器DialogController 調(diào)用數(shù)據(jù)請求邏輯獲取原始DGA 數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)返回至davidFrame 頁面；從頁面發(fā)出變壓器診斷請求davidDo，DialogController 調(diào)用診斷業(yè)務(wù)邏輯處理類DavidTriangle 獲取診斷后的數(shù)據(jù)模型，然后將數(shù)據(jù)填充至視圖中，返回最終的診斷可視化視圖在瀏覽器中展示。

圖5 診斷流程示意圖

3.2 應(yīng)用效果

在系統(tǒng)開發(fā)期間，使用變壓器實際檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷效果驗證，結(jié)果見表4。系統(tǒng)運行表明遠(yuǎn)程診斷結(jié)果與實際檢修結(jié)論一致較好。其中第一組數(shù)據(jù)診斷效果圖如圖6所示。

表4 驗證數(shù)據(jù)表

系統(tǒng)在變電站實際運行中接入兩臺DGA 裝置。系統(tǒng)運行半年以來，運行穩(wěn)定，診斷響應(yīng)時間在5s以內(nèi)，滿足實際應(yīng)用需求。

圖6 系統(tǒng)執(zhí)行效果圖

4 結(jié)論

本文提出了一種變壓器遠(yuǎn)程可視化診斷構(gòu)想，并基于大衛(wèi)三角形算法，對變壓器遠(yuǎn)程可視化診斷系統(tǒng)的設(shè)計方案和具體實現(xiàn)進(jìn)行了研究和探索。實際運行證明，可視化技術(shù)可以將抽象數(shù)據(jù)形象化， 有助于運行人員更直觀的發(fā)現(xiàn)問題，提高設(shè)備維護(hù)效率；同時基于Spring 框架實現(xiàn)的遠(yuǎn)程診斷技術(shù)能有效減少運行人員的巡視次數(shù)，節(jié)省設(shè)備運行維護(hù)的人力物力。

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