張 偉，鄭仕軒，江鈺韜，張豪俊，常 艷

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，陜西 西安 710077）

近年來，隨著電力行業(yè)的快速轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)逐漸優(yōu)化延伸到了對各類設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與管理層面，旨在全面推動電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。以變電站一次設(shè)備為例，它在變電站運行效率與效益方面發(fā)揮著重大作用，電力企業(yè)通過研發(fā)設(shè)計具有在線數(shù)據(jù)診斷與監(jiān)測功能的系統(tǒng)，不僅可保障一次設(shè)備安全穩(wěn)定運行，也能確保變電站運行效率效益方面發(fā)揮重大作用，滿足中國工業(yè)生產(chǎn)與生活用電需求。

1 變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測類型

變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測主要圍繞油色譜、局部放電、容性設(shè)備、SF6設(shè)備氣體，以及開關(guān)柜溫度等展開，由此也形成了多種類型的在線監(jiān)測類型。實踐經(jīng)驗表明，在對一次設(shè)備進行在線監(jiān)測時，多數(shù)變電站都采用了適配性較高的傳感器，通過傳感器—通信接口—數(shù)據(jù)中心分析的基本思路進行實踐，分述如下。

1.1 以開關(guān)柜溫度為例

該方面的在線監(jiān)測主要以表面波傳感器為主，具有無線、無源特征，因此在應(yīng)用時不僅能對開關(guān)柜內(nèi)部各類元器件進行有效監(jiān)測，而且不受障礙物、被測量部件被絕緣封閉、包裹或遮擋以及外界光、熱等影響，監(jiān)測效果良好[1]。

1.2 以SF6設(shè)備氣體為例

受局部放電和電弧放電的影響，SF6氣體通過一系列的化學反應(yīng)會生成不同的組分。在對其分解物實施檢測時，一般以電解質(zhì)傳感器、化學氣敏元件為主，前一種方法能夠?qū)F6設(shè)備運行狀態(tài)進行明確監(jiān)測，后一種方法則能通過對不同分子結(jié)構(gòu)的選擇性俘獲，以及對電參數(shù)變化特征的抓取，確保對其氣體監(jiān)測的有效性。

1.3 以特高頻局放為例

一次設(shè)備在使用時會出現(xiàn)局部放電的情況，這種情況的出現(xiàn)往往伴隨著熱輻射、電磁輻射等現(xiàn)象。在進行監(jiān)測時通常選擇耦合傳感器，對其中的電磁波進行監(jiān)測。尤其是在SF6氣體擊穿場強高、絕緣強度較大的情況下，此時，雖然特高頻段電磁波在設(shè)備接地金屬位置被屏蔽，但依然會通過絕緣盆子與瓷瓶。所以，采用該方法能夠較好地對電磁波脈沖信號進行記錄并對其中的幅值進行專業(yè)分析，進而診斷出故障類型，提供相應(yīng)的處理依據(jù)等。

1.4 其他在線監(jiān)測類型

除以上3 種變電一次設(shè)備在線監(jiān)測類型之外，變電系統(tǒng)的斷路裝置機械特性的在線監(jiān)測，能夠為變電系統(tǒng)提供不同的監(jiān)測角度，并通過對儲能電機設(shè)備與時間性的數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，使變電系統(tǒng)的運行狀態(tài)獲得有效管理。同時，現(xiàn)代變電一次設(shè)備中各類設(shè)備之間的兼容性相對增加，需要對它進行在線監(jiān)測。例如，監(jiān)測電容屏分壓絕緣裝置中的絕緣熱性時，可以結(jié)合傳感裝置的設(shè)置，對絕緣屏末端電流進行數(shù)據(jù)采集，并對獲取的數(shù)據(jù)與母線端電壓數(shù)據(jù)進行比較分析，更為客觀地了解一次設(shè)備的運行狀態(tài)。尤其在一次設(shè)備運行中的電容、介質(zhì)損耗方面，能夠通過針對性監(jiān)測實現(xiàn)預期監(jiān)測目標。

2 一次設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測與評估的對象相對較多，具體包括變壓器設(shè)備、斷路器設(shè)備、避雷器設(shè)備等。監(jiān)測與評估的目標十分明確，旨在實現(xiàn)快速預警、精準診斷、有效分析、數(shù)據(jù)共享，確保運維管理人員可以依據(jù)系統(tǒng)診斷時生成的故障類型、位置、處理方式等數(shù)據(jù)，減少故障查找時間、提高故障處理效率。目前多數(shù)變電站設(shè)計的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)構(gòu)成要素相對較多。首先，設(shè)備層主要包括變壓器智能組件、斷路器智能組件、避雷器智能組件；其次，通過IEC 61850 裝置將它與在線監(jiān)測模塊進行關(guān)聯(lián)；最后，基于Linux 的監(jiān)控信息一體化平臺根據(jù)Windows 系統(tǒng)設(shè)置中的接口程序、實時/歷史數(shù)據(jù)庫，通過對IEC 60870-5-104 與IEC 61850 等配套裝置進行全面關(guān)聯(lián)，保障該系統(tǒng)有效運用。一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)接口

一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接口包括2 種類型，一種是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，另一種是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。在前一種類型下，監(jiān)測對象為高壓，旨在讀取帶電的監(jiān)測數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化特征并將它存儲至實時/歷史數(shù)據(jù)庫中。在后一種類型下，可以選擇與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口設(shè)計相同的辦法進行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)接口設(shè)計，其功能主要集中在系統(tǒng)模式和智能化電力設(shè)備的信息交互方面。簡單來講，通過接口程序設(shè)置能夠使傳感器上傳的數(shù)據(jù)通過接口程序?qū)崟r上傳到數(shù)據(jù)庫，并將它作為基礎(chǔ)完成對一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、提取、存儲、監(jiān)測，然后生成分析報告并利用分析報告開展運維管理等。

2.3 數(shù)據(jù)處理

一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理包括從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)應(yīng)用各環(huán)節(jié)。以數(shù)據(jù)錄入為例，重點集中在對歷史數(shù)據(jù)的整理和重用方面，并且要求對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時更新，從而保障待處理數(shù)據(jù)的有效性與精準性[1]。以數(shù)據(jù)存儲周期為例，在應(yīng)用系統(tǒng)時會生成大量數(shù)據(jù)，存儲時間過短不能達到利用效果，存儲時間過長又會拖慢系統(tǒng)運行效率。通常情況下，需要變電站根據(jù)實際的一次設(shè)備運行情況選擇合適的存儲周期。以數(shù)據(jù)預處理為例，該環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，數(shù)據(jù)預處理精準度的高低直接與后續(xù)運維檢修中數(shù)據(jù)應(yīng)用效果相關(guān)聯(lián)。具體流程如下：采集變電站一次設(shè)備運行狀態(tài)信息，對數(shù)據(jù)實施智能清洗，運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成數(shù)據(jù)集成處理，實施數(shù)據(jù)變換，完成數(shù)據(jù)規(guī)約化處理，進行數(shù)據(jù)存儲與分析診斷。

2.4 設(shè)備工作情況的評估技術(shù)分析

在變電站一次設(shè)備運行過程中容易發(fā)生相關(guān)指標超標的情況，應(yīng)用該系統(tǒng)后可以較好地根據(jù)數(shù)據(jù)診斷結(jié)果進行預警，并利用多元數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)處理方式開展綜合評價。可是，在這種情況下只能達到預期的監(jiān)測目標，并不能讓整個在線監(jiān)測為一次設(shè)備的管理與狀態(tài)管控提供有效支持。因此，在該設(shè)計工作完成后，可以進一步增加人工智能技術(shù)的應(yīng)用次數(shù)，利用深度學習與專家系統(tǒng)，達到對多元數(shù)據(jù)的自動采集、綜合分析、智能診斷目標，進而通過智能化診斷提高數(shù)據(jù)診斷效果，同時利用可視化軟件的仿真功能，為后續(xù)的運維檢測策略優(yōu)化提供有效支持[2]。

以診斷數(shù)據(jù)應(yīng)用為例，將數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)導入到三維軟件，可以搭建適用于一次設(shè)備的模型，然后根據(jù)不同設(shè)備模型之間的關(guān)聯(lián)性，利用內(nèi)在共享推動數(shù)據(jù)交互。具體過程如下：①先將變電站一次設(shè)備的CAD 規(guī)劃圖、設(shè)計圖、施工圖導入到Revit 軟件中建立模型；②通過該軟件中的“族庫”設(shè)置功能，對母線、互感器、電容器、電抗器、斷路器、變壓器等、隔離開關(guān)等進行族模型設(shè)置，具體操作時只將相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)錄入族數(shù)據(jù)表單中，即可生成明細表，然后根據(jù)明細表直接導出族模型，即可以得到不同設(shè)備的模型；③為不同的設(shè)備進行ID 設(shè)置，通過狀態(tài)、型號、類型、功能、監(jiān)測內(nèi)容等，使不同的設(shè)備之間形成關(guān)聯(lián)，建立全站3D 模型；④利用IFC 數(shù)據(jù)庫、XML 數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)共享開展數(shù)據(jù)交流，提高數(shù)據(jù)訪問的便捷性與實時性；⑤將全站3D 模型導入到Navisworks軟件，利用該軟件中的可視化模型功能，對全站的運行情況進行4D 動畫分析，檢驗各設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)是否存在問題，并利用碰撞檢查功能查看各連接位置的實際情況，確認無誤后，將3D 模型中數(shù)據(jù)庫存與Project進度管理進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對一次設(shè)備運行進度的全面系統(tǒng)監(jiān)測；⑥將診斷數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)庫預設(shè)的標準指標參數(shù)之間形成對比，當診斷數(shù)據(jù)顯示有異常時，專家系統(tǒng)會將異常數(shù)據(jù)與故障范例庫中的數(shù)據(jù)進行自動比對，并對故障情況、故障位置、故障類型等進行評價，生成報表后將它直接發(fā)送給設(shè)備運維管理人員。

3 一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的運維檢修策略

在該系統(tǒng)下一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的運維檢修中，實際上形成了“在線智能監(jiān)測+現(xiàn)場故障處理”模式，但是，對于未發(fā)生過的故障，此系統(tǒng)并不能給出精準預判，因此，應(yīng)結(jié)合實際情況增強技術(shù)應(yīng)用與管理開發(fā)，具體建議如下。

3.1 增強技術(shù)應(yīng)用，提高運維檢修水平

對一次設(shè)備進行監(jiān)測與評估時，風險管理十分重要。由于該系統(tǒng)突出了數(shù)字化管理特征，可以借助標準化數(shù)據(jù)對其中的風險進行量化處理，從而提高風險系數(shù)評估的合理性。實踐經(jīng)驗表明，當前檢修一次設(shè)備運維時，故障診斷主要依據(jù)已發(fā)生的故障，借助“故障范例庫”完成故障數(shù)據(jù)診斷與分析，可是，對于未發(fā)過的故障、突發(fā)性故障的診斷相對不足[3]。因此，需要在新時期加強對這方面的運維檢修。尤其在設(shè)備運行中存在一定的損耗，此時應(yīng)增加磨損風險評估。其次，在一次設(shè)備運行中部分故障可以通過在線故障處理的方式，借助數(shù)據(jù)分析的方式，利用開關(guān)功能有效解決問題。而部分故障屬于停運故障，此時可能會對變電站所在區(qū)域的電力系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，此時應(yīng)該增加對停運故障的風險評估，進而提高運維檢修水平。

3.2 增強管理開發(fā)，擴增運維檢修效用

對變電站一次設(shè)備進行運維檢修時，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計中的設(shè)備層，針對變壓器、斷路器、避雷器，以及隔離開關(guān)等開展檢修活動。以變壓器為例，在檢修時可以根據(jù)系統(tǒng)提供的運行數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析的方式對比歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)，從而通過數(shù)據(jù)變化情況對異常數(shù)據(jù)進行抓取，對潛在故障隱患進行排查。利用超聲探頭工具與在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以較好地對放電響動是否存在異常情況進行檢查，進而精準了解變壓器的絕緣性能。同時，可以利用紅外線溫度監(jiān)測儀對油溫、油質(zhì)、油面標線等進行檢修。在具備良好的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)與數(shù)據(jù)分析條件下，可以利用人工智能技術(shù)設(shè)置專家系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)診斷效率。另外，該系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在PC 端，為了保障數(shù)據(jù)中心管理與移動客戶端管理的實時交互，有必要配套開發(fā)以智能手機為載體的應(yīng)用程序，從而保障運維檢修員查詢或利用系統(tǒng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

總之，在電力系統(tǒng)智能化水平越來越高的情況下，需要增強變對電站一次設(shè)備的數(shù)字化管理。通過以上初步分析可以看出，對一次設(shè)備進行在線監(jiān)測時的對象相對較多，由此形成了不同的監(jiān)測類型。因此，在研發(fā)設(shè)計數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)時，需要以監(jiān)測對象為主，選擇適配性較高的傳感器，并結(jié)合常用的Linux 平臺與Windows 系統(tǒng)及數(shù)字化技術(shù)等建立一體化數(shù)據(jù)診斷及運維檢查平臺。建議在實踐中盡可能選擇先進技術(shù)，提高系統(tǒng)的智能化水平。