[摘 要]文章以陜西省某變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)工程為例，探索了變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，該功能應(yīng)用后，相較于傳統(tǒng)手動(dòng)巡檢，系統(tǒng)診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了98.7%，智能監(jiān)控系統(tǒng)在3 s內(nèi)可完成故障預(yù)警與分析，同時(shí)，在高溫、高濕和強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣條件下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延遲保持在10 ms以內(nèi)，且無(wú)明顯掉線情況。由此可見，系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性均符合開發(fā)需求，可為變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提升相應(yīng)故障診斷水平。

[關(guān)鍵詞]變電站；智能監(jiān)控系統(tǒng)；故障診斷

[中圖分類號(hào)]TP277 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0111–03

Application Analysis of Fault Diagnosis in Intelligent Monitoring System of Substation

ZHANG Xinyuan，PAN Shuyang

[Abstract]This article takes the construction project of an intelligent monitoring system for a substation in Shaanxi Province as an example to explore the design， development， and application effects of the fault diagnosis function of the substation intelligent monitoring system. The research results show that after the application of this function， compared with traditional manual inspection， the system diagnosis accuracy has reached 98.7%. The intelligent monitoring system can complete fault warning and analysis within 3 seconds. At the same time， under adverse weather conditions such as high temperature， high humidity， and strong winds， the system data transmission delay remains within 10 milliseconds， and there is no obvious disconnection of the system. From this， it can be seen that the system performance and stability meet the development requirements， which can improve the corresponding fault diagnosis level for the construction of intelligent monitoring systems in substations.

[Keywords]substation； intelligent monitoring system； fault diagnosis

1 工程概況

陜西省某變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)工程位于陜西省西安市郊區(qū)，屬于110 kV級(jí)電壓等級(jí)的中型變電站，主要負(fù)責(zé)該地區(qū)重要工業(yè)區(qū)和居民區(qū)的電力供應(yīng)。該變電站占地面積約20 000m2，整體設(shè)施包括兩臺(tái)主變壓器，總?cè)萘繛?20 MVA，分別為60 MVA的SFP10-60/110型變壓器，主要變電設(shè)備還包括3套110 kV電力線路及其附屬設(shè)備。本次工程的核心目標(biāo)是對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)，提高設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力、故障診斷準(zhǔn)確性和運(yùn)維效率。工程的智能監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了變壓器、開關(guān)柜、電容器等關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括監(jiān)控設(shè)備的布設(shè)、數(shù)據(jù)采集終端的安裝、智能分析平臺(tái)的開發(fā)及硬件設(shè)備的升級(jí)等。整體工程設(shè)計(jì)遵循國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》和GB/T 2887—2011《計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》，并結(jié)合當(dāng)?shù)仉娏\(yùn)行實(shí)際情況進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。工程施工過程中，所有設(shè)備均通過了嚴(yán)格的調(diào)試和測(cè)試，確保系統(tǒng)在惡劣的氣候條件下仍能正常運(yùn)行。

2 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的智能化監(jiān)控及故障診斷，智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)階段重點(diǎn)包括系統(tǒng)架構(gòu)的搭建、硬件設(shè)備的選擇、數(shù)據(jù)采集和傳輸機(jī)制的設(shè)計(jì)，以及故障診斷算法的開發(fā)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該智能監(jiān)控系統(tǒng)（圖1）由4個(gè)主要模塊組成，即監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、智能診斷模塊及人機(jī)交互模塊，各模塊的具體設(shè)計(jì)如下。

（1）監(jiān)控模塊。系統(tǒng)配備了10臺(tái)智能終端設(shè)備，分別布置于變電站的不同區(qū)域，覆蓋了關(guān)鍵設(shè)備，包括兩臺(tái)主變壓器、3組開關(guān)柜、兩組電容器組及3條110 kV高壓線路。每臺(tái)智能終端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備的電氣參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。智能終端設(shè)備選用的是SNT-200型在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備具備在線監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度及其他相關(guān)物理參數(shù)的功能。每個(gè)終端支持5路模擬輸入和2路數(shù)字輸入，用于接入傳感器數(shù)據(jù)，且具備24 h不間斷運(yùn)行能力，能確保持續(xù)的數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采用了多種高精度傳感器，其中，電流傳感器型號(hào)為CT-500，主要用于監(jiān)測(cè)變壓器繞組電流和開關(guān)柜電流，測(cè)量范圍為0～500 A，精度為±0.2%。電壓傳感器的型號(hào)VT-1100，主要用于檢測(cè)高壓線路和開關(guān)設(shè)備的電壓，測(cè)量范圍為0～110 kV，精度為±0.3%。溫度傳感器的型號(hào)為WTK-200，主要安裝在變壓器、開關(guān)柜和電容器組內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)這些設(shè)備的工作溫度，測(cè)量范圍為–40～+120℃，精度為±0.5℃。數(shù)據(jù)采集終端選用的是WDK-101型采集器，采集頻率為1 kHz，每秒可采集1 000次數(shù)據(jù)，能夠充分捕捉設(shè)備運(yùn)行中的突發(fā)異常。

（3）智能診斷模塊。智能診斷模塊設(shè)計(jì)主要基于支持向量機(jī)（SVM）算法進(jìn)行的故障分析過程。該模塊集成在ARM Cortex-A9處理器中，處理能力為1.2 GHz，可高效地進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種常見故障的自動(dòng)診斷功能，包括繞組故障、短路故障、過熱故障等。診斷模塊通過對(duì)比采集數(shù)據(jù)與歷史正常運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別異常模式，并進(jìn)行預(yù)警。該診斷模塊還具備學(xué)習(xí)能力，可通過逐步積累的故障數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化診斷算法。

（4）人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)主要基于Web界面和專用移動(dòng)端應(yīng)用，運(yùn)維人員可通過智能終端或電腦訪問監(jiān)控系統(tǒng)。人機(jī)交互界面能夠顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、故障分析報(bào)告及維護(hù)建議。每次故障預(yù)警和診斷結(jié)果均會(huì)生成詳細(xì)的報(bào)告，報(bào)告會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)維人員的移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與運(yùn)維功能。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸機(jī)制

為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定采集和傳輸設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，本次設(shè)計(jì)采用了高精度、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸機(jī)制。

（1）傳感器布局。數(shù)據(jù)采集終端安裝在變壓器、開關(guān)柜、110 kV電力線路和電容器組等關(guān)鍵設(shè)備附近。每個(gè)采集終端與傳感器通過RS485總線連接，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的距離約為50 m以內(nèi)，確保信號(hào)衰減最小。

（2）數(shù)據(jù)采集頻率。采集頻率設(shè)定為1kHz，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的電氣參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)。高頻數(shù)據(jù)采集能夠捕捉設(shè)備在故障前的細(xì)微異常變化，便于提前預(yù)警。

（3）數(shù)據(jù)傳輸方式。系統(tǒng)采用了光纖通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集與傳輸機(jī)制如圖2所示。采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)加密處理后，通過雙向光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央監(jiān)控室，傳輸速度可達(dá)1Gbps，數(shù)據(jù)傳輸延遲小于10 ms，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)性與完整性。為了應(yīng)對(duì)可能的數(shù)據(jù)傳輸中斷，系統(tǒng)設(shè)置了多層數(shù)據(jù)冗余機(jī)制，每臺(tái)終端都配有本地存儲(chǔ)功能，即使通信鏈路中斷，數(shù)據(jù)依然可本地存儲(chǔ)并在通信恢復(fù)后自動(dòng)上傳。

2.3 故障診斷算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的故障診斷模塊設(shè)計(jì)主要以SVM算法為核心，通過歷史數(shù)據(jù)的積累與分析，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的故障檢測(cè)與診斷過程。故障診斷模塊運(yùn)行流程如圖3所示。

（1）故障識(shí)別流程。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊捕捉到設(shè)備的電流、電壓、溫度等參數(shù)異常時(shí)，數(shù)據(jù)將被傳送至診斷模塊。診斷模塊首先通過閾值法進(jìn)行初步篩選，排除正常波動(dòng)數(shù)據(jù)。接著，系統(tǒng)會(huì)對(duì)比當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，提取異常特征。然后，利用SVM算法進(jìn)行模式分類，判斷故障類型，如繞組故障、短路故障、過熱故障等。

（2）模糊邏輯分析。為了提高診斷的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)還引入了模糊邏輯分析，通過對(duì)多個(gè)變量的綜合評(píng)估，系統(tǒng)能夠?qū)收系膰?yán)重程度進(jìn)行分類，提供更詳細(xì)的診斷報(bào)告和處理建議。

（3）性能指標(biāo)。為了確保系統(tǒng)能夠可靠地識(shí)別變電站設(shè)備的常見故障，設(shè)計(jì)要求故障診斷的準(zhǔn)確率不低于98%。通過支持向量機(jī)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，該系統(tǒng)應(yīng)能有效減少誤判，尤其是短路和繞組故障的識(shí)別精度要求更高，必須達(dá)到或超過97%。為避免因誤報(bào)導(dǎo)致的運(yùn)維干擾，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求誤報(bào)率應(yīng)控制在1.5%以內(nèi)。誤報(bào)率低能夠確保系統(tǒng)只在設(shè)備真正異常時(shí)發(fā)出預(yù)警，減少不必要的運(yùn)維操作。故障預(yù)警和診斷分析的響應(yīng)時(shí)間是確保設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，故障預(yù)警的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在3 s以內(nèi)，從數(shù)據(jù)異常檢測(cè)到生成初步診斷報(bào)告的時(shí)間不得超過這一范圍。這一響應(yīng)速度能夠最大限度地減少設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在短路或過熱等快速發(fā)展故障的情況下，及時(shí)預(yù)警至關(guān)重要。

3 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)部署與集成

在智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際部署過程中，遵循模塊化和分布式施工原則，并針對(duì)變電站的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件制訂了詳細(xì)的施工方案。在數(shù)據(jù)采集終端的部署安裝中，需要在變電站的各關(guān)鍵區(qū)域（如兩個(gè)變壓器室、1個(gè)開關(guān)柜室、1個(gè)電容器陣列區(qū)），共計(jì)安裝12臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端。每個(gè)采集終端安裝在經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的位置，確保采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。采集終端的安裝高度根據(jù)設(shè)備種類不同略有調(diào)整。例如，變壓器區(qū)域的數(shù)據(jù)采集終端安裝在1.5 m的高度，以方便監(jiān)控外殼溫度和電流數(shù)據(jù)；開關(guān)柜室內(nèi)的采集設(shè)備位于開關(guān)柜上方2 m的位置。所有終端設(shè)備通過防護(hù)等級(jí)為IP67的專用光纖電纜連接至中央控制室，光纖布線采用地下管道敷設(shè)方式，確保電纜免受外界環(huán)境的影響。單次布線距離最長(zhǎng)達(dá)150 m，光纜通過嚴(yán)密的保護(hù)管道傳輸，防止電磁干擾。在中央控制室設(shè)備的安裝中，服務(wù)器集群、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在中央控制室安裝時(shí)，需要依據(jù)設(shè)備散熱要求、供電情況等進(jìn)行合理布局，控制室內(nèi)的服務(wù)器機(jī)架需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的42U高度，服務(wù)器與硬盤陣列需要配置雙冗余電源，每臺(tái)設(shè)備的供電線路需要采用獨(dú)立供電回路，防止供電故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)損失或系統(tǒng)停機(jī)。為了保障服務(wù)器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，中央控制室需要安裝兩臺(tái)5P空調(diào)，并設(shè)有24 h運(yùn)轉(zhuǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)。此外，服務(wù)器房間的門窗需要采用防塵密封設(shè)計(jì)，確保設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 故障診斷流程

在系統(tǒng)的故障診斷應(yīng)用中，各類設(shè)備的監(jiān)控、故障識(shí)別、數(shù)據(jù)上傳與響應(yīng)流程嚴(yán)格按照預(yù)定的操作步驟進(jìn)行。在異常檢測(cè)與處理中，傳感器在設(shè)備檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常后，會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)通過LED指示燈提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員，同時(shí)通過光纖將異常數(shù)據(jù)上傳至中央控制室的智能分析平臺(tái)。故障數(shù)據(jù)上傳后，診斷模塊自動(dòng)啟動(dòng)，利用已部署的SVM算法進(jìn)行對(duì)比分析，并將診斷結(jié)果反饋至運(yùn)維人員的移動(dòng)終端。調(diào)試時(shí)，故障識(shí)別流程的整體響應(yīng)時(shí)間經(jīng)過多次測(cè)試，平均響應(yīng)時(shí)間控制在3 s以內(nèi)。系統(tǒng)中配置了多種報(bào)警方式，包括聲光報(bào)警器以及短信、電話通知。實(shí)際測(cè)試中，聲光報(bào)警器的響應(yīng)時(shí)間控制在1 s以內(nèi)，能夠及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)故障情況作出初步處理。通過短信或電話通知功能，運(yùn)維人員會(huì)收到詳細(xì)的故障報(bào)告，包括故障類型、數(shù)據(jù)異常點(diǎn)、發(fā)生時(shí)間等。每條故障報(bào)告約為200字節(jié)，通過短信發(fā)送的時(shí)間不超過2 s。系統(tǒng)在故障發(fā)生后，自動(dòng)生成維護(hù)工單并上傳至運(yùn)維管理系統(tǒng)，工單內(nèi)容包括故障類型、維修建議及建議的處理時(shí)限。運(yùn)維人員可通過管理系統(tǒng)的移動(dòng)終端查看工單詳情，進(jìn)行維修調(diào)度。施工后調(diào)試階段，工單生成的測(cè)試時(shí)間需要控制約為5 s，才能符合項(xiàng)目要求。

4 故障診斷效果分析

4.1 故障診斷準(zhǔn)確率分析

經(jīng)過6個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試，該智能監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷功能表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。通過對(duì)比手動(dòng)診斷與智能診斷的故障檢測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了98.7%，其中短路故障、繞組故障的診斷準(zhǔn)確率分別為99.1%和97.8%。相較于傳統(tǒng)手動(dòng)檢測(cè)方式，智能系統(tǒng)顯著減少了故障漏報(bào)和誤報(bào)的情況。

4.2 故障處理時(shí)間分析

智能系統(tǒng)的應(yīng)用極大地縮短了故障處理的時(shí)間。傳統(tǒng)手動(dòng)巡檢發(fā)現(xiàn)故障的平均時(shí)間為15 min，而智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠在3 s內(nèi)完成故障預(yù)警與分析，極大地減少了設(shè)備停機(jī)時(shí)間。以一次典型的繞組故障為例，智能系統(tǒng)在故障發(fā)生的0.5 s內(nèi)檢測(cè)到了異常，成功避免了更嚴(yán)重的設(shè)備損壞。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在高溫、高濕和強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定性依然表現(xiàn)良好。經(jīng)過多次模擬極端天氣測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸延遲保持在10 ms以內(nèi)，系統(tǒng)無(wú)明顯掉線情況，且故障診斷功能依然能在惡劣條件下正常運(yùn)行，確保了變電站的持續(xù)安全運(yùn)維。

5 結(jié)束語(yǔ)

陜西省某變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能的應(yīng)用，大幅提升了變電站的運(yùn)行安全性和運(yùn)維效率。通過支持向量機(jī)算法的引入，系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)、快速地識(shí)別常見設(shè)備故障，并提供有效的維護(hù)建議。實(shí)際應(yīng)用效果表明，智能監(jiān)控系統(tǒng)在故障診斷的準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可為變電站的智能化運(yùn)維奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)，可考慮進(jìn)一步優(yōu)化算法，提升其復(fù)雜故障的診斷能力。

參考文獻(xiàn)

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