國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司句容市供電分公司 張亞茹 譚思佳

1 物聯(lián)網(wǎng)與SCADA 技術(shù)在變電站運(yùn)維中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)和SCADA 技術(shù)在變電站運(yùn)維中有廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。通過物聯(lián)網(wǎng)的連接，變電站設(shè)備的狀態(tài)、溫度、濕度、電流等信息可以被快速、準(zhǔn)確地獲取和傳輸至運(yùn)維中心[1]。

綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)與SCADA 技術(shù)的變電站運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如下。第一，數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)，可以優(yōu)化運(yùn)維策略，提高設(shè)備的可靠性和運(yùn)行效率。第二，遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，減少了人工巡檢和維護(hù)所需的時(shí)間和成本。第三，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速響應(yīng)能力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備異常情況，減少停電或設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2 變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知技術(shù)

2.1 變電站傳感器的種類與選擇依據(jù)

在變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知技術(shù)中，根據(jù)需要獲取的數(shù)據(jù)類型和監(jiān)測(cè)范圍，常用的傳感器種類包括溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、振動(dòng)傳感器等[3]。選取合適的傳感器應(yīng)考慮其精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、成本，以及適應(yīng)環(huán)境等因素。具體選擇依據(jù)見表1。

表1 變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知技術(shù)的選擇依據(jù)

根據(jù)變電站運(yùn)維的需求和設(shè)備特點(diǎn)，溫度傳感器可以幫助監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱情況，預(yù)防設(shè)備損壞。濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度，避免設(shè)備在潮濕環(huán)境下受損。電流傳感器能夠測(cè)量設(shè)備的電流變化，幫助監(jiān)測(cè)異常情況并采取適當(dāng)?shù)拇胧?。電壓傳感器用于測(cè)量供電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)，為設(shè)備提供穩(wěn)定供電，并避免過高或過低的電壓對(duì)設(shè)備造成損壞。振動(dòng)傳感器可以檢測(cè)設(shè)備振動(dòng)情況，提前預(yù)警可能發(fā)生的故障，并降低設(shè)備的損害風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)于變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知技術(shù)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)需要考慮數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇：選擇高品質(zhì)、高可靠性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)的精確讀取和采集；數(shù)據(jù)采集通道與接口：根據(jù)傳感器的種類和數(shù)量，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道和接口，確保設(shè)備數(shù)據(jù)的有效采集和傳輸；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理：選用適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)介質(zhì)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲(chǔ)和處理，以便后續(xù)分析和決策支持；精度校準(zhǔn)與校驗(yàn)：定期對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行精度校準(zhǔn)和校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性[4]。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)的部署與網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)建

第一，部署位置的選擇。根據(jù)變電站的布局和設(shè)備特點(diǎn)，合理選擇傳感器安裝位置，以保證對(duì)變電站設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)和感知。第二，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸通道，以及運(yùn)維中心等組成部分[5]。

3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

3.1 變電站數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量評(píng)估算法研究

對(duì)于采集到的變電站數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行處理和質(zhì)量評(píng)估，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。常見的算法和方法包含數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、質(zhì)量評(píng)估。數(shù)據(jù)清洗：去除異常值、缺失值和重復(fù)值，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)插補(bǔ)：對(duì)于缺失的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)，以填充缺失的數(shù)值，使數(shù)據(jù)連續(xù)并適合后續(xù)分析。其插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)公式為：γ（t）＝F（t）＋ε。γ（t）表示在時(shí)間t上填補(bǔ)后的數(shù)據(jù)值，也即缺失數(shù)據(jù)的估計(jì)值。F（t）代表基于其他數(shù)據(jù)或模型得到的預(yù)測(cè)值，用來估計(jì)缺失的數(shù)據(jù)。這個(gè)預(yù)測(cè)過程可以基于時(shí)間序列分析、回歸模型等方法來進(jìn)行。ε是一個(gè)服從某種概率分布的隨機(jī)誤差項(xiàng)，用來模擬實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值之間的誤差或噪聲。

通過將預(yù)測(cè)值和隨機(jī)誤差相結(jié)合，插補(bǔ)算法可以盡可能地還原數(shù)據(jù)的真實(shí)情況，并控制預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的偏差。數(shù)據(jù)校驗(yàn)：通過統(tǒng)計(jì)分析方法和規(guī)則驗(yàn)證數(shù)據(jù)的一致性和合理性，例如范圍檢測(cè)、差值檢驗(yàn)等。質(zhì)量評(píng)估：運(yùn)用量化指標(biāo)評(píng)估數(shù)據(jù)的質(zhì)量，比如數(shù)據(jù)精度、時(shí)效性、完整性、一致性等。

3.2 運(yùn)維數(shù)據(jù)異常檢測(cè)和故障預(yù)警方法

常用的異常檢測(cè)和故障預(yù)警方法有基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征和模型，通過設(shè)定閾值或者建立異常檢測(cè)模型，來識(shí)別異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，異常值判定公式為：∣χ（t）－μ∣＞kσ。∣χ（t）－μ∣表示一個(gè)觀測(cè)值χ（t）與數(shù)據(jù)的均值μ之間的絕對(duì)差值，表示觀測(cè)值與均值之間的偏離程度。k是一個(gè)閾值系數(shù)，用于控制異常值的判定標(biāo)準(zhǔn)，表示在多少個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍之外的觀測(cè)值被認(rèn)為是異常值。σ是數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，代表數(shù)據(jù)的變異程度。

在異常檢測(cè)算法中，該公式用于判斷一個(gè)觀測(cè)值是否遠(yuǎn)離均值，并超出了正常的變異范圍。如果一個(gè)觀測(cè)值的絕對(duì)差值超過了k倍的標(biāo)準(zhǔn)差，那么就將這個(gè)觀測(cè)值判定為異常值。這樣可以幫助識(shí)別出與其他數(shù)據(jù)顯著不同的異常觀測(cè)值，來進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法：使用監(jiān)督或無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并能夠?qū)π聰?shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)和故障預(yù)測(cè)?；谝?guī)則的方法：建立專家經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)的規(guī)律判斷異常情況，并進(jìn)行相應(yīng)的故障預(yù)警。模型預(yù)測(cè)方法：通過建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型，對(duì)未來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的異常情況和故障。

3.3 數(shù)據(jù)分析與智能決策支持策略

常見的數(shù)據(jù)分析與決策策略有以下幾種。第一，趨勢(shì)分析：對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，預(yù)測(cè)設(shè)備的發(fā)展方向，為運(yùn)維人員提供未來調(diào)整和優(yōu)化的方向[6]。第二，故障診斷：通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)潛在的故障模式，并進(jìn)行故障診斷和原因分析，為故障維修提供支持。第三，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)估設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)水平，提前制定相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)急措施，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。第四，能耗優(yōu)化：通過對(duì)能源數(shù)據(jù)的分析，找出能耗高的設(shè)備或系統(tǒng)，提供節(jié)能優(yōu)化建議，降低能源消耗和運(yùn)維成本。

4 運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

4.1 基于物聯(lián)網(wǎng)和SCADA 的變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)和SCADA 的變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面。第一，傳感器網(wǎng)絡(luò)：布置在變電站各關(guān)鍵設(shè)備上的傳感器，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過無線通信傳輸給數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)。第二，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)：集中收集傳感器數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)維中心。第三，運(yùn)維中心：數(shù)據(jù)接收和處理中心，負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和處理來自數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)。第四，遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作界面：運(yùn)維人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站設(shè)備狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程操作設(shè)備。第五，數(shù)據(jù)分析與預(yù)警模塊：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、異常檢測(cè)和設(shè)備健康狀況評(píng)估等功能。第六，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理：負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、備份和管理，并支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)分析[7]。

4.2 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷功能，變電站監(jiān)控系統(tǒng)需要具備以下幾個(gè)功能。第一，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)：通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集變電站各設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至運(yùn)維中心。第二，異常檢測(cè)與報(bào)警：對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并觸發(fā)報(bào)警，通知運(yùn)維人員采取相應(yīng)措施。第三，故障診斷與根因分析：通過數(shù)據(jù)分析和故障識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的自動(dòng)診斷與原因分析，提供故障解決方案。第四，實(shí)時(shí)狀態(tài)展示和分析：將變電站設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化展示，并通過圖表、曲線等方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和趨勢(shì)展示，幫助運(yùn)維人員了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

4.3 運(yùn)維任務(wù)管理和調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)維任務(wù)管理和調(diào)度功能，變電站監(jiān)控系統(tǒng)需要具備運(yùn)維任務(wù)分配與調(diào)度：根據(jù)設(shè)備狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)和運(yùn)維人員的技能，將運(yùn)維任務(wù)分派給合適的人員，并進(jìn)行調(diào)度管理。任務(wù)狀態(tài)跟蹤與報(bào)告：實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)維任務(wù)的執(zhí)行情況，并生成相應(yīng)的報(bào)告，以便后續(xù)分析和決策支持。資源調(diào)配與優(yōu)化：根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況和任務(wù)需求，優(yōu)化調(diào)配運(yùn)維人員和設(shè)備資源，提高資源利用效率。運(yùn)維記錄與知識(shí)庫：記錄每次運(yùn)維任務(wù)的執(zhí)行情況，形成知識(shí)庫并支持經(jīng)驗(yàn)積累，為后續(xù)類似任務(wù)提供參考。

5 實(shí)驗(yàn)與案例分析

5.1 變電站運(yùn)維實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

為了驗(yàn)證變電站運(yùn)維實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的可行性和有效性，可以建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，先搭建變電站設(shè)備的模擬環(huán)境，包括變壓器、開關(guān)設(shè)備、電力電子設(shè)備等，并安裝相應(yīng)的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)采集設(shè)備的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至運(yùn)維中心，通過運(yùn)維中心的監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

5.2 典型場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

基于構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，我們進(jìn)行典型場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并分析測(cè)試結(jié)果。我們選擇一個(gè)變壓器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采集其溫度、電流和振動(dòng)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析見表2。

表2 典型場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們可以根據(jù)變壓器采集的溫度、電流和振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。如果溫度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)將觸發(fā)報(bào)警；電流異常波動(dòng)也會(huì)觸發(fā)報(bào)警；振動(dòng)頻率或幅度異常時(shí)同樣會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

5.3 實(shí)際變電站運(yùn)維中應(yīng)用的案例分析

將實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際變電站運(yùn)維中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在故障診斷和維修管理方面的應(yīng)用效果見表3。

表3 變壓器故障診斷和維修管理的應(yīng)用效果分析

通過上述案例分析，可以看出實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在故障診斷和維修管理方面的應(yīng)用效果。通過及時(shí)的故障預(yù)警和準(zhǔn)確的原因分析，運(yùn)維人員能夠迅速響應(yīng)和解決設(shè)備故障，提高運(yùn)維效率和設(shè)備可靠性。

綜上所述，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知技術(shù)和數(shù)據(jù)處理與分析方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)和故障的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警。