變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷及運(yùn)維檢修

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(duì)各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與管理層面，旨在全面推動(dòng)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(yùn)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(jì)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(yùn)行，也能確保變電站運(yùn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測時(shí)，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(jìn)行實(shí)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(shí)不僅能對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部各類元器件進(jìn)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(xué)反應(yīng)會(huì)生成不同的組分。在對(duì)其分解物實(shí)施檢測時(shí)，一般以電解質(zhì)傳感器、化學(xué)氣敏元件為主，前一種方法能夠?qū)F6設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行明確監(jiān)測，后一種方法則能通過對(duì)不同分子結(jié)構(gòu)的選擇性俘獲，以及對(duì)電參數(shù)變化特征的抓取，確保對(duì)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(shí)會(huì)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(jìn)行監(jiān)測時(shí)通常選擇耦合傳感器，對(duì)其中的電磁波進(jìn)行監(jiān)測。尤其是在SF6氣體擊穿場強(qiáng)高、絕緣強(qiáng)度較大的情況下，此時(shí)，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(huì)通過絕緣盆子與瓷瓶。所以，采用該方法能夠較好地對(duì)電磁波脈沖信號(hào)進(jìn)行記錄并對(duì)其中的幅值進(jìn)行專業(yè)分析，進(jìn)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(jī)械特性的在線監(jiān)測，能夠?yàn)樽冸娤到y(tǒng)提供不同的監(jiān)測角度，并通過對(duì)儲(chǔ)能電機(jī)設(shè)備與時(shí)間性的數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，使變電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)獲得有效管理。同時(shí)，現(xiàn)代變電一次設(shè)備中各類設(shè)備之間的兼容性相對(duì)增加，需要對(duì)它進(jìn)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(shí)，可以結(jié)合傳感裝置的設(shè)置，對(duì)絕緣屏末端電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)與母線端電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，更為客觀地了解一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。尤其在一次設(shè)備運(yùn)行中的電容、介質(zhì)損耗方面，能夠通過針對(duì)性監(jiān)測實(shí)現(xiàn)預(yù)期監(jiān)測目標(biāo)。

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

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測與評(píng)估的對(duì)象相對(duì)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(píng)估的目標(biāo)十分明確，旨在實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警、精準(zhǔn)診斷、有效分析、數(shù)據(jù)共享，確保運(yùn)維管理人員可以依據(jù)系統(tǒng)診斷時(shí)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(shí)間、提高故障處理效率。目前多數(shù)變電站設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)構(gòu)成要素相對(duì)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(jìn)行關(guān)聯(lián)；最后，基于Linux 的監(jiān)控信息一體化平臺(tái)根據(jù)Windows 系統(tǒng)設(shè)置中的接口程序、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)IEC 60870-5-104 與IEC 61850 等配套裝置進(jìn)行全面關(guān)聯(lián)，保障該系統(tǒng)有效運(yùn)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(duì)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(chǔ)至實(shí)時(shí)/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(jì)相同的辦法進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)，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(shí)上傳到數(shù)據(jù)庫，并將它作為基礎(chǔ)完成對(duì)一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、提取、存儲(chǔ)、監(jiān)測，然后生成分析報(bào)告并利用分析報(bào)告開展運(yùn)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(diǎn)集中在對(duì)歷史數(shù)據(jù)的整理和重用方面，并且要求對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，從而保障待處理數(shù)據(jù)的有效性與精準(zhǔn)性[1]。以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期為例，在應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)會(huì)生成大量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)間過短不能達(dá)到利用效果，存儲(chǔ)時(shí)間過長又會(huì)拖慢系統(tǒng)運(yùn)行效率。通常情況下，需要變電站根據(jù)實(shí)際的一次設(shè)備運(yùn)行情況選擇合適的存儲(chǔ)周期。以數(shù)據(jù)預(yù)處理為例，該環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，數(shù)據(jù)預(yù)處理精準(zhǔn)度的高低直接與后續(xù)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施智能清洗，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成數(shù)據(jù)集成處理，實(shí)施數(shù)據(jù)變換，完成數(shù)據(jù)規(guī)約化處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析診斷。

2.4 設(shè)備工作情況的評(píng)估技術(shù)分析

在變電站一次設(shè)備運(yùn)行過程中容易發(fā)生相關(guān)指標(biāo)超標(biāo)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(jìn)行預(yù)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(píng)價(jià)?？墒?，在這種情況下只能達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測目標(biāo)，并不能讓整個(gè)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(jì)工作完成后，可以進(jìn)一步增加人工智能技術(shù)的應(yīng)用次數(shù)，利用深度學(xué)習(xí)與專家系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)多元數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、綜合分析、智能診斷目標(biāo)，進(jìn)而通過智能化診斷提高數(shù)據(jù)診斷效果，同時(shí)利用可視化軟件的仿真功能，為后續(xù)的運(yùn)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(dǎo)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(dòng)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(jì)圖、施工圖導(dǎo)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(duì)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(jìn)行族模型設(shè)置，具體操作時(shí)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(xì)表，然后根據(jù)明細(xì)表直接導(dǎo)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(jìn)行ID 設(shè)置，通過狀態(tài)、型號(hào)、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(shí)時(shí)性；⑤將全站3D 模型導(dǎo)入到Navisworks軟件，利用該軟件中的可視化模型功能，對(duì)全站的運(yùn)行情況進(jìn)行4D 動(dòng)畫分析，檢驗(yàn)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(shí)際情況，確認(rèn)無誤后，將3D 模型中數(shù)據(jù)庫存與Project進(jìn)度管理進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備運(yùn)行進(jìn)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(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)參數(shù)之間形成對(duì)比，當(dāng)診斷數(shù)據(jù)顯示有異常時(shí)，專家系統(tǒng)會(huì)將異常數(shù)據(jù)與故障范例庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，并對(duì)故障情況、故障位置、故障類型等進(jìn)行評(píng)價(jià)，生成報(bào)表后將它直接發(fā)送給設(shè)備運(yùn)維管理人員。

3 一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的運(yùn)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(yùn)維檢修中，實(shí)際上形成了“在線智能監(jiān)測+現(xiàn)場故障處理”模式，但是，對(duì)于未發(fā)生過的故障，此系統(tǒng)并不能給出精準(zhǔn)預(yù)判，因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用與管理開發(fā)，具體建議如下。

3.1 增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用，提高運(yùn)維檢修水平

對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與評(píng)估時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)對(duì)其中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化處理，從而提高風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)評(píng)估的合理性。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)前檢修一次設(shè)備運(yùn)維時(shí)，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(duì)于未發(fā)過的故障、突發(fā)性故障的診斷相對(duì)不足[3]。因此，需要在新時(shí)期加強(qiáng)對(duì)這方面的運(yùn)維檢修。尤其在設(shè)備運(yùn)行中存在一定的損耗，此時(shí)應(yīng)增加磨損風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。其次，在一次設(shè)備運(yùn)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(yùn)故障，此時(shí)可能會(huì)對(duì)變電站所在區(qū)域的電力系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，此時(shí)應(yīng)該增加對(duì)停運(yùn)故障的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)而提高運(yùn)維檢修水平。

3.2 增強(qiáng)管理開發(fā)，擴(kuò)增運(yùn)維檢修效用

對(duì)變電站一次設(shè)備進(jìn)行運(yùn)維檢修時(shí)，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)備層，針對(duì)變壓器、斷路器、避雷器，以及隔離開關(guān)等開展檢修活動(dòng)。以變壓器為例，在檢修時(shí)可以根據(jù)系統(tǒng)提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析的方式對(duì)比歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而通過數(shù)據(jù)變化情況對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，對(duì)潛在故障隱患進(jìn)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(duì)放電響動(dòng)是否存在異常情況進(jìn)行檢查，進(jìn)而精準(zhǔn)了解變壓器的絕緣性能。同時(shí)，可以利用紅外線溫度監(jiān)測儀對(duì)油溫、油質(zhì)、油面標(biāo)線等進(jìn)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(dòng)客戶端管理的實(shí)時(shí)交互，有必要配套開發(fā)以智能手機(jī)為載體的應(yīng)用程序，從而保障運(yùn)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(qiáng)變對(duì)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(duì)一次設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測時(shí)的對(duì)象相對(duì)較多，由此形成了不同的監(jiān)測類型。因此，在研發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)時(shí)，需要以監(jiān)測對(duì)象為主，選擇適配性較高的傳感器，并結(jié)合常用的Linux 平臺(tái)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(yùn)維檢查平臺(tái)。建議在實(shí)踐中盡可能選擇先進(jìn)技術(shù)，提高系統(tǒng)的智能化水平。