智能變電站狀態監測技術及應用

金 逸 ，劉 偉 ，査顯光 ，費益軍

(1.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

變電站作為智能電網的核心組成部分，其建設獲得了越來越多的關注。根據現行的標準，變電站一次設備智能狀態監測是指采用先進、可靠、集成、低碳、環保的傳感系統，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能，實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站[1]。電力設備智能狀態監測系統是保證電力設備正常工作，有效開展狀態檢修，并預估設備的損耗以建立全壽命周期管理體系，電力設備智能狀態監測系統是實現智能變電站的基礎。因此以設備的狀態監測為基礎的狀態檢修成為實現智能變電站并最終建立智能電網的核心技術之一，該技術近年來獲得越來越多的重視。電力設備智能狀態監測不僅是設備狀態檢修模式的基礎，也是智能變電站綜合自動化正在實施的電氣運行模式的需要。無論是智能變電站還是無人值守變電站在其監控系統中都需要增加一個在線監測及故障診斷專家系統，用以作為輔助決策手段，進而提高監控能力。要想實現真正的無人值守，必須加入電氣設備在線監測和故障診斷的內容，這樣變電站綜合自動化才更加完善和更有效。所以在測量、控制、保護和遠動等綜合自動化的基礎上，融合電力設備狀態監測系統必將推動變電站綜合自動化向前發展[2]。

電力設備智能狀態監測不僅可以掌握電力設備當前的運行情況，還可以根據其專家系統利用其運行狀態數據庫對電力設備進行綜合診斷，為設備檢修提供輔助決策。為了解決電力設備故障診斷中所遇到的主要技術難題，需要突破常規方法進行故障診斷的局限，結合神經網絡理論、灰色軌跡理論、數據庫技術、模糊理論模型等各種算法，對電力設備實行故障診斷。利用各種數學模型從實現原理上進行比較分析，研究出多種改進的學習算法，實現變電站內電力設備故障診斷絡模型。

1 電力設備智能狀態監測系統組成

電力設備的狀態監測是指通過傳感器、計算機、通信網絡等技術，及時獲取設備的各種特征參量并結合一定算法的專家系統軟件進行分析處理，對設備的可靠性做出判斷，對設備的剩余壽命作出預測，從而及早發現潛在的故障，提高供電可靠性。電力設備狀態監測大大降低維修周期內的設備故障率，為設備狀態檢修提供技術依據，并及時發現設備缺陷和異常征兆，確保設備安全運行，從而提高供電可靠性。由于變電站內電力設備種類繁多、結構各異，狀態監測的類型也千差萬別，但是，不論什么類型的監測系統，都需要經過3個步驟：采集設備數據信號；對數據進行傳輸；分析處理數據及診斷。

變電站內電磁環境復雜，所采集到的模擬信號在傳輸的過程中不免受到外界的各種干擾而產生信號失真，為了解決模擬信號在長距離傳輸后所導致的失真問題，現在傾向于將微弱的模擬信號就地模擬轉換，采用現場總線技術，由主機進行循環檢測及處理。依據IEC 61850關于變電站功能、變電站通信網絡以及整體系統建模的分層設定，智能變電站分為三層結構：過程層、間隔層、站控層。如圖1所示。分層（級）分布式的結構采用模塊化設計和現場總線控制技術。它由安裝在變電站內的數據采集及處理系統和安裝在主控室內的數據分析和診斷系統，再通過網絡，把若干個變電站的監測數據匯集到相關管理部門的數據管理診斷系統，實現對多個變電站的電氣設備狀態的實時狀態監測。

分層（級）分布式系統采用總線式結構，增加或減少監測設備和監測項目均不需要改變系統結構，可根據需要在通信總線上掛接以不同類型及數量的智能組件，就可實現不同高壓電氣設備、不同項目的連續狀態監測，因而系統的開放性較好。所有的數據處理在就地完成，主控計算機僅完成通信控制和故障診斷，減輕了主機的負擔。所有的智能組件均應具備嚴格的自檢功能，測量數據全部采用光纖通信方式傳輸，克服長距離傳輸模擬信號所導致的波形失真問題，并且可及時反映出就地模塊自身的工作狀況，提高監測結果的可信度。而且，即使某個節點出現故障，也不影響整個系統的正常運行。即使通信光纜故障或主機故障，還可使用便攜式設備就地進行檢測。以國內首座220kV智能變電站無錫西涇變為例，其智能狀態監測系統結構如圖2所示。

2 電力設備智能狀態監測系統設計

由于狀態監測系統是一個跨部門、跨系統的大型綜合管理信息系統，如無錫供電公司西涇智能變電站狀態監測系統涉及到的部門有生產技術部、調控中心、安監部、監控中心等各主要生產部門；涉及到的系統有PMIS，SCADA，EMS等；涉及到的裝置有變壓器綜合管理平臺、GIS局放監測裝置、斷路器監測裝置、避雷器檢測裝置等[3，4]。所以在設計狀態監測系統的功能模塊時，除考慮自身的相對獨立性和開放性以外，還得重點考慮與其他已有系統模塊的集成。

一次設備狀態監測系統的主要功能模塊結構如圖3所示，該功能框圖涵蓋了常見一次設備的狀態監測項目。

3 電力設備智能狀態監測專家系統

專家系統（Expert Systems）是人工智能中的一個重要分支，是關于問題求解的一種智能軟件。它是一種在相關領域中具有專家水平能力的智能程序系統。它能利用領域內專家多年積累的經驗與知識，模擬人類專家的思維過程，求解需要專家才能解決的困難問題。專家系統通過知識進行推理，在問題所在的領域內推導出滿意的答案，即“專家系統=知識+推理”，這區別于常規計算機程序“程序=數據結構+算法”的一般模式，以達到“智能監測、智能判斷、智能管理、智能驗證”的目的。

變電站故障診斷專家系統主要是根據電氣設備如斷路器、變壓器、避雷器和容性互感器等一次設備進行開發和研究。專家系統主要包括：數學模型和專家評估模型兩大塊。

數學模型是指利用改進的數學模型，把歷史數據庫中的監測數據進行推理分析，診斷出運行電力設備的健康狀況。專家評估模型是指利用知識庫和推理機診斷運行電力設備的故障情況，也可以采用人機交互診斷混合推理策略，對運行電力設備提出維護方案。

變電設備專家診斷系統作為狀態監測的核心技術和最終目標，需要依托監測技術和計算機技術，目前仍處于研究發展階段。

4 智能變電站綜合告警系統

智能狀態監測系統按照站內信息高度集成共享的原則，一次設備狀態監測平臺的信息量，除了常規的四遙信息外，還融入了大量設備的狀態信息、動態PMU信息等。信息的高度融合與共享，對現有的變電站監測系統，如果按照傳統的報警信息分類和組織模式，當變電站發生事故時，監控報警信息窗中將充斥著成百上千的提示、預告信息及事故信息，出現滾屏刷屏現象，監控值班員眼花繚亂，無所適從，很難抓住重點，很容易遺漏重要告警信號，延誤處理使變電站運行值班人員無法在短時間內準確判斷事故原因，不利于事故的及時處理。智能變電站實現了基于IEC 61850技術實現了變電站全景數據的高度整合，但如何實現基于變電站告警信息的綜合分析和變電站運行異常處理專家系統，為變電站值班人員進行事故處理提供輔助決策，是提高變電站運行和管理水平以及智能化程度的重要標志之一。

智能狀態監測系統融合了報警信息綜合展示、變電站異常信號分析與處理輔助決策系統，構建對變電站運行設備狀態的監視功能，并將變電站所有故障信號進行分類管理，建立多重故障推理模型，從而實現事故異常的輔助決策。

5 電力變壓器故障診斷專家系統診斷實例

變壓器異常現象往往是從變壓器外表暴露出來的，如聽到異常聲音、聞到異常氣味、瓦斯繼電器動作報警、油溫升高等，所有這些故障現象均是由變壓器內部故障波及到外部的結果[5]。

汪洪表示，肥料使用管理有“四個目標”，即農學效益-作物產量和品質；經濟學效益-經濟利潤；生態環境效益-農業生產持續；社會效益-人體健康與農產品安全。因此，安全、高效、經濟是現行的《肥料登記管理辦法》的關鍵詞，登記管理目的是保護生態環境、保障人畜安全、促進農業生產。同時，汪洪建議，應對肥料登記中的備案信息進行有效合理的利用，保障肥料使用者的知情權，推動構建起肥料產品的質量追溯及信用管理體系。

測試實例：某主變氣相色譜分析的結果如表1所示。

表1 變壓器油中溶解氣體含量表 ×10-6

基于變壓器油中溶解氣體的監測數據，利用變壓器故障診斷專家系統中油中溶解氣體大衛三角形分析方法可知，可能是由低能放電所引起的乙炔氣體超標，如圖4所示。

圖4 油中溶解氣體分析界面

查詢變壓器局部放電監測數據，發現有輕微的局放信號發生。根據變壓器油中溶解氣體的含量變化，在主變故障診斷專家系統中輸入表征故障現象，進行初步判斷。綜合局部放電信息，再結合其他運行和試驗數據，分析驗證輸出故障原因。專家系統初步給出故障原因為金屬異物懸浮放電、開關接觸不良放電、將軍帽懸浮電位放電和油流放電等。故障后對主變壓器吊芯檢查，發現套管均壓球松動，產生懸浮放電故障。

6 結束語

變電設備智能狀態監測技術還處于發展起步階段，根據其現狀及特點，提出以下建議：

（1）將成熟的監測技術引入電網一次設備，提高智能一次設備的監測有效性和準確性。智能一次設備已成為明確的發展方向，只有進一步提高智能一次設備實用性，才能保證其良性發展。

（2）促進智能一次設備狀態監測技術與傳統二次技術的融合，真正實現測、計、控、檢、保五大功能與一體，其信息共享暢通、功能融合良好、運行操作可靠。

（4）加強智能設備入網的檢測、檢定工作。智能設備尚處于發展階段，產品不成熟，只有建立健全入網檢測、檢定工作，將該工作體系化、常態化、標準化、專業化，才能保證產品質量，切實提高一次設備智能化水平。

[1]馮 軍.智能變電站原理及測試技術[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]王風雷.電力設備狀態監測新技術應用案例精選[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]嚴 璋.電氣絕緣在線監測技術[M].北京：中國電力出版社，1995.

[4]王乃慶.絕緣在線監測技術的實用性、經濟性和可靠性[J].電網技術，1995，23(8)：65-67.

[5]吳立增.變壓器狀態評估方法的研究[D].保定：華北電力大學博士學位論文，2005.