數(shù)字化變電站狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究

楊超，張霖

(貴陽供電局，貴州 貴陽 550002)

1 引言

對設(shè)備開展狀態(tài)檢修，“當修必修”，而非“到期必修”，已是現(xiàn)代電力設(shè)備管理的必然趨勢。近年來相關(guān)部門及專家學者紛紛開始了數(shù)字化變電站狀態(tài)檢修技術(shù)的研究。數(shù)字化變電站的主要特征是智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備、自動化管理系統(tǒng)[1]。狀態(tài)檢修是以設(shè)備狀態(tài)評估為依據(jù)，根據(jù)設(shè)備自身的需要進行檢修的方式，是數(shù)字化變電站的一個重要內(nèi)容和目標。目前國內(nèi)應(yīng)用的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還處于分散監(jiān)測與診斷階段，而且各廠家在線監(jiān)測裝置通信規(guī)約不統(tǒng)一、不透明，造成數(shù)據(jù)資源不能共享，無法對變電站各設(shè)備的運行狀況進行統(tǒng)籌分析，不能作出有效、經(jīng)濟的檢修決策。

本文針對數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)和組成特點，構(gòu)建了一個數(shù)字化變電站智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的整體框架和具體功能，并對采用的設(shè)備狀態(tài)信息采集處理技術(shù)和狀態(tài)評價方法進行了重點闡述。

2 數(shù)字化變電站的組成特點

2.1 數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理自動化，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層:站控層、間隔層和過程層，基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 智能化一次設(shè)備

智能化一次設(shè)備是由具有數(shù)字化控制裝置、電力電子裝置、傳感器單元機數(shù)字通信接口等組成，主要包括智能變壓器、智能斷路器和智能隔離開關(guān)等。智能化一次設(shè)備因技術(shù)原因發(fā)展緩慢，目前的方案多是采用傳統(tǒng)一次設(shè)備加智能終端的結(jié)構(gòu)，通過采集設(shè)備的狀態(tài)量、環(huán)境溫濕度以及接受GOOSE(即面向通用對象的變電站事件)跳合閘信號，使設(shè)備具備部分的智能化功能[2]。圖2為智能化一次設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 數(shù)字化變電站的基本結(jié)構(gòu)

智能終端一般安裝于一次設(shè)備附近的端子箱或組柜內(nèi)，功能方面要求能夠監(jiān)視、控制和管理設(shè)備的狀態(tài)，技術(shù)上突出智能化的特點。

圖2 智能化一次設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)字化變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

基于數(shù)字化變電站的組成特點，智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的層次結(jié)構(gòu)包括狀態(tài)監(jiān)測層、站內(nèi)數(shù)據(jù)中心、智能數(shù)據(jù)平臺及狀態(tài)評估高級應(yīng)用層，具體框架見圖3。各層次主要功能簡述如下:

圖3 數(shù)字化變電站智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

(1)狀態(tài)監(jiān)測層

狀態(tài)監(jiān)測層利用各種傳感器和測量手段實時獲取設(shè)備狀態(tài)信息，為設(shè)備的運行積累資料和數(shù)據(jù);數(shù)字化變電站中一次設(shè)備為智能化設(shè)備，在線監(jiān)測單元可對自身的狀態(tài)量進行采集和數(shù)字化，直接通過光纖將數(shù)據(jù)上傳至站內(nèi)數(shù)據(jù)中心。

(2)站內(nèi)數(shù)據(jù)中心

站內(nèi)數(shù)據(jù)中心由變電站內(nèi)通信管理機(各種在線監(jiān)測裝置通信匯集裝置)和集控中心內(nèi)數(shù)據(jù)匯集輔助服務(wù)器組成，完成對變電站所有就地智能監(jiān)測單元的測量控制、通信管理、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、存儲和上傳到智能數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對變電站一次設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

(3)智能數(shù)據(jù)平臺

智能數(shù)據(jù)平臺是整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)交互的平臺，由數(shù)據(jù)通信接口體系、系統(tǒng)軟件運行支撐系統(tǒng)及核心功能模塊組成，形成以網(wǎng)絡(luò)分層分布式運行、開發(fā)性、易擴展性、易維護性、統(tǒng)一性等為基本特征的軟件平臺系統(tǒng)。核心功能包括狀態(tài)監(jiān)控報警、數(shù)據(jù)管理、趨勢分析及信息綜合展現(xiàn)等模塊。

(4)高級應(yīng)用層

高級應(yīng)用層是在智能數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，充分利用各方面的信息(在線、離線、巡視等)，具體細化南網(wǎng)狀態(tài)評價和狀態(tài)檢修標準，引入先進的數(shù)學分析處理技術(shù)，建立了基于設(shè)備狀態(tài)及風險評價的資產(chǎn)運營建議系統(tǒng)，積極擴展狀態(tài)檢修工作的范圍和內(nèi)涵。

4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息的采集與處理

4.1 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集

一次設(shè)備狀態(tài)信息的采集是整個體系應(yīng)用的基礎(chǔ)，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是其最重要的組成部分。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是由安裝于一次設(shè)備內(nèi)部或外部的各類傳感器獲取，然后交由智能終端的數(shù)據(jù)采集模塊來采集。由于所監(jiān)測的狀態(tài)量和原理不同，上述傳感器涉及的類型很多，輸出的數(shù)據(jù)類型也各不相同，主要有以下幾種:

(1)傳感器輸出為電氣模擬量，如變壓器油中水分監(jiān)測、斷路器行程時間監(jiān)測、避雷器泄漏電流監(jiān)測等，這些數(shù)據(jù)可以以一定的方式直接傳送到智能終端。

(2)有些狀態(tài)信息由于其自身的特殊性，需要傳感器自帶一套數(shù)據(jù)采集和處理器件，如變壓器油中氣體監(jiān)測、局部放電監(jiān)測等。為了使系統(tǒng)的智能終端運行更加穩(wěn)定，簡化智能終端的結(jié)構(gòu)和規(guī)模，首先對這些特殊的非常規(guī)信號進行單獨處理后，再用數(shù)據(jù)流的方式傳送到智能終端。對于這類信號必須使用采樣頻率高、存儲和傳輸速率快的采集卡，同時要求存儲空間大，采用并口傳輸數(shù)據(jù)。

(3)還有一些個別先進的智能傳感器，可能輸出的數(shù)據(jù)是標準以太網(wǎng)協(xié)議形式的數(shù)據(jù)包等數(shù)字形式，如繞組光纖測溫，同樣需要較高的硬件配置，采用并口輸出到智能組件。

綜上所述，由智能或非智能傳感器輸出的數(shù)據(jù)類型很多，所以智能終端的數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)該具備多種數(shù)據(jù)采集的功能。

4.2 異構(gòu)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成

全面的設(shè)備狀態(tài)信息來自不同的系統(tǒng)，包括生產(chǎn)管理MIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)、在線監(jiān)測中心等。不同的應(yīng)用系統(tǒng)由于關(guān)心的對象不同，所使用的數(shù)據(jù)模型、應(yīng)用接口、開發(fā)平臺千差萬別，難以實現(xiàn)信息共享。針對多個異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成中遇到的難題，本文采用IT行業(yè)最新的CORBA中間件技術(shù)，遵循國際IEC61970標準，構(gòu)建了一體化的智能數(shù)據(jù)平臺。

4.2.1 IEC61970標準

IEC 61970是國際電工委員會制定的《能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(EMS－API)》系列國際標準。IEC 61970系列標準定義了能量管理系統(tǒng)(EMS)的應(yīng)用程序接口(API)，目的在于便于集成來自不同廠家的EMS內(nèi)部的各種應(yīng)用，便于將EMS與調(diào)度中心內(nèi)部其它系統(tǒng)互聯(lián)，以及便于實現(xiàn)不同調(diào)度中心EMS之間的模型交換。雖然IEC 61970稱為“能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口”，但實際上IEC 61970的思路可適用于電力自動化、信息化乃至其他行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)集成。

IEC 61970主要由接口參考模型、公共信息模型(CIM)和組件接口規(guī)范(CIS)三部分組成。接口參考模型說明了系統(tǒng)集成的方式，公共信息模型定義了信息交換的語義，組件接口規(guī)范明確了信息交換的語法。結(jié)合實際應(yīng)用需要，一體化數(shù)據(jù)平臺的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 一體化數(shù)據(jù)平臺的結(jié)構(gòu)圖

4.2.2 CORBA技術(shù)及其應(yīng)用

要實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)間的信息交換須借助于中間件，中間件提供了標準的能夠信息交換的執(zhí)行環(huán)境，這對于集成系統(tǒng)的開放性非常重要。CORBA(Common Object Request Broker Architecture公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu))是一種標準的面向?qū)ο髴?yīng)用程序體系規(guī)范，提供了一個可供軟件在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中跨操作系統(tǒng)和平臺進行交互操作的標準，它采用標準的分布式Client/Server組件框架，其核心是對象請求代理ORB，負責異構(gòu)環(huán)境下各分布式應(yīng)用組件之間的通信，實現(xiàn)對象之間透明地發(fā)送請求和接收響應(yīng)[3]。

CORBA的主要思想是采用說明性的標準接口定義語言IDL將對象接口與對象實現(xiàn)部分相分離。CORBA定義了IDL與各種編程語言之間的映射，以屏蔽語言的差異。對象的實現(xiàn)部分和調(diào)用可以采用具體不同編程語言完成，但對象的操作接口必須統(tǒng)一用IDL來定義，所有對象都通過IDL向總線描述自己提供何種功能和服務(wù)。而客戶程序只要知道服務(wù)對象操作接口，就可以向ORB請求調(diào)用該對象的服務(wù)。ORB為客戶和對象實現(xiàn)建立連接，它截獲客戶調(diào)用請求、尋找目標服務(wù)對象、激活對象并向其傳遞參數(shù)、調(diào)用對象實現(xiàn)方法并返回結(jié)果。至于服務(wù)對象在何位置、使用何種編程語言、處于何種操作系統(tǒng)、處于何種執(zhí)行狀態(tài)以及采用何種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信等細節(jié)全部被ORB隱藏起來，實現(xiàn)“透明”的互操作。

4.2.3 數(shù)據(jù)模型

對于電力系統(tǒng)而言，公共信息模型CIM就是電力系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的模式，它包括公用類、屬性、關(guān)系等，其類及對象是抽象的，可以用于許多應(yīng)用，它是邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靈魂，可定義信息交換模型，用來描繪具體的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。

根據(jù)CIM模型建立數(shù)據(jù)庫是基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將對象數(shù)據(jù)模型映射到關(guān)系數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)庫中進行存儲和管理。首先建立原有信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與新的CIM數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)關(guān)系映射，通過SQL語言來查詢原有數(shù)據(jù)庫的記錄并將數(shù)據(jù)插入到新的庫中;建立起新的數(shù)據(jù)庫后，就可以通過基于CORBA的CIS接口直接訪問面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展比較成熟，有著堅實的數(shù)學基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)存儲方面有較大優(yōu)勢。

4.2.4 CIS接口

CIM描述了不同應(yīng)用之間需要交換的信息的語義，解決了“數(shù)據(jù)是什么”的問題，而CIS則定義了一系列接口機制的語法，使得不同應(yīng)用可以互相連接，交換信息，解決了“數(shù)據(jù)如何獲取”的問題。應(yīng)用程序可以通過符合CIS標準的數(shù)據(jù)訪問接口訪問數(shù)據(jù)。通過該接口允許外部用戶訪問本系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)，同時來自其他系統(tǒng)的采用XML格式表達的模式或數(shù)據(jù)可通過一定的工具導入。

當前CIS標準規(guī)定了DAF(數(shù)據(jù)訪問設(shè)施)、GDA(通用數(shù)據(jù)訪問接口)、HSDA(高速數(shù)據(jù)訪問接口)、TSDA(時序數(shù)據(jù)訪問接口)中的所有接口服務(wù)。CIS的應(yīng)用包括利用CIM/XML方式和CIS/GDA方式提供電力系統(tǒng)模型，利用CIS/HSDA和CIS/TSDA方式提SCADA的實時數(shù)據(jù)，通過GDA接口訪問廠站模型的拓撲結(jié)構(gòu)，通過HSDA接口調(diào)用實時數(shù)據(jù)并結(jié)合拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一次接線圖，通過調(diào)用TSDA接口對時序數(shù)據(jù)進行處理以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢。

5 變電設(shè)備狀態(tài)評價方法

5.1 評價原理

輔助狀態(tài)檢修是整個監(jiān)測系統(tǒng)的最終目的，如何科學合理地建立變電設(shè)備健康評價體系，是長期困擾工程應(yīng)用的難點問題[4]。本文將改進層次分析和灰色關(guān)聯(lián)分析兩種方法引入到變電設(shè)備狀態(tài)評價中，能夠客觀準確地反映設(shè)備實際的運行狀態(tài)，具有重要的理論意義和實用價值。

該方法具體的評價流程為:首先根據(jù)實際情況和專家經(jīng)驗建立設(shè)備狀態(tài)指標體系，請專家對各特征參數(shù)分別評分，建立參評向量;然后利用改進的層次分析法確定各特征參數(shù)的權(quán)重;最后采用灰色關(guān)聯(lián)法計算給出的分數(shù)序列與各級標準序列之間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，表示參評向量與標準向量越接近。計算結(jié)果中，關(guān)聯(lián)度最大的值所對應(yīng)的標準向量等級，即為變電設(shè)備的評價狀態(tài)。整個計算流程如圖5所示。

圖5 變電設(shè)備狀態(tài)評價流程

5.2 評價方法的具體計算過程

5.2.1 改進層次分析法確定各特征參數(shù)的權(quán)重

層次分析法是將主觀判斷為主的定性分析進行定量化，將各種判斷要素之間的差異數(shù)值化，適用于復(fù)雜的評價系統(tǒng)，是目前一種被廣泛應(yīng)用的確定權(quán)重的方法[5]。這里采用改進的層次分析方法，通過計算最優(yōu)傳遞矩陣，使其自然滿足一致性要求，直接求出各評判因素的相對權(quán)重。

(1)建立變電設(shè)備狀態(tài)指標體系

將復(fù)雜問題分解為各種具體的因素，把這些因素按屬性不同分成若干組，以形成不同層次。以變壓器本體部分為例，將從電氣試驗、油中溶解氣體、絕緣油特性以及其他信息4個方面選擇特征參數(shù)，建立其狀態(tài)評價指標體系，如圖6所示。

圖6 變壓器狀態(tài)評價指標體系

(2)建立判斷矩陣A

首先通過專家評分，對每組因素采用兩兩比較其相對重要性，采用九標度法，得出相應(yīng)的判斷矩陣。

表1 相對重要性標度

(3)求上述判斷矩陣A的傳遞矩陣B

(4)求傳遞矩陣B的最優(yōu)傳遞矩陣C

(5)求判斷矩陣A的擬優(yōu)一致矩陣D

(6)確定每組參數(shù)的單排序

①計算矩陣D每一行元素乘積

②計算矩陣 D 的特征向量 λ =(λ1，λ2，…，λn)T

③作歸一化處理，得到

W=(W1，W2，…，Wn)T即為每組參數(shù)單排序的結(jié)果。

(7)總排序

利用單層次排序結(jié)果進行總層次排序，例如:某一準則層權(quán)重為a，其下因素的權(quán)重分別為W=(W1，W2，…，Wn)T，則在總排序中這些因素的權(quán)重為aWi=(i=1，2，…，n)。

5.2.2 灰色關(guān)聯(lián)法確定比較序列與標準序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)

灰色系統(tǒng)理論由針對“少數(shù)據(jù)不確定性”問題而提出，在貧數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有價值的信息，已經(jīng)在社會很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用和改進，并且取得了良好的效果。當前變電設(shè)備的狀態(tài)一般只能通過若干狀態(tài)參數(shù)來描述，屬于典型的貧信息，可以采用灰色理論進行分析[6]。

(1)設(shè)備狀態(tài)劃分及數(shù)學描述

評價首先要建立設(shè)備狀態(tài)等級的評分標準，將設(shè)備狀態(tài)劃分為4個等級，各級標準序列如下:

Ⅰ級，正常(設(shè)備狀態(tài)較好，可以適當延長檢修周期)={85，85，…，85};

Ⅱ級，注意(設(shè)備狀態(tài)一般，按正常周期檢修)={75，75，…，75};

Ⅲ級，異常(出現(xiàn)一些異常參數(shù)值，應(yīng)加強監(jiān)視)={65，65，…，65};

Ⅳ級，嚴重(無法繼續(xù)進行，應(yīng)盡快安排檢修)={55，55，…，65}。

(2)確定比較序列(評價對象)和參考序列(評價標準)

設(shè)評價對象為m個，評價指標為n個，比較數(shù)列為 Xi=(Xi1，Xi2，…，Xin)T(i=1，2，…，m)，參考序列為X0=(X01，X02，…，X0n)T。比較序列的確定采用專家評分法，由專家對m個對象進行評價打分;參考數(shù)列為各級狀態(tài)下的標準序列。按初值化對評價矩陣進行無量綱化后形成如下矩陣:

(3)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

其中，ξi(k)為第i個評價對象中第k個指標與第k個評價標準的關(guān)聯(lián)系數(shù);

ρ 為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1 ]，一般取 ρ=0.5。

5.2.3 評價分析

考慮因子間權(quán)重差異時，比較序列和參考數(shù)列的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度為:

上式中為第i個評價對象與評價標準之間的關(guān)聯(lián)度，各因子的權(quán)重Wk由層次分析法確定。

根據(jù)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小，建立被評價序列和標準序列之間的接近程度，與某一種狀態(tài)標準序列越接近，表明當前設(shè)備屬于該狀態(tài)的概率越高。

經(jīng)過實例驗證，基于改進層次分析和灰色關(guān)聯(lián)分析的評價方法，可以較好地用于變電設(shè)備的狀態(tài)評價中，其評價結(jié)果與設(shè)備實際狀況基本相符，可以為狀態(tài)檢修的實施提供一定的參考依據(jù);同時該方法具有較強的可操作性，易于編程實現(xiàn)，評價結(jié)果直觀，實用性較強。

6 結(jié)論

本文根據(jù)數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)和組成特點，對變電設(shè)備狀態(tài)信息采集處理技術(shù)和狀態(tài)評價方法進行了深入的研究，將各個領(lǐng)域的最新技術(shù)成果有機結(jié)合，最終實現(xiàn)了數(shù)字化變電站智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，使狀態(tài)檢修工作在先進性、實用性等方面得到了發(fā)展。數(shù)字化變電站狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)檢修是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到傳感器、一次設(shè)備智能化、通信、設(shè)備智能評估與故障診斷、三維可視化等多個技術(shù)領(lǐng)域，為此還需做長期深入的探索和研究。

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