基于大數據的電力變壓器智能在線監測方法

李根 吳星琴

【摘 要】變壓器在電力系統中扮演了重要角色，其作用在于實現電壓的轉移與轉化和電能的分配，為了搭建更加穩定、安全的電網系統，智能變壓器的出現，大大提高了系統的可靠性，但在此過程中，做好變電站設備的狀態檢測至關重要，這是構建現代化變電站的重要前提。由于變壓器長期都處于運行狀態，不可避免的會出現多種故障，為了保證電網系統的順利運行，本文結合大數據技術，根據在線監測技術的發展現狀，從安全角度出發，就新時期電力變壓器的在線監測方法展開論述。

【關鍵詞】大數據；電力變壓器；智能監測

引言

變壓器在電力系統中主要實現電能的分配、電壓的轉化以及轉移的作用。因為變壓器長期處于運行狀態，所以無法避免故障的出現，導致變壓器出現故障的原因很多，如變壓器在安裝、檢修、維護過程中，未嚴格按照規范要求操作，自然災害，變壓器長期運行使材質逐漸劣化等均會導致變壓器出現故障。因為故障無法避免，所以對變壓器故障實現早期監測及準確診斷非常重要。

1 大數據概述

對于“大數據”（Big data），研究機構Gartner給出了這樣的定義。“大數據”是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力來適應海量、高增長率和多樣化的信息資產。

麥肯錫全球研究所給出的定義是：一種規模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征。

大數據技術的戰略意義不在于掌握龐大的數據信息，而在于對這些含有意義的數據進行專業化處理。換而言之，如果把大數據比作一種產業，那么這種產業實現盈利的關鍵，在于提高對數據的“加工能力”，通過“加工”實現數據的“增值”。

從技術上看，大數據與云計算的關系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數據必然無法用單臺的計算機進行處理，必須采用分布式架構。它的特色在于對海量數據進行分布式數據挖掘。但它必須依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術。

隨著云時代的來臨，大數據（Big data）也吸引了越來越多的關注。分析師團隊認為，大數據（Big data）通常用來形容一個公司創造的大量非結構化數據和半結構化數據，這些數據在下載到關系型數據庫用于分析時會花費過多時間和金錢。大數據分析常和云計算聯系到一起，因為實時的大型數據集分析需要像MapReduce一樣的框架來向數十、數百或甚至數千的電腦分配工作。

大數據需要特殊的技術，以有效地處理大量的容忍經過時間內的數據。適用于大數據的技術，包括大規模并行處理（MPP）數據庫、數據挖掘、分布式文件系統、分布式數據庫、云計算平臺、互聯網和可擴展的存儲系統。

2 變壓器監測發展概況

早期主要通過現場巡視油溫、油位及運行聲響，并結合定期檢修等對電力變壓器進行監測。定期檢修有自身的科學依據和合理性，但這種檢修模式存在以下弊端：工作量大，檢修成本高；缺陷檢出率不高；存在過度檢修，檢修中增加了產生新隱患的幾率；檢修需停電，增加了誤操作幾率；新技術發展導致原有檢修管理、規程及工藝與實際不符；計劃檢修周期與設備壽命及故障規律不符等。基于變壓器等早期檢修模式存在的問題，國家電網公司于2006年初開始推行狀態檢修，2009年5月，又推出智能電網發展計劃。隨著智能電網建設的推進，變壓器智能在線監測技術成為智能電網的研究熱點之一。

目前，國內外對變壓器在線監測原理研究有多種方法，如變壓器局部放電、油色譜分析、鐵芯多點接地等在線監測系統，但大多依據單項原理進行產品開發或研究，若想獲得變壓器各種故障信息，現場需安裝多套設備及后臺裝置，存在占用空間過大及后臺裝置重復設置等問題。

3 變壓器智能監測原理

3.1 變壓器局部放電的在線監測

局部放電是指由于電場分布不均勻，導致出現局部電場過高的問題，此時局部范圍內的絕緣介質電氣存在放電或擊穿的現象。若未能及時處理，絕緣系統將會失效。由此可見，為了確保電力變壓器的安全穩定運行，加強對局部放電的在線監測勢在必行。通常來說，如果出現了局部放電的問題，將會產生電脈沖、超聲波、電磁輻射以及局部過熱，若是油中放電還會產生一定的能量損耗。因此工作人員可以選用的監測方法具體包括以下幾種：氣相色譜法、超聲波法、脈沖電流法、超高頻法、紅外監測法以及光測量法等。主要是利用了傳感器進行局部放電的數據處理，最后實施在線監測，具體如下。

超聲波法，超聲傳感器的工作原理是利用了壓電晶體，將其當做是聲電換能器，由于該設備位于變壓器的外殼上，其設置是固定的，需要轉換變壓器內部局部放電產生信號，并將其放大，得到電信號。脈沖電流法，該種方法需要得到局部放電所產生的脈沖電流局放特征量，這種情況下，可以通過監測阻抗來發揮監測作用。氣相色譜法，氣相色譜法充分利用了各種特征氣體，觀察并測量其溶解在油中的含量，從而做出正確的故障判斷。超高頻法，該種方法的工作原理在于電磁波監測，利用UHF 天線，其特點在于靈敏度高，抗干擾能力強，同時還能夠定位放電源。紅外檢測法，紅外檢測法應用紅外探測器，通過熱成像監測局部放電引起的局部溫度升高現象。光測量法，該種方法在檢測過程中會產生輻射。

3.2 變壓器油色譜分析的在線監測

該種在線監測方法基于油中溶解氣體理論，現場進行油色譜的定時監測和故障診斷，這也是其優勢所在。假設變壓器的運行溫度正常，油和固體絕緣材料在老化過程中出現了局部放電的現象，那么這種情況下的油裂解會產生 H2和CH4；若是故障溫度并未高出正常運行溫度太多，這種時候油裂解的產物只有 CH4；如果變壓器存在故障，且溫度不斷升高，此時油裂解則會產生 C2H4和 C2H6；當變壓器故障溫度超過 1000℃時，油分解中則會產生較多的 C2H2；若是產生大量的 CO 和 CO2，那么便是變壓器故障涉及到了固體絕緣材料。

3.3 變壓器紅外測溫技術的在線監測

紅外測溫技術一般是用于高壓設備的故障診斷，其技術主要是通過拍攝得到的設備局部的溫度來判斷故障程度。紅外測溫技術的時效性較強，不僅可以在一定距離內進行遙測，同時可以直觀的測定設備的溫度，并進行梯度顯示。紅外測溫技術還可以抵抗來自電磁場場波的干擾。對于繞組的熱點溫度測量，紅外測溫技術具有一定的優勢，并且精確度較高，精度已經達到0.05攝氏度。

紅外監測的原理是：當設備的溫度在絕對溫度（-273.15攝氏度）之上時，會產生紅外射線，這種射線實質是一種輻射能量，由熱能轉換而來。由紅外輻射定律的內容可知，被測物體所發出的輻射功率正比于所測物體絕對溫度的四次方。因此，當變壓器發生熱故障必然會改變其發熱部位的溫度，此時通過已經安裝好的紅外監測裝置就可以拍攝放電部位的溫度圖像，可以直接觀測到設備的發熱部位和出現發熱現象的范圍。通過拍攝的紅外圖像可以看到發熱點的溫度情況，不同的顏色代表不同的發熱程度。

總之，本文通過闡述變壓器局部放電、油中溶解氣體、鐵芯接地等在線監測的方法，提出融合多種原理的變壓器智能在線監測方法，通過使用大數據、專家系統分析，判斷變壓器運行狀態，為變壓器安全、可靠、經濟運行提供技術支撐。

（作者單位：1.國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司；

2.蕪湖中安電力設計院有限公司）