大數據平臺設備故障預警系統實現

張力影，閆永君

（魯迅美術學院 遼寧 沈陽 110004）

0 引言

隨著信息技術和互聯網技術的飛速發展，對于電力行業產生了很大的影響，促進了國家電網建設、電力生產行業、電力企業相關管理逐步向著智能化、信息化、數字化的方向發展。大數據平臺在線監測系統、電網設備狀態監控系統和無線通信技術逐漸應用于國家電力企業管理中，提高了電網運行的效率，使電能生產工作逐步趨于安全和穩定。利用大數據平臺進行二次設備故障監控，能保證二次設備的運行安全。二次設備作為電網設備安全運行的基礎，其運行狀態會影響到整個電網的安全工作情況。利用大數據平臺對電力企業電網設備的工作狀態等相關信息進行收集和監控，構建電網設備故障診斷及預警系統，建立二次設備運行信息數據庫，利用相關算法對故障信息進行分析，并和數據庫中保存的歷史故障信息進行比對分析，從而找出故障原因和故障位置，快速處理故障點，最終輸出二次設備運行狀況評價表。因此，大數據平臺設備故障實時監測及時預警系統是電網得以安全平穩運行的重要保障，對于電力企業的未來發展存在著重要的意義。

1 大數據平臺設備故障診斷技術評價

電網二次設備的主要功能是維護發電裝置、變壓器、電源等高壓設備的工作安全。電網二次設備作為一個輔助性的控制裝置，并不會主動介入到整個電網的正常運行，而只是會提高設備工作的穩定性和安全性。因此在電力系統日常的運行工作中，當電網設備或其他裝置出現故障而不能正常運行時，電網二次設備中的繼電保護設備就可以選擇性、高效的隔斷故障裝置和整個電網的聯系，進而防止了整個設備發生癱瘓的情況。隨著中國供電設施的進一步完善，電力設備的種類數量也會日益增多，對于電力網絡的穩定性要求也越來越高。因此，大數據平臺二次設備故障檢測技術，逐漸成了國家電網工作者關注的重點[1]。

電力網絡二次設備結構較為復雜，易于受到各種環境因素的影響。常見的二次設備系統故障出現的原因有二次設備電線絕緣老化、二次設備儀器精度下降、指示燈出現故障、二次設備電力線路斷觸、二次設備發熱故障，以及人為因素出現的二次設備損壞等，這些因素均可能對二次設備運行安全產生影響。在出現二次故障時，電網繼電保護裝置可能無法正常工作，進而引發更為嚴重的事故。在二次設備使用過程中可受到各種因素的制約，從而導致二次設備出現不同程度的影響。傳感器工作環境易于受到工作環境的影響，且和多種電氣設備相互連接，在傳感器工作出現問題時，會產生一系列的連鎖故障，在出現傳感器故障時應進行及時的診斷和處理。舊有二次設備故障檢修工作往往需要故障檢修專家前往現場進行檢查，對二次設備開關進行調試，在維修過程中傳感器可能出現更嚴重的事故。人工檢修二次設備故障往往在電網故障發生后才能進行，只能對故障進行維修，不能進行故障預警。因此，幫助電力企業進行電力故障的預防，可在很大程度上影響電網故障的維修效率[2]。

在二次設備出現運行故障進行故障診斷時，需精準找出故障發生的緣由。一般來說，故障出現均因一些隱藏的故障因素進行誘發，這些隱藏故障原因沒有明顯的外在表現，具有較強的不確定性和不穩定性，如對隱藏故障原因不能進行有效預防，在后期的運行中可能會誘發更加嚴重的事故。因此，應對電網二次設備故障進行數據采集和設備模擬運行，利用大數據平臺進行實現設備故障預警工作，得到較為真實、科學且有效的模擬設備運行信息，從而及時排除隱藏故障因素，保證二次設備的運營安全，進而確保電力網絡的運行安全。

2 設備故障因素分析

電網設備故障因素主要分為連續、分類和非結構化這3種，從設備負載率、設備投運年限對電網設備故障因素對不同的設備故障進行分析。

2.1 設備負載率相關分析

電網設備故障的運行影響因素，主要提取了“月平均負載率”作為特征變量，進行計算能夠得出相關系數為0.932，因此電網設備故障率和負載率存在正相關關系。電網設備故障月平均負載率和故障率散點如圖1所示[3]。

圖1 電網設備故障月平均負載率和故障率散點

2.2 設備投運年限相關分析

對電網設備故障率和投運年限之間的關系進行分析，得到相關系數為0.748，因此設備故障率和投運年限存在正相關關系。設備投運年限與設備故障率之間相關性如圖2所示[4]。

圖2 設備投運年限與設備故障率之間相關性

3 大數據平臺設備故障在線檢測及時預警平臺設計

大數據平臺設備故障在線監測及時報警系統是利用現代通信技術、大數據技術、互聯網技術、人工智能技術和傳感器技術等新型技術，達成二次設備運行狀態的在線監控，對二次設備故障進行及時預警，收集二次設備的運行狀態參數，構建二次設備運行模型模擬日常操作過程，排除二次設備運行中的安全隱患，對二次設備的故障進行及時修正，制定更加科學合理的二次設備故障防護措施。利用大數據平臺二次設備故障在線監測及時報警系統達成對電力設備的智能化監管，提高電力網絡管理效率，及時排除電力生產過程中出現的安全隱患。不僅如此，大數據平臺二次設備故障在線監測及時報警系統滿足了國家電網要求的“全方位提高站內二次系統運維檢修”的智能化發展目標，能夠進一步提高國家電網的安全性與穩定性，保證國家電網的順利運行，確保人民的用電安全[5]。

大數據平臺設備故障在線監測及時報警系統采用分層式設計，涵蓋了站控層、間隔層和過程層3層網絡結構。大數據設備故障在線監測及時報警系統的站控層包含二次設備故障監控設備，以此達成對二次設備監控、管理、故障警報及信息交互，進一步對設備數據進行采集和監管。間隔層包含變壓器綜合監控部分和斷路器監控單元，過程層包含變壓器、斷路器、隔離開關、電壓感受器等設備及智能組件。大數據平臺設備故障在線監測系統運行框架如圖3所示。

圖3 大數據平臺設備故障在線監測系統運行框架

3.1 結構設計

大數據平臺設備故障在線監測及時預警系統需要保證全數字電力系統仿真器（advanced digital power system simulator，ADPSS）核心模塊的實時監測和獨立特性，應獨立運行于專業監控模塊的實時操作系統之中。大數據平臺二次設備故障在線監測及時預警系統需具備實時性的接口模塊，利用配置專用硬件的方式構建系統的“硬件層”，利用技術核心功能構建系統的“功能層”，以各項監控軟件和數據處理軟件構成“應用層”。將“硬件層”“功能層”“應用層”進行綜合，從而構成一體化的大數據智能應用平臺[6]。

大數據平臺設備故障在線監測及時預警系統利用分層模塊化設計，對設備運行數據進行實時數據監測和歷史數據挖掘，利用大數據技術對設備故障進行分析，同時對設備運行狀態進行進一步推斷，對繼電器、交換機、電網運營數據進行監測，并將上述數據上傳至數據庫中，且將電網運行中可能發生的故障進行上報，從而幫助電網安檢人員能夠隨時調閱設備故障信息，從而對維護變電站設備的方案進行規劃，在遇到設備故障時能夠提前進行應對。

3.2 通信功能設計

利用大數據技術和信息化技術，對電力網絡運營數據進行收錄，將運營數據中的歷史安全數據進行整理，對電網設備出現故障的頻率和繼電保護設備工作場景進行分析，編制電網運行安全檢測措施，進一步建設電網設備運行安全數據庫。大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統立足于IEC 61850通信協議，能夠滿足多種方式的數據傳輸和遠程控制監控方式，對數據中心中的數據進行調用。具有功能齊全的數據庫，能夠構建設備運行故障檔案，利用大數據平臺能夠將電力網絡設備數據進行實時共享。不僅如此，還可利用該系統對繼電器工作狀態進行調整，從而利用遠程控制的方法對繼電器進行故障維修。該系統的運行狀態需要通信網絡進行實時連接，電力設備要在維修前先切換為停運狀態，進行通訊隔離從而保證其他電力設備不出現誤動現象。該系統的切換方式多樣，最主要的切換方法可通過操作軟壓板的方式從而將裝置有效隔離，對其運行狀態進行改變，從而實現自動化安全隔離電力設備的功能，對維修過程進行控制和可視化監控，具有較強的推廣價值和實用價值[7]。

3.3 模塊化結構設計

大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統具有較為強力的數據處理性能，能夠對變電站設備運行狀態進行監管，進而讓變電站的故障檢修工作做到自動化管理。且具有獨特的模塊化設計和較為廣闊的應用環境，結構相對簡單，性能較為穩定，開發成本易控制，在部分模塊出現了技術突破后可以僅升級部分模塊，即可讓大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統進行更新。不僅利用模塊化設計，還能讓大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統做到實時在線故障檢測和故障預警，進一步控制產品的研發和更新周期，提高產品質量，進而應對國家電網發展較快的現象。該系統在變電站中的廣泛應用可以進一步提高變電站自動化、智能化、數字化運行管理水平，保證國家電網的運行安全，控制電力輸出的安全，讓人民群眾享受到持續穩定的電力服務。

大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統能實時有效地對電網設備的隱藏故障進行監測，采用電網設備故障預警規則庫進行故障排查，定期定時進行電網設備巡回檢查。該系統還具有可視化功能，利用可視化軟件能夠對電網設備的運行狀況進行三維模型構建，讓維修管理人員直觀地檢查各電網設備的運行狀況?？梢暬夹g基于大數據技術，將電網設備運行狀況和大數據信息進行對照進行三維模型建模。利用可視化技術能夠在一定程度上將變電站維修工作進行簡化，盡可能避免電網檢修出現誤操作的現象，從而提高供電可靠性。

因此，大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統的核心是利用大數據技術對電力設備進行運行狀態對比，從而實現電網工作的監控和對電力設備的運行狀態進行實時監測，再利用可視化技術對設備故障進行精確定位。利用大數據技術對實時數據進行高效處理，并構建設備安全數據庫，對設備運行的狀態進行模擬，通過對大數據進行分析找出電力設備運行的異常情況。變電站大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統能夠高效收集電網設備運行的狀態，方便維修人員對電網設備進行故障檢修。

4 結論

綜上所述，在國家電力網絡智能化發展的大背景下，電網設備的運行工作呈現出相互連接的特征，在部分設備出現故障時往往會導致連鎖反應，最終造成較為嚴重的事故。因此，應對電網設備的工作狀態進行及時的監控，以此來確保電網運行的安全與穩定，保證人民的用電安全。利用大數據平臺設備故障在線檢測及時預警系統能夠對電網設備的運行狀態進行實時檢測，預防電網設備出現故障。在出現故障后能及時發出警報，使相關安全維修人員快速定位故障點，及時處理相關故障。在電網設備正常工作時，利用大數據技術對設備運行狀態進行分析，進而構建電網設備的安全檔案，以便對其工作數據進行監測，從而對故障問題做出預警與解決。在供電系統故障診斷與報警技術中，通過大數據分析系統提取有效的設備行為參數信息，對采集到的設備運行信息與閾值進行深入分析，進而完善系統事故報警功能。不僅如此，電網部門的供電系統工作人員需要對事故診斷技術開展深入的探索，通過先進的信息技術充分發揮大數據系統的事故實時監測與應急預警系統的功能，保證整個供電系統得以安全平穩的運轉。