基于通信技術的變壓器設備故障管理與維護系統設計

靳 武，李 磊

（國網寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，電力系統的規模不斷擴大，變壓器設備作為電力系統的關鍵設備，其運行狀態直接影響著電網的安全穩定運營。長期高負荷運行的變壓器易發生各種故障，如絕緣故障、超溫故障等，不僅會引起事故，還會造成巨大的經濟損失[1]。因此，實時監測變壓器運行狀態并進行故障預測，有助于及時處理故障和維護。傳統的變壓器故障管理以人工定期檢查和維護保養為主，效率較低。隨著工業互聯網和智能化技術的出現，基于先進傳感器和通信技術構建自動化變壓器故障管理與維護系統，能夠實現對設備運行參數的智能監測、故障預測及預警、遠程維護與管理，提高變壓器的運行可靠性，延長使用壽命。

1 變壓器設備故障類型和管理分析

1.1 變壓器設備故障類型與特點

變壓器是電力系統的重要設備之一，其運行狀態直接影響電網的穩定。長期運行的變壓器容易出現各種故障，常見的變壓器故障類型與特征如表1 所示。

表1 常見變壓器故障類型與特征

變壓器故障類型復雜多樣，嚴重影響設備安全穩定運行。因此，實時監測與評估變壓器健康狀態，預警潛在威脅，并及時處理故障，是保證系統可靠運行的關鍵措施。

1.2 現有故障管理方法與技術

1.2.1 傳統的定期人工檢查與維護

這種方法一般每年對設備進行1～2次全面檢查，檢查內容包括外觀檢查、通風系統檢查、控制和保護系統檢查、絕緣和耐壓試驗等。定期人工檢查方式經濟實用，可以發現設備外部故障，但是檢測周期長達1 年，無法實現實時監測，存在漏檢風險[2]。

1.2.2 在線監測系統

這種系統通過在變壓器內部安裝溫度傳感器（精度為0.1 ℃）、振動傳感器（測量范圍為10 ～1 000 Hz）、氣體傳感器（測量SF6、H2、CH4、C2H6等氣體）等，并通過有線或無線網絡（通信速率100 Mb/s 以上）采集傳感器信號，實現對變壓器的實時監測。這種方法可以有效獲取設備的內部運行參數，但是傳感器種類與數量有限，無法全面監測設備狀況。此外，系統構建成本較高。

1.2.3 基于物聯網和大數據技術的智能電力物聯網系統

該系統通過在設備上安裝射頻識別（RadioFrequency Identification，RFID）智能電子標簽，采集設備的實時運行和環境數據，并結合云端知識庫（知識容量可達10 TB 級）和多維數據模型（維度可達數十維），實現對設備健康狀態的智能評估和預警診斷。這種方法雖然可以全面感知設備狀態，但數據復雜度高，算法實現復雜，準確度有待考察。

2 通信技術在設備管理與維護中的應用

2.1 通信技術概述

隨著物聯網、5G 通信技術等的發展，工業物聯網應用于各個領域。在設備管理與維護中，通信技術主要實現對設備狀態信息的實時采集與傳輸，構建設備監測預警、故障診斷與預測、遠程控制維護等智能化應用，提高系統的自動化水平[3]。一般采用無線通信技術，如窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）、遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）、ZigBee 等，傳輸監測數據，以減少布線，降低系統構建成本。這些無線技術在免許可的工業科學醫療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段工作，通信距離在1 ～10 km，數據速率為50 ～250 kb/s。常用的通信網絡拓撲結構有點對點、星型及網狀等。為確保數據傳輸的穩定可靠，網絡通常設置冗余機制，并采用安全可靠的通信協議，如消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）、受限應用協議（Constrained Application Protocol，CoAP）等。通過無線模塊與傳感器集成，1 臺NB-IoT 基站最多可以連接10 000 個終端，網絡容量高達數千兆。結合云計算和大數據分析，可以高效處理海量設備數據，構建精確的數字孿生系統，準確預測異常，優化設備運維。

2.2 通信技術在設備管理與維護中的應用原理

通信技術的應用改變傳統的設備管理與維護模式，實現故障預警、狀態監測、遠程診斷與控制的智能化和信息化。在此基礎上，構建包括設備智能感知層、通信網絡層以及應用計算層的3 層架構[4]。其中，智能感知層主要由穩定可靠的工業傳感器組成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、振動傳感器以及圖像傳感器等。這些傳感器精度高、抗干擾性強、測量范圍廣，頻率響應范圍可達10 ～5 000 Hz，分辨率高達16 位，能夠滿足工業測量需求。首先，通過控制器局域網總線（Controller Area Network，CAN）、Modbus、可尋址遠程傳感器可尋址遠程傳感器高速通道（Highway Addressable Remote Transducer，HART）等工業通信總線或NB-IoT、5G 等無線通信模塊與傳感器集成，組建無線智能傳感網絡，實現對設備的全面監測。其次，通過星型、樹型或網狀拓撲的安全可靠網絡(傳輸速率大于50 Mb/s)，采用傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、MQTT 等工業通信協議，以毫秒級時延將監測數據傳輸至工控機或計算中心。最后，應用大數據和深度學習算法，構建包含辨識模型、預測模型及評估模型的智能分析平臺，實現對設備運行狀態和故障模式的實時預測、評估和診斷，輸出設備健康度評分與維護建議，并以App、短信等形式推送給相關維保人員進行遠程智能決策。這種模式克服傳統周期性檢查的盲點，能主動發現故障跡象，優化設備運行與維護，提高系統的可靠性與可用性。

3 變壓器設備故障管理與維護系統設計

3.1 數據采集與監測

基于先進通信技術的變壓器設備數據采集與監測系統主要由智能傳感器網絡、采集網關以及通信模塊3 部分組成。智能傳感器網絡通過在變壓器關鍵部位布置溫度傳感器、濕度傳感器、振動傳感器以及氣體傳感器等，精確捕獲變壓器工作參數[5]。網絡采用自組織的無線Mesh 拓撲結構，節點間通過ZigBee（2.4 GHz）通信，速率為250 kb/s，傳輸距離可達1.5 km。由于網絡設置冗余機制，任何一個節點故障都不會影響數據傳輸。智能傳感器集成信號調理、數據處理和無線通信功能，直接在節點采集并計算參數，輸出過濾后精煉的數據，能夠降低對通信系統和計算平臺的依賴性。采集網關采用工業級計算機如西門子工控機IPC627D 與傳感器網絡對接，作為數據匯聚與預處理平臺。網關緩存數據庫容量為2 TB，可以存儲3 年原始數據。網關集成對象連接與嵌入的過程控制（Object Linking and Embedding Process Control，OPC）統一體系架構（OPC Unified Architecture，OPC UA）、CAN/HART 等主流工業通信接口，支持30種工業通信協議，可以實現對異構傳感器網絡的融合。網關上設置MQTT 協議的Broker 服務器，與平臺保持TCP 長連接，用于實時數據傳輸。基于4G 的工業級無線通信模塊實現遠距離、低延時數據傳輸，通信模塊按照Cat.1bis 標準，最大下行速率為10 Mb/s，采用低功耗設計，支持廣域和NB-IoT 網絡，能夠確保信號穩定可靠。同時設置雙模冗余設計，具備VPN 數據安全與身份認證功能。該系統充分利用先進的通信技術與網絡架構，實現變壓器參數的精準高效采集，為后續狀態評估、故障診斷奠定基礎。

3.2 故障診斷與預測

基于先進通信技術的變壓器故障智能診斷與預測系統主要通過構建數字孿生平臺實現。系統收集傳感器采集的溫度、濕度、氣體生成速率以及振動等多源異構數據，經過融合處理構建變壓器高保真數字孿生模型。模型通過仿真統計學習變壓器多狀態下的特征模式，識別不同故障對應的特征指標和閾值，建立狀態評估與故障分類識別模型。平臺采用深度學習等算法持續優化模型，實現對故障的準確判別。例如，采用卷積神經網絡對不同故障模式的振動噪聲信號進行特征提取和分類，假設輸入節點數為2 000 個，訓練數據集為100 萬組數據，其平均識別精度可達97%。對稀有故障采用遷移學習算法進行訓練，能夠解決數據不足的問題。模型同時集成關聯分析模塊，基于傳感器數據相互間的關系建立故障關聯知識圖譜，知識體系包含上萬條關聯規則。綜合運用模型預測結果和知識推理判斷故障類型。預測方面，平臺結合態勢感知、數字孿生及人工經驗建立混合智能預測模型，實現對變壓器故障過程的模擬預測。利用長短期記憶網絡（Long Short-Term Memory，LSTM）傳感器監測數據，預測關鍵參數的未來趨勢，評估故障發展態勢，同時綜合考慮設備健康狀態、運行環境、維保保養等信息，修正預測結果。平臺采用概率風險模型評估影響，并進行多級預警，指導運維人員采取對應措施。該系統充分利用先進智能算法與數字化建模手段，能夠準確判別故障過程，實現變壓器狀態精確評估與故障科學預測。

3.3 遠程維護與管理

基于5G、NB-IoT 等通信技術實現的遠程智能維護與管理系統，可對變壓器設備開展故障預測、狀態評估、遠程控制及智能優化等全生命周期運維。該系統通過無線傳感器網絡、工業互聯網平臺與5G 通信網絡的深度融合，構建精準的設備數字孿生，實現信息物理系統深度協同，突破物理距離限制，對設備實施主動式遠程監管。現場變壓器布置無線Mesh 傳感網，節點采用ZigBee 模塊，發射功率為100 mW，網絡冗余度不小于50%，覆蓋變壓器關鍵部件。傳感器采用工業級設計，測溫精度達0.1℃，動態響應時間小于50 ms。網絡采集變壓器振動、溫升、油質等數據，通過低功耗NB-IoT 一體化通信模塊上傳至5G 基站，下行速率可達1 Gb/s，時延小于10 ms。

5G 站點與區域性工業互聯網平臺對接，構建電力企業信息物理融合系統。首先，平臺應用數字孿生技術構建變壓器的高保真虛擬模型，能精確反映設備實時狀態。其次，平臺可生成變壓器3D 圖像，渲染精度達0.5 mm，還原絕緣、鐵芯、繞組等部件的內部結構與運動過程。再次，平臺與數字孿生系統雙向交互數據，驅動虛擬模型動態演變，實現物理設備的鏡像映射。最后，平臺利用OPC UA 等工業協議，與變壓器現場控制系統互聯互通。遠端運維人員可登錄平臺，像操作實體設備一樣對數字孿生變壓器開展故障預測、狀態評估、遠程測試等智能維護與優化。將最終形成的方案下發現場智能終端，指導工程師運用AR 設備執行維護任務，實現變壓器遠程閉環管控。該系統充分利用先進通信與數字化建模技術，打通信息孤島，實現高效精確的遠程設備監管與智能維護。

4 結 論

變壓器作為電網的關鍵設備之一，其故障會嚴重威脅電網安全運行。文章基于先進通信技術建立智能化故障管理與遠程維護系統，通過構建精確的數字孿生模型，充分利用物聯網、5G 通信、云計算、大數據以及人工智能等前沿技術手段，實現變壓器運行參數的智能高效采集、狀態評估和故障預測，從而達到遠程閉環控制和主動式維護。未來，隨著關鍵技術的不斷成熟，將深入推廣應用類似系統，加速電力系統的數字化和平臺化轉型升級，使電網運行更加可靠、高效。