基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)研究

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在對(duì)變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度低、監(jiān)測(cè)存在較大時(shí)延，影響監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和時(shí)效性的問(wèn)題，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)展變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)研究。采集變電站電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)介質(zhì)損耗因數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)變電站電氣設(shè)備故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障類(lèi)型判定。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，該監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)更接近實(shí)際數(shù)據(jù)，且監(jiān)測(cè)時(shí)延較小，具備極高的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；介質(zhì)損耗因數(shù)；故障監(jiān)測(cè)；電氣設(shè)備；變電站；多項(xiàng)式擬合

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393；TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.007

0 引 言

變電站的正常工作對(duì)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。然而，由于電氣設(shè)備數(shù)量眾多、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜等因素，變電站電氣設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生[1]。因此，對(duì)變電站電氣設(shè)備故障進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。目前，對(duì)變電站電氣設(shè)備的故障檢測(cè)手段主要有對(duì)電流、電壓和溫度等參量的檢測(cè)以及利用振動(dòng)、聲波等進(jìn)行檢測(cè)。這些方法在一般情況下能夠有效發(fā)現(xiàn)故障，但同時(shí)也存在一些局限，如監(jiān)測(cè)精度不高、對(duì)特定故障的監(jiān)測(cè)效果不佳等[2]。因此，研究新型變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)方法具有重要的實(shí)際意義。基于此，文中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展了對(duì)變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)的研究。

1 變電站電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

選擇合適的傳感器和測(cè)量設(shè)備以準(zhǔn)確測(cè)量和采集所需數(shù)據(jù)[3]。交流量可采用電壓互感器或電流互感器測(cè)量，非電參數(shù)可采用對(duì)應(yīng)的傳感器測(cè)量。確定數(shù)據(jù)采集的頻率和周期，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的采樣頻率和采樣周期，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[4]。

按照上述思路，完成對(duì)所有變電站電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理[5]。采用多項(xiàng)式擬合方法，假設(shè)有一組數(shù)據(jù)為（xi， yi），其中i的取值為1， 2， ...， n，用多項(xiàng)式函數(shù)f（x）來(lái)最小化各數(shù)據(jù)點(diǎn)到擬合曲線的垂直距離之和。多項(xiàng)式擬合公式如下：

（1）

式中：a0， a1， a2， ...， an表示待求解的擬合參數(shù)。通過(guò)擬合處理，得到最終的變電站電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[6]，該通信網(wǎng)絡(luò)利用集中開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)IED主機(jī)間的互聯(lián)[7]。對(duì)于包含多個(gè)主站的智能終端，集中開(kāi)關(guān)是星形或者環(huán)形，由2個(gè)中央?yún)R聚節(jié)點(diǎn)組成，中央節(jié)點(diǎn)對(duì)IED主機(jī)實(shí)施集中式訪問(wèn)控制，所有主要IED之間的通信均需通過(guò)中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)和N個(gè)節(jié)點(diǎn)相連時(shí)，其可靠性的評(píng)定可以下述公式為依據(jù)：

（2）

式中：δsingle表示網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的整體可靠性；p表示單個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性，用于衡量單個(gè)節(jié)點(diǎn)在特定條件下能夠正常工作的概率。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性p高，那么它出現(xiàn)故障的概率就小，有助于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

利用上述故障監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一系列分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的在線測(cè)量是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。介質(zhì)損耗因數(shù)是指介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生能量損耗的特征參數(shù)，其變化可以反映電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和潛在故障。通過(guò)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的在線測(cè)量，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的故障征兆，并對(duì)故障的類(lèi)型和嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以通過(guò)安裝相應(yīng)的傳感器和測(cè)量設(shè)備對(duì)電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量。傳感器可以將電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)，然后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或數(shù)據(jù)中心[8]。接收到數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，計(jì)算出介質(zhì)損耗因數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的閾值或趨勢(shì)進(jìn)行故障判斷。介質(zhì)損耗因數(shù)的計(jì)算公式為：

（3）

式中：表示介質(zhì)損耗因數(shù)；G表示電導(dǎo)；S表示電導(dǎo)虛部。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)測(cè)量電氣設(shè)備的電流、電壓和功率等參數(shù)，并利用式（3）計(jì)算出介質(zhì)損耗因數(shù)。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中介質(zhì)損耗因數(shù)的監(jiān)控與分析，識(shí)別電力系統(tǒng)中存在的隱患，從而及時(shí)采取有效措施，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)

轉(zhuǎn)[9]。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中介電損耗因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中存在的隱患，防止其進(jìn)一步發(fā)展和惡化。同時(shí)，該方法能有效減少巡檢次數(shù)，提高巡檢效率。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

在得到電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)后，可以通過(guò)閾值比較法對(duì)其故障類(lèi)型進(jìn)行判定[10]。即根據(jù)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的介質(zhì)損耗因數(shù)值設(shè)定一個(gè)合理的閾值。該閾值可以是經(jīng)驗(yàn)值、統(tǒng)計(jì)值或者根據(jù)設(shè)備的具體參數(shù)和性能確定。當(dāng)實(shí)測(cè)的介質(zhì)損耗因數(shù)超過(guò)該閾值時(shí)，可以初步判斷設(shè)備存在故障，故對(duì)各時(shí)刻的介電損耗因數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，從而對(duì)故障的發(fā)展趨勢(shì)及嚴(yán)重性進(jìn)行判定。如果介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大，表明設(shè)備故障在逐漸惡化；如果介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)突然增大或減小，表明設(shè)備故障已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 監(jiān)測(cè)精度對(duì)比分析

本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)選取了10 kV規(guī)模變電站作為研究對(duì)象，分別利用文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法、基于圖像處理的監(jiān)測(cè)方法、基于溫變的監(jiān)測(cè)方法對(duì)該變電站中的電氣設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄各種故障數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)信息。將文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將基于圖像處理的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照A組，將基于溫變的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照B組。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。為全面評(píng)估不同監(jiān)測(cè)方法的性能，對(duì)比3組監(jiān)測(cè)方法在故障診斷準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性方面的表現(xiàn)。根據(jù)變電站的實(shí)際運(yùn)行情況和歷史故障數(shù)據(jù)，選擇了4種常見(jiàn)的故障類(lèi)型，分別是電壓互感器故障（A）、直流系統(tǒng)接地故障（B）、母線故障（C）和電容器故障（D）。

為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取了與這4種故障類(lèi)型相關(guān)的數(shù)據(jù)。特別關(guān)注了每種故障類(lèi)型中監(jiān)測(cè)方法判定為故障的數(shù)據(jù)，并將其與實(shí)際故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)這種方式，可以初步評(píng)估每種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度。

采用表格的形式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了整理和記錄，見(jiàn)表1所列。在表1中，詳細(xì)列出了每一種故障類(lèi)型下，不同監(jiān)測(cè)方法的故障診斷數(shù)據(jù)，便于對(duì)比分析。

從表1中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組在監(jiān)測(cè)4種變電站電氣設(shè)備常見(jiàn)故障類(lèi)型時(shí)，其監(jiān)測(cè)的故障數(shù)據(jù)量與實(shí)際數(shù)據(jù)量相比誤差非常小，這表明實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測(cè)方法具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性。相比之下，對(duì)照A組和對(duì)照B組的監(jiān)測(cè)故障數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大誤差。特別是對(duì)照B組，其監(jiān)測(cè)方法在母線故障類(lèi)型上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)量相差甚遠(yuǎn)，這意味著該監(jiān)測(cè)方法無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別和監(jiān)測(cè)母線故障。

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障，保障電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 監(jiān)測(cè)時(shí)效性對(duì)比分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中提出的監(jiān)測(cè)方法具有極高的監(jiān)測(cè)精度，在此基礎(chǔ)上，對(duì)3組監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)時(shí)效性進(jìn)行對(duì)比分析。選擇將監(jiān)測(cè)時(shí)延作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性要求，故障監(jiān)測(cè)時(shí)延可能會(huì)對(duì)故障的處理和系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。故障監(jiān)測(cè)時(shí)延主要包括兩部分：一是數(shù)據(jù)采集和傳輸時(shí)延；二是數(shù)據(jù)處理和分析時(shí)延。在傳統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)方法中，由于數(shù)據(jù)采集和傳輸依賴(lài)于人工操作和有線設(shè)備，因此時(shí)延較大。此外，數(shù)據(jù)處理和分析也需要一定的時(shí)間，這也會(huì)增加監(jiān)測(cè)時(shí)延。時(shí)延的計(jì)算如下：

（4）

式中：tdelay表示總時(shí)延；t表示匯聚交換機(jī)之間的時(shí)延；i表示監(jiān)測(cè)次數(shù)；N0表示鏈路。在完成監(jiān)測(cè)任務(wù)后，將3組監(jiān)測(cè)方法在負(fù)載不斷增加情況下的監(jiān)測(cè)時(shí)延變化進(jìn)行記錄，并繪制成圖1。

從圖1的3條曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)組在監(jiān)測(cè)變電站電氣設(shè)備故障的時(shí)延中表現(xiàn)出了優(yōu)越的穩(wěn)定性和高效性。實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測(cè)時(shí)延始終控制在1 ms以下，即使在負(fù)載發(fā)生較大波動(dòng)的情況下，時(shí)延也能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這種穩(wěn)定的時(shí)延意味著實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測(cè)方法在應(yīng)對(duì)不同負(fù)載條件時(shí)具有可靠性和一致性，能夠快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到故障信息，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警或采取相應(yīng)的處理措施。相比之下，對(duì)照B組的監(jiān)測(cè)方法的時(shí)延變化雖然也較為穩(wěn)定，但仍稍遜于實(shí)驗(yàn)組。這表明，對(duì)照B組的監(jiān)測(cè)方法在實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度上可能存在一定不足，無(wú)法在更短的時(shí)間內(nèi)完成故障監(jiān)測(cè)。對(duì)照A組的監(jiān)測(cè)方法在時(shí)延方面的表現(xiàn)最不理想，其時(shí)延波動(dòng)較大，范圍為1.0～3.0 ms。這表明，對(duì)照A組的監(jiān)測(cè)方法在不同負(fù)載條件下的響應(yīng)時(shí)間不穩(wěn)定，可能會(huì)影響故障監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

通過(guò)對(duì)比分析，可以得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)組所采用的監(jiān)測(cè)方法在時(shí)延方面具有更高的時(shí)效性，能夠更好地滿(mǎn)足變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供更加可靠的技術(shù)支持。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中主要研究了變電站電氣設(shè)備故障的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析和比較，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障監(jiān)測(cè)方法。這一研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，有效提升了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。同時(shí)，通過(guò)采集和處理運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)判定故障類(lèi)型，有助于提前發(fā)現(xiàn)和處理潛在的故障，保障變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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收稿日期：2024-01-19 修回日期：2024-02-27

作者簡(jiǎn)介：胡 健（1966—），男，河南沈丘人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電裝備智能控制技術(shù)應(yīng)用。