智能變電站狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

摘要：變電設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)變電站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化的必要條件，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動。電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測不僅可以掌握電力設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行情況， 還可以根據(jù)其專家系統(tǒng)利用其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫對電力設(shè)備進(jìn)行綜合診斷，電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能變電站的基礎(chǔ)。文中針對目前變電站設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合近年來該領(lǐng)域的現(xiàn)狀和智能電網(wǎng)的發(fā)展方向，對變電站智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行綜述。

變電站作為智能電網(wǎng)的核心組成部分，其建設(shè)獲得了越來越多的關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，變電站一次設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測是指采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的傳感系統(tǒng)，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動的變電站[1]。電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是保證電力設(shè)備正常工作，有效開展?fàn)顟B(tài)檢修，并預(yù)估設(shè)備的損耗以建立全壽命周期管理體系，電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能變電站的基礎(chǔ)。因此以設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修成為實(shí)現(xiàn)智能變電站并最終建立智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一，該技術(shù)近年來獲得越來越多的重視。電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測不僅是設(shè)備狀態(tài)檢修模式的基礎(chǔ)，也是智能變電站綜合自動化正在實(shí)施的電氣運(yùn)行模式的需要。無論是智能變電站還是無人值守變電站在其監(jiān)控系統(tǒng)中都需要增加一個在線監(jiān)測及故障診斷專家系統(tǒng)， 用以作為輔助決策手段，進(jìn)而提高監(jiān)控能力。要想實(shí)現(xiàn)真正的無人值守，必須加入電氣設(shè)備在線監(jiān)測和故障診斷的內(nèi)容，這樣變電站綜合自動化才更加完善和更有效。所以在測量、控制、保護(hù)和遠(yuǎn)動等綜合自動化的基礎(chǔ)上，融合電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)必將推動變電站綜合自動化向前發(fā)展[2]。

電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測不僅可以掌握電力設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行情況，還可以根據(jù)其專家系統(tǒng)利用其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫對電力設(shè)備進(jìn)行綜合診斷，為設(shè)備檢修提供輔助決策。為了解決電力設(shè)備故障診斷中所遇到的主要技術(shù)難題，需要突破常規(guī)方法進(jìn)行故障診斷的局限，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、灰色軌跡理論、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、模糊理論模型等各種算法，對電力設(shè)備實(shí)行故障診斷。利用各種數(shù)學(xué)模型從實(shí)現(xiàn)原理上進(jìn)行比較分析，研究出多種改進(jìn)的學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)電力設(shè)備故障診斷絡(luò)模型。

1 電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成

電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測是指通過傳感器、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)， 及時獲取設(shè)備的各種特征參量并結(jié)合一定算法的專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析處理， 對設(shè)備的可靠性做出判斷，對設(shè)備的剩余壽命作出預(yù)測，從而及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提高供電可靠性。電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測大大降低維修周期內(nèi)的設(shè)備故障率，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供技術(shù)依據(jù)， 并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和異常征兆，確保設(shè)備安全運(yùn)行，從而提高供電可靠性。由于變電站內(nèi)電力設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)各異，狀態(tài)監(jiān)測的類型也千差萬別，但是，不論什么類型的監(jiān)測系統(tǒng)，都需要經(jīng)過3 個步驟：采集設(shè)備數(shù)據(jù)信號;對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸;分析處理數(shù)據(jù)及診斷。

變電站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜， 所采集到的模擬信號在傳輸?shù)倪^程中不免受到外界的各種干擾而產(chǎn)生信號失真， 為了解決模擬信號在長距離傳輸后所導(dǎo)致的失真問題， 現(xiàn)在傾向于將微弱的模擬信號就地模擬轉(zhuǎn)換，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，由主機(jī)進(jìn)行循環(huán)檢測及處理。依據(jù)IEC 61850 關(guān)于變電站功能、變電站通信網(wǎng)絡(luò)以及整體系統(tǒng)建模的分層設(shè)定， 智能變電站分為三層結(jié)構(gòu)：過程層、間隔層、站控層。如圖1 所示。分層(級)分布式的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場總線控制技術(shù)。它由安裝在變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和安裝在主控室內(nèi)的數(shù)據(jù)分析和診斷系統(tǒng)，再通過網(wǎng)絡(luò)， 把若干個變電站的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到相關(guān)管理部門的數(shù)據(jù)管理診斷系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)對多個變電站的電氣設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測。

分層(級)分布式系統(tǒng)采用總線式結(jié)構(gòu)，增加或減少監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測項(xiàng)目均不需要改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要在通信總線上掛接以不同類型及數(shù)量的智能組件，就可實(shí)現(xiàn)不同高壓電氣設(shè)備、不同項(xiàng)目的連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測，因而系統(tǒng)的開放性較好。所有的數(shù)據(jù)處理在就地完成，主控計(jì)算機(jī)僅完成通信控制和故障診斷，減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。所有的智能組件均應(yīng)具備嚴(yán)格的自檢功能，測量數(shù)據(jù)全部采用光纖通信方式傳輸，克服長距離傳輸模擬信號所導(dǎo)致的波形失真問題，并且可及時反映出就地模塊自身的工作狀況，提高監(jiān)測結(jié)果的可信度。而且，即使某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也不影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。即使通信光纜故障或主機(jī)故障，還可使用便攜式設(shè)備就地進(jìn)行檢測。以國內(nèi)首座220 kV 智能變電站無錫西涇變?yōu)槔?，其智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 電力設(shè)備智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一個跨部門、跨系統(tǒng)的大型綜合管理信息系統(tǒng)，如無錫供電公司西涇智能變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)涉及到的部門有生產(chǎn)技術(shù)部、調(diào)控中心、安監(jiān)部、監(jiān)控中心等各主要生產(chǎn)部門;涉及到的系統(tǒng)有PMIS，SCADA，EMS 等;涉及到的裝置有變壓器綜合管理平臺、GIS 局放監(jiān)測裝置、斷路器監(jiān)測裝置、避雷器檢測裝置等[3，4]。所以在設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊時，除考慮自身的相對獨(dú)立性和開放性以外，還得重點(diǎn)考慮與其他已有系統(tǒng)模塊的集成。

一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示， 該功能框圖涵蓋了常見一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目。