淺談調控一體自動化系統下的變電站電氣設備故障診斷

賈永斌

【摘 要】變電站是電力系統的核心部分，對變電站的電氣設備進行診斷可以及時提示設備劣化，判斷故障的發生，因此對變電站電氣設備進行故障診斷和預防對于現實生活具有十分重要的意義。傳統的故障診斷技術只是監測設備本身的數據，而且電氣設備自身往往存在離散性和多樣的運行環境，這導致診斷結論總是不夠精確。在調控一體自動化系統下電氣設備的故障診斷充分利用整個系統的監測數據進行科學合理的故障診斷，很好的解決了這一問題。本文簡要介紹了調控一體自動化系統構成、技術特點、分析了調控一體自動化系統下的變電站電氣設備故障診斷方法和注意事項，可以為工作人員準確地發現并處理設備存在的隱患，大大提高了電力設備的安全性和穩定性。

【關鍵詞】調控一體自動化 變電站 電氣設備 故障診斷

變電站的電氣設備通常處于連續運行狀態，而且經常工作在惡劣的環境下，如風、雨、雷、電、腐蝕氣體等，導致絕緣惡化，最終導致故障的發生。并可能進一步導致用戶端發生事故，造成無法估量的經濟損失。調控一體自動化化系統相比于傳統的電氣設備故障診斷技術的顯著優勢就是在于“信息交互與共享”，因此，調控一體自動化系統下的電氣設備故障診斷不受自身設備監測數據的限制，可以充分利用其他幾個相同類型變電站的歷史和目前的監測數據進行故障監測和診斷，這就大大了提高故障診斷的準確性。

1調控一體自動化系統概述

調控一體自動化系統就是集監視與控制，電網跳讀與運行相結合的技術支持系統。綜合自動化系統的控制實際上是基于調度自動化系統，對發電廠、變電站等電力設備進行整合與控制的更高端的電網自動化系統。因此，調控一體自動化系統同時擁有“協調”與“控制”功能。主要目標是實現國調、網調的一體化，提高駕馭大電網和大范圍優化配置資源的能力，保障電網的安全、經濟、優質、高效運行。調控一體自動化系統首先具備調度自動化系統的所有功能，包括監視控制與數據采集、經濟調度、偶發事故分析、事故追憶、安全監視等等，實現“監視可視化、控制閉環化、數據平臺化、決策智能化”。

1.1調控一體自動化設備構成

調控一體自動化系統的設備構成如圖 1 所示，主要包括：信息采集和執行系統、信息傳輸系統、信息處理和控制系統以及人機交互系統，各個系統相互配合，構成整體系統。

信息采集和執行是采集各種實時信息并上傳電網，即采集變電站電氣設備當前狀況的監測信息；同時可以接收和實施上級所發出的調控命令。

信息傳輸系統是調控一體化系統的信息來回交換的數據通道。

信息處理和控制是整個系統的核心部分，它與高端性能計算機相連接，分析和處理電網的各種信息和數據，從而到達對電氣設備的自動控制。

人機交互系統將電網的各類信息予以處理，采用直觀、形象的方式告知調控人員；調控人員所發出的查詢、控制指令也通過該系統傳送給信息采集與執行子系統。

人機交互系統是對各種電網的信息進行處理，最后形象、直觀的展現在工作人員面前；同時工作人員查詢，控制指令也通過人機交互系統傳遞給信息采集和執行系統。

1.2調控一體自動化系統主要特點

分布式結構。調控一體自動化系統通常采用服務器——客戶端分布式網絡結構。服務器通常采用高性能計算機，用于管理網絡共享資源和網絡通信，并為客戶端提供數據等各種網絡服務。客戶端本質是具備網絡通信功能的計算機，它直接對特定的電氣設備擁有特定的人機交互界面和獨立的操作系統。客戶端與服務器、客戶端與其他客戶端之間可以進行通信，可以資源共享。這種多個客戶端可以通過網絡訪問服務器的計算機應用系統，即是所謂的分布式系統。

數據交換和共享。每個客戶端控制自動化系統可以與服務器實現相互之間的信息交換和共享，各個客戶端之間也可以共享信息和交換數據。這一特性使得調控一體化系統的整合可以全面，充分利用內部服務器的信息，利用每個客戶端的信息和資源，協調完成統一任務，例如變電站中變壓器狀態監測和故障的診斷。

2調控一體自動化系統下的故障診斷

2.1調控一體自動化系統下變壓器故障診斷分析方法

采用調控一體自動化系統對變壓器故障診斷，不再受自身設備監測數據的限制，可以利用本站和其它變電站同一型號變壓器的當前數據和歷史數據，進而大大改善變壓器故障診斷的準確性。調控一體自動化系統下的變壓器故障診斷實際上是給變壓器局部放電在線監測系統提供，信息和數據的功能，使其能夠信息共享。它的另一個重要的功能是能夠利用變壓器故障診斷算法處理海量的數據，這是因為：基于調控一體自動化系統的變壓器故障診斷涉及本臺變壓器、同一變電站/其它變電站中的若干同型號的變壓器的歷史與當前監測數據，堪稱“海量”。

調控一體自動化系統的變壓器故障診斷算法包括初級與高級兩個層次。使用Q-N診斷規則和φ診斷規則的是初級算法，高級的算法是采用BP神經網絡，處理本臺變壓器以及不同變電站的不同變電器的歷史和當前數據，提出診斷規則，并做出準確的診斷。 BP根據樣本數據（包括有故障的和無故障的）的處理分析來得出相應的診斷規則，并把這個“診斷規則”通知在整個網絡上，這種超強的獲取診斷規則的能力，非常適合結構復雜變壓器的故障診斷。一般來說，只要樣本數據是充分的，涵蓋了變壓器目前的運行狀態，故障診斷結論是準確，可靠的。

本文即應用 BP 神經網絡對變壓器故障進行診斷，實際上就是確定放電幅值 Q、頻次 N、相位φ與變壓器當前運行狀態（健康或故障）之間的對應關系。本文所使用的 BP 神經網絡的結構如圖 2 所示，包括輸入層、中間層與輸出層，其中間層包括 6 個神經元，輸出層僅含一個神經元。其中，p為輸入向量，

p =（Q N φ）T；

W1，W2為權矩陣；b1 b2為偏置矩陣；

f1，f2分別為tansig與purelin 型 神 經 元 函 數 ；

a1，a2 為神經網絡層輸出 ，

a1= tansig（W1*p+b1），a2= purelin（W2*a1+b1），

a2即為變壓器當前運行狀態（健康或故障）。圖2 BP神經網絡結構檢索本臺變壓器以及不同變電站的不同變電器的歷史和當前數據，以之作為樣本數據訓練該神經網絡，可確定權矩陣W1，W2及偏置矩陣b1，b2。之后，根據本臺變壓器當前的局放數據——放電幅值Q、頻次 N、相位φ，應用上述神經網絡即可確定當前的a2 ——變壓器當前運行狀態，有故障或者無故障。

2.2調控一體自動化系統容性設備故障診斷分析方法

容性設備包括耦合電容器、電容型電流互感器、電容型電壓互感器及主變壓器的電容型套管等，通過監測容性設備的電容量、三相不平衡電流及介質損耗系數，在不同的時間內分析這些參數的變化趨勢，和絕緣特性的發展趨勢，并與橫向數據、歷史數據、相間數據作對比，根據監測顯示結果，當監測結果超出正常范圍時設備存在故障。

本文對容性設備故障進行診斷也是應用 BP 神經網絡，實際上就是在初級算法（橫向比較法、綜合橫向比較法、縱向比較法與帶電與停電數據換算比較法）的基礎之上，引入充分的樣本數據來鍛煉 BP 神經網絡，從而確定當前的在線監測參數（介質損耗角、電容量等）與容性設備當前運行狀態（有故障或無故障）之間的對應關系。本文所使用的 BP神經網絡的結構如圖 3所示，包括輸入層、中間層與輸出層，其中間層包括 6 個神經元，輸出層僅含一個神經元。其中，p為輸入向量，對應于橫向比較法、綜合橫向比較法、縱向比較法與帶電與停電數據換算比較法，p的含義略有不同，以橫向比較法為例，

p=[tan（δ？X-δ？N）CX/CN]T；

W1，W2為權矩陣；

b1 ，b2為偏置矩陣；

f1 ，f2分別為tansig 與 purelin 型神經元函數；

a1 ，a2為神經網絡層輸出，a1=tansig（W*p+b1），2a=purelin（W2*a1+b1），a2 即為容性設備當前運行狀態（健康或故障）。

圖3 BP神經網絡結構

檢索本臺變壓器以及不同變電站的不同變電器的歷史和當前數據，以之作為樣本數據訓練該神經網絡，可確定權矩陣W1，W2及偏置矩陣b1，b2 。之后，根據本臺容性設備當前的在線監測數據，如tan（δ？X-δ？N）CX/CN，應用上述神經網絡即可確定當前的a2 ——容性設備的當前運行狀態，有故障或者無故障。

3變電站電氣設備故障診斷及其管理的注意事項

（1）倒閘操作應在同一系統中進行，不能同時進行2項及以上的倒閘操縱，避免數據采集混亂破壞了系統的穩定性。（2）對變電站倒閘操作，應提高工作人員的業務技能、管理水平和責任感，每個命令的執行需要專人監督，以確定每一次的正確并做好調度記錄。當執行調度命令時，還要復頌雙重編號。以避免誤操作導致設備損壞或人身事故。（3）調控一體自動化系統同樣需要高標準的管理，要貫徹執行標準化操作制度，明確各級管理責任，從點檢、操作、維護等方面建立剛性的執行機制，做好各類臺帳、記錄，按照“四不放過”原則對各類故障及異常進行認真分析，并針對變電站的運行數據從安全性、穩定性、經濟性方面進行分析評價，提高各方面管理水平，保證電氣系統的安全與穩定。

4結語

調控一體自動化系統下的變電站電氣設備故障診斷，每個在線監測子系統通過計算機網絡、數據和圖形通信連接成一個整體，使變電站的電氣設備形成分布式監控和診斷系統，有利于實現電力設備的狀態綜合分析，同時便于計算機系統的管理。變電站的監測診斷局域網還可進一步通過廣域網和地區性電業主管部門連接，形成輸變電設備區域性分布式監測與診斷系統。調控一體自動化系統下的變電站電氣設備故障診斷，有利于及時發現隱患，避免突發性事故，使設備從定期檢修過渡到狀態檢修，降低勞動強度，提高了故障診斷率，并能時時刻刻診斷設備當前的運轉狀況，以保證設備的安全運行，為電網的安全運行提供了可靠保證。有著巨大的經濟效益和社會效益，是當前國內外高度重視并努力推廣變電站電氣設備故障診斷模式。

參考文獻：

[1] 劉黎，何文林，劉巖 等.輸變電設備狀態在線監測與故障診斷系統分析軟件設計[J].計算機系統應用，2011，（8）：27-32.

[2] 童曉陽，張廣春，鄒思軼 等.變壓器絕緣遠程在線監測的 Web 實現[J].高電壓技術，2002，（12）： 29-31.

[3] 尹克伸，遲忠君，王晉昌.基于相對值比較法的電容型設備在線狀態監測[J].電氣技術，2009，30（1）： 91-94.