變電站充油設備絕緣油智能綜合分析系統研究

武曉蕊，楊豐帆，郭琪，鄧華璞，林閩

(國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050)

1 緒論

絕緣油檢測作為獲取充油設備絕緣狀態的主要方法，目前已在包括變壓器、電抗器、CT、PT等充油設備的日常運維工作中得到全面推廣，相關試驗項目涉及絕緣油色譜、含氣量、耐壓、介損、微水、酸值、PH值、閃點、界面張力、運動粘度等10余類[1]。通過檢測，可以獲取絕緣油的各類參數，并可基于這些參數的分析結果，判斷充油設備的運行狀態，為現場設備運檢工作提供決策依據。

然而，單支絕緣油分析工作前期準備和后期收尾工作耗時長，嚴重影響實驗人員工作效率，若收尾工作中，氣瓶和烘干設備忘記關閉，還可能發生安全事故，將影響生產安全[2]。除此之外，在絕緣油數據分析工作中，還存在檢測數據分析智能化水平較低[3]、數據展示不直觀影響趨勢判斷等問題。

針對以上絕緣油檢測工作中存在的問題，提出開展基于數據驅動的絕緣油檢測分析關鍵技術研究，通過建立油化實驗室物聯系統，實現儀器的遠程硬件控制和狀態智能化感知，提高試驗人員工作效率與生產安全；通過研究適用于絕緣油全生命周期管理的檢測數據融合智能分析方法，實現實驗室數據分析智能化水平提升；通過建立絕緣油檢測數據可視化平臺，提升試驗人員綜合分析能力，為現場設備安全運維提供技術支撐。

圖1為改造前后油化試驗流程對比圖，改造后的流程減少了試驗前期手動開啟電源、設備通載氣、設備升溫至穩定工況的過程，以及試驗收尾通載氣降溫、取油容器烘干的步驟，并將數據入庫自動分類，得出絕緣狀態結果。可以顯著提升絕緣油檢測分析質效，提高實驗室智能化水平。

圖1 改造前后油化試驗流程對比圖

2 綜合分析系統的功能

2.1 遠程控制

油化實驗室電路微斷控制原理圖如圖2所示。

圖2 油化實驗室電路微斷控制原理圖

如圖2所示，QF1為監控設備電源控制開關；QF2為色譜分析儀設備的電源控制開關；QF3為烘干箱電源的控制總開關，初始狀態QF3閉合時間繼電器開始計時，同時電磁接觸器KM1閉合，烘干箱開始工作，計時結束后時間繼電器動作，KT1－1常閉開關變為常開，烘干箱停止工作，當按下SB1時，時間繼電器進行重置，進行新一輪的工作計時。QF4為氣體供氣、氣泵、氫氣發生器和色譜分析儀電源的總開關，QF5、QF6分別為兩種氣體選配開關。當QF4閉合，計時器開始計時，選擇合適的氣體(閉合QF5則接通氣體1，閉合QF6則接通氣體2)，計時結束KT2－1常開開關閉合，KM2線圈接通，KM2常開觸點閉合，啟動氣泵和氫氣發生器，同時時間繼電器KT3開始計時，計時結束KT3－1常開觸點閉合，電磁接觸器KM3線圈通電，KM3常開觸點閉合，色譜分析儀開始工作。

2.2 數據采集

絕緣油智能綜合分析系統具有數據可視化平臺，通過和中分色譜工作站進行通信，獲取數據的測試結果信息。如數據測試設備不支持通信功能，則采用人工將EXCEL數據導入至數據可視化平臺。待測項目包括9種油中溶解氣體:H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2和 9 種其他項目:擊穿電壓、體積電阻率、介質損耗、水分、酸值、pH值、界面張力以及閃點。另外還需要在數據庫中預留10種測試項目:運動粘度、密度、顆粒度、抗氧化劑含量、油泥與沉淀物、油的相容性試驗、銅金屬含量、腐蝕性硫、析氣性。

2.3 數據可視化

檢測數據可視化遵循從總體信息到單個變電站信息，再到待測氣體信息的逐步展示。可采用主頁面展示總體信息，一級分頁面展示單個變電站信息，二級分頁面展示待測氣體信息。具體內容如下:

主頁面包括項目總體信息，其UI示意圖如圖3所示。

圖3 單個變電站充油設備信息布局示意圖

二級分頁面為點擊變電站充油設備列表后出現的頁面，包括所有油中待測氣體信息，其布局示意圖如圖4所示。

圖4 油中待測氣體信息布局示意圖

具體內容包括:

(1)最中間為“油中溶解氣體各項組分折線圖”，將11項(加入總烴與含氣量)組分采用不同顏色表示，縱坐標為歷史數據，橫坐標為時間(等間距，標注為每次試驗日期)。

(2)左側三個和右上角為“其他檢測項目折線圖”，這四個項目為例行項目。

(3)右側中間為“其他項目折線圖”，項目主要包括PH值、界面張力和閃點。

(4)右下角為“同廠家(家族)其他設備數據對比折線圖”，單個廠家每季度做一幅折線圖，用于及時發現家族性缺陷，主要針對CT。

(5)最下側為“診斷結論”，診斷結論依據底層所采用的算法依據(包括閾值判斷，三比值法等其他綜合評價方法)，評價出當前所采樣油樣健康狀態。

3 業務平臺框架

業務平臺總體框架分為四層:訪問層、接入層、服務層、存儲層，如圖5所示。

圖5 業務平臺框架示意圖

訪問層:包含三部分:PC端、移動端(手機App端)、IOT設備(微斷開關)。PC端涉及相關業務的處理如用戶管理，設備管理等。移動端為安卓手機App，用于微斷開關等IOT設備的遠程控制和狀態查看。

接入層:提供統一的數據接口，以應對不同等訪問層的不同數據通信與交換方式。

服務層:分為基礎服務和業務服務兩部，用于提供統一的業務邏輯處理和數據交換。

存儲層:分為文件系統、數據庫集群、緩存集群，用于獨立的文件存儲、數據存儲、緩存處理能力，實現分布式集群部署。

4 物聯網集成架構

實驗室中的烘干箱、色譜分析儀、氣瓶等設備不具備物聯網設備的屬性，通過外接智能電路微斷開關設備，獲得遠程智能控制的能力，結合移動App組成物聯網系統。

物聯網系統集成將不同的系統和智能硬件，根據應用需要，有機地組合成一個一體化的、功能更加強大的新型系統的過程和方法。MQTT是目前物聯網使用最廣泛的通信之一，底層是基于TCP連接進行數據通信，采用訂閱/發布的通信協議，非常適合低帶寬、低開銷的硬件終端場景使用。

如圖6為物聯網集成架構示意圖，基于MQTT建立微斷開關通信網關服務，用于在微斷開關設備和應用平臺間建立一個通訊橋梁，一方面可以接收設備主動上傳數據(如定時數據、報警事件等)，并轉發到應用平臺，同時可以接收應用平臺發送的指令，轉發到微斷開關設備端(如遠程控制、獲取狀態等)。

圖6 物聯網集成架構示意圖

5 總結

本項目中絕緣油檢測分析關鍵技術研究，可以顯著提升絕緣油檢測分析質效。油化實驗室物聯系統的建立，可以有效減少實驗前期準備耗時和后期整理耗時，大幅提高油務人員整體工作效率；全生命周期的檢測數據融合智能分析方法研究，可以提高單臺設備各階段檢測數據的利用率，通過結合智能分析算法、多維趨勢分析方法，對單臺設備多類檢測數據開展融合分析，將提升實驗室數據評價智能化水平，為現場運檢工作提供更有利的輔助支撐；以智能分析方法為依托的數據可視化平臺搭建，將更直觀的展示各站充油設備狀態，方便實驗人員對不同相別設備或同一廠家設備絕緣水平進行綜合掌控，提高隱患查找能力。