基于調(diào)控一體自動化系統(tǒng)的變電站電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)

張 宇

（國網(wǎng)黑龍江省送變電工程有限公司，黑龍江哈爾濱 150000）

變電站電氣設(shè)備因為工作環(huán)境惡劣、運行年限延長、維護不到位等因素的影響，在投入使用一定時間后不可避免的會發(fā)生故障。相比于以往以人工為主的故障檢測與診斷模式，基于調(diào)控一體自動化系統(tǒng)的電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)，可以利用前端傳感器實時采集變電站各類電氣設(shè)備的運行參數(shù)，然后由計算機對獲取數(shù)據(jù)展開分析，并智能判斷是否存在異常工況以及故障的具體類型。該技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)對變電站電氣設(shè)備潛在故障的準確、及時診斷，在保證變電站電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，還能減少設(shè)備停機檢修的頻率，發(fā)揮良好的經(jīng)濟效益。

1 變電站變壓器在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

以變電站電氣設(shè)備中的變壓器為例，介紹變壓器局部放電的在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)由射頻監(jiān)測器、高頻CT、在線監(jiān)測平臺等組成。當被監(jiān)測的變壓器出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象后，放電電流信號經(jīng)由中性點接地線流入接地點。此時接地電抗器接收該信號，使放電電流進入到由高頻CT、射頻監(jiān)測器組成的監(jiān)測回路中。主控計算機根據(jù)放電電流的強弱，判斷局部放電故障的危害程度、發(fā)生位置、放電類型。主控計算機在診斷局部放電故障時，主要依據(jù)的參數(shù)有放電幅值Q、放電頻次N，以及放電相位φ 等。比較常用的局部放電故障診斷方法時“Q-N”診斷法，診斷規(guī)則見表1。

表1 局部放電類型的Q-N 診斷規(guī)則

由于引起變壓器局部放電的故障機理有明顯的復雜性、離散性特點，因此基于Q-N 診斷規(guī)則的局部放電在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，在實際應(yīng)用中也存在診斷結(jié)果可靠性不高的問題。在人工智能技術(shù)成熟背景下，為BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供海量的樣本數(shù)據(jù)供其深度學習，進而根據(jù)既定的診斷規(guī)則，實現(xiàn)對復雜故障的準確鑒別，使得故障診斷結(jié)果的精確性得到進一步的提升?；诖?，本研究設(shè)計了一種以人工智能為核心的，基于調(diào)控一體自動化系統(tǒng)的變壓器局部放電在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

2 基于調(diào)控一體自動化的變壓器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

變壓器局部放電在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的硬件部分，主要有主機（ARM）從機（DSP），以及配套設(shè)備（如電源、SD 卡等）組成。其中主機負責編輯和發(fā)送控制指令，而從機負責完成數(shù)據(jù)的計算，硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 局部放電檢測硬件框圖

結(jié)合圖1 可知，該系統(tǒng)的前端模塊為若干個局部放電傳感器，傳感器直接安裝到變壓器上，如果變壓器發(fā)生局部放電故障，該傳感器可實時采集放電電流的幅值、頻率、相位等基本參數(shù)[1]。然后傳感器通過CAN 總線，將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給從機。在該處完成數(shù)據(jù)的預處理和計算后，將最終結(jié)果發(fā)送至主機。利用主控計算機完成數(shù)據(jù)解析，實現(xiàn)對放電類型、放電位置的準確判斷，得出最終的故障診斷結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件部分是基于Visual C++ 和MATLAB 兩款軟件混合開發(fā)。在MATLAB 軟件中提供了大量的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，如初始化函數(shù)newff、訓練函數(shù)train 等，在使用Visual C++軟件進行開發(fā)時，可直接從MATALB 函數(shù)庫中調(diào)用，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，開發(fā)流程見圖2。

圖2 VC++調(diào)用MATLAB 的流程

考慮到本系統(tǒng)的前端傳感器會不間斷的收集海量樣本數(shù)據(jù)，為減輕數(shù)據(jù)處理的工作量、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，在系統(tǒng)軟件設(shè)計中還需要增加樣本數(shù)據(jù)的檢索與整合程序。本文分別選取了“型號”、“生產(chǎn)廠商”、“運行年限”3 個指標，對變電站運行產(chǎn)生的海量信息進行遍歷檢索，并整理成“輸入P- 輸出a2”形式（如圖3），提供給BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，做出最終的診斷。

結(jié)合圖3，本研究設(shè)計的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由3 部分組成，即輸入層、中間層和輸出層。BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強大的學習能力，提供海量的樣本數(shù)據(jù)（包括變壓器運行的正常數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)）進行學習，并自動生成一套“診斷規(guī)則”[2]。這樣當前端傳感器反饋變壓器的實時數(shù)據(jù)給主控計算機后，計算機以隱性分布的“診斷規(guī)則”作為判斷依據(jù)，對照實時數(shù)據(jù)是否符合該規(guī)則。如果符合，則說明被監(jiān)測的變壓器運行正常；反之，如果不符合，則說明被監(jiān)測變壓器存在異常工況，得出故障診斷結(jié)論。作為輸入向量的P 是由放電幅值、放電頻次等參數(shù)組成的集合，可表示為

圖3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

P=[Q，N，φ]T

W1、W2為權(quán)矩陣，b1、b2為偏置矩陣，f1、f2分別為tansig 型、purelin 型神經(jīng)元函數(shù)，a1、a2為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層輸出，輸出結(jié)果a2即為變壓器的實時狀況，有“健康”和“故障”兩種情況。在軟件系統(tǒng)運行時，可以將變電站所有變壓器的歷史運行數(shù)據(jù)，或者其他變電站同型號的變壓器運行數(shù)據(jù)作為訓練樣本。經(jīng)過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練后，可以確定權(quán)矩陣W1、W2和偏置矩陣b1、b2。然后測量被監(jiān)測變壓器當前的局部放電數(shù)據(jù)（Q、N、φ），即可求得a2，實現(xiàn)對變壓器實時運行故障的在線檢測和自動診斷[3]。

2.3 局部放電在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的性能指標

局放監(jiān)測技術(shù)性能見表2。

表2 局放監(jiān)測技術(shù)性能

3 變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝與調(diào)試

某變電站現(xiàn)有4 臺SFSZ9-4000/110 型有載調(diào)壓電力變壓器。于2014 年6 月份安裝并投入使用，2019年10 月份因為繞組絕緣失效發(fā)生過一次局部放電故障。目前該變電站的變壓器每月執(zhí)行一次常規(guī)檢查，為減輕檢修人員的壓力，以及提高對潛在故障的診斷能力，引入基于調(diào)控一體化的在線檢測與故障診斷系統(tǒng)。將局部放電傳感器放置在高壓側(cè)電流互感器的出線盒中，由于出線盒采用了絕緣密封材質(zhì)，因此變壓器出現(xiàn)局部放電時產(chǎn)生的超高頻電流信號會穿過密封絕緣材料，進而為外部的局部放電傳感器接收。傳感器與從機（DSP）之間使用CAN 總線連接，具有較強的抗干擾能力，保證前端采集到的信號能夠高質(zhì)量地傳遞到從機[4]。從機與主機之間使用基于IEC61850 協(xié)議的光纖連接，進一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率。

變壓器局部放電在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)安裝完畢后，還要進行簡單的調(diào)試，確保在線監(jiān)測與智能診斷功能可以順利實現(xiàn)。首先是進行外觀檢查，如局部放電傳感器的安裝是否牢固、監(jiān)測回路是否正常通電等。外觀檢查無問題后，再開展系統(tǒng)主要功能測試，測試內(nèi)容及方法如下：

（1） 超高頻傳感器功能檢查。選擇一臺小型信號發(fā)生器，使其產(chǎn)生1 個可以被超高頻傳感器接收的高頻信號，然后檢查IED 能否正常接收到對應(yīng)的脈沖信號。如果能夠接收，則說明該功能正常。

（2） 系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)檢查。操作方法同上，檢查在線監(jiān)測系統(tǒng)能否準確顯示與高頻信號對應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果能夠準確顯示放電幅值、相位、頻次等數(shù)據(jù)，則說明該功能正常。

（3） 采樣周期設(shè)定檢查。在系統(tǒng)設(shè)置中自定義一個采樣周期，運行系統(tǒng)后檢查是否按照該采樣周期采集前端數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值進行采樣，則說明該功能正常。

（4） 設(shè)備告警功能檢查。將局部放電IED 裝置電源關(guān)閉，觀察系統(tǒng)是否告警。如果告警，說明該功能正常。

（5） 鐵芯接地電流測量數(shù)據(jù)檢查。使用0.5 級鉗形電流表，連接變壓器的鐵芯，觀察電流表示數(shù)，并記錄下電流值。然后將該數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測系統(tǒng)上顯示的數(shù)據(jù)進行對比。如果兩組數(shù)據(jù)完全一致，則說明該功能正常[5]。

除了上述測試內(nèi)容外，還要進行一體化信息平臺信息正確性測試等工作。在系統(tǒng)的檢查和調(diào)試過程中必須要如實做好記錄，如果經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施，保證系統(tǒng)各項功能的順利實現(xiàn)。

4 基于調(diào)控一體自動化的變壓器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

本研究設(shè)計的基于調(diào)控一體自動化的變壓器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在某變電站進行了試點應(yīng)用，該系統(tǒng)管道人機交互界面見圖4。

圖4 變壓器局部放電診斷系統(tǒng)界面

結(jié)合圖4 可知，在本次故障診斷中，1#變壓器有局部放電監(jiān)測告警。根據(jù)上文提供的“Q-N”診斷規(guī)則可知，主變局部放電類型可分為3 種，即正常放電、低能放電和高能放電。結(jié)合系統(tǒng)采集到的局部放電的幅值、相位等數(shù)據(jù)，診斷1#主變壓器的局放類型為高能放電，故診斷為變壓器故障。同樣的，該系統(tǒng)在接收傳感器反饋的2#變壓器局部放電監(jiān)測信息后，也出現(xiàn)了告警情況。但是兩組變壓器的BP 診斷結(jié)論均顯示正常。分析其原因，認為1#和2#變壓器同時發(fā)生故障的概率極低；結(jié)合變壓器所處環(huán)境，認為是潮濕、霧霾天氣導致兩組變壓器出現(xiàn)局部放電情況，而變壓器本身并不存在問題。于是兩天以后再次觀察診斷結(jié)果，未出現(xiàn)變壓器告警情況，BP 診斷結(jié)果顯示無異常。這樣一來，借助于變電站電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，可以有效提高診斷結(jié)果的正確性，為后續(xù)的設(shè)備維護工作開展提供了便利。

5 結(jié)論

變壓器是變電站的核心設(shè)備，保障變壓器的可靠運行尤為關(guān)鍵。在變壓器的各類故障中，繞組絕緣和引線絕緣失效的發(fā)生頻率較高，占總故障的70%以上。在絕緣性能不達標的情況下，容易引起局部放電，嚴重時會因為放電擊穿而導致變壓器報廢，帶來嚴重的損失。本研究設(shè)計的一種基于調(diào)控一體化自動系統(tǒng)的變電站電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，可以借助于前端的局部放電傳感器獲取被監(jiān)測對象的局放幅值、局放頻次等基本信息，然后經(jīng)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給主控計算機，由BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行故障診斷，顯著提高了故障識別的時效性與準確性。當然，目前該系統(tǒng)只能進行故障的準確識別，下一步還要繼續(xù)完善系統(tǒng)功能，爭取在故障診斷的基礎(chǔ)上，以故障診斷報告的形式詳細羅列故障位置、故障原因等信息，從而為檢修人員及時排查故障、保障變電站穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。