基于通信技術(shù)的變壓器設(shè)備故障管理與維護系統(tǒng)設(shè)計

靳 武，李 磊

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，變壓器設(shè)備作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運營。長期高負荷運行的變壓器易發(fā)生各種故障，如絕緣故障、超溫故障等，不僅會引起事故，還會造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。因此，實時監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)并進行故障預(yù)測，有助于及時處理故障和維護。傳統(tǒng)的變壓器故障管理以人工定期檢查和維護保養(yǎng)為主，效率較低。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能化技術(shù)的出現(xiàn)，基于先進傳感器和通信技術(shù)構(gòu)建自動化變壓器故障管理與維護系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運行參數(shù)的智能監(jiān)測、故障預(yù)測及預(yù)警、遠程維護與管理，提高變壓器的運行可靠性，延長使用壽命。

1 變壓器設(shè)備故障類型和管理分析

1.1 變壓器設(shè)備故障類型與特點

變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其運行狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定。長期運行的變壓器容易出現(xiàn)各種故障，常見的變壓器故障類型與特征如表1 所示。

表1 常見變壓器故障類型與特征

變壓器故障類型復(fù)雜多樣，嚴(yán)重影響設(shè)備安全穩(wěn)定運行。因此，實時監(jiān)測與評估變壓器健康狀態(tài)，預(yù)警潛在威脅，并及時處理故障，是保證系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵措施。

1.2 現(xiàn)有故障管理方法與技術(shù)

1.2.1 傳統(tǒng)的定期人工檢查與維護

這種方法一般每年對設(shè)備進行1～2次全面檢查，檢查內(nèi)容包括外觀檢查、通風(fēng)系統(tǒng)檢查、控制和保護系統(tǒng)檢查、絕緣和耐壓試驗等。定期人工檢查方式經(jīng)濟實用，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備外部故障，但是檢測周期長達1 年，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，存在漏檢風(fēng)險[2]。

1.2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)

這種系統(tǒng)通過在變壓器內(nèi)部安裝溫度傳感器（精度為0.1 ℃）、振動傳感器（測量范圍為10 ～1 000 Hz）、氣體傳感器（測量SF6、H2、CH4、C2H6等氣體）等，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)（通信速率100 Mb/s 以上）采集傳感器信號，實現(xiàn)對變壓器的實時監(jiān)測。這種方法可以有效獲取設(shè)備的內(nèi)部運行參數(shù)，但是傳感器種類與數(shù)量有限，無法全面監(jiān)測設(shè)備狀況。此外，系統(tǒng)構(gòu)建成本較高。

1.2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過在設(shè)備上安裝射頻識別（RadioFrequency Identification，RFID）智能電子標(biāo)簽，采集設(shè)備的實時運行和環(huán)境數(shù)據(jù)，并結(jié)合云端知識庫（知識容量可達10 TB 級）和多維數(shù)據(jù)模型（維度可達數(shù)十維），實現(xiàn)對設(shè)備健康狀態(tài)的智能評估和預(yù)警診斷。這種方法雖然可以全面感知設(shè)備狀態(tài)，但數(shù)據(jù)復(fù)雜度高，算法實現(xiàn)復(fù)雜，準(zhǔn)確度有待考察。

2 通信技術(shù)在設(shè)備管理與維護中的應(yīng)用

2.1 通信技術(shù)概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信技術(shù)等的發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在設(shè)備管理與維護中，通信技術(shù)主要實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)信息的實時采集與傳輸，構(gòu)建設(shè)備監(jiān)測預(yù)警、故障診斷與預(yù)測、遠程控制維護等智能化應(yīng)用，提高系統(tǒng)的自動化水平[3]。一般采用無線通信技術(shù)，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）、遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）、ZigBee 等，傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，以減少布線，降低系統(tǒng)構(gòu)建成本。這些無線技術(shù)在免許可的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段工作，通信距離在1 ～10 km，數(shù)據(jù)速率為50 ～250 kb/s。常用的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有點對點、星型及網(wǎng)狀等。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)通常設(shè)置冗余機制，并采用安全可靠的通信協(xié)議，如消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）、受限應(yīng)用協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）等。通過無線模塊與傳感器集成，1 臺NB-IoT 基站最多可以連接10 000 個終端，網(wǎng)絡(luò)容量高達數(shù)千兆。結(jié)合云計算和大數(shù)據(jù)分析，可以高效處理海量設(shè)備數(shù)據(jù)，構(gòu)建精確的數(shù)字孿生系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)測異常，優(yōu)化設(shè)備運維。

2.2 通信技術(shù)在設(shè)備管理與維護中的應(yīng)用原理

通信技術(shù)的應(yīng)用改變傳統(tǒng)的設(shè)備管理與維護模式，實現(xiàn)故障預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)測、遠程診斷與控制的智能化和信息化。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建包括設(shè)備智能感知層、通信網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用計算層的3 層架構(gòu)[4]。其中，智能感知層主要由穩(wěn)定可靠的工業(yè)傳感器組成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、振動傳感器以及圖像傳感器等。這些傳感器精度高、抗干擾性強、測量范圍廣，頻率響應(yīng)范圍可達10 ～5 000 Hz，分辨率高達16 位，能夠滿足工業(yè)測量需求。首先，通過控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，CAN）、Modbus、可尋址遠程傳感器可尋址遠程傳感器高速通道（Highway Addressable Remote Transducer，HART）等工業(yè)通信總線或NB-IoT、5G 等無線通信模塊與傳感器集成，組建無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對設(shè)備的全面監(jiān)測。其次，通過星型、樹型或網(wǎng)狀拓撲的安全可靠網(wǎng)絡(luò)(傳輸速率大于50 Mb/s)，采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、MQTT 等工業(yè)通信協(xié)議，以毫秒級時延將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至工控機或計算中心。最后，應(yīng)用大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建包含辨識模型、預(yù)測模型及評估模型的智能分析平臺，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)和故障模式的實時預(yù)測、評估和診斷，輸出設(shè)備健康度評分與維護建議，并以App、短信等形式推送給相關(guān)維保人員進行遠程智能決策。這種模式克服傳統(tǒng)周期性檢查的盲點，能主動發(fā)現(xiàn)故障跡象，優(yōu)化設(shè)備運行與維護，提高系統(tǒng)的可靠性與可用性。

3 變壓器設(shè)備故障管理與維護系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

基于先進通信技術(shù)的變壓器設(shè)備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)主要由智能傳感器網(wǎng)絡(luò)、采集網(wǎng)關(guān)以及通信模塊3 部分組成。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通過在變壓器關(guān)鍵部位布置溫度傳感器、濕度傳感器、振動傳感器以及氣體傳感器等，精確捕獲變壓器工作參數(shù)[5]。網(wǎng)絡(luò)采用自組織的無線Mesh 拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點間通過ZigBee（2.4 GHz）通信，速率為250 kb/s，傳輸距離可達1.5 km。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)置冗余機制，任何一個節(jié)點故障都不會影響數(shù)據(jù)傳輸。智能傳感器集成信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理和無線通信功能，直接在節(jié)點采集并計算參數(shù)，輸出過濾后精煉的數(shù)據(jù)，能夠降低對通信系統(tǒng)和計算平臺的依賴性。采集網(wǎng)關(guān)采用工業(yè)級計算機如西門子工控機IPC627D 與傳感器網(wǎng)絡(luò)對接，作為數(shù)據(jù)匯聚與預(yù)處理平臺。網(wǎng)關(guān)緩存數(shù)據(jù)庫容量為2 TB，可以存儲3 年原始數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)集成對象連接與嵌入的過程控制（Object Linking and Embedding Process Control，OPC）統(tǒng)一體系架構(gòu)（OPC Unified Architecture，OPC UA）、CAN/HART 等主流工業(yè)通信接口，支持30種工業(yè)通信協(xié)議，可以實現(xiàn)對異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合。網(wǎng)關(guān)上設(shè)置MQTT 協(xié)議的Broker 服務(wù)器，與平臺保持TCP 長連接，用于實時數(shù)據(jù)傳輸。基于4G 的工業(yè)級無線通信模塊實現(xiàn)遠距離、低延時數(shù)據(jù)傳輸，通信模塊按照Cat.1bis 標(biāo)準(zhǔn)，最大下行速率為10 Mb/s，采用低功耗設(shè)計，支持廣域和NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，能夠確保信號穩(wěn)定可靠。同時設(shè)置雙模冗余設(shè)計，具備VPN 數(shù)據(jù)安全與身份認(rèn)證功能。該系統(tǒng)充分利用先進的通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)變壓器參數(shù)的精準(zhǔn)高效采集，為后續(xù)狀態(tài)評估、故障診斷奠定基礎(chǔ)。

3.2 故障診斷與預(yù)測

基于先進通信技術(shù)的變壓器故障智能診斷與預(yù)測系統(tǒng)主要通過構(gòu)建數(shù)字孿生平臺實現(xiàn)。系統(tǒng)收集傳感器采集的溫度、濕度、氣體生成速率以及振動等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，經(jīng)過融合處理構(gòu)建變壓器高保真數(shù)字孿生模型。模型通過仿真統(tǒng)計學(xué)習(xí)變壓器多狀態(tài)下的特征模式，識別不同故障對應(yīng)的特征指標(biāo)和閾值，建立狀態(tài)評估與故障分類識別模型。平臺采用深度學(xué)習(xí)等算法持續(xù)優(yōu)化模型，實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確判別。例如，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同故障模式的振動噪聲信號進行特征提取和分類，假設(shè)輸入節(jié)點數(shù)為2 000 個，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集為100 萬組數(shù)據(jù)，其平均識別精度可達97%。對稀有故障采用遷移學(xué)習(xí)算法進行訓(xùn)練，能夠解決數(shù)據(jù)不足的問題。模型同時集成關(guān)聯(lián)分析模塊，基于傳感器數(shù)據(jù)相互間的關(guān)系建立故障關(guān)聯(lián)知識圖譜，知識體系包含上萬條關(guān)聯(lián)規(guī)則。綜合運用模型預(yù)測結(jié)果和知識推理判斷故障類型。預(yù)測方面，平臺結(jié)合態(tài)勢感知、數(shù)字孿生及人工經(jīng)驗建立混合智能預(yù)測模型，實現(xiàn)對變壓器故障過程的模擬預(yù)測。利用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測關(guān)鍵參數(shù)的未來趨勢，評估故障發(fā)展態(tài)勢，同時綜合考慮設(shè)備健康狀態(tài)、運行環(huán)境、維保保養(yǎng)等信息，修正預(yù)測結(jié)果。平臺采用概率風(fēng)險模型評估影響，并進行多級預(yù)警，指導(dǎo)運維人員采取對應(yīng)措施。該系統(tǒng)充分利用先進智能算法與數(shù)字化建模手段，能夠準(zhǔn)確判別故障過程，實現(xiàn)變壓器狀態(tài)精確評估與故障科學(xué)預(yù)測。

3.3 遠程維護與管理

基于5G、NB-IoT 等通信技術(shù)實現(xiàn)的遠程智能維護與管理系統(tǒng)，可對變壓器設(shè)備開展故障預(yù)測、狀態(tài)評估、遠程控制及智能優(yōu)化等全生命周期運維。該系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與5G 通信網(wǎng)絡(luò)的深度融合，構(gòu)建精準(zhǔn)的設(shè)備數(shù)字孿生，實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)深度協(xié)同，突破物理距離限制，對設(shè)備實施主動式遠程監(jiān)管。現(xiàn)場變壓器布置無線Mesh 傳感網(wǎng)，節(jié)點采用ZigBee 模塊，發(fā)射功率為100 mW，網(wǎng)絡(luò)冗余度不小于50%，覆蓋變壓器關(guān)鍵部件。傳感器采用工業(yè)級設(shè)計，測溫精度達0.1℃，動態(tài)響應(yīng)時間小于50 ms。網(wǎng)絡(luò)采集變壓器振動、溫升、油質(zhì)等數(shù)據(jù)，通過低功耗NB-IoT 一體化通信模塊上傳至5G 基站，下行速率可達1 Gb/s，時延小于10 ms。

5G 站點與區(qū)域性工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對接，構(gòu)建電力企業(yè)信息物理融合系統(tǒng)。首先，平臺應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建變壓器的高保真虛擬模型，能精確反映設(shè)備實時狀態(tài)。其次，平臺可生成變壓器3D 圖像，渲染精度達0.5 mm，還原絕緣、鐵芯、繞組等部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運動過程。再次，平臺與數(shù)字孿生系統(tǒng)雙向交互數(shù)據(jù)，驅(qū)動虛擬模型動態(tài)演變，實現(xiàn)物理設(shè)備的鏡像映射。最后，平臺利用OPC UA 等工業(yè)協(xié)議，與變壓器現(xiàn)場控制系統(tǒng)互聯(lián)互通。遠端運維人員可登錄平臺，像操作實體設(shè)備一樣對數(shù)字孿生變壓器開展故障預(yù)測、狀態(tài)評估、遠程測試等智能維護與優(yōu)化。將最終形成的方案下發(fā)現(xiàn)場智能終端，指導(dǎo)工程師運用AR 設(shè)備執(zhí)行維護任務(wù)，實現(xiàn)變壓器遠程閉環(huán)管控。該系統(tǒng)充分利用先進通信與數(shù)字化建模技術(shù)，打通信息孤島，實現(xiàn)高效精確的遠程設(shè)備監(jiān)管與智能維護。

4 結(jié) 論

變壓器作為電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其故障會嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運行。文章基于先進通信技術(shù)建立智能化故障管理與遠程維護系統(tǒng)，通過構(gòu)建精確的數(shù)字孿生模型，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、云計算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等前沿技術(shù)手段，實現(xiàn)變壓器運行參數(shù)的智能高效采集、狀態(tài)評估和故障預(yù)測，從而達到遠程閉環(huán)控制和主動式維護。未來，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷成熟，將深入推廣應(yīng)用類似系統(tǒng)，加速電力系統(tǒng)的數(shù)字化和平臺化轉(zhuǎn)型升級，使電網(wǎng)運行更加可靠、高效。