基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測研究

摘 要：針對現(xiàn)有監(jiān)測方法在對變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測時，監(jiān)測結(jié)果精度低、監(jiān)測存在較大時延，影響監(jiān)測準確性和時效性的問題，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測研究。采集變電站電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行擬合處理。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建故障監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。通過介質(zhì)損耗因數(shù)計算，實現(xiàn)變電站電氣設(shè)備故障實時監(jiān)測與故障類型判定。通過對比實驗證明，該監(jiān)測方法監(jiān)測到的數(shù)據(jù)更接近實際數(shù)據(jù)，且監(jiān)測時延較小，具備極高的監(jiān)測準確性和時效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；介質(zhì)損耗因數(shù)；故障監(jiān)測；電氣設(shè)備；變電站；多項式擬合

中圖分類號：TP393；TM76 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.007

0 引 言

變電站的正常工作對保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。然而，由于電氣設(shè)備數(shù)量眾多、運行環(huán)境復(fù)雜等因素，變電站電氣設(shè)備故障時有發(fā)生[1]。因此，對變電站電氣設(shè)備故障進行有效監(jiān)測是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段。目前，對變電站電氣設(shè)備的故障檢測手段主要有對電流、電壓和溫度等參量的檢測以及利用振動、聲波等進行檢測。這些方法在一般情況下能夠有效發(fā)現(xiàn)故障，但同時也存在一些局限，如監(jiān)測精度不高、對特定故障的監(jiān)測效果不佳等[2]。因此，研究新型變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測方法具有重要的實際意義。基于此，文中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了對變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測的研究。

1 變電站電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集

選擇合適的傳感器和測量設(shè)備以準確測量和采集所需數(shù)據(jù)[3]。交流量可采用電壓互感器或電流互感器測量，非電參數(shù)可采用對應(yīng)的傳感器測量。確定數(shù)據(jù)采集的頻率和周期，根據(jù)實際需要選擇合適的采樣頻率和采樣周期，以確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性[4]。

按照上述思路，完成對所有變電站電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集后，對數(shù)據(jù)進行擬合處理[5]。采用多項式擬合方法，假設(shè)有一組數(shù)據(jù)為（xi， yi），其中i的取值為1， 2， ...， n，用多項式函數(shù)f（x）來最小化各數(shù)據(jù)點到擬合曲線的垂直距離之和。多項式擬合公式如下：

（1）

式中：a0， a1， a2， ...， an表示待求解的擬合參數(shù)。通過擬合處理，得到最終的變電站電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)。

2 變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測實現(xiàn)

構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對上述采集的數(shù)據(jù)進行傳輸[6]，該通信網(wǎng)絡(luò)利用集中開關(guān)實現(xiàn)IED主機間的互聯(lián)[7]。對于包含多個主站的智能終端，集中開關(guān)是星形或者環(huán)形，由2個中央?yún)R聚節(jié)點組成，中央節(jié)點對IED主機實施集中式訪問控制，所有主要IED之間的通信均需通過中央節(jié)點進行。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點和N個節(jié)點相連時，其可靠性的評定可以下述公式為依據(jù)：

（2）

式中：δsingle表示網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的整體可靠性；p表示單個節(jié)點的可靠性，用于衡量單個節(jié)點在特定條件下能夠正常工作的概率。如果一個節(jié)點的可靠性p高，那么它出現(xiàn)故障的概率就小，有助于提高整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

利用上述故障監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對采集的數(shù)據(jù)進行傳輸，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，進行一系列分析和處理，實現(xiàn)對故障的實時監(jiān)測。其中，對介質(zhì)損耗因數(shù)的在線測量是其中一個重要環(huán)節(jié)。介質(zhì)損耗因數(shù)是指介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生能量損耗的特征參數(shù)，其變化可以反映電氣設(shè)備的運行狀態(tài)和潛在故障。通過對介質(zhì)損耗因數(shù)的在線測量，可以及時發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的故障征兆，并對故障的類型和嚴重程度進行判斷。

在實時監(jiān)測系統(tǒng)中，可以通過安裝相應(yīng)的傳感器和測量設(shè)備對電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)進行在線測量。傳感器可以將電氣設(shè)備的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為可測量的信號，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C或數(shù)據(jù)中心[8]。接收到數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)進行處理和分析，計算出介質(zhì)損耗因數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的閾值或趨勢進行故障判斷。介質(zhì)損耗因數(shù)的計算公式為：

（3）

式中：表示介質(zhì)損耗因數(shù)；G表示電導(dǎo)；S表示電導(dǎo)虛部。在實際應(yīng)用中，可以通過測量電氣設(shè)備的電流、電壓和功率等參數(shù)，并利用式（3）計算出介質(zhì)損耗因數(shù)。通過對電力系統(tǒng)中介質(zhì)損耗因數(shù)的監(jiān)控與分析，識別電力系統(tǒng)中存在的隱患，從而及時采取有效措施，保證電力系統(tǒng)正常運

轉(zhuǎn)[9]。通過對電力系統(tǒng)中介電損耗因數(shù)進行實時檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中存在的隱患，防止其進一步發(fā)展和惡化。同時，該方法能有效減少巡檢次數(shù)，提高巡檢效率。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)在實時監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

在得到電氣設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)后，可以通過閾值比較法對其故障類型進行判定[10]。即根據(jù)設(shè)備正常運行時的介質(zhì)損耗因數(shù)值設(shè)定一個合理的閾值。該閾值可以是經(jīng)驗值、統(tǒng)計值或者根據(jù)設(shè)備的具體參數(shù)和性能確定。當(dāng)實測的介質(zhì)損耗因數(shù)超過該閾值時，可以初步判斷設(shè)備存在故障，故對各時刻的介電損耗因數(shù)進行對比，并對其變化趨勢進行分析，從而對故障的發(fā)展趨勢及嚴重性進行判定。如果介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸增大，表明設(shè)備故障在逐漸惡化；如果介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)突然增大或減小，表明設(shè)備故障已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生。

3 對比實驗

3.1 監(jiān)測精度對比分析

本次對比實驗選取了10 kV規(guī)模變電站作為研究對象，分別利用文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測方法、基于圖像處理的監(jiān)測方法、基于溫變的監(jiān)測方法對該變電站中的電氣設(shè)備進行故障監(jiān)測。在實驗過程中，記錄各種故障數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)信息。將文中提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測方法設(shè)置為實驗組，將基于圖像處理的監(jiān)測方法設(shè)置為對照A組，將基于溫變的監(jiān)測方法設(shè)置為對照B組。

實驗結(jié)束后，對收集的數(shù)據(jù)進行詳細分析。為全面評估不同監(jiān)測方法的性能，對比3組監(jiān)測方法在故障診斷準確性和實時性方面的表現(xiàn)。根據(jù)變電站的實際運行情況和歷史故障數(shù)據(jù)，選擇了4種常見的故障類型，分別是電壓互感器故障（A）、直流系統(tǒng)接地故障（B）、母線故障（C）和電容器故障（D）。

為確保實驗的準確性和可靠性，從實驗數(shù)據(jù)中提取了與這4種故障類型相關(guān)的數(shù)據(jù)。特別關(guān)注了每種故障類型中監(jiān)測方法判定為故障的數(shù)據(jù)，并將其與實際故障數(shù)據(jù)進行了對比。通過這種方式，可以初步評估每種監(jiān)測方法的監(jiān)測精度。

采用表格的形式將實驗結(jié)果進行了整理和記錄，見表1所列。在表1中，詳細列出了每一種故障類型下，不同監(jiān)測方法的故障診斷數(shù)據(jù)，便于對比分析。

從表1中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，實驗組在監(jiān)測4種變電站電氣設(shè)備常見故障類型時，其監(jiān)測的故障數(shù)據(jù)量與實際數(shù)據(jù)量相比誤差非常小，這表明實驗組的監(jiān)測方法具有很高的準確性和可靠性。相比之下，對照A組和對照B組的監(jiān)測故障數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大誤差。特別是對照B組，其監(jiān)測方法在母線故障類型上的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)量相差甚遠，這意味著該監(jiān)測方法無法準確識別和監(jiān)測母線故障。

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測方法具有顯著優(yōu)勢，有助于及時發(fā)現(xiàn)并處理故障，保障電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

3.2 監(jiān)測時效性對比分析

通過上述實驗驗證了文中提出的監(jiān)測方法具有極高的監(jiān)測精度，在此基礎(chǔ)上，對3組監(jiān)測方法的監(jiān)測時效性進行對比分析。選擇將監(jiān)測時延作為評價指標，由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和實時性要求，故障監(jiān)測時延可能會對故障的處理和系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。故障監(jiān)測時延主要包括兩部分：一是數(shù)據(jù)采集和傳輸時延；二是數(shù)據(jù)處理和分析時延。在傳統(tǒng)的故障監(jiān)測方法中，由于數(shù)據(jù)采集和傳輸依賴于人工操作和有線設(shè)備，因此時延較大。此外，數(shù)據(jù)處理和分析也需要一定的時間，這也會增加監(jiān)測時延。時延的計算如下：

（4）

式中：tdelay表示總時延；t表示匯聚交換機之間的時延；i表示監(jiān)測次數(shù)；N0表示鏈路。在完成監(jiān)測任務(wù)后，將3組監(jiān)測方法在負載不斷增加情況下的監(jiān)測時延變化進行記錄，并繪制成圖1。

從圖1的3條曲線可以看出，實驗組在監(jiān)測變電站電氣設(shè)備故障的時延中表現(xiàn)出了優(yōu)越的穩(wěn)定性和高效性。實驗組的監(jiān)測時延始終控制在1 ms以下，即使在負載發(fā)生較大波動的情況下，時延也能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這種穩(wěn)定的時延意味著實驗組的監(jiān)測方法在應(yīng)對不同負載條件時具有可靠性和一致性，能夠快速、準確地監(jiān)測到故障信息，并及時發(fā)出預(yù)警或采取相應(yīng)的處理措施。相比之下，對照B組的監(jiān)測方法的時延變化雖然也較為穩(wěn)定，但仍稍遜于實驗組。這表明，對照B組的監(jiān)測方法在實時性和響應(yīng)速度上可能存在一定不足，無法在更短的時間內(nèi)完成故障監(jiān)測。對照A組的監(jiān)測方法在時延方面的表現(xiàn)最不理想，其時延波動較大，范圍為1.0～3.0 ms。這表明，對照A組的監(jiān)測方法在不同負載條件下的響應(yīng)時間不穩(wěn)定，可能會影響故障監(jiān)測的準確性和實時性。

通過對比分析，可以得出結(jié)論：實驗組所采用的監(jiān)測方法在時延方面具有更高的時效性，能夠更好地滿足變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測的實時性和準確性要求，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供更加可靠的技術(shù)支持。

4 結(jié) 語

文中主要研究了變電站電氣設(shè)備故障的監(jiān)測問題，通過對現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的分析和比較，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障監(jiān)測方法。這一研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于變電站電氣設(shè)備故障監(jiān)測領(lǐng)域，有效提升了監(jiān)測結(jié)果的準確性和時效性。同時，通過采集和處理運行數(shù)據(jù)，能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)測并及時判定故障類型，有助于提前發(fā)現(xiàn)和處理潛在的故障，保障變電站的安全穩(wěn)定運行。

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收稿日期：2024-01-19 修回日期：2024-02-27

作者簡介：胡 ?。?966—），男，河南沈丘人，碩士，副教授，研究方向為機電裝備智能控制技術(shù)應(yīng)用。