基于大數(shù)據(jù)的電力變壓器智能在線監(jiān)測方法

李根 吳星琴

【摘 要】變壓器在電力系統(tǒng)中扮演了重要角色，其作用在于實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化和電能的分配，為了搭建更加穩(wěn)定、安全的電網(wǎng)系統(tǒng)，智能變壓器的出現(xiàn)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，但在此過程中，做好變電站設(shè)備的狀態(tài)檢測至關(guān)重要，這是構(gòu)建現(xiàn)代化變電站的重要前提。由于變壓器長期都處于運行狀態(tài)，不可避免的會出現(xiàn)多種故障，為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)的順利運行，本文結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，根據(jù)在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從安全角度出發(fā)，就新時期電力變壓器的在線監(jiān)測方法展開論述。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù)；電力變壓器；智能監(jiān)測

引言

變壓器在電力系統(tǒng)中主要實現(xiàn)電能的分配、電壓的轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)移的作用。因為變壓器長期處于運行狀態(tài)，所以無法避免故障的出現(xiàn)，導致變壓器出現(xiàn)故障的原因很多，如變壓器在安裝、檢修、維護過程中，未嚴格按照規(guī)范要求操作，自然災(zāi)害，變壓器長期運行使材質(zhì)逐漸劣化等均會導致變壓器出現(xiàn)故障。因為故障無法避免，所以對變壓器故障實現(xiàn)早期監(jiān)測及準確診斷非常重要。

1 大數(shù)據(jù)概述

對于“大數(shù)據(jù)”（Big data），研究機構(gòu)Gartner給出了這樣的定義?！按髷?shù)據(jù)”是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應(yīng)海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。

麥肯錫全球研究所給出的定義是：一種規(guī)模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價值密度低四大特征。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，而在于對這些含有意義的數(shù)據(jù)進行專業(yè)化處理。換而言之，如果把大數(shù)據(jù)比作一種產(chǎn)業(yè)，那么這種產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)盈利的關(guān)鍵，在于提高對數(shù)據(jù)的“加工能力”，通過“加工”實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“增值”。

從技術(shù)上看，大數(shù)據(jù)與云計算的關(guān)系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數(shù)據(jù)必然無法用單臺的計算機進行處理，必須采用分布式架構(gòu)。它的特色在于對海量數(shù)據(jù)進行分布式數(shù)據(jù)挖掘。但它必須依托云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫和云存儲、虛擬化技術(shù)。

隨著云時代的來臨，大數(shù)據(jù)（Big data）也吸引了越來越多的關(guān)注。分析師團隊認為，大數(shù)據(jù)（Big data）通常用來形容一個公司創(chuàng)造的大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在下載到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫用于分析時會花費過多時間和金錢。大數(shù)據(jù)分析常和云計算聯(lián)系到一起，因為實時的大型數(shù)據(jù)集分析需要像MapReduce一樣的框架來向數(shù)十、數(shù)百或甚至數(shù)千的電腦分配工作。

大數(shù)據(jù)需要特殊的技術(shù)，以有效地處理大量的容忍經(jīng)過時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。適用于大數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、云計算平臺、互聯(lián)網(wǎng)和可擴展的存儲系統(tǒng)。

2 變壓器監(jiān)測發(fā)展概況

早期主要通過現(xiàn)場巡視油溫、油位及運行聲響，并結(jié)合定期檢修等對電力變壓器進行監(jiān)測。定期檢修有自身的科學依據(jù)和合理性，但這種檢修模式存在以下弊端：工作量大，檢修成本高；缺陷檢出率不高；存在過度檢修，檢修中增加了產(chǎn)生新隱患的幾率；檢修需停電，增加了誤操作幾率；新技術(shù)發(fā)展導致原有檢修管理、規(guī)程及工藝與實際不符；計劃檢修周期與設(shè)備壽命及故障規(guī)律不符等?；谧儔浩鞯仍缙跈z修模式存在的問題，國家電網(wǎng)公司于2006年初開始推行狀態(tài)檢修，2009年5月，又推出智能電網(wǎng)發(fā)展計劃。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，變壓器智能在線監(jiān)測技術(shù)成為智能電網(wǎng)的研究熱點之一。

目前，國內(nèi)外對變壓器在線監(jiān)測原理研究有多種方法，如變壓器局部放電、油色譜分析、鐵芯多點接地等在線監(jiān)測系統(tǒng)，但大多依據(jù)單項原理進行產(chǎn)品開發(fā)或研究，若想獲得變壓器各種故障信息，現(xiàn)場需安裝多套設(shè)備及后臺裝置，存在占用空間過大及后臺裝置重復設(shè)置等問題。

3 變壓器智能監(jiān)測原理

3.1 變壓器局部放電的在線監(jiān)測

局部放電是指由于電場分布不均勻，導致出現(xiàn)局部電場過高的問題，此時局部范圍內(nèi)的絕緣介質(zhì)電氣存在放電或擊穿的現(xiàn)象。若未能及時處理，絕緣系統(tǒng)將會失效。由此可見，為了確保電力變壓器的安全穩(wěn)定運行，加強對局部放電的在線監(jiān)測勢在必行。通常來說，如果出現(xiàn)了局部放電的問題，將會產(chǎn)生電脈沖、超聲波、電磁輻射以及局部過熱，若是油中放電還會產(chǎn)生一定的能量損耗。因此工作人員可以選用的監(jiān)測方法具體包括以下幾種：氣相色譜法、超聲波法、脈沖電流法、超高頻法、紅外監(jiān)測法以及光測量法等。主要是利用了傳感器進行局部放電的數(shù)據(jù)處理，最后實施在線監(jiān)測，具體如下。

超聲波法，超聲傳感器的工作原理是利用了壓電晶體，將其當做是聲電換能器，由于該設(shè)備位于變壓器的外殼上，其設(shè)置是固定的，需要轉(zhuǎn)換變壓器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生信號，并將其放大，得到電信號。脈沖電流法，該種方法需要得到局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流局放特征量，這種情況下，可以通過監(jiān)測阻抗來發(fā)揮監(jiān)測作用。氣相色譜法，氣相色譜法充分利用了各種特征氣體，觀察并測量其溶解在油中的含量，從而做出正確的故障判斷。超高頻法，該種方法的工作原理在于電磁波監(jiān)測，利用UHF 天線，其特點在于靈敏度高，抗干擾能力強，同時還能夠定位放電源。紅外檢測法，紅外檢測法應(yīng)用紅外探測器，通過熱成像監(jiān)測局部放電引起的局部溫度升高現(xiàn)象。光測量法，該種方法在檢測過程中會產(chǎn)生輻射。

3.2 變壓器油色譜分析的在線監(jiān)測

該種在線監(jiān)測方法基于油中溶解氣體理論，現(xiàn)場進行油色譜的定時監(jiān)測和故障診斷，這也是其優(yōu)勢所在。假設(shè)變壓器的運行溫度正常，油和固體絕緣材料在老化過程中出現(xiàn)了局部放電的現(xiàn)象，那么這種情況下的油裂解會產(chǎn)生 H2和CH4；若是故障溫度并未高出正常運行溫度太多，這種時候油裂解的產(chǎn)物只有 CH4；如果變壓器存在故障，且溫度不斷升高，此時油裂解則會產(chǎn)生 C2H4和 C2H6；當變壓器故障溫度超過 1000℃時，油分解中則會產(chǎn)生較多的 C2H2；若是產(chǎn)生大量的 CO 和 CO2，那么便是變壓器故障涉及到了固體絕緣材料。

3.3 變壓器紅外測溫技術(shù)的在線監(jiān)測

紅外測溫技術(shù)一般是用于高壓設(shè)備的故障診斷，其技術(shù)主要是通過拍攝得到的設(shè)備局部的溫度來判斷故障程度。紅外測溫技術(shù)的時效性較強，不僅可以在一定距離內(nèi)進行遙測，同時可以直觀的測定設(shè)備的溫度，并進行梯度顯示。紅外測溫技術(shù)還可以抵抗來自電磁場場波的干擾。對于繞組的熱點溫度測量，紅外測溫技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，并且精確度較高，精度已經(jīng)達到0.05攝氏度。

紅外監(jiān)測的原理是：當設(shè)備的溫度在絕對溫度（-273.15攝氏度）之上時，會產(chǎn)生紅外射線，這種射線實質(zhì)是一種輻射能量，由熱能轉(zhuǎn)換而來。由紅外輻射定律的內(nèi)容可知，被測物體所發(fā)出的輻射功率正比于所測物體絕對溫度的四次方。因此，當變壓器發(fā)生熱故障必然會改變其發(fā)熱部位的溫度，此時通過已經(jīng)安裝好的紅外監(jiān)測裝置就可以拍攝放電部位的溫度圖像，可以直接觀測到設(shè)備的發(fā)熱部位和出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象的范圍。通過拍攝的紅外圖像可以看到發(fā)熱點的溫度情況，不同的顏色代表不同的發(fā)熱程度。

總之，本文通過闡述變壓器局部放電、油中溶解氣體、鐵芯接地等在線監(jiān)測的方法，提出融合多種原理的變壓器智能在線監(jiān)測方法，通過使用大數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)分析，判斷變壓器運行狀態(tài)，為變壓器安全、可靠、經(jīng)濟運行提供技術(shù)支撐。

（作者單位：1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司；

2.蕪湖中安電力設(shè)計院有限公司）