基于SpringBoot的智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)

雷 蓓 查笑春 蔣宗敏 張豪俊 張 咪

基于SpringBoot的智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)

雷 蓓 查笑春 蔣宗敏 張豪俊 張 咪

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

本文通過研究智慧變電站主設(shè)備對智能感知、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)字化通信等智能化技術(shù)的需求，分別從智慧變電站中高壓開關(guān)設(shè)備、變壓器、中壓開關(guān)柜等主設(shè)備感知及控制的技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)方式、診斷算法等方面分析，基于SpringBoot架構(gòu)，開發(fā)出一套易于部署的智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)。

智慧變電站；狀態(tài)監(jiān)測；診斷算法；SpringBoot

0 引言

變電站擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的任務(wù)，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著舉足輕重的作用。2019年，國家電網(wǎng)公司做出全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)，加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略部署，南方電網(wǎng)公司也正式提出建設(shè)“數(shù)字南網(wǎng)”的要求，電網(wǎng)公司大力發(fā)展電力物聯(lián)網(wǎng)，而建設(shè)智慧變電站是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)的重要一環(huán)[1]。智慧變電站即實(shí)現(xiàn)變電站的智能化、數(shù)字化，可提升站內(nèi)主設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷能力，能夠大大提高變電站的安全性和可靠性，為站內(nèi)主設(shè)備的安全運(yùn)行提供保障，提升變電站系統(tǒng)效率，減少非計(jì)劃停電時(shí)間，對提高電網(wǎng)運(yùn)行效率具有重要意義。

近年來，我國將發(fā)展智慧變電站作為電力發(fā)展的重要方向，國內(nèi)各企業(yè)也對變電站智能化設(shè)備開展了研究工作，相繼開發(fā)了高壓開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)、中壓開關(guān)在線監(jiān)測系統(tǒng)等產(chǎn)品。但是，現(xiàn)有的變電站在線監(jiān)測往往是按照監(jiān)測對象的不同各自獨(dú)立成系統(tǒng)，并且監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)庫中，無法對各個(gè)變電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)籌分析，其潛在的價(jià)值難以得到充分利用，不能為電網(wǎng)管理提供有效的決策支持；同時(shí)，要對站內(nèi)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的分析手段難以滿足需求，需要研發(fā)具有針對性的狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。隨著各種監(jiān)測方法的應(yīng)用，監(jiān)測數(shù)據(jù)的類型呈多樣化，從臺賬信息和在線監(jiān)測數(shù)值等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，到狀態(tài)信息圖像和視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)逐步構(gòu)成變電站一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析都面臨著較大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前變電站中高壓開關(guān)、變壓器、中壓開關(guān)柜等主設(shè)備均由不同廠家提供，各廠家主要針對各自的產(chǎn)品開發(fā)在線監(jiān)測及診斷系統(tǒng)。這造成各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，從一次線纜布線的復(fù)雜程度、各設(shè)備通信協(xié)議的不統(tǒng)一，到后臺布置多個(gè)監(jiān)控屏的經(jīng)濟(jì)性方面分析，都不是最優(yōu)方案，造成了人力、物力、財(cái)力的大量浪費(fèi)。所以需要開發(fā)一個(gè)可以同時(shí)監(jiān)測變電站各主設(shè)備、包括環(huán)境在內(nèi)的系統(tǒng)性的監(jiān)測及診斷軟件，整合主設(shè)備上安裝傳感器的電力線纜、監(jiān)測控制柜、后臺監(jiān)測屏，可大大簡化變電站整站的安裝人員和工序，縮短工程施工周期，減少設(shè)備投入，從環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮都具有長遠(yuǎn)的社會(huì) 價(jià)值。

本文分別從智慧變電站主設(shè)備智能化技術(shù)、系統(tǒng)組網(wǎng)通信協(xié)議、智慧變電站狀態(tài)檢修評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、故障診斷專家知識庫及算法、基于SpringBoot架構(gòu)整站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)開發(fā)五方面對開發(fā)變電站智慧化監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 智慧變電站主設(shè)備智能化技術(shù)

智慧變電站內(nèi)主設(shè)備包括高壓開關(guān)設(shè)備、變壓器、中壓開關(guān)柜、電容器組、避雷器等。變電站主設(shè)備的在線監(jiān)測內(nèi)容如圖1所示。

圖1 變電站主設(shè)備在線監(jiān)測內(nèi)容

通過研究變電站高壓開關(guān)、變壓器、中壓開關(guān)、電容器組、避雷器等各主設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)及變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳輸方式、通信方式、抗干擾方法等內(nèi)容，明確了各監(jiān)測系統(tǒng)適用的裝置設(shè)備和模擬量、開關(guān)量、電氣參數(shù)、溫度等具體監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集方法，形成了一體化解決方案[2]。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)通信協(xié)議

研究基于IEC 61850通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的智慧變電站測量、監(jiān)測、控制等的信息建模和通信服務(wù)[3]。按照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合變電站各主設(shè)備的實(shí)際所需監(jiān)測項(xiàng)目，建立基于IEC 61850的智慧變電站數(shù)據(jù)庫表，具體定義了氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）、變壓器、電容器、獨(dú)立式避雷器、套管、獨(dú)立互感器、電力電纜、抽水蓄能機(jī)組成套開關(guān)設(shè)備、氣體絕緣剛性母線和錄波文件等，分類別建立了數(shù)據(jù)庫表。智慧變電站監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建模分類如圖2所示。圖2（a）主要列舉了智慧變電站包含的主要設(shè)備，例如GIS等。圖2（b）詳細(xì)列舉了智慧變電站中主設(shè)備氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備需要監(jiān)測的元件和參量，例如斷路器特性監(jiān)測，其中斷路器屬于元件，氣體監(jiān)測中氣體屬于參量。圖2（c）詳細(xì)列舉了智慧變電站中主設(shè)備變壓器需要監(jiān)測的主要元件和參量，例如分合分流電路開關(guān)監(jiān)測，分合分流電路開關(guān)屬于元件，溫度監(jiān)測中溫度屬于參量。圖2（d）詳細(xì)列舉了智慧變電站中主設(shè)備抽水蓄能機(jī)組成套開關(guān)設(shè)備需要監(jiān)測的主要元件和參量，例如發(fā)電機(jī)斷路器特性監(jiān)測，發(fā)電機(jī)斷路器屬于元件，特性屬于參量。圖2（e）詳細(xì)列舉了智慧變電站中主設(shè)備氣體絕緣剛性母線需要監(jiān)測的主要元件和參量，例如母線形變監(jiān)測，母線屬于元件，形變屬于參量。各圖中的氣體監(jiān)測指SF6監(jiān)測，其他替代氣體尚不成熟。

以氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的斷路器特性監(jiān)測為例，按照字段名稱、類型、字段說明和備注進(jìn)行列表，梳理某變電站某間隔中斷路器所需要監(jiān)測的全部關(guān)鍵信息見表1[4]。

表1 斷路器監(jiān)測數(shù)據(jù)庫表

根據(jù)數(shù)據(jù)庫表1，研究IEC 61850協(xié)議接口及使用方式、IEC 61850通信服務(wù)模式及數(shù)據(jù)模型建模方法，開發(fā)基于嵌入式ARM平臺的高壓開關(guān)在線監(jiān)測裝置、局部放電在線監(jiān)測裝置等各個(gè)功能的在線監(jiān)測裝置端通信程序和基于PC平臺Windows/ Linux的智慧變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)等不同用戶需求的后臺軟件通信程序，最終通過IEC 61850協(xié)議一致性測試，即可在變電站后臺系統(tǒng)部署應(yīng)用[5-7]。

3 智慧變電站狀態(tài)檢修評價(jià)

對智慧變電站主設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)某些監(jiān)測值超過設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)閾值后，監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，變電站運(yùn)維工作人員可參照智慧變電站狀態(tài)檢修評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對不同報(bào)警內(nèi)容進(jìn)行分類檢修，保證變電站的正常運(yùn)行。

針對變電站各主設(shè)備，整理適用于智慧變電站監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)檢修評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。評價(jià)準(zhǔn)則主要依據(jù)電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 智慧變電站主設(shè)備狀態(tài)檢修評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

各主設(shè)備狀態(tài)量評價(jià)表主要從采集方式、狀態(tài)量、劣化程度、基本扣分、判斷依據(jù)、影響因子、劣化情況、檢修內(nèi)容和類別等分情況列舉，并形成變電站主設(shè)備狀態(tài)量評價(jià)導(dǎo)則，指導(dǎo)運(yùn)維工作人員按類別查找問題，并按照檢修內(nèi)容和類別進(jìn)行檢修，做到合理檢修、有據(jù)可依，使變電站的運(yùn)維檢修高效、規(guī)范[8]。

4 數(shù)據(jù)分析及狀態(tài)評估

不同的系統(tǒng)，其監(jiān)測對象、監(jiān)測內(nèi)容不同，并在各自領(lǐng)域內(nèi)形成了不同的專業(yè)分析工具，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。本文分類別研究了專業(yè)分析診斷工具，以幫助分析各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而評估變電站主設(shè)備的運(yùn)行狀況。

斷路器機(jī)械特性的測量對象是行程曲線，行程曲線能很好地體現(xiàn)其內(nèi)部機(jī)械裝置的好壞，是體現(xiàn)開關(guān)開斷能力的重要參考指標(biāo)。針對機(jī)械特性的分析采用包絡(luò)線法，具體的分析如下：①確定基準(zhǔn)行程曲線；②建立斷路器機(jī)械特性實(shí)時(shí)監(jiān)測的判定依據(jù)；③斷路器機(jī)械特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測；④斷路器機(jī)械特性實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警處理。

斷路器的電壽命是指斷路器滅弧室的耐電燒蝕能力。斷路器帶負(fù)荷開合時(shí)，在電弧的高溫作用下，觸頭可能產(chǎn)生變形，觸頭的表面發(fā)生燒蝕，噴口的喉道直徑因燒蝕變大，達(dá)到一定程度時(shí)，斷路器的滅弧室需要進(jìn)行特別檢修。對于全新的40.5kV及以上電壓等級的高壓交流六氟化硫斷路器，運(yùn)行時(shí)的電壽命按式（1）計(jì)算。式（1）中的參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范的要求在表1中選取。

式中：m為機(jī)械壽命的操作次數(shù)；s為實(shí)際開斷電流（kA）；2為開斷電流為500A時(shí)的允許開斷次數(shù)；r為額定電流（4kA）；r為額定電流的允許開斷次數(shù)；sn為額定短路開斷電流（kA）；sn為額定短路開斷電流允許開斷次數(shù)；1為額定電流與小于0.35sn曲線之間使之平滑過渡一短路電流值（kA）；1為電流為1時(shí)對應(yīng)的開斷次數(shù)。對斷路器壽命的監(jiān)測除按式（1）要求外，當(dāng)=0時(shí)要發(fā)出斷路器電壽命終止信息。

圖4 SF6氣室壓力狀態(tài)預(yù)測

開關(guān)觸頭位置狀態(tài)的識別算法結(jié)構(gòu)如圖5所示。對開關(guān)觸頭位置監(jiān)測問題進(jìn)行分析后，根據(jù)采集樣本的情況，首先將問題轉(zhuǎn)換為二分類問題，分類目標(biāo)為兩種狀態(tài)：分閘、合閘。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像識別算法，最終確定狀態(tài)是否為合閘到位。

圖5 開關(guān)觸頭位置狀態(tài)的識別算法結(jié)構(gòu)

該算法分為四部分，分別是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型訓(xùn)練與優(yōu)化、模型初步識別及綜合識別[9]。

設(shè)備的綜合評價(jià)建立在分立特性的狀態(tài)檢測和評估基礎(chǔ)之上，將影響設(shè)備質(zhì)量狀況的主要因素作為評價(jià)指標(biāo)，得出分立特性的狀態(tài)評估結(jié)果，結(jié)合其他必要信息，可以得出設(shè)備的綜合評價(jià)模型如圖6所示[10]。

5 基于SpringBoot平臺架構(gòu)的智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)

通過研究以往開發(fā)的變電站監(jiān)測類功能應(yīng)用軟件的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，大部分是單體式應(yīng)用程序，開發(fā)完成后如果要單獨(dú)移植其中某個(gè)監(jiān)測模塊，在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，各個(gè)服務(wù)功能模塊有很強(qiáng)的耦合性，相互依賴，難以擴(kuò)容和拆分，復(fù)用率很低，而且測試和升級負(fù)載過高，升級任何一個(gè)服務(wù)都需要整包發(fā)布。

圖6 綜合評價(jià)模型

相對于傳統(tǒng)的單體式應(yīng)用程序，微服務(wù)是由單一應(yīng)用程序構(gòu)成的小服務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)，各服務(wù)可以用不同的編程語言與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，與其他服務(wù)使用HTTP應(yīng)用程序接口（application pro- grammable interface, API）通信，擁有自己的行程和輕量化處理，提交后全自動(dòng)部署。

當(dāng)某一個(gè)應(yīng)用程序開發(fā)完成后，新項(xiàng)目開發(fā)可根據(jù)需求在既有的應(yīng)用程序上進(jìn)行某一服務(wù)的修改、升級或增加新服務(wù)，工作量和升級負(fù)載大大減小。

SpringBoot是一種簡化Spring應(yīng)用開發(fā)的全新微服務(wù)框架，通過建立底層的管理框架，可以簡化應(yīng)用程序的搭建和開發(fā)，并且減少配置文件，通過集成大量常用的第三方庫的配置[11]，任何服務(wù)程序開發(fā)完成后可直接提交，自動(dòng)打包并部署，幾乎可以實(shí)現(xiàn)零配置，可輕松實(shí)現(xiàn)服務(wù)的彈性使用。

在進(jìn)行“微服務(wù)”系統(tǒng)開發(fā)之前，開發(fā)人員大多使用傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)完成后，代碼的模塊化程度低，刪減或增加模塊對代碼整體的改動(dòng)很大，而且當(dāng)采集和傳輸數(shù)據(jù)量很大時(shí)，傳輸效率變低，只能使用同一種語言、同一種邏輯進(jìn)行開發(fā)。而采用微服務(wù)框架進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，不同服務(wù)可同時(shí)開發(fā)，編程語言和邏輯可以不同，只需進(jìn)行接口對接即可相互配合使用，代碼修改或模塊增減可只變動(dòng)該模塊的代碼，采集或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可通過負(fù)載均衡提高傳輸效率，不會(huì)影響傳輸速度，從開發(fā)的效率和系統(tǒng)的使用方面都有很大的改善和提升，因此選擇采用微服務(wù)框架進(jìn)行新系統(tǒng)的開發(fā)。

智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)基于Spring Boot框架進(jìn)行開發(fā)，通過更簡化的編碼、配置、部署、監(jiān)控，開發(fā)出每一個(gè)功能元素都可獨(dú)立替換和獨(dú)立升級的最新架構(gòu)的應(yīng)用程序，并且該程序引入了負(fù)載均衡的服務(wù)模塊，使該程序在總監(jiān)測平臺運(yùn)行時(shí)，即使接入的變電站數(shù)量和通信數(shù)據(jù)達(dá)到高峰期也可以使用負(fù)載均衡機(jī)制輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常發(fā)送和接收，避免服務(wù)器癱瘓的可能，Spring Boot框架如圖7所示。

該系統(tǒng)針對變電站用戶的痛點(diǎn)問題，解決SF6氣體泄漏、內(nèi)部放電故障、機(jī)械故障、觸頭分/合閘不到位、故障識別缺乏大數(shù)據(jù)分析、整站狀態(tài)無法遠(yuǎn)程監(jiān)控、巡檢人工時(shí)間成本高等難點(diǎn)，開發(fā)整站智慧變電站監(jiān)測系統(tǒng)，量身打造監(jiān)測及大數(shù)據(jù)診斷平臺服務(wù)，提高了變電站的數(shù)字化、智能化監(jiān)控 水平。

智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的所有采集模塊都包含數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)展示、趨勢分析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、監(jiān)測配置等基本功能。智慧變電站監(jiān)測系統(tǒng)登錄界面如圖8所示。

在線監(jiān)測數(shù)據(jù)包括高壓開關(guān)或變壓器等一次設(shè)備的SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)械特性狀態(tài)監(jiān)測、電壽命狀態(tài)監(jiān)測、局部放電狀態(tài)監(jiān)測、觸頭測溫狀態(tài)監(jiān)測、油色譜狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)，通過人機(jī)互動(dòng)界面按照元件級查看各監(jiān)測界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件監(jiān)測界面如圖9所示[12]。

圖7 Spring Boot框架

圖8 智慧變電站監(jiān)測系統(tǒng)登錄界面

該系統(tǒng)具備整站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能，特征量超限報(bào)警功能，一鍵評估、機(jī)械特性AI診斷等功能，依據(jù)國標(biāo)分模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成評估報(bào)告；同時(shí)具備工程間隔接入、設(shè)備全景監(jiān)測、變電站準(zhǔn)確定位、歷史數(shù)據(jù)查詢等個(gè)性化功能。

6 結(jié)論

本文通過研究變電站各主設(shè)備的狀態(tài)感知原理及工程實(shí)現(xiàn)方式，基于IEC 61850通信協(xié)議建立了主設(shè)備數(shù)據(jù)庫表，對不同監(jiān)測結(jié)果規(guī)定了檢修原則，根據(jù)不同監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計(jì)了對應(yīng)的診斷算法，并使用了高效的Spring Boot架構(gòu)開發(fā)了智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)用戶后臺一站式管理，實(shí)時(shí)查看各設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)，迅速預(yù)知報(bào)警信息，一鍵查看診斷結(jié)果，按照檢修標(biāo)準(zhǔn)分級處理，重點(diǎn)分析，真正實(shí)現(xiàn)智慧變電站智能監(jiān)測、智能運(yùn)檢，提升了變電站的數(shù)字化、智能化水平。

該系統(tǒng)已在青海省某新能源基地2 500MW光伏項(xiàng)目配套建設(shè)的匯集站成功應(yīng)用，目前運(yùn)行狀態(tài)良好，各主設(shè)備在線監(jiān)測功能正常，但是系統(tǒng)中的專家診斷功能還需更多的數(shù)據(jù)支撐，這需要變電站通過長期的運(yùn)行積累數(shù)據(jù)和判斷經(jīng)驗(yàn)，為后期的變電站應(yīng)用提供技術(shù)、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

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A smart substation monitoring and diagnosis system based on SpringBoot

LEI Bei ZHA Xiaochun JIANG Zongmin ZHANG Haojun ZHANG Mi

(Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077)

By studying the requirements of intelligent technologies such as intelligent perception, status monitoring and digital communication of the smart substation main equipment, the technical principle, realization mode and diagnostic algorithm of perception and control of high voltage switchgear, transformer and medium voltage switchgear in smart substations are analyzed in this paper respectively. Based on the SpringBoot architecture, a smart substation monitoring and diagnosis system is developed, which is easy to deploy.

smart substation; condition monitoring; diagnosis algorithm; SpringBoot

2021-02-23

2021-04-14

雷 蓓（1985—），女，陜西省西安市人，碩士，主要從事高壓開關(guān)的傳感器、智能裝置、監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的研究工作。