基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)研究*

劉正陽(yáng)石悠旖王文瑞曾靜嵐胡勝男

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇南京 210061；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074；3.中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；4.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007)

變壓器對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，變壓器發(fā)生故障會(huì)造成一些相關(guān)的電力設(shè)備損壞，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，甚至引起大范圍的停電事件[1-2]。因此對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)故障診斷算法對(duì)變壓器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

變壓器運(yùn)行狀態(tài)估計(jì)和故障診斷主要采用油中溶解氣體分析(Dissolved Gas Analysis，DGA) 方法[3-5]，目前變壓器油中溶解氣體主要檢測(cè)CO2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6和H2，常用的檢測(cè)方法主要包括:氣相色譜法(Gas Chromatography，GC)、光聲光譜法(Photo Acoustic Spectroscopy，PAS)、拉曼光譜法(Raman Spectroscopy，RS)、傅里葉變換紅外光譜法(Flourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIRS)、光纖光柵法(Fiber Grating，F(xiàn)BG)等[6-10]。GC 法是目前電力系統(tǒng)中常用的變壓器故障檢測(cè)的手段，但GC 法需要定期標(biāo)定且操作繁瑣、檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能快速及時(shí)地實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷；PAS 法利用光聲效應(yīng)通過(guò)對(duì)光聲信號(hào)的采集與處理得出氣體的濃度，具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)；RS 法基于拉曼散射原理對(duì)變壓器油中氣體進(jìn)行分析，其特點(diǎn)是擴(kuò)展性高，但檢測(cè)靈敏度不高；FTIRS法基于傅里葉變換紅外光譜對(duì)變壓器油中氣體進(jìn)行分析，其特點(diǎn)是不需要載氣、免維護(hù)，但易受干擾氣體影響、光譜基線易發(fā)生畸變或漂移，不能對(duì)H2進(jìn)行檢測(cè)；FBG 基于光纖傳感器檢測(cè)油中溶解氣體，具有體積小、耦合性好、極化不敏感、便于維護(hù)、帶寬范圍大的特點(diǎn)，但是一種光纖僅測(cè)量一種窄帶，測(cè)量多組分氣體需要多種不同的光纖光柵，工程應(yīng)用難度大。

基于上述油中溶解氣體檢測(cè)方法的分析，本文研究并設(shè)計(jì)了基于邊緣計(jì)算的變壓器油中溶解氣體的光聲光譜檢測(cè)裝置，構(gòu)建了邊云協(xié)同的變壓器故障診斷服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷，極大地提高了變壓器故障診斷的效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)GC 法對(duì)變壓器油中溶解氣體進(jìn)行離線檢測(cè)存在的一系列問(wèn)題，本文提出一種基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括光聲光譜檢測(cè)傳感器、邊緣檢測(cè)裝置、云服務(wù)器、變壓器故障診斷服務(wù)平臺(tái)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

油氣分離模塊與變壓器油箱連接實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油箱中的油氣進(jìn)行分離，作為變壓器油中溶解氣體的樣本氣體，并通過(guò)進(jìn)氣閥與出氣閥與光聲光譜檢測(cè)傳感器連接，邊緣檢測(cè)裝置控制光聲光譜檢測(cè)傳感器對(duì)樣本氣體進(jìn)行檢測(cè)，并獲取油中溶解氣體各組分的濃度，通過(guò)運(yùn)行在邊緣檢測(cè)裝置上的變壓器故障診斷算法實(shí)現(xiàn)在邊緣端對(duì)變壓進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，并將計(jì)算的結(jié)果上傳的云服務(wù)器，通過(guò)監(jiān)控中心的變壓器故障監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器狀態(tài)的查看、邊緣檢測(cè)裝置及傳感器的管理、對(duì)邊緣計(jì)算模型的更新等。運(yùn)維人員能夠通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)變壓器的狀態(tài)進(jìn)行查看，當(dāng)變壓器發(fā)生故障預(yù)警時(shí)能夠?qū)⒏婢畔l(fā)送給運(yùn)維人員，便于運(yùn)維人員快速采取預(yù)防措施。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在邊緣側(cè)對(duì)變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷預(yù)測(cè)，有效提高了變壓器運(yùn)維的效率和智能化水平。

2 光聲光譜邊緣檢測(cè)裝置

光聲光譜邊緣檢測(cè)裝置主要對(duì)光聲光譜檢測(cè)傳感器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，并將采集的變壓器油中溶解氣體各組分的濃度進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)運(yùn)行的變壓器故障診斷算法實(shí)現(xiàn)變壓器的故障診斷與預(yù)測(cè)。下面主要介紹光聲光譜的基本原理及邊緣檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。

2.1 光聲光譜原理

快速準(zhǔn)確、高效便捷地獲取變壓器運(yùn)行過(guò)程中各組分氣體的含量是實(shí)現(xiàn)變壓器實(shí)時(shí)故障診斷的基礎(chǔ)。光聲光譜氣體檢測(cè)傳感器利用光聲效應(yīng)，密閉空間內(nèi)的氣體對(duì)照射光具有吸收作用，通過(guò)光吸收和聲激發(fā)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)激發(fā)聲信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量，間接地測(cè)量出氣體的濃度，其檢測(cè)精度和靈敏度高，能夠檢測(cè)ppm 量級(jí)的氣體濃度[11-13]。其測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 光聲光譜檢測(cè)傳感器框圖

由于氣體吸收紅外輻射具有一定的選擇性，需要對(duì)照射光的頻率進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制頻率與光聲池的諧振器頻率應(yīng)一致。由微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)控制光源驅(qū)動(dòng)及調(diào)制單元調(diào)制的光通過(guò)濾光片照射到光聲池，光聲池內(nèi)的氣體吸收光后躍遷到激發(fā)態(tài)，經(jīng)過(guò)非輻射弛豫過(guò)程產(chǎn)生熱量并釋放，隨著溫度的升高，光聲池內(nèi)的壓強(qiáng)發(fā)生改變，由于光源具有一定的調(diào)制頻率，氣體的溫度會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)從而產(chǎn)生聲波，通過(guò)微音器能夠檢測(cè)聲波并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[14-15]，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，并將放大濾波后的信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)MCU 獲取電壓值并計(jì)算出相應(yīng)的氣體濃度，通過(guò)通信單元將檢測(cè)的結(jié)果發(fā)送到邊緣檢測(cè)裝置。供電單元為傳感器各個(gè)模塊提供電能。MCU 能夠控制光聲池與油氣分離模塊之間的進(jìn)氣閥和出氣閥，當(dāng)一次檢測(cè)完成后，打開出氣閥將樣氣送回到油氣分離模塊，油氣分離模塊從油箱內(nèi)重新分離新的樣氣，當(dāng)下一次檢測(cè)開始后，關(guān)閉出氣閥，打開進(jìn)氣閥將樣氣送入到光聲池內(nèi)。

2.2 邊緣檢測(cè)裝置

邊緣檢測(cè)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)軟件和硬件，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 邊緣檢測(cè)裝置系統(tǒng)架構(gòu)

邊緣檢測(cè)裝置的硬件主要包括通信單元、主控單元、定位單元、供電單元和存儲(chǔ)單元。通信單元支持WiFi 和4G 無(wú)線通信，主要實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)中心的通信，支持RS232 和RS485 有線通信，主要實(shí)現(xiàn)與光聲光譜檢測(cè)傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。主控單元采用TI 公司的ARM Cortex-A 系列的芯片AM3359，具有1 GB 的內(nèi)存和4 GB 的存儲(chǔ)。定位單元主要實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)裝置的位置定位，支持GPS 和北斗定位。供電單元為裝置的各個(gè)模塊和單元提供電能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)備用電池的充電、電量檢測(cè)等功能。存儲(chǔ)單元支持SD 卡或SSD 硬盤擴(kuò)展，便于在邊緣側(cè)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。

邊緣檢測(cè)裝置的軟件主要包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言環(huán)境、數(shù)據(jù)預(yù)處理、邊緣計(jì)算和邊云協(xié)同服務(wù)。邊緣檢測(cè)裝置在RT-Linux 系統(tǒng)環(huán)境下通過(guò)Python、C、C++等語(yǔ)言開發(fā)了基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法和變壓器故障診斷邊緣計(jì)算模型，構(gòu)建了適用于變壓器故障診斷的邊云協(xié)同服務(wù)，主要包括邊緣計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)、邊端數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)的交互、邊緣計(jì)算模型的更新等功能。

3 邊云協(xié)同的變壓器故障診斷系統(tǒng)

基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，基于支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)的變壓器DGA 故障診斷模型實(shí)現(xiàn)在邊緣側(cè)對(duì)變壓器故障的診斷與分類，并將診斷的結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)SVM 的DGA 故障診斷算法進(jìn)行訓(xùn)練優(yōu)化并將優(yōu)化后的算法下發(fā)到邊緣檢測(cè)裝置，邊緣檢測(cè)裝置對(duì)云平臺(tái)下發(fā)的模型進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷的邊云協(xié)同[16-17]。變壓器故障監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠?qū)⑦叾嗽\斷的結(jié)果發(fā)送到運(yùn)維人員，提高變壓器運(yùn)維檢修的效率和智能化水平。

3.1 基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷模型

1995 年Vapink 等人提出了SVM 的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其實(shí)現(xiàn)原則是風(fēng)險(xiǎn)最小化，通過(guò)在高維空間找出最優(yōu)超平面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類[18-20]。SVM 算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非線性、小樣本、局部極小值等問(wèn)題快速求解，具有很強(qiáng)的泛化能力?；赟VM 的變壓器DGA 故障診斷通過(guò)構(gòu)造核函數(shù)將數(shù)據(jù)映射到三維空間進(jìn)行分類，引入核函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是將大量的高維運(yùn)算放在低維空間[21-22]。通過(guò)構(gòu)造核函數(shù)SVM 優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為:

式中，ω表示權(quán)重向量，c表示懲罰因子，ξi表示松弛變量，yi表示樣本類別，xi表示樣本數(shù)據(jù)，b表示偏置。從而得到最優(yōu)分類為:

式(3)中核函數(shù)為K(xi·x)，αi＞0(i=1，2，…，n)為拉格朗日乘子。常用的核函數(shù)有Sigmoid 核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、小波核函數(shù)、Gauss 徑向基核函數(shù)、Liner 核函數(shù)等。目前SVM 的分類方法主要實(shí)現(xiàn)二分類，在光聲光譜變壓器故障診斷中需要進(jìn)行多分類變換，常用的多分類變換方法有一對(duì)一(one against one，OAO)法、一對(duì)多(one against all，OAA)法和有向無(wú)循環(huán)圖法等[23]。結(jié)合核函數(shù)和SVM 分類變換法的特點(diǎn)本文選用Gauss 徑向基核函數(shù)與一對(duì)一法實(shí)現(xiàn)SVM 的變壓器故障診斷。Gauss 徑向基核函數(shù)為:

基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷的準(zhǔn)確性主要由核函數(shù)和懲罰因子影響，懲罰因子c與核函數(shù)的參數(shù)g采用交叉驗(yàn)證法(Cross Validation，CV)進(jìn)行選取，通過(guò)光聲光譜檢測(cè)裝置獲取樣本氣體中的H2、CH4、C2H4、C2H2和C2H6作為特征氣體分析變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)國(guó)標(biāo)與導(dǎo)則將變壓器的故障按性質(zhì)和質(zhì)量密度大小，劃分為高能放電、低能放電、局部放電、中低溫過(guò)熱、高溫過(guò)熱5 種。將上述5 種異常狀態(tài)與變壓器的正常狀態(tài)作為變壓器的運(yùn)行狀態(tài)類型，通過(guò)對(duì)樣本集中的訓(xùn)練集進(jìn)行SVM 故障診斷模型的訓(xùn)練，并通過(guò)測(cè)試集進(jìn)行模型的驗(yàn)證不斷調(diào)整SVM 故障診斷模型的參數(shù)，使模型達(dá)到最優(yōu)，并應(yīng)用到實(shí)際的變壓器故障診斷中，其算法流程如圖4 所示。

圖4 基于SVM 的變壓器故障診斷流程

3.2 基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷的創(chuàng)新

基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)，在邊緣端利用光聲光譜檢測(cè)傳感器對(duì)變壓器的油中溶解氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷模型實(shí)現(xiàn)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)在變壓器故障診斷方面，基于光聲光譜檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷模型在邊緣側(cè)進(jìn)行計(jì)算和分析，有效降低了云計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，提高了變壓器故障診斷的效率。

(2)通過(guò)邊緣計(jì)算與云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了變壓器故障診斷的邊云協(xié)同服務(wù)，云平臺(tái)對(duì)邊緣計(jì)算模型進(jìn)行管理、訓(xùn)練和更新，實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)裝置及相關(guān)應(yīng)用的管理和配置。

(3)在信息安全方面，邊緣檢測(cè)裝置具有身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，遵循國(guó)網(wǎng)公司邊緣計(jì)算框架、信息安全規(guī)范的要求。

(4)在變壓器運(yùn)維方面，邊緣檢測(cè)裝置根據(jù)變壓器故障診斷的結(jié)果形成變壓器運(yùn)維報(bào)告，便于運(yùn)維人員在運(yùn)維過(guò)程中通過(guò)移動(dòng)終端快速獲取報(bào)告。當(dāng)邊緣檢測(cè)裝置診斷出變壓器為異常狀態(tài)時(shí)，能夠及時(shí)將告警信息發(fā)送給運(yùn)維人員，便于運(yùn)維人員快速采取預(yù)防措施。

基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)有效地提高了變壓器故障診斷的效率和智能化水平，為變壓器的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有效的技術(shù)手段，大大提高了運(yùn)維人員的工作效率和質(zhì)量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

應(yīng)用變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)，對(duì)變壓器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。樣本數(shù)據(jù)的來(lái)源包括文獻(xiàn)[12-13，18-19，24]中記錄的故障樣本數(shù)據(jù)和在變電站進(jìn)行部署后獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，共172 組DGA 數(shù)據(jù)，其中120 組作為訓(xùn)練集進(jìn)行基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷模型的訓(xùn)練，剩余52 組作為測(cè)試集進(jìn)行模型的驗(yàn)證。根據(jù)前面章節(jié)的分析，變壓器共分為6 種狀態(tài)，分別為正常狀態(tài)、高能放電、低能放電、局部放電、中低溫過(guò)熱、高溫過(guò)熱。相關(guān)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷結(jié)果

通過(guò)表1 可以看出，基于SVM 的變壓器DGA故障診斷的準(zhǔn)確率達(dá)92.3%。邊緣檢測(cè)裝置在對(duì)變壓器進(jìn)行故障診斷后將診斷的結(jié)果發(fā)送到變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，便于運(yùn)維人員在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)查看變壓器的狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 變壓器故障診斷數(shù)據(jù)展示

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證表明，基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分類，并能夠?yàn)樽儔浩鞯臓顟B(tài)監(jiān)測(cè)提供相應(yīng)的云服務(wù)和邊緣服務(wù)，有效地提高了變壓器故障診斷的效率，并能夠提供可靠的運(yùn)維報(bào)告指導(dǎo)運(yùn)維人員，降低了運(yùn)維人員的工作復(fù)雜度，提高了變壓器運(yùn)維的效率。

5 結(jié)論

研究了基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷技術(shù)，研制了變壓器故障診斷的邊緣計(jì)算裝置，能夠接入光聲光譜檢測(cè)傳感器并在邊緣端運(yùn)行基于SVM 的變壓器DGA 故障診斷算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警，構(gòu)建了變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的邊云協(xié)同服務(wù)，能夠?yàn)樽儔浩鞯臓顟B(tài)監(jiān)測(cè)提供智能化的云服務(wù)和邊緣服務(wù)，主要包括以下特點(diǎn):

(1)采用光聲光譜監(jiān)測(cè)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器油中溶解氣體的快速、穩(wěn)定和高靈敏度檢測(cè)。

(2)基于邊緣計(jì)算能夠?qū)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行即采即用即處理，有效降低云計(jì)算的數(shù)據(jù)時(shí)延，提高變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。

(3)邊云協(xié)同能夠合理配置云計(jì)算與邊緣計(jì)算的資源，有效提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，表明設(shè)計(jì)的基于邊緣計(jì)算的變壓器光聲光譜故障診斷系統(tǒng)能夠提高變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的自動(dòng)化和智能化水平，具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。