基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法

陳業(yè)銳，王亞飛

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 超高壓公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著人們對(duì)變電站設(shè)備研究的深入，變電站設(shè)備的安全問(wèn)題得到越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，變電站電壓等級(jí)不斷提高以及智能變電站的增多，紅外設(shè)備檢測(cè)技術(shù)作為檢測(cè)電力設(shè)備的一種特殊手段，得到了廣泛的應(yīng)用。紅外設(shè)備的高度發(fā)展，推動(dòng)了變電站一次設(shè)備診斷技術(shù)的發(fā)展。紅外設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中如果不能及時(shí)檢測(cè)到設(shè)備局部發(fā)熱點(diǎn)，發(fā)電站設(shè)備將會(huì)持續(xù)不斷地發(fā)熱，導(dǎo)致其運(yùn)行環(huán)境惡化，最終出現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)跳閘的異常狀況，甚至?xí)斐上到y(tǒng)故障。因此，紅外設(shè)備檢測(cè)技術(shù)的異常檢測(cè)準(zhǔn)確度和效率對(duì)變電站和整個(gè)電力系統(tǒng)的異常自動(dòng)檢測(cè)至關(guān)重要。變電站一次設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的主要目的是掌握設(shè)備在工作過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)。變電站一次設(shè)備發(fā)生故障的位置和嚴(yán)重程度不同，使用紅外測(cè)溫技術(shù)可定量檢測(cè)出其中的隱患或發(fā)生故障的嚴(yán)重程度，幫助檢測(cè)人員不接觸設(shè)備、不停電就能完成故障的診斷。電力系統(tǒng)的快速發(fā)展使變電站設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)量激增，設(shè)備運(yùn)行異常情況增多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的問(wèn)題逐漸突出。由于電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)量過(guò)大，當(dāng)中存在的運(yùn)行異常數(shù)據(jù)無(wú)法被迅速、有效地識(shí)別出來(lái)，可能會(huì)導(dǎo)致工作人員制定出錯(cuò)誤的策略，影響變電站設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量［1］。黃鶴鳴［2］通過(guò)使用支持向量數(shù)據(jù)描述和極限學(xué)習(xí)機(jī)算法，將雙饋發(fā)電機(jī)的健康和不健康狀態(tài)進(jìn)行有效分離，并構(gòu)建分類(lèi)器檢測(cè)異常的運(yùn)行狀態(tài)。高博等［3］使用Relief-FP 算法和壓電加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)訓(xùn)練得到特征參數(shù)與樣本類(lèi)型的相關(guān)性，并且通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則和置信度判斷變壓器的故障和狀態(tài)量超標(biāo)情況。李卓等［4］使用分層聚類(lèi)算法，計(jì)算避雷器的運(yùn)行簇距離，根據(jù)組網(wǎng)分支長(zhǎng)度參量的優(yōu)化行為，進(jìn)行避雷器運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和處理，維護(hù)避雷器的正常運(yùn)行能力。但上述方法對(duì)變電站一次設(shè)備的運(yùn)行檢測(cè)存在精度不足的問(wèn)題。

為保證變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，需要找到一種可靠的檢測(cè)方法識(shí)別變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常產(chǎn)生的實(shí)時(shí)異常信號(hào)，因此本文設(shè)計(jì)一種基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備選擇

變電站一次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集可以通過(guò)紅外設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄［2］。紅外設(shè)備是一種能感知紅外輻射并能將其轉(zhuǎn)化為可測(cè)量數(shù)據(jù)的儀器。在變電站中，紅外設(shè)備可以用于檢測(cè)設(shè)備的溫度變化和異常熱點(diǎn)，從而及時(shí)預(yù)警和診斷潛在的故障或問(wèn)題。選擇紅外設(shè)備時(shí)，需要考慮設(shè)備的測(cè)量范圍、精度、分辨率和采樣頻率等參數(shù)，以及設(shè)備的適用環(huán)境和工作條件。紅外設(shè)備通常安裝在變電站設(shè)備的關(guān)鍵部位，如變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、電纜接頭等位置。紅外設(shè)備的選擇需要考慮的因素具體如下。

（1）測(cè)量范圍。不同的設(shè)備可能有不同的測(cè)量范圍，如-40～1 000 ℃或更高，要根據(jù)變電站設(shè)備的工作溫度范圍選擇合適的紅外設(shè)備。

（2）精度和分辨率。紅外設(shè)備的精度和分辨率對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量溫度非常重要，設(shè)備的精度會(huì)影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，分辨率決定設(shè)備能夠檢測(cè)到的最小溫度差異。通常，更高的精度和分辨率會(huì)提供更準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）采樣頻率。采樣頻率指設(shè)備每秒鐘采集并記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。較高的采樣頻率可提供更頻繁的數(shù)據(jù)記錄，有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度變化。

（4）設(shè)備適用環(huán)境和工作條件。應(yīng)選擇符合變電站環(huán)境和工作條件要求的紅外設(shè)備。例如，設(shè)備需要具備抗震、防爆、防水等特性，以應(yīng)對(duì)變電站可能存在的振動(dòng)、爆炸、濕度過(guò)大等不利因素。

基于以上考慮，可選擇一種常見(jiàn)的紅外設(shè)備——紅外熱像儀，其具體型號(hào)有FLIR E6、FLUKE Ti400等。紅外熱像儀具備一定的測(cè)量范圍、精度和分辨率，并且適用于變電站的環(huán)境和工作條件。FLIR E6是一款經(jīng)濟(jì)型紅外熱像儀，具有160×120像素的分辨率、±2%的測(cè)溫精度及0.06 ℃的熱靈敏度，溫度測(cè)量范圍為-20～250 ℃，可提供清晰、準(zhǔn)確的紅外圖像。FLUKE Ti400是一款高級(jí)紅外熱像儀，具有320×240 像素的分辨率和可擴(kuò)展的溫度測(cè)量范圍，具備（±2）℃或（±2）%的測(cè)溫精度及紅外激光測(cè)距功能和可變焦距，可提供更高的性能和操作靈活性。

紅外設(shè)備通過(guò)感測(cè)環(huán)境中的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這些信號(hào)可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度信息，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或通過(guò)其他方式記錄。

1.2 構(gòu)建變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)

構(gòu)建變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)是變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法的重要組成部分。變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)由采集到的變電站一次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建而成，其中包含異常運(yùn)行工況的全部數(shù)據(jù)樣本［3］。選取采集的變電站一次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定7×7 的網(wǎng)絡(luò)格篩選處理剩下的異常樣本，構(gòu)建變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)。變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建流程

篩選處理剩下的異常樣本，把距離相對(duì)靠近的變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)合并成一類(lèi)；進(jìn)行距離分析，將原有的變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)打散并重新組合成多種新的數(shù)據(jù)集合，經(jīng)過(guò)反復(fù)重組后剩下14類(lèi)，即為本文構(gòu)建的變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)的14種數(shù)據(jù)類(lèi)型［4］。

1.3 提取變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)特征參數(shù)

變電站一次設(shè)備中存在運(yùn)行異常的情況，本文研究這種異常情況是在某段時(shí)間內(nèi)完成對(duì)變電站一次設(shè)備的竊取，具有一定的時(shí)效性［5］。提取數(shù)據(jù)特征參數(shù)時(shí)，在變電站運(yùn)行異常數(shù)據(jù)庫(kù)任意選取一個(gè)特征運(yùn)行異常的數(shù)據(jù)樣本，任意選取其中的單個(gè)異常值，提取這些數(shù)據(jù)的特征參數(shù)進(jìn)行匯總，具體特征參數(shù)提取過(guò)程如下：

其中：CD表示該檢測(cè)數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，Q表示檢測(cè)數(shù)據(jù)的屬性值，N表示累計(jì)檢測(cè)的次數(shù)，Qi表示在第i次檢測(cè)后數(shù)據(jù)的屬性值。

1.4 建立線(xiàn)路模型

針對(duì)變電站一次設(shè)備電壓及頻率等參數(shù)的變化情況，可以建立變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)路模型。利用變電站一次設(shè)備與外部配電系統(tǒng)并聯(lián)供電的簡(jiǎn)化圖（如圖2所示），將其視為供電子系統(tǒng)（系統(tǒng)A 與系統(tǒng)B）互相串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，其中系統(tǒng)A表示各種電壓的變電所及輸送電線(xiàn)路（電網(wǎng)），系統(tǒng)B表示可持續(xù)發(fā)展資源發(fā)電站的配電系統(tǒng)。

圖2 變電站一次設(shè)備與外部配電系統(tǒng)并聯(lián)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)圖

根據(jù)圖2可知，變電站一次設(shè)備按照發(fā)電資源種類(lèi)的不同，可分為傳統(tǒng)變電站電壓源和新能源變電站電壓源，將電壓源分配給對(duì)應(yīng)的運(yùn)行異常狀態(tài)特征參數(shù)；變電站一次設(shè)備輸出功率計(jì)算公式如下：

其中：P表示電壓源正常運(yùn)行功率；Q表示電壓源異常運(yùn)行功率；VS表示電壓源輸送電力端的電壓值；VR表示電壓源受到電力端的電壓值；XS表示輸送電力端與受到電力端間的電壓抵抗值；δ表示輸送電力端與受到電力端間的相對(duì)差值。

由公式（2）和公式（3）可得到ZI、ZV、ZL、ZTr、ZRL、ZC（分別表示電流源、電壓源、輸配線(xiàn)路、變壓器、負(fù)荷及電容器組的等效電抗值）。ZI=PQ；ZRL=PQXS；ZC=PQVR。根據(jù)這些公式得到變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)的線(xiàn)路模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)路模型簡(jiǎn)圖

可通過(guò)調(diào)整傳統(tǒng)變電站電壓源和新能源變電站電壓源的輸出功率及電荷容量模擬變電站一次設(shè)備發(fā)生不同運(yùn)行異常時(shí)自動(dòng)檢測(cè)的線(xiàn)路模型［6］。

1.5 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)需要先求出變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)特征參數(shù)的給予權(quán)限數(shù)［7］。假定變電站一次設(shè)備含有n個(gè)運(yùn)行樣本，包含正常和異常數(shù)據(jù)集，所有的變電站一次設(shè)備運(yùn)行樣本都有m個(gè)待選特征參數(shù)，將選取的第i個(gè)變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常樣本中j個(gè)待選特征參數(shù)給予權(quán)限數(shù)得到wij。若wij的初始值等于0，按照順序帶入樣本待選參數(shù)：

其中：表示選取的第i+1 個(gè)樣本中j個(gè)待選特征參數(shù)給予權(quán)限數(shù)；S表示樣本不同類(lèi)型的集合；Y描述的是和樣本xi相同類(lèi)型的信號(hào)集合，Mxi表示不同類(lèi)型的最近鄰居點(diǎn)；Hxi表示同類(lèi)型距離的最近鄰居點(diǎn)。

根據(jù)公式算出的權(quán)限數(shù)較高，當(dāng)帶入變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)路模型時(shí)，因?yàn)椴糠肿冸娬疽淮卧O(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)特征參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性密切，所以需要對(duì)紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行分析［8］，計(jì)算基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常位置相關(guān)系數(shù)ρX,Y，計(jì)算公式如下：

其中：cov(X,Y)表示變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常發(fā)生區(qū)域中的隨機(jī)權(quán)限參數(shù)，σX表示變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)的發(fā)生概率；σY表示變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)的發(fā)生時(shí)間。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)說(shuō)明

為驗(yàn)證本文提出的檢測(cè)方法的應(yīng)用效果，設(shè)置仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題。

（1）對(duì)變電站設(shè)備實(shí)施運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，當(dāng)接收到下一次的運(yùn)行異常數(shù)據(jù)后，異常點(diǎn)周?chē)臄z像機(jī)會(huì)和異常點(diǎn)設(shè)備實(shí)施拍攝，錄制變電站具體的運(yùn)行異常情況，并將異常錄像數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）異常視頻錄制過(guò)程中，通過(guò)遠(yuǎn)程操控自動(dòng)開(kāi)啟事先定義的燈光，可設(shè)置晚間自動(dòng)補(bǔ)光功能，以便能從拍攝的視頻中清晰地看出變電站設(shè)備運(yùn)行的異常情況。

（3）重點(diǎn)針對(duì)變電站中沒(méi)有獲取訪問(wèn)權(quán)限的設(shè)備運(yùn)行異常進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警。

（4）根據(jù)初始化檢測(cè)方法，采用變電站設(shè)備定時(shí)開(kāi)啟模式或遠(yuǎn)程開(kāi)啟模式，同時(shí)調(diào)節(jié)變電站設(shè)備的溫度及運(yùn)行異常檢測(cè)模式。

（5）以變電站設(shè)備為圓心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)10 m范圍內(nèi)的溫度、濕度及運(yùn)行異常的位置等相關(guān)信息。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

仿真試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建流程包括硬件調(diào)試和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分，按照變電站一次設(shè)備的硬件需求和信息傳輸條件，使變電站一次設(shè)備和試驗(yàn)控制終端實(shí)現(xiàn)相連，同時(shí)通過(guò)程序代碼調(diào)試變電站一次設(shè)備的功能，判斷變電站一次設(shè)備的工作情況。仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在表1 的參數(shù)環(huán)境下，將本文設(shè)計(jì)的基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法與以往的自動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比。在以往設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)方法中，文獻(xiàn)［6］中提出的方法為方法1，文獻(xiàn)［7］中提出的方法為方法2。本文一共設(shè)計(jì)6 次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均包含100 條設(shè)備運(yùn)行異常數(shù)據(jù)，分別記錄3種方法成功檢測(cè)異常數(shù)據(jù)的次數(shù)，最后計(jì)算3種方法異常檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證3種自動(dòng)檢測(cè)方法的效果，本次試驗(yàn)以變電站一次設(shè)備仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，分別利用3 種方法進(jìn)行異常檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 中的數(shù)據(jù)可計(jì)算出本文方法的平均異常檢測(cè)準(zhǔn)確率為93.5%，高于方法1 和方法2，證明本文方法具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表2 3種方法異常檢測(cè)成功次數(shù) （單位：次）

3 結(jié)語(yǔ)

基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法結(jié)合不同的異常數(shù)據(jù)集，可分別確認(rèn)變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常的嚴(yán)重程度和位置關(guān)系。在變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)不同類(lèi)型的運(yùn)行異常因素要從運(yùn)行異常程度和使用的自動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行針對(duì)性的分析，以便及時(shí)采取措施規(guī)避變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常帶來(lái)的不良影響。變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常會(huì)給社會(huì)生活帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，本文設(shè)計(jì)的基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運(yùn)行異常自動(dòng)檢測(cè)方法可利用變電站一次設(shè)備運(yùn)行的異常數(shù)據(jù)提高異常檢測(cè)的效率，對(duì)后續(xù)研究有一定的指導(dǎo)作用。