變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷應用分析

[摘 要]文章以陜西省某變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設工程為例，探索了變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能的設計開發(fā)與應用效果。研究結果表明，該功能應用后，相較于傳統(tǒng)手動巡檢，系統(tǒng)診斷準確率達到了98.7%，智能監(jiān)控系統(tǒng)在3 s內(nèi)可完成故障預警與分析，同時，在高溫、高濕和強風等惡劣天氣條件下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延遲保持在10 ms以內(nèi)，且無明顯掉線情況。由此可見，系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性均符合開發(fā)需求，可為變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設提升相應故障診斷水平。

[關鍵詞]變電站；智能監(jiān)控系統(tǒng)；故障診斷

[中圖分類號]TP277 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0111–03

Application Analysis of Fault Diagnosis in Intelligent Monitoring System of Substation

ZHANG Xinyuan，PAN Shuyang

[Abstract]This article takes the construction project of an intelligent monitoring system for a substation in Shaanxi Province as an example to explore the design， development， and application effects of the fault diagnosis function of the substation intelligent monitoring system. The research results show that after the application of this function， compared with traditional manual inspection， the system diagnosis accuracy has reached 98.7%. The intelligent monitoring system can complete fault warning and analysis within 3 seconds. At the same time， under adverse weather conditions such as high temperature， high humidity， and strong winds， the system data transmission delay remains within 10 milliseconds， and there is no obvious disconnection of the system. From this， it can be seen that the system performance and stability meet the development requirements， which can improve the corresponding fault diagnosis level for the construction of intelligent monitoring systems in substations.

[Keywords]substation； intelligent monitoring system； fault diagnosis

1 工程概況

陜西省某變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設工程位于陜西省西安市郊區(qū)，屬于110 kV級電壓等級的中型變電站，主要負責該地區(qū)重要工業(yè)區(qū)和居民區(qū)的電力供應。該變電站占地面積約20 000m2，整體設施包括兩臺主變壓器，總容量為120 MVA，分別為60 MVA的SFP10-60/110型變壓器，主要變電設備還包括3套110 kV電力線路及其附屬設備。本次工程的核心目標是對現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進行智能化升級，提高設備的實時監(jiān)控能力、故障診斷準確性和運維效率。工程的智能監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了變壓器、開關柜、電容器等關鍵設備，系統(tǒng)的建設內(nèi)容包括監(jiān)控設備的布設、數(shù)據(jù)采集終端的安裝、智能分析平臺的開發(fā)及硬件設備的升級等。整體工程設計遵循國家電力行業(yè)標準DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設計技術規(guī)程》和GB/T 2887—2011《計算機場地通用規(guī)范》，并結合當?shù)仉娏\行實際情況進行定制化設計。工程施工過程中，所有設備均通過了嚴格的調(diào)試和測試，確保系統(tǒng)在惡劣的氣候條件下仍能正常運行。

2 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能設計與開發(fā)

為了實現(xiàn)變電站設備的智能化監(jiān)控及故障診斷，智能監(jiān)控系統(tǒng)設計開發(fā)階段重點包括系統(tǒng)架構的搭建、硬件設備的選擇、數(shù)據(jù)采集和傳輸機制的設計，以及故障診斷算法的開發(fā)。

2.1 系統(tǒng)架構設計

該智能監(jiān)控系統(tǒng)（圖1）由4個主要模塊組成，即監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、智能診斷模塊及人機交互模塊，各模塊的具體設計如下。

（1）監(jiān)控模塊。系統(tǒng)配備了10臺智能終端設備，分別布置于變電站的不同區(qū)域，覆蓋了關鍵設備，包括兩臺主變壓器、3組開關柜、兩組電容器組及3條110 kV高壓線路。每臺智能終端負責實時監(jiān)控各設備的電氣參數(shù)和運行狀態(tài)。智能終端設備選用的是SNT-200型在線監(jiān)測設備，該設備具備在線監(jiān)測電流、電壓、溫度及其他相關物理參數(shù)的功能。每個終端支持5路模擬輸入和2路數(shù)字輸入，用于接入傳感器數(shù)據(jù)，且具備24 h不間斷運行能力，能確保持續(xù)的數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采用了多種高精度傳感器，其中，電流傳感器型號為CT-500，主要用于監(jiān)測變壓器繞組電流和開關柜電流，測量范圍為0～500 A，精度為±0.2%。電壓傳感器的型號VT-1100，主要用于檢測高壓線路和開關設備的電壓，測量范圍為0～110 kV，精度為±0.3%。溫度傳感器的型號為WTK-200，主要安裝在變壓器、開關柜和電容器組內(nèi)，用于監(jiān)測這些設備的工作溫度，測量范圍為–40～+120℃，精度為±0.5℃。數(shù)據(jù)采集終端選用的是WDK-101型采集器，采集頻率為1 kHz，每秒可采集1 000次數(shù)據(jù)，能夠充分捕捉設備運行中的突發(fā)異常。

（3）智能診斷模塊。智能診斷模塊設計主要基于支持向量機（SVM）算法進行的故障分析過程。該模塊集成在ARM Cortex-A9處理器中，處理能力為1.2 GHz，可高效地進行實時計算和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)設計了多種常見故障的自動診斷功能，包括繞組故障、短路故障、過熱故障等。診斷模塊通過對比采集數(shù)據(jù)與歷史正常運行數(shù)據(jù)，自動識別異常模式，并進行預警。該診斷模塊還具備學習能力，可通過逐步積累的故障數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化診斷算法。

（4）人機交互模塊。人機交互模塊的設計主要基于Web界面和專用移動端應用，運維人員可通過智能終端或電腦訪問監(jiān)控系統(tǒng)。人機交互界面能夠顯示設備的實時狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、故障分析報告及維護建議。每次故障預警和診斷結果均會生成詳細的報告，報告會通過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭\維人員的移動設備上，實現(xiàn)遠程診斷與運維功能。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸機制

為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定采集和傳輸設備運行數(shù)據(jù)，本次設計采用了高精度、抗干擾能力強的數(shù)據(jù)采集與傳輸機制。

（1）傳感器布局。數(shù)據(jù)采集終端安裝在變壓器、開關柜、110 kV電力線路和電容器組等關鍵設備附近。每個采集終端與傳感器通過RS485總線連接，數(shù)據(jù)采集點的距離約為50 m以內(nèi)，確保信號衰減最小。

（2）數(shù)據(jù)采集頻率。采集頻率設定為1kHz，能夠?qū)崟r監(jiān)控關鍵設備的電氣參數(shù)及運行狀態(tài)。高頻數(shù)據(jù)采集能夠捕捉設備在故障前的細微異常變化，便于提前預警。

（3）數(shù)據(jù)傳輸方式。系統(tǒng)采用了光纖通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集與傳輸機制如圖2所示。采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)加密處理后，通過雙向光纖網(wǎng)絡傳輸至中央監(jiān)控室，傳輸速度可達1Gbps，數(shù)據(jù)傳輸延遲小于10 ms，確保數(shù)據(jù)的及時性與完整性。為了應對可能的數(shù)據(jù)傳輸中斷，系統(tǒng)設置了多層數(shù)據(jù)冗余機制，每臺終端都配有本地存儲功能，即使通信鏈路中斷，數(shù)據(jù)依然可本地存儲并在通信恢復后自動上傳。

2.3 故障診斷算法設計

系統(tǒng)的故障診斷模塊設計主要以SVM算法為核心，通過歷史數(shù)據(jù)的積累與分析，實現(xiàn)高效準確的故障檢測與診斷過程。故障診斷模塊運行流程如圖3所示。

（1）故障識別流程。當數(shù)據(jù)采集模塊捕捉到設備的電流、電壓、溫度等參數(shù)異常時，數(shù)據(jù)將被傳送至診斷模塊。診斷模塊首先通過閾值法進行初步篩選，排除正常波動數(shù)據(jù)。接著，系統(tǒng)會對比當前數(shù)據(jù)與歷史運行數(shù)據(jù)，提取異常特征。然后，利用SVM算法進行模式分類，判斷故障類型，如繞組故障、短路故障、過熱故障等。

（2）模糊邏輯分析。為了提高診斷的準確性，系統(tǒng)還引入了模糊邏輯分析，通過對多個變量的綜合評估，系統(tǒng)能夠?qū)收系膰乐爻潭冗M行分類，提供更詳細的診斷報告和處理建議。

（3）性能指標。為了確保系統(tǒng)能夠可靠地識別變電站設備的常見故障，設計要求故障診斷的準確率不低于98%。通過支持向量機對歷史數(shù)據(jù)的學習，該系統(tǒng)應能有效減少誤判，尤其是短路和繞組故障的識別精度要求更高，必須達到或超過97%。為避免因誤報導致的運維干擾，系統(tǒng)的設計要求誤報率應控制在1.5%以內(nèi)。誤報率低能夠確保系統(tǒng)只在設備真正異常時發(fā)出預警，減少不必要的運維操作。故障預警和診斷分析的響應時間是確保設備安全運行的關鍵因素。根據(jù)系統(tǒng)設計目標，故障預警的響應時間應控制在3 s以內(nèi)，從數(shù)據(jù)異常檢測到生成初步診斷報告的時間不得超過這一范圍。這一響應速度能夠最大限度地減少設備損壞的風險，尤其在短路或過熱等快速發(fā)展故障的情況下，及時預警至關重要。

3 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能應用

3.1 系統(tǒng)部署與集成

在智能監(jiān)控系統(tǒng)的實際部署過程中，遵循模塊化和分布式施工原則，并針對變電站的實際運行環(huán)境和現(xiàn)場條件制訂了詳細的施工方案。在數(shù)據(jù)采集終端的部署安裝中，需要在變電站的各關鍵區(qū)域（如兩個變壓器室、1個開關柜室、1個電容器陣列區(qū)），共計安裝12臺數(shù)據(jù)采集終端。每個采集終端安裝在經(jīng)過嚴格校準的位置，確保采集數(shù)據(jù)的精準度。采集終端的安裝高度根據(jù)設備種類不同略有調(diào)整。例如，變壓器區(qū)域的數(shù)據(jù)采集終端安裝在1.5 m的高度，以方便監(jiān)控外殼溫度和電流數(shù)據(jù)；開關柜室內(nèi)的采集設備位于開關柜上方2 m的位置。所有終端設備通過防護等級為IP67的專用光纖電纜連接至中央控制室，光纖布線采用地下管道敷設方式，確保電纜免受外界環(huán)境的影響。單次布線距離最長達150 m，光纜通過嚴密的保護管道傳輸，防止電磁干擾。在中央控制室設備的安裝中，服務器集群、存儲設備和網(wǎng)絡交換機在中央控制室安裝時，需要依據(jù)設備散熱要求、供電情況等進行合理布局，控制室內(nèi)的服務器機架需要采用標準化的42U高度，服務器與硬盤陣列需要配置雙冗余電源，每臺設備的供電線路需要采用獨立供電回路，防止供電故障導致的數(shù)據(jù)損失或系統(tǒng)停機。為了保障服務器設備的穩(wěn)定運行，中央控制室需要安裝兩臺5P空調(diào)，并設有24 h運轉(zhuǎn)的通風系統(tǒng)。此外，服務器房間的門窗需要采用防塵密封設計，確保設備長期穩(wěn)定運行。

3.2 故障診斷流程

在系統(tǒng)的故障診斷應用中，各類設備的監(jiān)控、故障識別、數(shù)據(jù)上傳與響應流程嚴格按照預定的操作步驟進行。在異常檢測與處理中，傳感器在設備檢測到數(shù)據(jù)異常后，會在現(xiàn)場通過LED指示燈提示現(xiàn)場工作人員，同時通過光纖將異常數(shù)據(jù)上傳至中央控制室的智能分析平臺。故障數(shù)據(jù)上傳后，診斷模塊自動啟動，利用已部署的SVM算法進行對比分析，并將診斷結果反饋至運維人員的移動終端。調(diào)試時，故障識別流程的整體響應時間經(jīng)過多次測試，平均響應時間控制在3 s以內(nèi)。系統(tǒng)中配置了多種報警方式，包括聲光報警器以及短信、電話通知。實際測試中，聲光報警器的響應時間控制在1 s以內(nèi)，能夠及時提醒現(xiàn)場工作人員對故障情況作出初步處理。通過短信或電話通知功能，運維人員會收到詳細的故障報告，包括故障類型、數(shù)據(jù)異常點、發(fā)生時間等。每條故障報告約為200字節(jié)，通過短信發(fā)送的時間不超過2 s。系統(tǒng)在故障發(fā)生后，自動生成維護工單并上傳至運維管理系統(tǒng)，工單內(nèi)容包括故障類型、維修建議及建議的處理時限。運維人員可通過管理系統(tǒng)的移動終端查看工單詳情，進行維修調(diào)度。施工后調(diào)試階段，工單生成的測試時間需要控制約為5 s，才能符合項目要求。

4 故障診斷效果分析

4.1 故障診斷準確率分析

經(jīng)過6個月的運行測試，該智能監(jiān)控系統(tǒng)的故障診斷功能表現(xiàn)出較高的準確性。通過對比手動診斷與智能診斷的故障檢測結果，系統(tǒng)診斷準確率達到了98.7%，其中短路故障、繞組故障的診斷準確率分別為99.1%和97.8%。相較于傳統(tǒng)手動檢測方式，智能系統(tǒng)顯著減少了故障漏報和誤報的情況。

4.2 故障處理時間分析

智能系統(tǒng)的應用極大地縮短了故障處理的時間。傳統(tǒng)手動巡檢發(fā)現(xiàn)故障的平均時間為15 min，而智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠在3 s內(nèi)完成故障預警與分析，極大地減少了設備停機時間。以一次典型的繞組故障為例，智能系統(tǒng)在故障發(fā)生的0.5 s內(nèi)檢測到了異常，成功避免了更嚴重的設備損壞。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在高溫、高濕和強風等惡劣天氣條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定性依然表現(xiàn)良好。經(jīng)過多次模擬極端天氣測試，數(shù)據(jù)傳輸延遲保持在10 ms以內(nèi)，系統(tǒng)無明顯掉線情況，且故障診斷功能依然能在惡劣條件下正常運行，確保了變電站的持續(xù)安全運維。

5 結束語

陜西省某變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷功能的應用，大幅提升了變電站的運行安全性和運維效率。通過支持向量機算法的引入，系統(tǒng)能夠精準、快速地識別常見設備故障，并提供有效的維護建議。實際應用效果表明，智能監(jiān)控系統(tǒng)在故障診斷的準確性、響應速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有較強的優(yōu)勢，可為變電站的智能化運維奠定堅實基礎。未來，可考慮進一步優(yōu)化算法，提升其復雜故障的診斷能力。

參考文獻

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