基于物聯(lián)網(wǎng)的220kV 變電站通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究

【關(guān)鍵詞】變電站通信設(shè)備；運(yùn)行監(jiān)測；故障判斷；物聯(lián)網(wǎng)；故障算法

引言

本文旨在探討基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的220kV變電站通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究與實(shí)踐。系統(tǒng)通過集成先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及故障診斷算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站通信設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和故障智能診斷。這不僅提高了故障檢測的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，而且為變電站的預(yù)測性維護(hù)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在220kV變電站通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

220kV變電站通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是一個(gè)集成了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和用戶交互的復(fù)雜系統(tǒng)。其核心目標(biāo)是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷潛在的故障，提高變電站的運(yùn)行效率和安全性。在220kV變電站通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中，總體架構(gòu)設(shè)計(jì)采用分層的方法[1]。首先，傳感器層由分布在變電站關(guān)鍵位置的多種傳感器組成，它們負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集通信設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，如：溫度、濕度、電壓和電流，為系統(tǒng)的監(jiān)測功能提供原始數(shù)據(jù)。然后數(shù)據(jù)采集層利用數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，如數(shù)據(jù)格式化和編碼，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。隨后通信層通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，如：以太網(wǎng)、Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將這些處理后的數(shù)據(jù)安全、高效地傳輸?shù)街行奶幚韱卧?。在?shù)據(jù)處理層，中心處理單元對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和處理，運(yùn)用先進(jìn)的算法提取關(guān)鍵信息和診斷特征，為故障診斷提供科學(xué)依據(jù)。最后，應(yīng)用層集成了用戶界面和故障診斷算法，允許運(yùn)維人員通過直觀的界面實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)處理層的分析結(jié)果，智能地進(jìn)行故障診斷和預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站通信設(shè)備的全面監(jiān)控和管理。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖1所示：

（二）設(shè)備選型與部署

220kV變電站通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)備選型、部署需要從多個(gè)方面進(jìn)行考量。在選型方面，首先必須確保所選傳感器具備高兼容性、可靠性和精確性，以適應(yīng)變電站的復(fù)雜環(huán)境并提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[2]。如：溫度傳感器需能承受極端溫度，濕度傳感器要對(duì)環(huán)境濕度變化敏感，而電壓和電流傳感器則需有寬廣的測量范圍和高分辨率。其次智能網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)集中器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，應(yīng)具備高效的數(shù)據(jù)處理能力和多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速收集和傳輸。此外通信設(shè)備需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。以及服務(wù)器或云平臺(tái)的選擇應(yīng)基于強(qiáng)大的計(jì)算能力、充足的存儲(chǔ)空間以及高度的可擴(kuò)展性。在布局方面，采用了模塊化和冗余設(shè)計(jì)原則，確保傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備均勻分布在變電站的關(guān)鍵區(qū)域，并且考慮易于維護(hù)和升級(jí)的需求。同時(shí)選擇適合工業(yè)環(huán)境的通信技術(shù)和加密措施，以保障數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性和機(jī)密性。

（三）數(shù)據(jù)采集與傳輸

在數(shù)據(jù)采集的過程中，不同類型的傳感器可根據(jù)電阻、電容、電壓的變化等特定的物理或化學(xué)特性，實(shí)時(shí)捕捉并轉(zhuǎn)換變電站通信設(shè)備的狀態(tài)信息，如：溫度、濕度、電壓和電流等物理量為電信號(hào)[3]。這些原始的模擬信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行必要的放大、濾波和線性化處理，以適應(yīng)后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器按照設(shè)定的采樣頻率，將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)通過量化將模擬信號(hào)的連續(xù)幅度映射到有限數(shù)量的數(shù)值上。此時(shí)，數(shù)字化后的信號(hào)以數(shù)字形式存在，然后再通過微控制器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝、添加時(shí)間戳和設(shè)備標(biāo)識(shí)等操作，最終形成完整的數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)傳輸主要通過智能網(wǎng)關(guān)或遠(yuǎn)程終端單元（RTU）實(shí)現(xiàn)，它們將封裝好的數(shù)據(jù)包通過配置的通信協(xié)議，如：MQTT或CoAP，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。這些協(xié)議支持輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換，并能夠適應(yīng)不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在數(shù)據(jù)傳輸前，為了確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性，數(shù)據(jù)包會(huì)使用TLS/SSL安全協(xié)議進(jìn)行加密，來防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲或篡改。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)處理中心后，數(shù)據(jù)包會(huì)被解密并進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證無誤后，數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、安全性和可靠性，確保了變電站通信設(shè)備的狀態(tài)信息能夠及時(shí)、安全地被監(jiān)控和分析。

（四）故障診斷算法與實(shí)現(xiàn)

在220kV變電站通信設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷算法是整個(gè)故障診斷的關(guān)鍵[4]。其實(shí)現(xiàn)過程如下，首先通過收集設(shè)備在正常和異常狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的預(yù)處理，如：通過歸一化，統(tǒng)一數(shù)據(jù)尺度，其公式為：

xnorm=x-min（x）/max（x）-min（x）

通過去噪，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。然后從預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中提取統(tǒng)計(jì)量、頻域特征、時(shí)域特征等故障診斷的特征，并根據(jù)相關(guān)特征設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來構(gòu)建故障診斷模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括輸入層、多個(gè)隱藏層和輸出層，其中輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)與特征數(shù)量相等；隱藏層有多個(gè)并由多個(gè)神經(jīng)元組成；輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)等于故障類別數(shù)。其次，在構(gòu)建的模型中，使用ReLU非線性激活函數(shù)增加網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力，并通過交叉熵?fù)p失函數(shù)來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，利用反向傳播算法和梯度下降法不斷更新網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，直到模型收斂。其中交叉熵?fù)p失函數(shù)的公式為：

其中，c是類別數(shù)， 真實(shí)標(biāo)簽的one-hot編碼， 是模型預(yù)測的概率。此外，在訓(xùn)練過程中，還需要調(diào)整超參數(shù)，并通過驗(yàn)證集對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估，以避免過擬合或欠擬合。一旦模型訓(xùn)練完成，它將被部署到實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，接收并處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過前向傳播計(jì)算輸出，使用softmax激活函數(shù)將輸出轉(zhuǎn)換為概率分布，從而實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確診斷。softmax激活函數(shù)公式為：

其中， ezi是指數(shù)函數(shù)，將線性輸出 映射到正數(shù)。分母是所有ezi的和，確保所有概率之和為1，形成一個(gè)有效的概率分布。

二、系統(tǒng)性能測試與分析

（一）通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測性能測試

通信設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測性能測試的目的是驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)變電站通信設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測能力，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地收集和反映設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。其測試范圍主要包括傳感器精度和響應(yīng)時(shí)間測試、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性測試、通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和延遲測試、數(shù)據(jù)處理和分析的時(shí)效性和準(zhǔn)確性測試[5]。測試過程步驟如下，首先定義數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)精度、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)處理速度等關(guān)鍵性能指標(biāo)，建立模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的測試平臺(tái)，并執(zhí)行基準(zhǔn)測試以確定系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的表現(xiàn)，然后逐步增加負(fù)載進(jìn)行壓力測試，有意識(shí)地注入故障以評(píng)估系統(tǒng)的檢測和響應(yīng)能力，同時(shí)測量數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏?zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性，評(píng)估系統(tǒng)延遲，驗(yàn)證冗余和容錯(cuò)機(jī)制的有效性，以及測試數(shù)據(jù)安全性和用戶界面的易用性。此外，需根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，確保監(jiān)測系統(tǒng)在各種條件下均能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地執(zhí)行故障檢測和數(shù)據(jù)監(jiān)控任務(wù)。

（二）故障診斷性能測試

在故障診斷性能測試中，需要確立診斷準(zhǔn)確率、響應(yīng)時(shí)間、誤報(bào)率和漏報(bào)率等故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。隨后通過搭建模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的測試平臺(tái)，使用歷史故障數(shù)據(jù)和正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)測試，確立正常運(yùn)行時(shí)的性能標(biāo)準(zhǔn)。并在此基礎(chǔ)上，執(zhí)行故障模擬測試，通過預(yù)定義的故障場景驗(yàn)證系統(tǒng)的故障檢測能力。進(jìn)一步進(jìn)行診斷準(zhǔn)確性測試，利用混淆矩陣等工具量化各項(xiàng)性能指標(biāo)。同時(shí)，重點(diǎn)測試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和實(shí)時(shí)性，確保故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)能夠迅速做出反應(yīng)。通過魯棒性測試評(píng)估系統(tǒng)在不同環(huán)境和負(fù)載下的表現(xiàn)，并通過誤報(bào)和漏報(bào)測試調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，最小化診斷誤差。在系統(tǒng)部署后，還應(yīng)將持續(xù)監(jiān)控故障診斷性能，并定期進(jìn)行測試以確保持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析

在220kV變電站通信設(shè)備的系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析中，首先需定義平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、平均恢復(fù)時(shí)間（MTTR）等關(guān)鍵性能指標(biāo)，以確立評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。然后通過長期運(yùn)行測試監(jiān)控系統(tǒng)性能的持續(xù)性，環(huán)境壓力測試檢驗(yàn)系統(tǒng)在極端條件下的耐受性，軟件和硬件容錯(cuò)性測試評(píng)估系統(tǒng)面對(duì)內(nèi)部錯(cuò)誤的穩(wěn)定性[6]。此外，還可通過故障恢復(fù)測試驗(yàn)證系統(tǒng)自我修復(fù)的能力，以及安全性分析確保系統(tǒng)抵御外部威脅的能力。這些測試分析結(jié)果能有效地確保變電站通信設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各種情況下穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷。系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析圖如下圖2所示：

三、案例分析與應(yīng)用前景

（一）實(shí)際應(yīng)用案例介紹

國網(wǎng)白銀供電公司在變電智能運(yùn)檢與數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面取得了顯著進(jìn)展。他們搶抓數(shù)字化轉(zhuǎn)型機(jī)遇，推廣了業(yè)務(wù)流程在線化、設(shè)備狀態(tài)可視化、生產(chǎn)作業(yè)移動(dòng)化、倒閘操作順控化等新模式。國網(wǎng)白銀供電公司通過這些措施，建立了新一代集控、智能巡檢、區(qū)域五防、移動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)，促進(jìn)了變電智能運(yùn)檢與數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深度融合，并打造了具有白銀特色的“1+3+N”變電智能運(yùn)檢體系[7]。此外，智能變壓器作為智能變電站技術(shù)框架的主要課題之一，變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)也是變壓器智能化的研究熱點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)在某些電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如：松江河發(fā)電廠故障診斷系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它包括變壓器異常狀態(tài)判斷、故障診斷、輔助診斷以及狀態(tài)預(yù)測模塊，并且已經(jīng)在松江河電廠成功投入運(yùn)行。

（二）應(yīng)用前景展望

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，變電站運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用前景是十分廣泛的。未來的系統(tǒng)將通過集成更先進(jìn)的傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)更高水平的預(yù)測性維護(hù)，減少停機(jī)時(shí)間并延長設(shè)備壽命。自動(dòng)化和智能化將進(jìn)一步提升操作效率和響應(yīng)速度，而邊緣計(jì)算的引入將降低數(shù)據(jù)處理延遲，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全。同時(shí)，系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性也將得到加強(qiáng)，以適應(yīng)不同運(yùn)行條件和促進(jìn)技術(shù)共享。相信通過持續(xù)不斷地完善與創(chuàng)新，變電站監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的未來發(fā)展將為電力行業(yè)帶來深遠(yuǎn)的技術(shù)革新和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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