西安西電開關(guān)電氣有限公司的研究人員雷蓓、查笑春、蔣宗敏、張豪俊、張咪西安整站關(guān)鍵詞自然排名工具，在2021年第9期《電氣技術(shù)》上撰文西安整站關(guān)鍵詞自然排名工具，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)。

變電站擔負著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的任務(wù)，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運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“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)實現(xiàn)電力物聯(lián)的重要一環(huán)。

智慧變電站即實現(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)備的安全運行提供保障，提升變電站系統(tǒng)效率，減少非計劃停電時間，對提高電網(wǎng)運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立成系統(tǒng)，并且監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在不同的數(shù)據(jù)庫中，無法對各個變電設(shè)備的狀態(tài)進行統(tǒng)籌分析，其潛在的價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西安整站關(guān)鍵詞自然排名工具；同時，要對站內(nèi)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)進行分析，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)存儲與分析都面臨著較大的挑戰(zhàn)。

當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)獨立運行，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，到后臺布置多個監(jiān)控屏的經(jīng)濟性方面分析，都不是最優(yōu)方案，造成了人力、物力、財力的大量浪費。所以需要開發(fā)一個可以同時監(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)濟性方面考慮都具有長遠的社會價值。

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)檢修評價標準、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 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)。按照標準，結(jié)合變電站各主設(shè)備的實際所需監(jiān)測項目，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、獨立式避雷器、套管、獨立互感器、電力電纜、抽水蓄能機組成套開關(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）詳細列舉了智慧變電站中主設(shè)備抽水蓄能機組成套開關(guān)設(shè)備需要監(jiān)測的主要元件和參量，例如發(fā)電機斷路器特性監(jiān)測，發(fā)電機斷路器屬于元件，特性屬于參量。圖2（e）詳細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。

圖2（a）智慧變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建模設(shè)備

圖2（b）氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)庫類

圖2（c）變壓器監(jiān)測數(shù)據(jù)庫類

圖2（d）抽水蓄能機組成套開關(guān)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)庫類

圖2（e）氣體絕緣剛性母線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫類

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。

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。

3 智慧變電站狀態(tài)檢修評價

對智慧變電站主設(shè)備進行在線監(jiān)測，當某些監(jiān)測值超過設(shè)置的標準閾值后，監(jiān)測系統(tǒng)會觸發(fā)報警裝置，變電站運維工作人員可參照智慧變電站狀態(tài)檢修評價標準對不同報警內(nèi)容進行分類檢修，保證變電站的正常運行。

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)檢修評價標準，如圖3所示。評價準則主要依據(jù)電力行業(yè)的標準。

圖3 智慧變電站主設(shè)備狀態(tài)檢修評價標準

各主設(shè)備狀態(tài)量評價表主要從采集方式、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)量評價導(dǎo)則，指導(dǎo)運維工作人員按類別查找問題，并按照檢修內(nèi)容和類別進行檢修，做到合理檢修、有據(jù)可依，使變電站的運維檢修高效、規(guī)范。

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，以幫助分析各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進而評估變電站主設(shè)備的運行狀況。

斷路器機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)部機械裝置的好壞，是體現(xiàn)開關(guān)開斷能力的重要參考指標。針對機械特性的分析采用包絡(luò)線法，具體的分析如下西安整站關(guān)鍵詞自然排名工具：①確定基準行程曲線；②建立斷路器機械特性實時監(jiān)測的判定依據(jù)；③斷路器機械特性的實時監(jiān)測；④斷路器機械特性實時監(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。斷路器帶負荷開合時，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，達到一定程度時，斷路器的滅弧室需要進行特別檢修。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，運行時的電壽命按式（1）計算。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。

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)準備、模型訓練與優(yōu)化、模型初步識別及綜合識別。設(shè)備的綜合評價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指標，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)備的綜合評價模型如圖6所示。

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)完成后如果要單獨移植其中某個監(jiān)測模塊，在技術(shù)上難以實現(xiàn)，各個服務(wù)功能模塊有很強的耦合性，相互依賴，難以擴容和拆分，復(fù)用率很低，而且測試和升級負載過高，升級任何一個服務(wù)都需要整包發(fā)布。

圖6 綜合評價模型

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，各服務(wù)可以用不同的編程語言與數(shù)據(jù)庫實現(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，提交后全自動部署。

當某一個應(yīng)用程序開發(fā)完成后，新項目開發(fā)可根據(jù)需求在既有的應(yīng)用程序上進行某一服務(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，任何服務(wù)程序開發(fā)完成后可直接提交，自動打包并部署，幾乎可以實現(xiàn)零配置，可輕松實現(xiàn)服務(wù)的彈性使用。

在進行“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)進行設(shè)計開發(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很大，而且當采集和傳輸數(shù)據(jù)量很大時，傳輸效率變低，只能使用同一種語言、同一種邏輯進行開發(fā)。

而采用微服務(wù)框架進行系統(tǒng)開發(fā)時，不同服務(wù)可同時開發(fā)，編程語言和邏輯可以不同，只需進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該模塊的代碼，采集或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可通過負載均衡提高傳輸效率，不會影響傳輸速度，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)出每一個功能元素都可獨立替換和獨立升級的最新架構(gòu)的應(yīng)用程序，并且該程序引入了負載均衡的服務(wù)模塊，使該程序在總監(jiān)測平臺運行時，即使接入的變電站數(shù)量和通信數(shù)據(jù)達到高峰期也可以使用負載均衡機制輕松實現(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問題，解決SF6氣體泄漏、內(nèi)部放電故障、機械故障、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)無法遠程監(jiān)控、巡檢人工時間成本高等難點，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)，通過人機互動界面按照元件級查看各監(jiān)測界面的實時數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件監(jiān)測界面如圖9所示。

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，特征量超限報警功能，一鍵評估、機械特性AI診斷等功能，依據(jù)國標分模塊進行數(shù)據(jù)分析，生成評估報告；同時具備工程間隔接入、設(shè)備全景監(jiān)測、變電站準確定位、歷史數(shù)據(jù)查詢等個性化功能。

圖9（a）應(yīng)用軟件監(jiān)測界面—SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測

圖9（b）應(yīng)用軟件監(jiān)測界面—機械特性狀態(tài)監(jiān)測

圖9（c）應(yīng)用軟件監(jiān)測界面—電壽命狀態(tài)監(jiān)測

圖9（d）應(yīng)用軟件監(jiān)測界面—局部放電狀態(tài)監(jiān)測

圖9（e）應(yīng)用軟件監(jiān)測界面—觸頭測溫狀態(tài)監(jiān)測

圖9（f）應(yīng)用軟件監(jiān)測界面—油色譜狀態(tài)監(jiān)測

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)，可實現(xiàn)用戶后臺一站式管理，實時查看各設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)，迅速預(yù)知報警信息，一鍵查看診斷結(jié)果，按照檢修標準分級處理，重點分析，真正實現(xiàn)智慧變電站智能監(jiān)測、智能運檢，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2500MW光伏項目配套建設(shè)的匯集站成功應(yīng)用，目前運行狀態(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行積累數(shù)據(jù)和判斷經(jīng)驗，為后期的變電站應(yīng)用提供技術(shù)、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和運行經(jīng)驗。

本文編自2021年第9期《電氣技術(shù)》，論文標題為“基于SpringBoot的智慧變電站監(jiān)測及診斷系統(tǒng)”，作者為雷蓓、查笑春 等。