段軍鵬

(云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000)

1 前言

載流故障是電力設(shè)備故障的主要類別之一，其主要原因是電力電纜接頭、開(kāi)關(guān)隔離觸頭、開(kāi)關(guān)柜銅排接頭等接觸不良或長(zhǎng)時(shí)間氧化引起的接觸電阻增大，從而導(dǎo)致接頭或觸點(diǎn)過(guò)熱、燒熔以致引弧、甚至造成短路，所造成的嚴(yán)重后果是電纜爆炸、大面積停電和企業(yè)停產(chǎn)等，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。

故障監(jiān)測(cè)的方法主要由兩大類:傳統(tǒng)的方式，采用蠟片、紅外測(cè)溫儀定期巡檢并進(jìn)行人工判斷，由于故障很多是發(fā)生在非巡檢時(shí)刻，而且，高壓開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備的重要部位在帶電運(yùn)行情況時(shí)是隱蔽而無(wú)法觀察的，因此，問(wèn)題往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在很大缺陷;數(shù)字化的監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用有線傳感器件并進(jìn)行簡(jiǎn)單的閾值比較判斷故障［2－3］。

目前，數(shù)字化的監(jiān)測(cè)技術(shù)已逐漸普及，對(duì)載流故障的診斷和預(yù)警已有多方面的研究，載流故障的診斷和預(yù)警已取得不少成果，主要集中在測(cè)溫技術(shù)和裝置，通過(guò)測(cè)量電力設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)電氣量、溫度、氣體成分等來(lái)判斷設(shè)備的工作狀況，但是，有線傳感器件存在安裝困難甚至在某些部位無(wú)法安裝的缺點(diǎn);而且，預(yù)警主要基于溫度閾值的簡(jiǎn)單判斷。載流故障有溫度持續(xù)升高、緩慢波動(dòng)升高 (歷時(shí)數(shù)周甚至數(shù)月)等形態(tài)，并且，溫度與負(fù)載、相序、空間位置等多方面因素相關(guān)，如果僅根據(jù)溫度閾值判斷，那么預(yù)警時(shí)間較短，且容易出現(xiàn)誤判和漏判，已無(wú)法滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需要。因此，迫切需要采用更為先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，并采用智能控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)載流故障的智能診斷和預(yù)警。

以下采用智能信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，研制出一套電力設(shè)備載流故障智能診斷信息系統(tǒng)軟件。

2 載流故障診斷原理

電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，由于電流的作用，大多數(shù)都伴有發(fā)熱的現(xiàn)象。通常來(lái)說(shuō)，設(shè)備的運(yùn)行溫度越低，其工作狀況越好。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或其征兆時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行溫度將明顯上升，設(shè)備溫度是現(xiàn)代電網(wǎng)表征電力設(shè)備運(yùn)行正常的一個(gè)重要參數(shù)。

采用主成分分析法 (PCA)［4］、模式聚類算法［5］、最小二乘支持向量機(jī)［6］等方法研究提出載流故障的智能診斷與預(yù)警策略，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備載流故障的早期預(yù)警以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)。本文提出的基于PCA和K－means算法載流故障預(yù)警流程如圖1所示。

3 故障智能預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，電力設(shè)備高壓觸點(diǎn)的溫度值通過(guò)傳感器采集和收集，并通過(guò)局域網(wǎng)將實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)行故障診斷算法，獲得設(shè)備工作情況信息。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能描述:1)系統(tǒng)能夠?qū)ι蟼鞯墓r信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地并發(fā)處理，因?yàn)橥粫r(shí)間將有很多設(shè)備并行工作;

2)為用戶提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示，讓用戶能夠了解任意設(shè)備當(dāng)前的實(shí)時(shí)工作情況;

3)歷史數(shù)據(jù)查看功能，運(yùn)行用戶查看一定時(shí)期內(nèi)的全部數(shù)據(jù);

4)當(dāng)前系統(tǒng)的診斷結(jié)果信息顯示。

圖1 基于智能算法載流故障預(yù)警流程

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)部署的三層架構(gòu)

系統(tǒng)采用Browser/Server體系結(jié)構(gòu)，方便了客戶的使用和管理，其中每一層均為上一層提供服務(wù)，并且對(duì)上一層透明，即為上一層隱藏了具體的操作細(xì)節(jié)。表示層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的表單和組件，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)和具體邏輯處理，而數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的交互服務(wù)，各層之間的聯(lián)系和內(nèi)容如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的三層模型

基本數(shù)據(jù)流如圖4所示，其中電力設(shè)備的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)的，后臺(tái)程序負(fù)責(zé)運(yùn)行診斷算法并將診斷得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)指定表中，并將最近一次的診斷信息寫(xiě)入XML文件中。前臺(tái)程序處理用戶的請(qǐng)求，將當(dāng)前的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)傳遞給用戶，并拷貝一份最近一次的診斷結(jié)果返回給用戶。當(dāng)用戶請(qǐng)求獲取一段時(shí)間內(nèi)的所有工況數(shù)據(jù)時(shí)，前臺(tái)程序才去訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取用戶指定的數(shù)據(jù)。

圖4 基本數(shù)據(jù)流圖

3.3 系統(tǒng)功能介紹

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，根據(jù)用戶實(shí)際需求，在系統(tǒng)界面中共設(shè)計(jì)了系統(tǒng)管理模塊等子模塊，各子模塊中有更詳細(xì)的分類。具體功能模塊如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

在本系統(tǒng)中通過(guò)定義訪問(wèn)權(quán)限及操作權(quán)限來(lái)定義系統(tǒng)的安全機(jī)制。用戶分為三個(gè)級(jí)別，分別是管理員、操作員和一般用戶，權(quán)限各不相同，他們只需通過(guò)客戶端瀏覽器登錄網(wǎng)站，即可進(jìn)行相應(yīng)的操作。管理員:管理和維護(hù)網(wǎng)站的運(yùn)行，設(shè)置和管理一般用戶權(quán)限。操作員:根據(jù)算法運(yùn)行結(jié)果和系統(tǒng)可能出現(xiàn)的新故障特征，適時(shí)地修正算法參數(shù)，或替換新的算法。一般用戶:申請(qǐng)注冊(cè)成功后，可以瀏覽指定設(shè)備的實(shí)時(shí)工作情況和故障信息。

1)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊采用微功率無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)字化溫度傳感技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重要設(shè)備關(guān)鍵部位溫度的在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并能與綜自系統(tǒng)、DCS等進(jìn)行通訊，可用于電力設(shè)備關(guān)鍵部位 (如，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母排連接處、斷路器動(dòng)靜觸頭連接處、隔離刀閘動(dòng)靜觸頭連接處、電纜出口處、電纜接頭處、變壓器進(jìn)出口，等等)以及電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、室內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)。無(wú)線式溫度傳感器安裝在設(shè)備內(nèi)，采集高壓觸點(diǎn)溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸給溫度傳輸單元，溫度傳輸單元通過(guò)RS485總線與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，工控機(jī)上運(yùn)行故障診斷軟件，對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到設(shè)備運(yùn)行狀況信息，顯示給監(jiān)測(cè)人員。

2)系統(tǒng)管理只對(duì)管理員開(kāi)放，包括系統(tǒng)的維護(hù)升級(jí)、故障日志記錄以及詳細(xì)信息報(bào)表的查詢、導(dǎo)出、打印等。同時(shí)可以對(duì)用戶信息進(jìn)行管理，限制或允許普通用戶或遠(yuǎn)程用戶的登錄使用權(quán)限。實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備添加/刪除、設(shè)備屬性的配置/修改/保存/查詢，以及圖標(biāo)曲線等可視化顯示功能。

3)智能化的信息處理與分析算法是本系統(tǒng)的核心，也是有別于常規(guī)信息系統(tǒng)之所在。智能算法的處理過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量繁多，為提高軟件編程質(zhì)量和代碼使用效率，采用模塊化編程和面向?qū)ο缶幊趟枷?，常用變量、函?shù)和屬性等封裝成類體，比如Matrix、K－MEANS、LSSVM、PCA類等等，將包含于公共服務(wù)模塊。智能算法所涉及的大規(guī)模矩陣運(yùn)算都將采用全選主元高斯消去法、全選主元高斯－約當(dāng)消去法、豪斯荷得變換法、QR分解法、赫申伯格陣QR法求特征值特征向量、雅克比法、雅克比過(guò)關(guān)法等技術(shù)，以獲得高效快速的計(jì)算，滿足信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。智能故障診斷預(yù)警模塊通過(guò)設(shè)定采樣時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)的對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行故障診斷，給出故障診斷結(jié)果，同時(shí)生成PCA分析圖及溫度曲線預(yù)測(cè)圖，通過(guò)專家遠(yuǎn)程登錄，可對(duì)分析圖進(jìn)行更深入的分析。

4)參數(shù)配置功能包括電力設(shè)備部件配置、電力設(shè)備參數(shù)配置、電力設(shè)備數(shù)量配置、時(shí)間間隔配置、電力設(shè)備故障信息配置、通用參數(shù)配置等。該界面的功能是為了整個(gè)電力設(shè)備載流故障智能預(yù)警信息系統(tǒng)的其它界面的功能服務(wù)。通過(guò)修改配置參數(shù)信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其他界面顯示信息的修改。

4 結(jié)束語(yǔ)

該電力設(shè)備載流故障智能預(yù)警信息系統(tǒng)用戶界面友好，使用直觀方便，可操作性高。支持本地登錄和遠(yuǎn)程登錄，對(duì)于數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可由專家提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)。使用的故障智能診斷方法，在頻域和時(shí)域都具有良好的分辨率，能夠有效識(shí)別設(shè)備信號(hào)中的微弱故障信息。提出采用主成分分析法、模式聚類算法、最小二乘支持向量機(jī)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障診斷和預(yù)警，為電力設(shè)備的故障診斷提供了新思路，開(kāi)創(chuàng)了新道路，為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行提供載流故障的智能化預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)。

［1］周巖.高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究 ［D］，綿陽(yáng):西南科技大學(xué)，2008.

［2］孫正來(lái)，孫鳴.高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究 ［J］.電力信息化，2008，6(6):62－66.

［3］許婧，王晶，高峰，等.電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(8):48－52.

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［5］MACQUEEN J.Some methods for classification and analysis of multivariate observations［C］，//Proceedings of the Fifth Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability，1967:281－289.

［6］鄧乃陽(yáng)，田英杰.數(shù)據(jù)挖掘中的新方法 －支持向量機(jī)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.