陳業(yè)銳，王亞飛

（國網(wǎng)甘肅省電力公司 超高壓公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著人們對變電站設(shè)備研究的深入，變電站設(shè)備的安全問題得到越來越多的關(guān)注。近年來，變電站電壓等級不斷提高以及智能變電站的增多，紅外設(shè)備檢測技術(shù)作為檢測電力設(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)備在實際應(yīng)用中如果不能及時檢測到設(shè)備局部發(fā)熱點，發(fā)電站設(shè)備將會持續(xù)不斷地發(fā)熱，導致其運行環(huán)境惡化，最終出現(xiàn)設(shè)備自動跳閘的異常狀況，甚至會造成系統(tǒng)故障。因此，紅外設(shè)備檢測技術(shù)的異常檢測準確度和效率對變電站和整個電力系統(tǒng)的異常自動檢測至關(guān)重要。變電站一次設(shè)備狀態(tài)檢測的主要目的是掌握設(shè)備在工作過程中的運行狀態(tài)。變電站一次設(shè)備發(fā)生故障的位置和嚴重程度不同，使用紅外測溫技術(shù)可定量檢測出其中的隱患或發(fā)生故障的嚴重程度，幫助檢測人員不接觸設(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)生的運行數(shù)據(jù)量激增，設(shè)備運行異常情況增多，導致數(shù)據(jù)異常的問題逐漸突出。由于電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)量過大，當中存在的運行異常數(shù)據(jù)無法被迅速、有效地識別出來，可能會導致工作人員制定出錯誤的策略，影響變電站設(shè)備運行異常自動檢測質(zhì)量［1］。黃鶴鳴［2］通過使用支持向量數(shù)據(jù)描述和極限學習機算法，將雙饋發(fā)電機的健康和不健康狀態(tài)進行有效分離，并構(gòu)建分類器檢測異常的運行狀態(tài)。高博等［3］使用Relief-FP 算法和壓電加速度傳感器采集振動信號，通過訓練得到特征參數(shù)與樣本類型的相關(guān)性，并且通過關(guān)聯(lián)規(guī)則和置信度判斷變壓器的故障和狀態(tài)量超標情況。李卓等［4］使用分層聚類算法，計算避雷器的運行簇距離，根據(jù)組網(wǎng)分支長度參量的優(yōu)化行為，進行避雷器運行狀態(tài)的檢測和處理，維護避雷器的正常運行能力。但上述方法對變電站一次設(shè)備的運行檢測存在精度不足的問題。

為保證變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法的準確性，需要找到一種可靠的檢測方法識別變電站一次設(shè)備運行異常產(chǎn)生的實時異常信號，因此本文設(shè)計一種基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法。

1 設(shè)計方案

1.1 運行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備選擇

變電站一次設(shè)備運行數(shù)據(jù)的采集可以通過紅外設(shè)備進行實時監(jiān)測和數(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)化為可測量數(shù)據(jù)的儀器。在變電站中，紅外設(shè)備可以用于檢測設(shè)備的溫度變化和異常熱點，從而及時預(yù)警和診斷潛在的故障或問題。選擇紅外設(shè)備時，需要考慮設(shè)備的測量范圍、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）測量范圍。不同的設(shè)備可能有不同的測量范圍，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于準確測量溫度非常重要，設(shè)備的精度會影響溫度測量的準確性，分辨率決定設(shè)備能夠檢測到的最小溫度差異。通常，更高的精度和分辨率會提供更準確的檢測數(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，有助于實時監(jiān)測設(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)對變電站可能存在的振動、爆炸、濕度過大等不利因素。

基于以上考慮，可選擇一種常見的紅外設(shè)備——紅外熱像儀，其具體型號有FLIR E6、FLUKE Ti400等。紅外熱像儀具備一定的測量范圍、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)濟型紅外熱像儀，具有160×120像素的分辨率、±2%的測溫精度及0.06 ℃的熱靈敏度，溫度測量范圍為-20～250 ℃，可提供清晰、準確的紅外圖像。FLUKE Ti400是一款高級紅外熱像儀，具有320×240 像素的分辨率和可擴展的溫度測量范圍，具備（±2）℃或（±2）%的測溫精度及紅外激光測距功能和可變焦距，可提供更高的性能和操作靈活性。

紅外設(shè)備通過感測環(huán)境中的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化為電信號，這些信號可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時監(jiān)測和記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可將紅外信號轉(zhuǎn)化為溫度信息，并存儲在數(shù)據(jù)庫或通過其他方式記錄。

1.2 構(gòu)建變電站運行異常數(shù)據(jù)庫

構(gòu)建變電站運行異常數(shù)據(jù)庫是變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法的重要組成部分。變電站運行異常數(shù)據(jù)庫由采集到的變電站一次設(shè)備運行數(shù)據(jù)構(gòu)建而成，其中包含異常運行工況的全部數(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)建變電站運行異常數(shù)據(jù)庫。變電站運行異常數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 變電站運行異常數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程

篩選處理剩下的異常樣本，把距離相對靠近的變電站運行異常數(shù)據(jù)合并成一類；進行距離分析，將原有的變電站運行異常數(shù)據(jù)打散并重新組合成多種新的數(shù)據(jù)集合，經(jīng)過反復重組后剩下14類，即為本文構(gòu)建的變電站運行異常數(shù)據(jù)庫的14種數(shù)據(jù)類型［4］。

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

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

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

1.4 建立線路模型

針對變電站一次設(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)備運行異常自動檢測線路模型。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，將電壓源分配給對應(yīng)的運行異常狀態(tài)特征參數(shù)；變電站一次設(shè)備輸出功率計算公式如下：

其中：P表示電壓源正常運行功率；Q表示電壓源異常運行功率；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、輸配線路、變壓器、負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)備運行異常自動檢測的線路模型簡圖如圖3所示。

圖3 變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測線路模型簡圖

可通過調(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)生不同運行異常時自動檢測的線路模型［6］。

1.5 實現(xiàn)自動檢測

實現(xiàn)紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測需要先求出變電站一次設(shè)備運行異常狀態(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個運行樣本，包含正常和異常數(shù)據(jù)集，所有的變電站一次設(shè)備運行樣本都有m個待選特征參數(shù)，將選取的第i個變電站一次設(shè)備運行異常樣本中j個待選特征參數(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 個樣本中j個待選特征參數(shù)給予權(quán)限數(shù)；S表示樣本不同類型的集合；Y描述的是和樣本xi相同類型的信號集合，Mxi表示不同類型的最近鄰居點；Hxi表示同類型距離的最近鄰居點。

根據(jù)公式算出的權(quán)限數(shù)較高，當帶入變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測線路模型時，因為部分變電站一次設(shè)備運行異常狀態(tài)特征參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性密切，所以需要對紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法進行分析［8］，計算基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常位置相關(guān)系數(shù)ρX,Y，計算公式如下：

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

2 試驗測試

2.1 試驗說明

為驗證本文提出的檢測方法的應(yīng)用效果，設(shè)置仿真試驗，試驗過程中應(yīng)注意以下問題。

（1）對變電站設(shè)備實施運行異常自動檢測時，當接收到下一次的運行異常數(shù)據(jù)后，異常點周圍的攝像機會和異常點設(shè)備實施拍攝，錄制變電站具體的運行異常情況，并將異常錄像數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫。

（2）異常視頻錄制過程中，通過遠程操控自動開啟事先定義的燈光，可設(shè)置晚間自動補光功能，以便能從拍攝的視頻中清晰地看出變電站設(shè)備運行的異常情況。

（3）重點針對變電站中沒有獲取訪問權(quán)限的設(shè)備運行異常進行檢測和報警。

（4）根據(jù)初始化檢測方法，采用變電站設(shè)備定時開啟模式或遠程開啟模式，同時調(diào)節(jié)變電站設(shè)備的溫度及運行異常檢測模式。

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

2.2 試驗準備

仿真試驗平臺的構(gòu)建流程包括硬件調(diào)試和軟件設(shè)計2個部分，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)備和試驗控制終端實現(xiàn)相連，同時通過程序代碼調(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。仿真平臺實驗參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真平臺實驗參數(shù)設(shè)置

在表1 的參數(shù)環(huán)境下，將本文設(shè)計的基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法與以往的自動檢測方法進行對比。在以往設(shè)計的自動檢測方法中，文獻［6］中提出的方法為方法1，文獻［7］中提出的方法為方法2。本文一共設(shè)計6 次試驗，每次試驗均包含100 條設(shè)備運行異常數(shù)據(jù)，分別記錄3種方法成功檢測異常數(shù)據(jù)的次數(shù)，最后計算3種方法異常檢測的準確率。

2.3 試驗結(jié)果分析

為驗證3種自動檢測方法的效果，本次試驗以變電站一次設(shè)備仿真實驗平臺的運行數(shù)據(jù)作為測試集，分別利用3 種方法進行異常檢測，檢測結(jié)果見表2。由表2 中的數(shù)據(jù)可計算出本文方法的平均異常檢測準確率為93.5%，高于方法1 和方法2，證明本文方法具有一定的實際應(yīng)用價值。

表2 3種方法異常檢測成功次數(shù) （單位：次）

3 結(jié)語

基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法結(jié)合不同的異常數(shù)據(jù)集，可分別確認變電站一次設(shè)備運行異常的嚴重程度和位置關(guān)系。在變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測過程中，對不同類型的運行異常因素要從運行異常程度和使用的自動檢測方法進行針對性的分析，以便及時采取措施規(guī)避變電站一次設(shè)備運行異常帶來的不良影響。變電站一次設(shè)備運行異常會給社會生活帶來巨大的經(jīng)濟損失，本文設(shè)計的基于紅外設(shè)備的變電站一次設(shè)備運行異常自動檢測方法可利用變電站一次設(shè)備運行的異常數(shù)據(jù)提高異常檢測的效率，對后續(xù)研究有一定的指導作用。