【關(guān)鍵詞】變電站通信設備；運行監(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變電站通信設備運行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究與實踐。系統(tǒng)通過集成先進的傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理平臺以及故障診斷算法，實現(xiàn)了對變電站通信設備的實時監(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確性和響應速度，而且為變電站的預測性維護提供了強有力的技術(shù)支持。

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

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

220kV變電站通信設備運行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是一個集成了傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和用戶交互的復雜系統(tǒng)。其核心目標是通過實時監(jiān)測設備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并診斷潛在的故障，提高變電站的運行效率和安全性。在220kV變電站通信設備運行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中，總體架構(gòu)設計采用分層的方法[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，它們負責實時收集通信設備的關(guān)鍵運行參數(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)采集模塊對接收到的原始數(shù)據(jù)進行初步處理，如數(shù)據(jù)格式化和編碼，以確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性。隨后通信層通過有線或無線網(wǎng)絡，如：以太網(wǎng)、Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡，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，中心處理單元對接收到的數(shù)據(jù)進行深入分析和處理，運用先進的算法提取關(guān)鍵信息和診斷特征，為故障診斷提供科學依據(jù)。最后，應用層集成了用戶界面和故障診斷算法，允許運維人員通過直觀的界面實時監(jiān)控設備狀態(tài)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)處理層的分析結(jié)果，智能地進行故障診斷和預警，從而實現(xiàn)對變電站通信設備的全面監(jiān)控和管理。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖1所示：

（二）設備選型與部署

220kV變電站通信設備運行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設備選型、部署需要從多個方面進行考量。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，以適應變電站的復雜環(huán)境并提供準確的數(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)采集設備，應具備高效的數(shù)據(jù)處理能力和多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速收集和傳輸。此外通信設備需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。以及服務器或云平臺的選擇應基于強大的計算能力、充足的存儲空間以及高度的可擴展性。在布局方面，采用了模塊化和冗余設計原則，確保傳感器和數(shù)據(jù)采集設備均勻分布在變電站的關(guān)鍵區(qū)域，并且考慮易于維護和升級的需求。同時選擇適合工業(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特性，實時捕捉并轉(zhuǎn)換變電站通信設備的狀態(tài)信息，如：溫度、濕度、電壓和電流等物理量為電信號[3]。這些原始的模擬信號通過信號調(diào)理電路進行必要的放大、濾波和線性化處理，以適應后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器按照設定的采樣頻率，將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，同時通過量化將模擬信號的連續(xù)幅度映射到有限數(shù)量的數(shù)值上。此時，數(shù)字化后的信號以數(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)對其進行數(shù)據(jù)封裝、添加時間戳和設備標識等操作，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)或遠程終端單元（RTU）實現(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。這些協(xié)議支持輕量級的數(shù)據(jù)交換，并能夠適應不穩(wěn)定的網(wǎng)絡環(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)包會使用TLS/SSL安全協(xié)議進行加密，來防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲或篡改。當數(shù)據(jù)到達處理中心后，數(shù)據(jù)包會被解密并進行驗證。驗證無誤后，數(shù)據(jù)會被存儲在數(shù)據(jù)庫中。整個數(shù)據(jù)傳輸過程強調(diào)了數(shù)據(jù)的實時性、準確性、安全性和可靠性，確保了變電站通信設備的狀態(tài)信息能夠及時、安全地被監(jiān)控和分析。

（四）故障診斷算法與實現(xiàn)

在220kV變電站通信設備的運行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷算法是整個故障診斷的關(guān)鍵[4]。其實現(xiàn)過程如下，首先通過收集設備在正常和異常狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)，進行必要的預處理，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。然后從預處理后的數(shù)據(jù)中提取統(tǒng)計量、頻域特征、時域特征等故障診斷的特征，并根據(jù)相關(guān)特征設計適當?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)來構(gòu)建故障診斷模型，神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)包括輸入層、多個隱藏層和輸出層，其中輸入層的節(jié)點數(shù)與特征數(shù)量相等；隱藏層有多個并由多個神經(jīng)元組成；輸出層節(jié)點數(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)絡的表達能力，并通過交叉熵損失函數(shù)來訓練網(wǎng)絡，利用反向傳播算法和梯度下降法不斷更新網(wǎng)絡權(quán)重，直到模型收斂。其中交叉熵損失函數(shù)的公式為：

其中，c是類別數(shù)， 真實標簽的one-hot編碼， 是模型預測的概率。此外，在訓練過程中，還需要調(diào)整超參數(shù)，并通過驗證集對模型進行評估，以避免過擬合或欠擬合。一旦模型訓練完成，它將被部署到實時監(jiān)控系統(tǒng)中，接收并處理實時數(shù)據(jù)，通過前向傳播計算輸出，使用softmax激活函數(shù)將輸出轉(zhuǎn)換為概率分布，從而實現(xiàn)故障的準確診斷。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，形成一個有效的概率分布。

二、系統(tǒng)性能測試與分析

（一）通信設備運行監(jiān)測性能測試

通信設備運行監(jiān)測性能測試的目的是驗證系統(tǒng)對變電站通信設備運行狀態(tài)的監(jiān)測能力，確保系統(tǒng)能夠準確、實時地收集和反映設備狀態(tài)數(shù)據(jù)。其測試范圍主要包括傳感器精度和響應時間測試、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性測試、通信網(wǎng)絡的傳輸速率和延遲測試、數(shù)據(jù)處理和分析的時效性和準確性測試[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)響應時間、數(shù)據(jù)處理速度等關(guān)鍵性能指標，建立模擬實際運行環(huán)境的測試平臺，并執(zhí)行基準測試以確定系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的表現(xiàn)，然后逐步增加負載進行壓力測試，有意識地注入故障以評估系統(tǒng)的檢測和響應能力，同時測量數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏蚀_性及實時性，評估系統(tǒng)延遲，驗證冗余和容錯機制的有效性，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、準確地執(zhí)行故障檢測和數(shù)據(jù)監(jiān)控任務。

（二）故障診斷性能測試

在故障診斷性能測試中，需要確立診斷準確率、響應時間、誤報率和漏報率等故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標。隨后通過搭建模擬實際運行環(huán)境的測試平臺，使用歷史故障數(shù)據(jù)和正常運行數(shù)據(jù)進行基準測試，確立正常運行時的性能標準。并在此基礎上，執(zhí)行故障模擬測試，通過預定義的故障場景驗證系統(tǒng)的故障檢測能力。進一步進行診斷準確性測試，利用混淆矩陣等工具量化各項性能指標。同時，重點測試系統(tǒng)的響應時間和實時性，確保故障發(fā)生時系統(tǒng)能夠迅速做出反應。通過魯棒性測試評估系統(tǒng)在不同環(huán)境和負載下的表現(xiàn)，并通過誤報和漏報測試調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，最小化診斷誤差。在系統(tǒng)部署后，還應將持續(xù)監(jiān)控故障診斷性能，并定期進行測試以確保持續(xù)穩(wěn)定運行。

（三）系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析

在220kV變電站通信設備的系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析中，首先需定義平均故障間隔時間（MTBF）、平均恢復時間（MTTR）等關(guān)鍵性能指標，以確立評估標準。然后通過長期運行測試監(jiān)控系統(tǒng)性能的持續(xù)性，環(huán)境壓力測試檢驗系統(tǒng)在極端條件下的耐受性，軟件和硬件容錯性測試評估系統(tǒng)面對內(nèi)部錯誤的穩(wěn)定性[6]。此外，還可通過故障恢復測試驗證系統(tǒng)自我修復的能力，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備監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各種情況下穩(wěn)定運行，及時準確地進行故障診斷。系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性分析圖如下圖2所示：

三、案例分析與應用前景

（一）實際應用案例介紹

國網(wǎng)白銀供電公司在變電智能運檢與數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面取得了顯著進展。他們搶抓數(shù)字化轉(zhuǎn)型機遇，推廣了業(yè)務流程在線化、設備狀態(tài)可視化、生產(chǎn)作業(yè)移動化、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、移動作業(yè)系統(tǒng)，促進了變電智能運檢與數(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。在實際應用中，變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)建和實現(xiàn)，已經(jīng)在某些電力系統(tǒng)中得到應用，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)預測模塊，并且已經(jīng)在松江河電廠成功投入運行。

（二）應用前景展望

隨著技術(shù)的不斷進步，變電站運行監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應用前景是十分廣泛的。未來的系統(tǒng)將通過集成更先進的傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能和機器學習算法，實現(xiàn)更高水平的預測性維護，減少停機時間并延長設備壽命。自動化和智能化將進一步提升操作效率和響應速度，而邊緣計算的引入將降低數(shù)據(jù)處理延遲，增強網(wǎng)絡安全。同時，系統(tǒng)的環(huán)境適應性、標準化和互操作性也將得到加強，以適應不同運行條件和促進技術(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)帶來深遠的技術(shù)革新和顯著的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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