摘 要: 状态监测是运用先进的技术手段对输变电设备进行自动化监测和科学管理的总称，是实现智能电网的重要基础之一。本文设计并实现了符合智能电网需求的设备综合状态监测系统，通过在智能变电站内安装基于先进传感技术的监测装置，以标准通讯协议实现主要输变电设备状态信息的接入、处理、集中展示，并综合应用趋势图分析、模糊判断、趋势预测等分析诊断方法，辅助管理人员对设备的运行状态进行分析决策，为生产管理、监测设备选型、智能电网决策分析支持技术提供决策所需要的数据。文中详细介绍了系统的体系结构、功能设计和设备综合诊断算法等。
1 引言
输变电设备状态监测系统的总体目标是要建立符合坚强智能电网建设要求的统一输变电设备状态监测系统和标准开放的信息技术框架，安装基于先进传感技术的监测装置，实现监测数据的标准化传输、设备状态的实时监测、预警、分析、诊断、评估和预测，实现设备的智能化、信息化，达到设备状态自我感知、故障自我诊断的目的，为生产管理、监测设备选型、智能电网决策分析支持技术提供决策所需要的数据。系统的建立一方面提高了在线监测手段的集成化程度，依据综合状态诊断策略，节约设备维修保养工作所产生的费用，只在必要的情况下及按照最适当的次数进行设备检修，并减少或延迟定期维修及更换设备及其组件，从而减少停电时间及节省维修开支;另一方面，状态监测与评估能够提高防止灾难性故障的能力，从而取得策略性效益，包括提升系统整体安全，防止操作人员以及公众在灾难性故障中受到的损失与伤害，避免因系统不稳定、损失负荷及环境污染而导致的潜在重大影响。
2 系统层次架构设计
整个系统分为过程层、间隔层、站控层、主站层共四层[1-4]。
图 系统结构图
(1) 过程层
过程层装置全部实现IEC61850，系统在某智能变电站内试点应用，主要实现以下状态监测量的监测。
| 被监测设备 | 监测状态量 |
| 主变压器 | 油色谱（氢气H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2七种气体） |
| 主变室 | 环境监测(温度、湿度) |
| GIS | SF6密度和微水（温度、密度、露点） |
| GIS | GIS局放（放电量、相位、脉冲个数） |
| 避雷器 | 泄漏电流（全电流、阻性电流、计数器动作次数） |
| 电缆 | 电缆光纤测温（线路负荷电流、导体温度、测量温度） |
(2) 间隔层
实现被监测设备相关监测装置的监测数据汇集、数据加工处理、标准化数据通讯代理、阈值比较、监测预警等功能。
间隔层的监测装置均符合DL/T 860(IEC 61850)通信标准，直接与站端监测单元通信，省去了综合监测单元。
(3) 站控层
站控层包括站端监测单元(CAC)。实现整个在线监测系统的运行控制，以及站内所有变电设备的在线监测数据的汇集、综合分析、监测预警、存储和标准化数据转发等功能。
(4) 主站层
主站层除了包括数据处理、监测预警、数据显示等基本功能外，更在高级应用功能方面进行深入研究，包括故障诊断、趋势预测等。主站层架构采用开放式架构的状态评估平台，有利于实现多系统与装置的数据共享，推动状态检修的发展,进而实现状态评估与辅助决策平台与SG186中相关系统中的横向贯通。
(5) 基于CBM的主站层架构[5-7]
CBM开放系统结构(OSA—CBM，Open System Architecture for Condition Based Maintenance)是美国MIMOSA国际组织为规范系统集成各个厂家实现标准化接口提出的，该结构将CBM系统分成具有不同功能的七个层次，包含了建立一个CBM系统所需的各个功能模块，分别为：数据获取模块、数据处理模块、状态监视模块、健康评价模块、预测模块、决策支持模块、数据展示模块。它从状态监测的硬件要求到设备故障的诊断、预测及维修决策方案的人机交互界面都提供了一个规范。
3 综合状态监测系统功能
系统的主要功能可实现对电力设备状态的连续监测、传输、处理分析，实时反映设备的健康状况，及时发现设备运行中的异常征兆，发出越限报警，提示设备可能有的潜在缺陷，并根据监测数据诊断分析设备可能存在的故障。
1) 通讯控制功能
a) 在线监测装置参数配置。包括采样周期、所监测设备的标识、相关通信参数等。
b) 在线监测装置的激活与关闭。只有激活的监测装置才能采集其监测数据。
c) 在线监测装置的手工测试。现场的在线监测装置立即启动一次采集并将数据传送给主站。
d) 校时。向在线监测装置发出对时命令，保证在线监测装置的时间与主站服务器时间同步。
2) 基本信息管理模块
包括智能变电站基本信息、设备基本信息、监测装置基本信息、算法管理、监测类型代码管理、监测装置报警管理。
3) 系统管理模块
包括对用户、权限、系统日志的管理功能。
4) 在线监测数据采集和处理
采用图表方式直观展示，并将不同监测量区分多图显示，根据不同监测参量设置对应的的数据采集周期。
在线监测过程中，由于突发设备启动、线路抖动和雷电冲击等偶然影响，将会产生偶发的异常监测点。这些异常值的存在将歪曲分析结果。可通过目视检查或将大于3s的数据剔除，或利用53H算法进行平滑估计降低异常数据的影响。通常对于运行中的同类型设备，由于受到外部因素的影响也基本相同，因此当在线监测时，也可测取同一参数的相对比较值及其随时间的变化趋势，这往往有利于排除干扰而及时发现缺陷，可采用相间差值法消除电网异常工况或共性干扰的影响。
图 实时数据显示
5) 历史数据分析
历史数据查询、最大值、最小值、平均值计算，历史趋势图绘制。
图 历史趋势图
6) 状态可视化
a) 智能变电站一次主接线图方式。
b) 智能变电站三维总览。
c) 设备状态可视化，包括变压器、GIS、避雷器的三维可视化、电力电缆实际路径图及区段温度分布图。
图 GIS设备三维示意图
7) 报警功能
a) 系统报警功能包括：特征参数越限告警、重要状态升级变位告警、根据变化速率报警的功能。
b) 系统采用主动报警方式：界面弹窗报警、短信报警、声音报警。
8) 综合诊断算法
a) 变压器油色谱诊断分析方法有：越限值、趋势预测、三比值法、大卫三角形法、TD图法、特征气体法、伴生增长、油中溶解气体增长率注意值、对一氧化碳和二氧化碳的判断(固体绝缘判断)。
图 TD图法直角坐标系
b) GIS局放诊断分析算法有：越限值、趋势预测、Φ-q-n图、放电类型模式识别法。
c) GIS设备SF6密度微水诊断分析算法有：越限值、趋势预测。
d) 避雷器泄漏电流诊断分析算法有：越限值、趋势预测、模糊判断、相间关联分析、参数关联比较。
e) 电缆光纤测温诊断分析算法有：越限值、导体温度、电流关联分析，参数关联比较。
f) 主变室温湿度诊断分析算法有：越限值。
9) 报表打印
系统提供功能强大的报表管理子系统，可以按调度需要的时间间隔记录实时信息并按报表格式显示和打印。报表可以根据需要的格式灵活制作，日报表显示全天运行的实时数据及其统计值;月报表可以显示全月运行的统计数据，在月末形成。根据现场情况不同，操作员可以随时查询、打印系统至少一年内的日报表、月报表。为了满足不同的需要，提供了定时打印和召唤打印两种打印方式。
10) 指数平滑法趋势预测
在线监测不仅数据量大，而且易受到现场运行环境的影响，在传输过程中也可能出现干扰失真情况，因此在进行诊断分析时应对干扰因素进行剔出，获得设备状态的实际变化趋势。
图 趋势预测
在线监测为实现缺陷的连续追踪，提供了良好的技术保证。通常一旦根据监测信号上升梯度所作的预测值持续偏离正常值，就可以认为设备处于“故障前兆期”。
图 趋势项提取
根据设备状态量实时监测结果及其发展趋势以及经历的不良工况信息，对设备状态进行量化分级，及时预测设备可能存在的故障风险，避免突发性事故的发生。监测量不仅具有增长趋势，同时可能还有由温度、湿度等季节因素引起的周期性的变化趋势。
11) 统计计算
对实时数据进行统计、分析、计算，通过计算产生变压器油色谱在线分析、局放的大小和位置、日/月/年最大值、最小值、数字输入状态量逻辑运算值等，设备正常/异常变位次数等，并提供一些标准计算函数，用来产生用户可定义的虚拟测点。具体算法可根据用户提出的要求制定。
12)系统接口
按《输变电设备状态监测主站系统接口通信规范》中接口规范要求，将变电站设备的在线监测数据上传至PMS生产管理系统的在线监测数据模块。针对系统之间的数据交互，接口采用WebService技术实现，由系统按照I2接口格式要求组织监测数据并调用PMS发布的服务进行数据传输，服务方法包括心跳检测、数据上传、数据召唤、数据重传、读配置、写配置、远程更新，通过服务方法的相互调用，完成设备状态监测数据、控制指令等相关信息的传输。
4 结语
该项目成果有助于全面提升变电站一次设备的智能化水平，有助于提升企业管理水平，有助于促进状态监测、传感、通信、诊断技术等新兴产业健康发展，为一次设备智能化、选型积累经验，提高供电可靠性，节省检修费用，有助于建设高素质的员工队伍和培养高水平的专业人才。该项目具有良好适用性，对提高智能电网输变电设备的运行可靠性，支撑智能电网设备的生产运行和资产全寿命管理的决策分析具有重要意义，为生产管理、设备选型提供了指导意义，具有良好的推广和应用前景。
参 考 文 献
[1] 《Q/GDW383 智能变电站技术导则》
[2] 《Q/GDWZ410高压设备智能化技术导则》
[3] 《Q/GDW 538-540变电设备在线监测系统技术导则》
[4] 国家电网生[2010]95号.《输变电设备状态监测系统概要设计及相关数据规范、通信技术方案》
[5] 鲁丽萍，刘娟，等. 设备综合状态监测系统开放性研究 华东电力,2012年03期
[6] 刘娟、鞠登峰，等. 设备状态监测系统的DL/T860建模及智能化设计 电力信息化，2012年01期
[7] 胡静涛，徐皑冬，等.CBM标准化研究现状及发展趋势[J];仪器仪表学报;2007年03期
[8] 国家电网生[2008]269号. 国家电网公司关于规范开展状态检修工作意见：设备状态检修规章制度和技术标准汇编，2008[C]，北京：中国电力出版社，2008.3-10.
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