變壓器多維度綜合監測 邊緣計算裝置
發布時間：2022-05-23 00:00:00
本項目通過引入工業互聯網云平臺與高性能邊緣計算硬件對變壓器狀態進行評估監測，從局部放電、接地電流、振動，再到紅外測溫、油色譜，增加了輸入數據的多樣性，為全局精確判斷變壓器狀態提供數據支撐。
作者：上海朋禾智能科技有限公司
1 目標和概述
電力設備的安全運行與電氣設備的有效檢測密切 相關，因此如何建立電氣設備狀態監測系統十分重要。 對電氣設備運行狀態進行實時評估和診斷，能夠大幅度 提高電網運行的可靠性。電力變壓器作為電力系統中的 重要組成部分，針對電力變壓器的狀態感知顯得尤為重 要。通過調研2020年全國66kV及以上兩萬多臺變壓器 的事故率、故障跳閘原因，發現故障類型多樣，數量分 布平均是最大的特征。現階段的電力變壓器監測方案檢 測手段較單一，運檢人員無法遠程監測，且無法較為全 面地對變壓器進行評估，如何高效精準地判斷電力變壓 器的狀態已成為運檢人員的痛點。本項目通過引入工業 互聯網云平臺與高性能邊緣計算硬件對變壓器狀態進行 評估監測，從局部放電、接地電流、振動，再到紅外測 溫、油色譜，增加了輸入數據的多樣性，為全局精確判 斷變壓器狀態提供數據支撐。然后，通過邊緣計算，實 現計算能力下沉，以提高站內數據計算的時效性，減少 網絡傳輸壓力，并建立多源數據融合的變壓器狀態感知 模型，對變壓器狀態進行多源融合判斷與分析，給出健 康度評估，增強監測系統的魯棒性，符合當下邊緣計算 高可靠性、低時延性、高安全性的特征。
2 方案介紹
變壓器多維度綜合監測邊緣計算裝置分為智能感知 層、邊緣計算層及云端應用層。具體主要包括能夠快速 檢測和故障診斷的多種監測裝置及其外置傳感器、戶外 用柜體、移動無線通訊網絡以及變壓器運行狀態評估系 統軟件，其系統架構及邊緣端模型算法如圖1所示。
圖1 系統架構圖
2.1 智能感知層
智能感知層主要指可以對變壓器狀態進行各類感知的傳感器及儀器儀表等。通過高精度傳感技術實現對變壓器狀態的采集，采集信息包括振動傳感器、局放超聲傳感器、局放射頻傳感器、局放特高頻傳感器、局放高頻電流傳感器、鐵芯/夾件接地電流傳感器、紅外攝像頭、油色譜IED等。傳感器全部采用快速安裝方式，比如磁吸附方式和開口式互感器方式等，每種通道數量可靈活配置。
2.2 邊緣計算層
邊緣計算層主要指站端部署的邊緣計算監測裝置，負責對各類傳感器信號及其他監測的數據進行采集、接收及處理分析。高性能的邊緣計算能夠有效緩解服務器的壓力，對于需要快速響應的事件有較好的效果。不同類型的傳感器獲取的數據在時域的表現形式是完全不同的。對于比較直觀的鐵芯接地電流監測，它們經過傳感器到信號處理模塊再到數據分析模塊，其在感知層接收的數據是隨時間小范圍波動的曲線，通常只需要設定閾 值即可判斷出來。而對于高頻、特高頻、超聲波傳感器 傳輸的數據，因其頻率高，需要經過特定的處理后再傳 到數據匯聚層。系統內置變壓器多維綜合分析系統軟 件，可實現基于綜合數據分析的預警報警及相關圖譜數 據的站端展示，方便站端調試人員及設備維護人員進 行就地查看分析。同時，裝置負責將處理分析結果通過 4G（兼容5G網絡）移動無線電力專網實時上送至各應 用平臺，如站內監測后臺、精益信息管理平臺或其他信 息子站等。
此外，該變壓器多維度綜合監測邊緣計算裝置的柜 體采用全密封設計，外殼為冷軋鋼板材料，滿足室外長 期運行要求，能夠在極端惡劣環境和變電站強電磁干擾 環境下安全可靠運行，如圖2所示。
圖2 邊緣計算監測裝置
2.3 云端應用層
云端應用層主要包含業務邏輯設計和數據可視化設 計兩部分，業務邏輯設計包含了邊緣端、云端、應用端 之間存在的交互邏輯，通過設定合理的判斷邏輯，進行 信號處理。例如當邊緣端檢測到故障時便上傳至云端， 云端再將通知發送至應用端，應用端則針對不同的客戶 群體推送對應的消息，如圖3所示。
數據可視化設計，包括電科院精益信息管理平臺或 變壓器綜合監測云平臺的可視化設計。數據可視化設計 包含了各個系統檢測模塊狀態、檢測設備傳感器數量、 檢測系統自身狀態、變壓器周邊環境、變壓器系統狀 態、油氣評估結果以及具體故障類型診斷等。通過在線
圖3 報警觸發業務邏輯圖
監測的局部放電、振動、油氣等大量實時上送的數據， 結合離線輸入的變壓器結構、出廠試驗等參數，完成變 壓器內部故障的進一步分析診斷，實現對變壓器運行狀 態的綜合評估，并形成有效的評估診斷結果，為運維人 員提供科學有效的參考依據，能夠有效延長設備運行時 間，制定合理檢修計劃，防范突發故障的發生。同時， 平臺可融合大數據智能分析、數字孿生等技術，實現更 加數字化、智能化的應用。
2.4 聲電聯合監測功能
為了解決變壓器局部放電脈沖特征提取過程中易 受電力現場電磁干擾的問題，系統采用一種多維數據 融合的變壓器局部放電干擾抑制方法。該方法首先對 布置于變壓器外部的射頻傳感器、布置于變壓器鐵芯 接地處的高頻電流傳感器及套管處的聲發射傳感器進 行數據采集；然后采用基于穩定時延最大脈沖數的脈 沖點定位算法剔除高頻中與射頻數據同源的脈沖，并 采用該算法對剩余高頻脈沖數據和不同位置處的聲發 射數據進行同源脈沖捕捉，實現對高頻信號中外部架 空線上的放電干擾、隨機電磁干擾等的抑制，并可根 據不同位置處聲發射數據的最大脈沖數對應時延確定 局放發生位置。
本算法主要包括四步：
（1）對布置在變壓器特定位置的射頻傳感器、高 頻電流傳感器、聲發射傳感器進行數據采集和信號預處 理，得到對應類型傳感器的脈沖最大幅值序列
、最 大幅值點對應工頻相位序列、最大幅值點對應時間 戳序列；
（2） 對高頻脈沖點附近滿足條件的射頻 信號脈沖點進行剔除，得到提純高頻脈沖點，其中th、
trf 分別為高頻和射頻脈沖發生的時刻。由于在整個周期 的時間歷程中，脈沖信號具有一定的稀疏性，當射頻和 高頻信號同時出現或時間較為接近時，可近似認為二者 為相同信號源激發，本步驟利用該特性實現二者的信息 融合；
（3）對提純高頻脈沖點附近滿足條件 且 的聲發射信號進行數目統計，其中tae 為 聲發射脈沖發生時刻， ，dt可取 ，得到滿足條
件的數目最大脈沖對應時延及脈沖序列，并依次對不 同位置的聲發射傳感器數據進行上述處理；
（4）進行PRPD及PRPS（Phase Resolved Pulse Sequence）譜圖繪制，得到去除外界周期干擾和隨 機干擾的脈沖譜圖。當該譜圖具有局部放電特點時， TDOA（Time Difference of Arrival）定位， L1、 L2、L3依次為三個聲發射傳感器安裝位置，綜合不同位 置處聲發射信號的時延 即可確定局放位置。
算法原理如圖4所示。
圖4 算法原理圖
2.5 聲紋振動監測算法
變壓器過載、不平衡負載、諧波負載、嚴重過熱、 直流偏磁、局部放電、繞組鐵心松動、附件松動等多種 缺陷均與變壓器運行聲音及振動有關。常見的變壓器狀 態監測與故障診斷方法所采用的狀態量包括：油色譜、電磁、溫度等，通常診斷發現時設備缺陷和故障已經形成，因此診斷存在滯后性。可聽噪聲與振動伴隨變壓器運行產生，聲音與振動的幅值、時域波形、頻譜特性、其運行電壓、電流、機械狀態、勵磁狀態、絕緣狀態等密切相關，可及時反映設備運行狀態變化。
聲紋監測具有以下技術優勢：
（1）無需接觸帶電設備，不改變設備運行狀態，安裝方便；
（2）能夠實時跟蹤設備運行狀態變化，檢測靈敏度高；
（3）補充了現有監測狀態量的缺失，增加了聲振低頻20Hz~20kHz范圍內的故障診斷方案。
一般而言，變壓器的聲音在短期內不會發生顯著變化，可認為是準平穩信號。對比正常情況，異常情況下變壓器頻譜分布特性發生顯著改變。從聲譜圖中提取能夠反映變壓器運行狀態的關鍵特征參數，并據此對變壓器運行狀態進行評價。
經過長期的研究積累，總結能夠對變壓器運行狀態故障進行監測和故障診斷的多個核心特征，該聲紋特征參數對于變壓器狀態評價效果較好，不同聲紋特征參數均在一定程度上反映了變壓器的運行狀態。
3 代表性及推廣價值
該方案已成功部署在河北、山東、天津、內蒙的變電站，通過聲電聯合監測與聲紋振動監測準確地揭露了多地變壓器存在的問題，向巡檢人員給出預警，在帶電檢測的證實下，提升了巡檢人員的巡檢效率，降低了巡檢的成本，幫助該變電站提高對變電站主設備的遠程智能監控和管理水平，提高供電能力和供電可靠性，降低主設備故障發生率，提高對主設備告警應急處理能力，滿足相關企業標準和反措要求，保障變電站安全可靠運行。同時也建立變電站主設備工作運行聲音的診斷分析方法，通過采集多通道的變電站主設備運行時的音頻數據，研究聲音降噪、量化、分析方法，并將聲音與現有的監測手段相結合，實現設備運行狀態的全天候、自動化、綜合性診斷，對保障無人值守條件下變電站的安全穩定運行，具有重要的現實意義。
來源 | 《自動化博覽》2022年第二期暨《邊緣計算2022專輯》
