电力设备载流故障智能预警信息系统设计

段军鹏

(云南电网公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000)

1 前言

载流故障是电力设备故障的主要类别之一，其主要原因是电力电缆接头、开关隔离触头、开关柜铜排接头等接触不良或长时间氧化引起的接触电阻增大，从而导致接头或触点过热、烧熔以致引弧、甚至造成短路，所造成的严重后果是电缆爆炸、大面积停电和企业停产等，带来巨大的经济损失［1］。

故障监测的方法主要由两大类:传统的方式，采用蜡片、红外测温仪定期巡检并进行人工判断，由于故障很多是发生在非巡检时刻，而且，高压开关柜等设备的重要部位在带电运行情况时是隐蔽而无法观察的，因此，问题往往不能及时发现，存在很大缺陷;数字化的监测技术，采用有线传感器件并进行简单的阈值比较判断故障［2－3］。

目前，数字化的监测技术已逐渐普及，对载流故障的诊断和预警已有多方面的研究，载流故障的诊断和预警已取得不少成果，主要集中在测温技术和装置，通过测量电力设备现场电气量、温度、气体成分等来判断设备的工作状况，但是，有线传感器件存在安装困难甚至在某些部位无法安装的缺点;而且，预警主要基于温度阈值的简单判断。载流故障有温度持续升高、缓慢波动升高 (历时数周甚至数月)等形态，并且，温度与负载、相序、空间位置等多方面因素相关，如果仅根据温度阈值判断，那么预警时间较短，且容易出现误判和漏判，已无法满足智能电网发展的需要。因此，迫切需要采用更为先进的检测技术，并采用智能控制技术来实现载流故障的智能诊断和预警。

以下采用智能信息技术、计算机技术和检测技术，研制出一套电力设备载流故障智能诊断信息系统软件。

2 载流故障诊断原理

电力设备在运行过程中，由于电流的作用，大多数都伴有发热的现象。通常来说，设备的运行温度越低，其工作状况越好。当设备出现故障或其征兆时，设备的运行温度将明显上升，设备温度是现代电网表征电力设备运行正常的一个重要参数。

采用主成分分析法 (PCA)［4］、模式聚类算法［5］、最小二乘支持向量机［6］等方法研究提出载流故障的智能诊断与预警策略，实现电力设备载流故障的早期预警以及趋势预测。本文提出的基于PCA和K－means算法载流故障预警流程如图1所示。

3 故障智能预警系统实现

3.1 系统结构设计

系统总体结构如图2所示，电力设备高压触点的温度值通过传感器采集和收集，并通过局域网将实时工况数据上传到服务器端，服务器将数据存入数据库，并对数据运行故障诊断算法，获得设备工作情况信息。

系统实现功能描述:1)系统能够对上传的工况信息进行实时地并发处理，因为同一时间将有很多设备并行工作;

2)为用户提供实时数据的显示，让用户能够了解任意设备当前的实时工作情况;

3)历史数据查看功能，运行用户查看一定时期内的全部数据;

4)当前系统的诊断结果信息显示。

图1 基于智能算法载流故障预警流程

图2 系统总体结构

3.2 系统部署的三层架构

系统采用Browser/Server体系结构，方便了客户的使用和管理，其中每一层均为上一层提供服务，并且对上一层透明，即为上一层隐藏了具体的操作细节。表示层负责实现人机界面的表单和组件，业务逻辑层负责实现数据分析业务和具体逻辑处理，而数据库服务层提供对数据库的交互服务，各层之间的联系和内容如图3所示。

图3 系统开发的三层模型

基本数据流如图4所示，其中电力设备的实时工况数据是通过网络传入数据库的，后台程序负责运行诊断算法并将诊断得到的数据和结论存储到数据库指定表中，并将最近一次的诊断信息写入XML文件中。前台程序处理用户的请求，将当前的实时工况数据传递给用户，并拷贝一份最近一次的诊断结果返回给用户。当用户请求获取一段时间内的所有工况数据时，前台程序才去访问数据库，获取用户指定的数据。

图4 基本数据流图

3.3 系统功能介绍

通过在现场实地调研，根据用户实际需求，在系统界面中共设计了系统管理模块等子模块，各子模块中有更详细的分类。具体功能模块如图5所示。

图5 系统功能模块

在本系统中通过定义访问权限及操作权限来定义系统的安全机制。用户分为三个级别，分别是管理员、操作员和一般用户，权限各不相同，他们只需通过客户端浏览器登录网站，即可进行相应的操作。管理员:管理和维护网站的运行，设置和管理一般用户权限。操作员:根据算法运行结果和系统可能出现的新故障特征，适时地修正算法参数，或替换新的算法。一般用户:申请注册成功后，可以浏览指定设备的实时工作情况和故障信息。

1)电力设备状态监测模块采用微功率无线通信技术、数字化温度传感技术、标准modbus协议，实现了对重要设备关键部位温度的在线监测和预警，并能与综自系统、DCS等进行通讯，可用于电力设备关键部位 (如，开关柜内母排连接处、断路器动静触头连接处、隔离刀闸动静触头连接处、电缆出口处、电缆接头处、变压器进出口，等等)以及电动机、风机、室内的温度监测。无线式温度传感器安装在设备内，采集高压触点温度，并将数据传输给温度传输单元，温度传输单元通过RS485总线与工业控制计算机进行通信，工控机上运行故障诊断软件，对采集到的温度数据进行分析和处理，得到设备运行状况信息，显示给监测人员。

2)系统管理只对管理员开放，包括系统的维护升级、故障日志记录以及详细信息报表的查询、导出、打印等。同时可以对用户信息进行管理，限制或允许普通用户或远程用户的登录使用权限。实现电力设备添加/删除、设备属性的配置/修改/保存/查询，以及图标曲线等可视化显示功能。

3)智能化的信息处理与分析算法是本系统的核心，也是有别于常规信息系统之所在。智能算法的处理过程复杂、计算量繁多，为提高软件编程质量和代码使用效率，采用模块化编程和面向对象编程思想，常用变量、函数和属性等封装成类体，比如Matrix、K－MEANS、LSSVM、PCA类等等，将包含于公共服务模块。智能算法所涉及的大规模矩阵运算都将采用全选主元高斯消去法、全选主元高斯－约当消去法、豪斯荷得变换法、QR分解法、赫申伯格阵QR法求特征值特征向量、雅克比法、雅克比过关法等技术，以获得高效快速的计算，满足信息系统实时运算的要求。智能故障诊断预警模块通过设定采样时间，系统自动的对电力设备进行故障诊断，给出故障诊断结果，同时生成PCA分析图及温度曲线预测图，通过专家远程登录，可对分析图进行更深入的分析。

4)参数配置功能包括电力设备部件配置、电力设备参数配置、电力设备数量配置、时间间隔配置、电力设备故障信息配置、通用参数配置等。该界面的功能是为了整个电力设备载流故障智能预警信息系统的其它界面的功能服务。通过修改配置参数信息，即可实现对其他界面显示信息的修改。

4 结束语

该电力设备载流故障智能预警信息系统用户界面友好，使用直观方便，可操作性高。支持本地登录和远程登录，对于数据的分析结果可由专家提供远程指导。使用的故障智能诊断方法，在频域和时域都具有良好的分辨率，能够有效识别设备信号中的微弱故障信息。提出采用主成分分析法、模式聚类算法、最小二乘支持向量机对电力设备运行状态进行故障诊断和预警，为电力设备的故障诊断提供了新思路，开创了新道路，为保证电网安全运行提供载流故障的智能化预警的关键技术。

［1］周岩.高压开关柜触头温度在线监测系统研究 ［D］，绵阳:西南科技大学，2008.

［2］孙正来，孙鸣.高压开关柜温度在线监测技术研究 ［J］.电力信息化，2008，6(6):62－66.

［3］许婧，王晶，高峰，等.电力设备状态检修技术研究综述［J］.电网技术，2000，24(8):48－52.

［4］张鹏.基于主成分分析的综合评价研究 ［D］.南京:南京理工大学，2004.

［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］邓乃阳，田英杰.数据挖掘中的新方法 －支持向量机［M］.北京:科学出版社，2004.