一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法
2023-07-12 19:48:21 5
一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法
【專利摘要】本發明專利涉及一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法，屬於電力設備在線監測信息聚合【技術領域】。本發明將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，利用前端多個傳感器資源與監測單元獲取數據和信息，關聯變壓器運維信息、檢修信息、評估信息、歷史案例信息，構建變壓器在線監測信息處理模型，按照多維差異信息柔性關聯的要求，將各類信息在空間和時間上互補，設計信息聚合關鍵步驟，結合運行狀態評估需求，進一步將變壓器的運行狀態空間換分為正常運行、異常可運行、預警、告警，並相應地將變壓器各項主要監測量分為漸變信息、突變信息和告警信息三類，給出狀態推送示意流程。
【專利說明】一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法，屬於電力設備在線監測信息聚合【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著智能電網建設的不斷推進，大型變電站的主要設備都安裝了在線監測系統，對保障電網安全、穩定運行，起到了重要的安全監控作用。但由於各監控系統一般都是針對某類設備一個或幾個方面特徵的監測，缺乏完備的設備狀態監測與全景的信息評估，「信息孤島」現象嚴重，且目前對於電力設備在線監測系統的設計基本上是以設備的故障事件為驅動，對檢測到的信息的本質挖掘不到位，對信息本體反映出的內容理解不全面，這些問題都極大的制約了在線監測的應用與發展。
[0003]物聯網(The Internet of Things)作為新一代信息通信網絡,具有全面感知、可靠傳輸和智能處理的特點，其技術具有空間化、數位化、網絡化、智能化和可視化等特徵，是智能電網由系統智能化向設備智能化延伸的互聯手段。利用物聯網的「智能信息感知末梢」相關技術，可以提高電力設備的在線監測性能水平，滿足現代電網對電力設備狀態信息的準確獲取與網絡化交互的需要；利用基於物聯網架構的多源信息處理技術，可以更好地為電力設備狀態估計與全壽命周期管理服務。
[0004]信息聚合用數學語言可以描述為利用像求解原像的過程，這裡的像指的是由底層傳感器所獲得的客觀環境(即被測對象)的多源信息，原像指的是客觀環境。信息聚合技術能從大數據中，圍繞某個主題，把極度分散、高度相關的信息碎片，整合成有參考價值的全景信息，是處理多元、海量的數據最行之有效的處理手段。
[0005]變壓器是電力系統關鍵設備之一，變壓器在線監測系統存在孤立性強、信息量大、數據類型多樣等特點，是物聯網信息聚合技術應用的良好平臺。藉此，提出一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是針對目前電力設備在線監測系統中，缺乏完備的設備狀態監測與全景的信息評估以及對檢測到的信息的本質挖掘不到位，對信息本體反映出的內容理解不全面兩個問題，公開了一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法。
[0007]本發明的技術方案是:一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法，在電力物聯網體系之上，將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，利用前端多個傳感器資源與監測單元獲取數據和信息，關聯變壓器運維信息、檢修信息、評估信息、歷史案例信息，構建變壓器在線監測信息處理模型，按照多維差異信息柔性關聯的要求，將各類信息在空間和時間上互補，設計信息聚合關鍵步驟，結合運行狀態評估需求，進一步將變壓器的運行狀態空間換分為正常運行、異常可運行、預警、告警，並相應地將變壓器各項主要監測量分為漸變信息、突變信息和告警信息三類，給出狀態推送示意流程。
[0008]具體步驟如下:
(I)將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，其中，信息感知層即為多傳感器層，由獲取變壓器各類在線監測數據的智能傳感器組成，將該層所採集到的監測數據分為電氣量、過程量、狀態量三大類；網絡通信層提供解析數據傳輸通道，支持異構網絡接入，並支持移動性，實現設備的無縫透明接入，實現感知層各類信息的傳輸；在應用子站層構建物聯網信息處理平臺，提供信息的標準接入，通過對多源差異信息的特徵提取、挖掘、關聯等方法，實現變壓器信息的綜合分析，實現對於不同對象分析需求的智能化決策、控制和指示；應用主站層推送出匯集各個子站層的信息處理結果和案例信息，將已經形成的具有關聯性的歷史數據進行標識，存儲至歷史特徵資料庫，作為新階段的變壓器運行狀況分析需求的重要參考信息，亦作為變壓器壽命估計的重要特徵信息。
[0009](2)結合變壓器多維信息的時間維度、信息關聯程度和應用空間，將變壓器相關信息建立在由時間維度t、信息維度Xl和應用維度X2形成的三維空間中。其中，時間維度中包含過程量監測信息、電氣量監測信息、狀態量監測信息等，信息維度中包含變壓器基本信息、運維信息、評估信息、歷史故障信息、調度運行信息、在線監測關聯信息等，應用維度中包含變壓器故障診斷案例庫、變壓器壽命估計和周期管理等。在三維空間中將變壓器參數信息、運維信息、檢修信息、評估信息與經時間維度統一後的各類在線監測信息進行關聯之後，用信息維度來衡量，可建立面向變壓器在線監測的信息處理模型。
[0010](3)設計信息聚合的關鍵步驟。第一步，確定決策級的分析需求。決策級對象可分為檢修人員、運行維護人員，變壓器設備管理人員，變壓器設計研究人員等幾類，他們對變壓器狀態的需求側重點不同，需要制定個性化的決策方案。第二步，從需求中識別變量。從變壓器的各類監測系統獲得的信息，確定哪些信息的相互關聯能夠反映出所需要關注的情況。第三步，確定多維關聯的維。由將由信息感知層中採集節點從各類儀表、傳感器獲取的設備狀態信息經過格式轉換、規約、標準化處理後，選擇其中具有直接關聯性的數據進行簡單的二維聚合，獲得由兩維信息共同表徵的不同屬性，這些聚合後的二維向量在多維關係中，即可看作是維。第四步，對維進行可信度分析及權重分析。針對不同事件中，不同的用戶需求，對維的權重進行判斷，並輔以檢測量精度、時間尺度上的差異，對維度可信度做出判斷。第五步，確定分析需求的表達形式和多維表關聯的關係。第六步，隨著決策分析需求變化調整維。若分析需求改變，則以第一步開始調整現有的多維關聯方案，形成一種可變通、可調方式、多需求適應的信息聚合。
[0011](4)將變壓器運行狀態換分為四個區域，分別是正常運行、異常可運行、預警及告警。將變壓器主要檢測量分為漸變信息、突變信息、告警信息三類。比如，溫溼度監測信息、色譜分析屬於漸變信息，鐵芯接地電流、主變運行數據、故障錄波數據、油中氣體成分屬於突變信息，當某個信號突變程度直接達到了告警值，這個信號認為是告警值。根據信息處理模型，得到變壓器狀態空間推送圖。
[0012]本發明的有益效果是:解決了目前電力設備在線監測系統中，缺乏完備的設備狀態監測與全景的信息評估以及對檢測到的信息的本質挖掘不到位，對信息本體反映出的內容理解不全面兩個問題。實現了變壓器運行狀態的合理預知性評估，同時可為變壓器壽命估計提供極具參考意義的歷史特徵信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的變壓器多維信息時空關聯示意圖；
圖2是本發明的信息處理模型建立方案；
圖3是本發明的信息級聚合的關鍵步驟；
圖4是本發明的變壓器運行狀態空間劃分；
圖5是本發明的變壓器狀態空間推送示意圖；
圖6是本發明實施例1中，CO氣體含量隨時間的變化規律；
圖7是本發明實施例1中，CO產氣速率隨時間的變化規律；
圖8是本發明實施例1中，甲烷和乙烯在總烴中所佔比重；
圖9是本發明實施例1中，甲烷所佔比例(CH4/ (CH4+C2H4))；
圖10是本發明實施例1中，乙炔氣體含量隨時間變化；
圖11是本發明實施例1中，乙炔氣體與10%乙烯氣體含量的關係；
圖12是本發明實施例1中，基於油中溶解氣體色譜分析的變壓器運行狀態推送圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發明作進一步說明。
[0015]一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法，在電力物聯網體系之上，將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，利用前端多個傳感器資源與監測單元獲取數據和信息，關聯變壓器運維信息、檢修信息、評估信息、歷史案例信息，構建變壓器在線監測信息處理模型，按照多維差異信息柔性關聯的要求，將各類信息在空間和時間上互補，設計信息聚合關鍵步驟，結合運行狀態評估需求，進一步將變壓器的運行狀態空間換分為正常運行、異常可運行、預警、告警，並相應地將變壓器各項主要監測量分為漸變信息、突變信息和告警信息三類，給出狀態推送示意流程。
[0016]具體步驟如下:
(I)將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，其中，信息感知層即為多傳感器層，由獲取變壓器各類在線監測數據的智能傳感器組成，將該層所採集到的監測數據分為電氣量、過程量、狀態量三大類；網絡通信層提供解析數據傳輸通道，支持異構網絡接入，並支持移動性，實現設備的無縫透明接入，實現感知層各類信息的傳輸；在應用子站層構建物聯網信息處理平臺，提供信息的標準接入，通過對多源差異信息的特徵提取、挖掘、關聯等方法，實現變壓器信息的綜合分析，實現對於不同對象分析需求的智能化決策、控制和指示；應用主站層推送出匯集各個子站層的信息處理結果和案例信息，將已經形成的具有關聯性的歷史數據進行標識，存儲至歷史特徵資料庫，作為新階段的變壓器運行狀況分析需求的重要參考信息，亦作為變壓器壽命估計的重要特徵信息。
[0017](2)結合變壓器多維信息的時間維度、信息關聯程度和應用空間，將變壓器相關信息建立在由時間維度t、信息維度Xl和應用維度X2形成的三維空間中。其中，時間維度中包含過程量監測信息、電氣量監測信息、狀態量監測信息等，信息維度中包含變壓器基本信息、運維信息、評估信息、歷史故障信息、調度運行信息、在線監測關聯信息等，應用維度中包含變壓器故障診斷案例庫、變壓器壽命估計和周期管理等。在三維空間中將變壓器參數信息、運維信息、檢修信息、評估信息與經時間維度統一後的各類在線監測信息進行關聯之後，用信息維度來衡量，可建立面向變壓器在線監測的信息處理模型。
[0018](3)設計信息聚合的關鍵步驟。第一步，確定決策級的分析需求。決策級對象可分為檢修人員、運行維護人員，變壓器設備管理人員，變壓器設計研究人員等幾類，他們對變壓器狀態的需求側重點不同，需要制定個性化的決策方案。第二步，從需求中識別變量。從變壓器的各類監測系統獲得的信息，確定哪些信息的相互關聯能夠反映出所需要關注的情況。第三步，確定多維關聯的維。由將由信息感知層中採集節點從各類儀表、傳感器獲取的設備狀態信息經過格式轉換、規約、標準化處理後，選擇其中具有直接關聯性的數據進行簡單的二維聚合，獲得由兩維信息共同表徵的不同屬性，這些聚合後的二維向量在多維關係中，即可看作是維。第四步，對維進行可信度分析及權重分析。針對不同事件中，不同的用戶需求，對維的權重進行判斷，並輔以檢測量精度、時間尺度上的差異，對維度可信度做出判斷。第五步，確定分析需求的表達形式和多維表關聯的關係。第六步，隨著決策分析需求變化調整維。若分析需求改變，則以第一步開始調整現有的多維關聯方案，形成一種可變通、可調方式、多需求適應的信息聚合。
[0019](4)將變壓器運行狀態換分為四個區域，分別是正常運行、異常可運行、預警及告警。將變壓器主要檢測量分為漸變信息、突變信息、告警信息三類。比如，溫溼度監測信息、色譜分析屬於漸變信息，鐵芯接地電流、主變運行數據、故障錄波數據、油中氣體成分屬於突變信息，當某個信號突變程度直接達到了告警值，這個信號認為是告警值。根據信息處理模型，得到變壓器狀態空間推送圖。
[0020]實施例1:以某500kV變電站的I號主變嚴重過熱故障之前的歷史數據進行模擬預測。I號主變的油中溶解氣體監測採樣間隔為8小時，即每天3個採樣點。本例中展示的是I年的歷史數據。
[0021]變壓器油在300°C以下沒有局部放電和強電場時，釋放的氣體很少，只產生少量的C02、CH4和H2等，油中氣體的數量和特徵氣體比值不會有大的變化，而當變壓器內部存在潛在過熱故障，若熱點只影響到絕緣油的分解而不涉及固體絕緣時，變壓器油產生的氣體主要是低分子烴類，其中甲烷、乙烯是特徵氣體，一般二者之和佔總烴的80%以上；當故障點溫度較低時，甲烷佔的比重大，隨著熱點溫度的升高，乙烯組分急劇增加，比例增大；當嚴重過熱時，也會產生少量的乙炔，但其最大含量不超過乙烯量的10%。同時變壓器油紙絕緣老化速率加大，產氣速率增加。
[0022]根據信息聚合關鍵步驟，設計本例具體實施步驟如下:
(O在對油中各氣體成分監測的過程中，發現異常量:即一氧化碳產氣量與產氣速率超過閾值；如圖6所示。 在第67天(對應第199~201個採樣點)時，CO氣體含量有明顯的增大，從該天開始關注CO的產氣速率和含量。由歷史數據計算得到的CO產氣速率隨時間變化曲線如圖7所示。
[0023]由圖7可知，從第67天開始，CO的產氣速率為2.2607pmm/天，第77天(對應第229^231個採樣點)的產氣速率為3.5017pmm/天，與第67天相比，產氣速率提高了 54.89%。由於此時C0、H2以及溶解的可燃氣體(TDCG)含量均未超過正常運行的閾值，因此仍然推送至變壓器正常運行空間，此時觸發對甲烷、乙烯這兩種過熱性故障特徵氣體的重點關注。
[0024](2)在重點關注氣體甲烷、乙烯的監測中，若發現甲烷和乙烯在總烴中所佔比重超過了總烴含量的80%，如圖8所示，則初步斷定變壓器發生低溫過熱的情況，推送至異常運行狀態，進一步追進對甲烷、乙烯含量比重的關注。若乙烯含量比重大於50%，推測變壓器過熱溫度進一步升高，如圖9所示。
[0025]由圖9可以看出，在第92天(274-276採樣點)時，甲烷所佔的比例急劇下降為47.63%，此後持續保持在50%以下，由此可知，第92天之後變壓器過熱故障的溫度進一步升聞;
第92天測得的CO氣體含量為255.3ppm，此時計算CO產氣速率為19.75ppm/天，假設CO氣體以19.75ppm/天的速率勻速增加，則可計算出大約7天之後，CO氣體含量將達到400ppm，超過正常運行的閾值，大約19天後含量將達到600ppm，進入預警狀態。
[0026](3)由CO產氣速率對預警的預測結果以及上述對甲烷、乙烯含量的監測結果，進一步觸發對高能故障特徵氣體乙炔的監測,觀測高能故障特徵氣體乙炔含量變化，同時關注乙炔和乙烯含量比重的關係，建立其二維關係圖。若連續監測發現乙炔含量超過設定閾值，或者乙炔所佔10%乙烯氣體的比重超過閾值，則表示發生了高能放電故障，監測結果和關聯結果如圖10所示。
[0027]由圖10可知，監測第92天時乙炔氣體含量值仍然在正常值範圍內，到第125天後乙炔值突然增大，其值超過乙炔單監測量的預警閾值，到達預警狀態；
結合乙烯氣體含量進行分析，如圖11所示為乙炔氣體和10%乙烯氣體含量的關係，坐標平面上的點代表當天乙炔測量值與10%乙烯測量值，正常情況下乙炔的含量應小於35ppm,且相對於乙烯含量而言，乙炔應不超過乙烯含量的10%,在圖中反映為不超過虛線。根據變壓器運行的歷史數據可從圖11所示的10%乙烯-乙炔含量圖上大致劃定正常運行的閾值範圍，即橫軸42?88ppm，縱軸l(T20ppm構成的一個矩形。若單個值超出閾值，連續監測不到其他的異常值，則認為該點為奇異點，可以排除；若連續監測多個點均超出劃定閾值，則認為有出現高能放電故障的可能性，應推送至異常狀態，引起關注。
[0028]結合上述理論分析與色譜信息聚合步驟，可得到基於油中溶解氣體色譜分析的變壓器運行狀態推送圖如圖12所示。
[0029]可知，利用油中氣體在線監測信息聚合，可提前預知潛在過熱故障、高能放電故障，對氣體變化速率進行關注和預測，可大致估計未來故障發生時間；對不同氣體含量變化進行關聯分析，可實現變壓器運行狀態的可靠推送，達到對變壓器運行狀態預知性估計的良好效果。
[0030]上面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。
【權利要求】
1.一種基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法，其特徵在於:在電力物聯網體系之上，將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，利用前端多個傳感器資源與監測單元獲取數據和信息，關聯變壓器運維信息、檢修信息、評估信息、歷史案例信息，構建變壓器在線監測信息處理模型，按照多維差異信息柔性關聯的要求，將各類信息在空間和時間上互補，設計信息聚合關鍵步驟，結合運行狀態評估需求，進一步將變壓器的運行狀態空間換分為正常運行、異常可運行、預警、告警，並相應地將變壓器各項主要監測量分為漸變信息、突變信息和告警信息三類，給出狀態推送示意流程。
2.根據權利要求1所述的基於物聯網的變壓器在線監測信息聚合方法，其特徵在於，具體步驟如下: (1)將變壓器在線監測的物聯網技術架構分為信息感知層、網絡通信層、應用子站層以及應用主站層，其中，信息感知層即為多傳感器層，由獲取變壓器各類在線監測數據的智能傳感器組成，將該層所採集到的監測數據分為電氣量、過程量、狀態量三大類；網絡通信層提供解析數據傳輸通道，支持異構網絡接入，並支持移動性，實現設備的無縫透明接入，實現感知層各類信息的傳輸；在應用子站層構建物聯網信息處理平臺，提供信息的標準接入，通過對多源差異信息的特徵提取、挖掘、關聯等方法，實現變壓器信息的綜合分析，實現對於不同對象分析需求的智能化決策、控制和指示；應用主站層推送出匯集各個子站層的信息處理結果和案例信息，將已經形成的具有關聯性的歷史數據進行標識，存儲至歷史特徵資料庫，作為新階段的變壓器運行狀況分析需求的重要參考信息，亦作為變壓器壽命估計的重要特徵信息； (2)結合變壓器多維信息的時間維度、信息關聯程度和應用空間，將變壓器相關信息建立在由時間維度t、信息維度Xl和應用維度X2形成的三維空間中；其中，時間維度中包含過程量監測信息、電氣量監測信息、狀態量監測信息等，信息維度中包含變壓器基本信息、運維信息、評估信息、歷史故障信息、調度運行信息、在線監測關聯信息等，應用維度中包含變壓器故障診斷案例庫、變壓器壽命估計和周期管理等；在三維空間中將變壓器參數信息、運維信息、檢修信息、評估信息與經時間維度統一後的各類在線監測信息進行關聯之後，用信息維度來衡量，可建立面向變壓器在線監測的信息處理模型； (3)設計信息聚合的關鍵步驟；第一步，確定決策級的分析需求；決策級對象可分為檢修人員、運行維護人員，變壓器設備管理人員，變壓器設計研究人員等幾類，他們對變壓器狀態的需求側重點不同，需要制定個性化的決策方案；第二步，從需求中識別變量；從變壓器的各類監測系統獲得的信息，確定哪些信息的相互關聯能夠反映出所需要關注的情況；第三步，確定多維關聯的維；由將由信息感知層中採集節點從各類儀表、傳感器獲取的設備狀態信息經過格式轉換、規約、標準化處理後，選擇其中具有直接關聯性的數據進行簡單的二維聚合，獲得由兩維信息共同表徵的不同屬性，這些聚合後的二維向量在多維關係中，即可看作是維；第四步，對維進行可信度分析及權重分析；針對不同事件中，不同的用戶需求，對維的權重進行判斷，並輔以檢測量精度、時間尺度上的差異，對維度可信度做出判斷；第五步，確定分析需求的表達形式和多維表關聯的關係；第六步，隨著決策分析需求變化調整維；若分析需求改變，則以第一步開始調整現有的多維關聯方案，形成一種可變通、可調方式、多需求適應的信息聚合；(4)將變壓器運行狀態換分為四個區域，分別是正常運行、異常可運行、預警及告警；將變壓器主要檢測 量分為漸變信息、突變信息、告警信息三類；根據信息處理模型，得到變壓器狀態空間推送圖。
【文檔編號】G06F17/30GK104007336SQ201410187415
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】束洪春, 白洋, 董俊 申請人:昆明理工大學