变电站智能巡检整体解决方案研究

摘要：目前大部分变电站以人工巡检方式开展维护作业，实际巡检期间主要依托于运行人员的感官观察来判断设备运行状态的分析，比如油位、压力、猫眼、锈蚀、油迹、异声等，受制于巡检周期及人员素质，容易出现漏检、检查不到位等问题，同时有些设备内部缺陷如特殊部位过热、绝缘损坏难以发现，有些故障如闸刀开闭不合理、机械卡顿等故障无法直观判断，需要通过设备操作来分析问题，因此，变电站实现自动巡检目前已成行业未来趋势。目前电网内智能巡检方案往往局限于一次设备的智能化，尚缺乏涵盖一次、二次设备的整体解决方案。

关键词：变电站；智能巡检；方案思路；综合应用 一、方案思路

鉴于此，本文以江苏地区某220千伏“免巡视、免维护”新型电力系统示范站为例，介绍如何在国家电网新一代变电站体系架构基础上，以开放共享架构为基础，以多元信息融合分析为思路，来搭建全量设备的在线监测与智能运维平台，以适应电力行业生产体系变革，满足无人值班、设备集中监控的业务需求

整个方案，主要包含一次设备的智能化、二次设备在线巡检、智能辅控系统数字化提升、综合应用四个方面，涉及全面感知、辅控数字化提升、数字孪生、智能巡视、二次设备在线运维、智能压板空开、二次回路监测、蓄电池在线监测、端子排接线实物智能监测、保护在线监视与智能诊断、智能门禁、智能灯光等多项建设内容，综合采用物联网低功耗微功率传感器、数字智能化、图像可视化、室内无人机巡检等高新技术。

其中辅控系统数字化提升主要涉及到智能门禁、电子围栏、消防监控等方面，不属于变电站核心设备，就不在本文赘述。下文重点介绍一下一次设备的智能化、二次设备在线巡检及依托智能巡检平台可以实现的高级应用。

二、一次设备的智能化

1方案思路

通过在一次设备上配置前端微功耗和低功率的在线监测传感器以及数字化远传表计，实现对一次设备运行状态数据进行有效的获取,替代传统表计抄录、开箱检查、红外测温、防汛排查、局放检测、避雷器绝缘性能检测等工作，实现一次设备正常工作状态下的免巡视、免维护目标。

2功能模块

2.1变压器全面感知 2.1.1方案简述

变压器作为供电的核心设备，投资大，是变电站的重点保护设备，尽管技术成熟、性能稳定、寿命长、负荷小，但由于供电的间歇特性、所在地域的不同，结构、制造厂家的不同，变压器个体特性和电磁场分布存在较大的差异，绝缘材料的性能和老化程度也表现不同，通过开展变压器绝缘状况的在线监测，积累变压器运行状态监测记录对变压器长期安全、延长变压器的使用寿命有明显作用。变压器综合在线监测系统可以依据其自身功能对变压器早期故障做出正确诊断和预测，使变压器安全、可靠地运行。

2.1.2建设方案

1. 变压器油色谱在线监测装置（有线）

变压器油光谱在线监测是基于光声光谱技术的变压器油中溶解气体在线监测产品，系统能按照设定的周期在线检出变压器油中溶解H2、 CO、 CO2 、 CH4、 C2H2、 C2H4、 C2H6 、微水等全组分气体的含量。并通过专家系统判断是否存在潜伏性故障，是过热性故障还是放电性故障，并按设定的报警值进行声光报警。

1. 变压器铁芯（夹件）电流在线监测装置（有线）

变压器铁芯/铁芯泄露电流监测装置实现了对变压器铁芯、夹件对地泄漏电流的精确、实时测量，实时监测变压器的绝缘状态，反映变压器铁芯、夹件绝缘劣化速率，弥补预防试验变压器铁芯、夹件绝缘电阻测量的不足，为变压器实施状态检修提供依据。每台变压器配置一套铁芯（夹件）电流在线监测装置。

1. 变压器局部放电在线监测装置（有线）

变压器局部放电在线监测系统结合了高频电流法、超声波法、特高频法三种变压器局部放电检测技术，实时监测变压器各种类型和位置的放电信号，分析并形成有效的评估诊断结果，及时对变压器绝缘异常状态和放电性故障做出预警，提高变压器运行的可靠性、安全性和有效性。

系统主要由超高频传感器、超声波传感器、高频电流传感器、在线监测IED和系统软件组成。

1. 变压器声纹在线监测（有线）

常见的电力设备状态监测与故障诊断方法所采用的状态量包括：红外、紫外、电磁、温度、振动等传统手段，通常诊断发现时设备缺陷和故障已经形成，因此诊断存在滞后性。可听噪声伴随电力设备运行产生，声音的幅值、时域波形、频谱特性与其运行电压、电流、机械状态、绝缘状态等密切相关，可及时反映设备运行状态变化。因此，声音监测可与其他状态量监测技术互相补充，构成故障从“萌芽——发展——形成”的全过程、全阶段监测与预警体系，有效提高电力设备的安全稳定运行水平。

采用声音监测的技术优势包括：

(1) 无需接触带电设备，不改变设备运行状态，安装方便； (2) 能够实时跟踪设备运行状态变化，检测灵敏度高；

(3) 补充了现有监测状态量的缺失，增加了声振低频20Hz~20kHz范围内的故障诊断方案。

随着智能运检与数字孪生建设发展，对于状态监测与预警新技术的需求愈加凸显，利用噪声特征（声纹）诊断电力设备故障具有重要意义

2.2GIS全面感知 2.2.1方案简述

GIS作为供电的重要设备，投资大，是变电站的重点保护设备，尽管技术成熟、性能稳定、寿命长、负荷小，但由于供电的间歇特性、所在地域的不同，结构、制造厂家的不同，GIS个体特性和电磁场分布存在较大的差异，绝缘材料的性能和老化程度也表现不同，通过开展GIS绝缘状况的在线监测，积累GIS运行状态监测记录对GIS长期安全、延长GIS的使用寿命有明显作用。

2.2.2建设方案

1. GIS局放在线监测（有线/无线）

气体绝缘开关设备（GIS）以其可靠性高占地面积小等优点在电力系统中得到广泛的应用，但随着GIS设备数量的增多，其对电网稳定运行的影响越来越大。开展GIS局部放电在线检测可以及时发现GIS设备存在的隐患，是保障电网安全运行的重要措施。

功能特点：可以超高频（UHF），超声波（AE）应用构建监测系统，以及两者组合应用以实现更加精准的定位。超高频方法可以有效地发现放电异常，超声波方法可以有效的确定放电位置。

安装位置：在高压开关厂内安装在GIS人孔或手孔处，在厂内进行气密性检测、绝缘耐压检测

可实现功能：实时监测、处理、显示设备内部的局部放电活动；电源相位同步与外同步可选，获取放电相位；局部放电数据自动记录与回放；局部放电信号幅比聚类分离技术与时频聚类分离技术剔除干扰信号，实现多信号波形分离，并判定放电类型；各种二维、三维放电模式谱图显示分析；故障模式专家库开放式管理；局部放电故障模式自动识别与严重程度评估；局部放电历史发展趋势分析与评估；自动生成测试报告；系统故障自检自恢复功能。

1. SF6微水密度远传（有线/无线）

实时显示当前设备的温度、湿度、压力、密度、露点值；支持数据实时远传，监测数据自动存储，每周输出报表，提高检修人员工作效率；自动绘制设备内密度值变化趋势图，设备故障提前预警；具备自动校准及补偿功能；定制绝缘子烧结件技术，避免了+40℃以上和-15℃以下漏气的不足。

1. 断路器机械特性在线监测系统（有线/无线）

实时监测分(合)闸线圈电流、动触头行程、振动信号、断路器开断电流、开断次数。并以此判断断路器电气寿命

1. 避雷器泄漏电流监测在线监测（有线/无线）

避雷器泄漏电流在线监测通过传感器对避雷器运行参数进行实时监测，并通过无线等通信方式传至后台监控系统并进行数据分析处理，可实现根据分析结果来判断避雷器内部缺陷及故障，可有效的帮助运维人员及时发现设备隐患并维护保修，避免避雷器故障引起的电力停电等事故的发生，对提高避雷器的可靠运行有着重要作用。

2.3其他全面感知

根据一线运检需求为出发点，借助物联网技术，配置无线温湿度传感器、电

缆无线测温传感器、无线箱体除湿器、水浸传感器等各类变电设备状态感知传感器，数

据通信网络符合国网《输变电设备物联网建设方案》的总体要求，感知数据应通过汇聚节点在各个室内进行汇聚，再发送至接入节点，接入节点具有边缘计算功能，可以对设备状态数据进行就地计算并将结果发送至电力设备物联网管理平台及站内Ⅳ区全景监视运维服务器。

三、二次设备免维护免巡视建设 1方案思路

在新一代变电站体系架构基础上，以开放共享架构为基础，以多元信息融合分析为思路，搭建二次系统在线监测与智能运维平台，实现变电站多厂家、多类型二次设备统一运维管控；采用自动化+信息化融合的思路构建系统，实现二次设备标准化接入与数据汇集，基于各类APP应用，实现各种远程运维功能、区域协同管理和边缘智能应用。

以构建二次系统SCADA为思路，实现全网变电站二次系统全景在线监视、远程智能运维与管控为目标，构建面向设备业务、面向管理业务及面向电网智能应用业务的3大板块，囊括二次设备全面感知、通信网络智能感知、二次设备在线

运维、设备管理、作业管理、二次设备智能预警、四遥智能诊断等众多业务功能，利用站控系统算力资源，加强站端数据完成设备状态监测和综合分析。

2功能模块

2.1二次设备全面感知

采用先进的传感技术对变电站状态量、电气量进行实时采集，集成变电站全面运行信息，实现智慧变电站设备本体及变电站运行环境的深度感知。

二次设备全面感知主要包含二次设备状态感知、空开压板智能感知、二次回路数字化感知、通信网络智能感知四个部分。为全面监控、智能联动及风险预警等智能应用提供全面的基础数据来源，基于感知数据，支持在虚拟空间中完成对设备的映射和建模，提升变电站状态感知的及时性、主动性和准确性。

2.2二次设备状态感知

部署于安全Ⅰ区智能运维网关机，采集站内测控、保护装置温度、工作电压、通信状态、光口功率、CPU占有率、时间同步状态、软压板状态、装置自检信号、装置内部私有的软件诊断信息等；加装监视模块或温度、噪声传感器，采集服务器、网关机、保信、故录等无法自发装置硬件状态信息的设备状态信息。实现站内二次设备的实时状态采集，感知设备运行的硬件状态、自检状态等，为数字孪生、二次设备智能巡检、二次设备在线运维、主设备保护度智能诊断等提供数据基础。

2.3空开压板智能感知

站内二次压板空开智能感知系统基于国家电网公司《变电站硬压板在线监测技术规范》开发。二次压板采用通讯+直采结合的方式进行采集，其中软压板的状态主要通过与监控系统通信的方式获取；硬压板、空开采用非电量检测技术，在完全不影响保护功能、出口回路的情况下，实现二次压板的投入/退出状态采集和实时监视，当压板状态发生变化时产生事件并记录入数据库。全站全量压板、空开数据做到实时位置采集，为智能巡检、保护诊断等功能提供数据基础。

2.4二次回路数字化感知

在传统电缆、光缆标识标牌的基础上，采用先进的数字编码技术、超高频感应技术等手段，基于全站二次电缆回路三维数字化建模技术、二维码/RFID二合一智能标签技术、二次电缆回路图形可视化技术，实现通过移动作业终端扫描或感应二维码智能标签，获取电缆回路及传输数据信息，并快速定位目标电缆的三维可视化界面，同时，通过提供基于数字化成果的智能运维扩展应用，如基于智能标签的线缆快速查询、故障信号搜索定位、数字化比对等，有效提升二次电缆回路调试、检修和改扩建作业分析效率。生成SPCD文件，为数字孪生、智能巡检等高级应用提供数据基础。

2.5二次设备智能巡视

二次系统全面巡视包括设备巡视、远动点表在线核对、全站与装置模型校核、参数与定值在线校核等功能，通过全面巡视确保二次设备工况正常，保证设备本体、全站与装置模型、全站与测控联闭锁逻辑的同源性和一致性，防止装置异常或人为失误造成装置、模型、联闭锁逻辑异常，给变电站运行形成安全隐患。

2.6蓄电池智能监测系统

蓄电池智能监测系统在原功能单一，只具备电压、电流采集功能基础上增加了在线监测电池运行状态、动态内阻测试、开路电池诊断、蓄电池健康状态诊断、蓄电池核电能力诊断的目标；同时通过对落后电池的均衡维护提高整组电池的电压一致性，延长蓄电池组的放电时间及使用寿命。

新上一面蓄电池在线监测系统屏，蓄电池监测主机、蓄电池组端电压监控模块、蓄电池远程放电模块、蓄电池远程放电控制盒安装在该屏内。

四、综合应用

1数字孪生与全景分析

在变电站设备状态全面感知的基础上，借助可视化、全景化、智能化技术，将“物理变电站”和“虚拟变电站”融合，以数字孪生的方式进行增值赋能，实

现变电站三维全息场景的全景监视、运检监控人机智慧协同、故障隐患及缺陷主动识别等功能。

对接主设备监视系统数据、二次设备数据、辅助设备监控系统数据、消防系统数据、物联网传感数据以及人员定位等全量数据，按照区域、设备和部件分类整合，通过设备RFID与数字孪生模型进行关联绑定，实现多系统数据的统一集中呈现，同时基于异常告警信号可快速触发孪生设备的告警提示、摄像机（机器人）视野自动聚焦以及历史监视监控数据、巡视数据的联动呈现，减少运维人员多屏监盘的时间成本，提升远程监控与异常告警处置质效。

2全景智能巡检

在变电站端完善站内全面感知手段，整合室内外巡检机器人、高清视频、红外热成像测温、各类子系统，由全景监视运维平台下发控制、巡检任务等指令，开展室内外设备在线智能巡视作业，对采集的数据进行智能分析，形成巡检结果和巡检报告，及时发送告警，上送集控站巡检平台。同时具备实时监控、与主辅监控系统智能联动等功能。

五、方案特点

1. 统一规划，整体设计。

在设计阶段落实整体方案，对于设备选型、采购等可以做到一步到位，避免重复建设，有效降低整体投资；一次设备采用预制式一体化设计，设备内部传感器等出厂前完成安装调试，优化安装结构，保证一次设备运行的可靠性及安全性；设计整体考虑传感器、摄像头等设备布置，优化屏柜布置、线缆敷设方案。

1. 平台通用，可复制易推广。

该方案实现于一般智能变电站，高级应用不需依托新一代自主可控变电站架构亦可实现，推广性强；软件平台容器化，各类功能通过APP部署，减少一二次设备硬件数量，高级应用的适用性强、扩展性高，也便于在不增加硬件设备的情况下扩充高级功能；打通各个子系统之间的信息壁垒，有效综合利用全景数据，系统联动，实现全站级在线监测、运维、管理。

1. 全面利用全景数据，智能分析，远端运维。

有效整合站内庞大的全量设备信息，将整站数字化，全量数据可在集控站和中心运维平台调取，实现变电站内全量设备的远端监视；全量数据进行分析处理后通过上传告警、巡视报告、事件消息等方式将站内设备状态、运行情况、人员状态等上传至集控和中心，真正实现站端无人化；通过视屏、无人机联动设备状态信息等技术手段，实现站内全量设备的智能巡视功能，极大地减轻运检人员巡视工作量；部署各种智能运维应用，在日常运行、维护、检修等场景中，实现数字化采集替代人工确认，远端维护替代站内作业等功能，实现二次设备在线运维。

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