變電站擔負著電能轉換和電能重新分配的任務，對電網的安全和經濟運行起著舉足輕重的作用。2019年，國家電網公司做出全面推進“三型兩網”建設，加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的戰略部署，南方電網公司也正式提出建設“數字南網”的要求，電網公司大力發展電力物聯網，而建設智慧變電站是電網實現電力物聯的重要一環。

智慧變電站即實現變電站的智能化、數字化，可提升站內主設備的運行狀態監測與故障診斷能力，能夠大大提高變電站的安全性和可靠性，為站內主設備的安全運行提供保障，提升變電站系統效率，減少非計劃停電時間，對提高電網運行效率具有重要意義。

近年來，我國將發展智慧變電站作為電力發展的重要方向，國內各企業也對變電站智能化設備開展了研究工作，相繼開發了高壓開關狀態監測系統、變壓器在線監測系統、中壓開關在線監測系統等產品。但是，現有的變電站在線監測往往是按照監測對象的不同各自獨立成系統，并且監測數據存儲在不同的數據庫中，無法對各個變電設備的狀態進行統籌分析，其潛在的價值難以得到充分利用，不能為電網管理提供有效的決策支持；同時，要對站內設備的海量數據進行分析，傳統的分析手段難以滿足需求，需要研發具有針對性的狀態監測和診斷系統。

隨著各種監測方法的應用，監測數據的類型呈多樣化，從臺賬信息和在線監測數值等結構化數據，到狀態信息圖像和視頻等非結構化數據，這些監測數據逐步構成變電站一次設備狀態監測大數據，使得數據存儲與分析都面臨著較大的挑戰。

當前變電站中高壓開關、變壓器、中壓開關柜等主設備均由不同廠家提供，各廠家主要針對各自的產品開發在線監測及診斷系統。這造成各系統獨立運行，從一次線纜布線的復雜程度、各設備通信協議的不統一，到后臺布置多個監控屏的經濟性方面分析，都不是最優方案，造成了人力、物力、財力的大量浪費。所以需要開發一個可以同時監測變電站各主設備、包括環境在內的系統性的監測及診斷軟件，整合主設備上安裝傳感器的電力線纜、監測控制柜、后臺監測屏，可大大簡化變電站整站的安裝人員和工序，縮短工程施工周期，減少設備投入，從環保性和經濟性方面考慮都具有長遠的社會價值。

本文分別從智慧變電站主設備智能化技術、系統組網通信協議、智慧變電站狀態檢修評價標準、故障診斷專家知識庫及算法、基于SpringBoot架構整站監測及診斷系統開發五方面對開發變電站智慧化監測系統的關鍵技術進行研究。

1 智慧變電站主設備智能化技術

智慧變電站內主設備包括高壓開關設備、變壓器、中壓開關柜、電容器組、避雷器等。變電站主設備的在線監測內容如圖1所示。

圖1 變電站主設備在線監測內容

通過研究變電站高壓開關、變壓器、中壓開關、電容器組、避雷器等各主設備監測系統及變電站環境監測系統的信號傳輸方式、通信方式、抗干擾方法等內容，明確了各監測系統適用的裝置設備和模擬量、開關量、電氣參數、溫度等具體監測數據的采集方法，形成了一體化解決方案。

2 系統組網通信協議

研究基于IEC 61850通信網絡與系統的智慧變電站測量、監測、控制等的信息建模和通信服務。按照標準，結合變電站各主設備的實際所需監測項目，建立基于IEC 61850的智慧變電站數據庫表，具體定義了氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）、變壓器、電容器、獨立式避雷器、套管、獨立互感器、電力電纜、抽水蓄能機組成套開關設備、氣體絕緣剛性母線和錄波文件等，分類別建立了數據庫表。智慧變電站監測系統數據庫建模分類如圖2所示。

圖2（a）主要列舉了智慧變電站包含的主要設備，例如GIS等。圖2（b）詳細列舉了智慧變電站中主設備氣體絕緣金屬封閉開關設備需要監測的元件和參量，例如斷路器特性監測，其中斷路器屬于元件，氣體監測中氣體屬于參量。圖2（c）詳細列舉了智慧變電站中主設備變壓器需要監測的主要元件和參量，例如分合分流電路開關監測，分合分流電路開關屬于元件，溫度監測中溫度屬于參量。

圖2（d）詳細列舉了智慧變電站中主設備抽水蓄能機組成套開關設備需要監測的主要元件和參量，例如發電機斷路器特性監測，發電機斷路器屬于元件，特性屬于參量。圖2（e）詳細列舉了智慧變電站中主設備氣體絕緣剛性母線需要監測的主要元件和參量，例如母線形變監測，母線屬于元件，形變屬于參量。

各圖中的氣體監測指SF6監測，其他替代氣體尚不成熟。

圖2（a）智慧變電站監測數據庫建模設備

圖2（b）氣體絕緣金屬封閉開關設備監測數據庫類

圖2（c）變壓器監測數據庫類

圖2（d）抽水蓄能機組成套開關設備監測數據庫類

圖2（e）氣體絕緣剛性母線監測數據庫類

以氣體絕緣金屬封閉開關設備的斷路器特性監測為例，按照字段名稱、類型、字段說明和備注進行列表，梳理某變電站某間隔中斷路器所需要監測的全部關鍵信息見表1。

表1 斷路器監測數據庫表

根據數據庫表1，研究IEC 61850協議接口及使用方式、IEC 61850通信服務模式及數據模型建模方法，開發基于嵌入式ARM平臺的高壓開關在線監測裝置、局部放電在線監測裝置等各個功能的在線監測裝置端通信程序和基于PC平臺Windows/ Linux的智慧變電站在線監測系統、發電機斷路器在線監測系統等不同用戶需求的后臺軟件通信程序，最終通過IEC 61850協議一致性測試，即可在變電站后臺系統部署應用。

3 智慧變電站狀態檢修評價

對智慧變電站主設備進行在線監測，當某些監測值超過設置的標準閾值后，監測系統會觸發報警裝置，變電站運維工作人員可參照智慧變電站狀態檢修評價標準對不同報警內容進行分類檢修，保證變電站的正常運行。

針對變電站各主設備，整理適用于智慧變電站監測系統的狀態檢修評價標準，如圖3所示。評價準則主要依據電力行業的標準。

圖3 智慧變電站主設備狀態檢修評價標準

各主設備狀態量評價表主要從采集方式、狀態量、劣化程度、基本扣分、判斷依據、影響因子、劣化情況、檢修內容和類別等分情況列舉，并形成變電站主設備狀態量評價導則，指導運維工作人員按類別查找問題，并按照檢修內容和類別進行檢修，做到合理檢修、有據可依，使變電站的運維檢修高效、規范。

4 數據分析及狀態評估

不同的系統，其監測對象、監測內容不同，并在各自領域內形成了不同的專業分析工具，用于對數據進行深入分析。本文分類別研究了專業分析診斷工具，以幫助分析各個子系統數據，進而評估變電站主設備的運行狀況。

斷路器機械特性的測量對象是行程曲線，行程曲線能很好地體現其內部機械裝置的好壞，是體現開關開斷能力的重要參考指標。針對機械特性的分析采用包絡線法，具體的分析如下：①確定基準行程曲線；②建立斷路器機械特性實時監測的判定依據；③斷路器機械特性的實時監測；④斷路器機械特性實時監測數據的預警處理。

斷路器的電壽命是指斷路器滅弧室的耐電燒蝕能力。斷路器帶負荷開合時，在電弧的高溫作用下，觸頭可能產生變形，觸頭的表面發生燒蝕，噴口的喉道直徑因燒蝕變大，達到一定程度時，斷路器的滅弧室需要進行特別檢修。對于全新的40.5kV及以上電壓等級的高壓交流六氟化硫斷路器，運行時的電壽命按式（1）計算。式（1）中的參數根據產品技術規范的要求在表1中選取。

圖4 SF6氣室壓力狀態預測

開關觸頭位置狀態的識別算法結構如圖5所示。對開關觸頭位置監測問題進行分析后，根據采集樣本的情況，首先將問題轉換為二分類問題，分類目標為兩種狀態：分閘、合閘。在此基礎上，結合圖像識別算法，最終確定狀態是否為合閘到位。

圖5 開關觸頭位置狀態的識別算法結構

該算法分為四部分，分別是數據準備、模型訓練與優化、模型初步識別及綜合識別。設備的綜合評價建立在分立特性的狀態檢測和評估基礎之上，將影響設備質量狀況的主要因素作為評價指標，得出分立特性的狀態評估結果，結合其他必要信息，可以得出設備的綜合評價模型如圖6所示。

5 基于SpringBoot平臺架構的智慧變電站監測及診斷系統

通過研究以往開發的變電站監測類功能應用軟件的特點發現，大部分是單體式應用程序，開發完成后如果要單獨移植其中某個監測模塊，在技術上難以實現，各個服務功能模塊有很強的耦合性，相互依賴，難以擴容和拆分，復用率很低，而且測試和升級負載過高，升級任何一個服務都需要整包發布。

圖6 綜合評價模型

相對于傳統的單體式應用程序，微服務是由單一應用程序構成的小服務，根據業務功能設計，各服務可以用不同的編程語言與數據庫實現，與其他服務使用HTTP應用程序接口（application pro- grammable interface, API）通信，擁有自己的行程和輕量化處理，提交后全自動部署。

當某一個應用程序開發完成后，新項目開發可根據需求在既有的應用程序上進行某一服務的修改、升級或增加新服務，工作量和升級負載大大減小。

SpringBoot是一種簡化Spring應用開發的全新微服務框架，通過建立底層的管理框架，可以簡化應用程序的搭建和開發，并且減少配置文件，通過集成大量常用的第三方庫的配置，任何服務程序開發完成后可直接提交，自動打包并部署，幾乎可以實現零配置，可輕松實現服務的彈性使用。

在進行“微服務”系統開發之前，開發人員大多使用傳統系統進行設計開發，系統開發完成后，代碼的模塊化程度低，刪減或增加模塊對代碼整體的改動很大，而且當采集和傳輸數據量很大時，傳輸效率變低，只能使用同一種語言、同一種邏輯進行開發。

而采用微服務框架進行系統開發時，不同服務可同時開發，編程語言和邏輯可以不同，只需進行接口對接即可相互配合使用，代碼修改或模塊增減可只變動該模塊的代碼，采集或傳輸的數據可通過負載均衡提高傳輸效率，不會影響傳輸速度，從開發的效率和系統的使用方面都有很大的改善和提升，因此選擇采用微服務框架進行新系統的開發。

智慧變電站監測及診斷系統基于Spring Boot框架進行開發，通過更簡化的編碼、配置、部署、監控，開發出每一個功能元素都可獨立替換和獨立升級的最新架構的應用程序，并且該程序引入了負載均衡的服務模塊，使該程序在總監測平臺運行時，即使接入的變電站數量和通信數據達到高峰期也可以使用負載均衡機制輕松實現數據的正常發送和接收，避免服務器癱瘓的可能，Spring Boot框架如圖7所示。

該系統針對變電站用戶的痛點問題，解決SF6氣體泄漏、內部放電故障、機械故障、觸頭分/合閘不到位、故障識別缺乏大數據分析、整站狀態無法遠程監控、巡檢人工時間成本高等難點，開發整站智慧變電站監測系統，量身打造監測及大數據診斷平臺服務，提高了變電站的數字化、智能化監控水平。

智慧變電站監測及診斷系統的所有采集模塊都包含數據采集、歷史數據展示、趨勢分析、數據預處理、監測配置等基本功能。智慧變電站監測系統登錄界面如圖8所示。

在線監測數據包括高壓開關或變壓器等一次設備的SF6氣體狀態監測、機械特性狀態監測、電壽命狀態監測、局部放電狀態監測、觸頭測溫狀態監測、油色譜狀態監測等數據，通過人機互動界面按照元件級查看各監測界面的實時數據，應用軟件監測界面如圖9所示。

圖7 Spring Boot框架

圖8 智慧變電站監測系統登錄界面

該系統具備整站設備狀態監測功能，特征量超限報警功能，一鍵評估、機械特性AI診斷等功能，依據國標分模塊進行數據分析，生成評估報告；同時具備工程間隔接入、設備全景監測、變電站準確定位、歷史數據查詢等個性化功能。

圖9（a）應用軟件監測界面—SF6氣體狀態監測

圖9（b）應用軟件監測界面—機械特性狀態監測

圖9（c）應用軟件監測界面—電壽命狀態監測

圖9（d）應用軟件監測界面—局部放電狀態監測

圖9（e）應用軟件監測界面—觸頭測溫狀態監測

圖9（f）應用軟件監測界面—油色譜狀態監測

6 結論

本文通過研究變電站各主設備的狀態感知原理及工程實現方式，基于IEC 61850通信協議建立了主設備數據庫表，對不同監測結果規定了檢修原則，根據不同監測內容設計了對應的診斷算法，并使用了高效的Spring Boot架構開發了智慧變電站監測及診斷系統，可實現用戶后臺一站式管理，實時查看各設備監測狀態，迅速預知報警信息，一鍵查看診斷結果，按照檢修標準分級處理，重點分析，真正實現智慧變電站智能監測、智能運檢，提升了變電站的數字化、智能化水平。

該系統已在青海省某新能源基地2500MW光伏項目配套建設的匯集站成功應用，目前運行狀態良好，各主設備在線監測功能正常，但是系統中的專家診斷功能還需更多的數據支撐，這需要變電站通過長期的運行積累數據和判斷經驗，為后期的變電站應用提供技術、數據基礎和運行經驗。

本文編自2021年第9期《電氣技術》，論文標題為“基于SpringBoot的智慧變電站監測及診斷系統”，作者為雷蓓、查笑春 等。