基于SpringBoot的智慧变电站监测及诊断系统

雷 蓓 查笑春 蒋宗敏 张豪俊 张 咪

基于SpringBoot的智慧变电站监测及诊断系统

雷 蓓 查笑春 蒋宗敏 张豪俊 张 咪

（西安西电开关电气有限公司，西安 710077）

本文通过研究智慧变电站主设备对智能感知、状态监测、数字化通信等智能化技术的需求，分别从智慧变电站中高压开关设备、变压器、中压开关柜等主设备感知及控制的技术原理、实现方式、诊断算法等方面分析，基于SpringBoot架构，开发出一套易于部署的智慧变电站监测及诊断系统。

智慧变电站；状态监测；诊断算法；SpringBoot

0 引言

变电站担负着电能转换和电能重新分配的任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。2019年，国家电网公司做出全面推进“三型两网”建设，加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署，南方电网公司也正式提出建设“数字南网”的要求，电网公司大力发展电力物联网，而建设智慧变电站是电网实现电力物联的重要一环[1]。智慧变电站即实现变电站的智能化、数字化，可提升站内主设备的运行状态监测与故障诊断能力，能够大大提高变电站的安全性和可靠性，为站内主设备的安全运行提供保障，提升变电站系统效率，减少非计划停电时间，对提高电网运行效率具有重要意义。

近年来，我国将发展智慧变电站作为电力发展的重要方向，国内各企业也对变电站智能化设备开展了研究工作，相继开发了高压开关状态监测系统、变压器在线监测系统、中压开关在线监测系统等产品。但是，现有的变电站在线监测往往是按照监测对象的不同各自独立成系统，并且监测数据存储在不同的数据库中，无法对各个变电设备的状态进行统筹分析，其潜在的价值难以得到充分利用，不能为电网管理提供有效的决策支持；同时，要对站内设备的海量数据进行分析，传统的分析手段难以满足需求，需要研发具有针对性的状态监测和诊断系统。随着各种监测方法的应用，监测数据的类型呈多样化，从台账信息和在线监测数值等结构化数据，到状态信息图像和视频等非结构化数据，这些监测数据逐步构成变电站一次设备状态监测大数据，使得数据存储与分析都面临着较大的挑战。

当前变电站中高压开关、变压器、中压开关柜等主设备均由不同厂家提供，各厂家主要针对各自的产品开发在线监测及诊断系统。这造成各系统独立运行，从一次线缆布线的复杂程度、各设备通信协议的不统一，到后台布置多个监控屏的经济性方面分析，都不是最优方案，造成了人力、物力、财力的大量浪费。所以需要开发一个可以同时监测变电站各主设备、包括环境在内的系统性的监测及诊断软件，整合主设备上安装传感器的电力线缆、监测控制柜、后台监测屏，可大大简化变电站整站的安装人员和工序，缩短工程施工周期，减少设备投入，从环保性和经济性方面考虑都具有长远的社会 价值。

本文分别从智慧变电站主设备智能化技术、系统组网通信协议、智慧变电站状态检修评价标准、故障诊断专家知识库及算法、基于SpringBoot架构整站监测及诊断系统开发五方面对开发变电站智慧化监测系统的关键技术进行研究。

1 智慧变电站主设备智能化技术

智慧变电站内主设备包括高压开关设备、变压器、中压开关柜、电容器组、避雷器等。变电站主设备的在线监测内容如图1所示。

图1 变电站主设备在线监测内容

通过研究变电站高压开关、变压器、中压开关、电容器组、避雷器等各主设备监测系统及变电站环境监测系统的信号传输方式、通信方式、抗干扰方法等内容，明确了各监测系统适用的装置设备和模拟量、开关量、电气参数、温度等具体监测数据的采集方法，形成了一体化解决方案[2]。

2 系统组网通信协议

研究基于IEC 61850通信网络与系统的智慧变电站测量、监测、控制等的信息建模和通信服务[3]。按照标准，结合变电站各主设备的实际所需监测项目，建立基于IEC 61850的智慧变电站数据库表，具体定义了气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）、变压器、电容器、独立式避雷器、套管、独立互感器、电力电缆、抽水蓄能机组成套开关设备、气体绝缘刚性母线和录波文件等，分类别建立了数据库表。智慧变电站监测系统数据库建模分类如图2所示。图2（a）主要列举了智慧变电站包含的主要设备，例如GIS等。图2（b）详细列举了智慧变电站中主设备气体绝缘金属封闭开关设备需要监测的元件和参量，例如断路器特性监测，其中断路器属于元件，气体监测中气体属于参量。图2（c）详细列举了智慧变电站中主设备变压器需要监测的主要元件和参量，例如分合分流电路开关监测，分合分流电路开关属于元件，温度监测中温度属于参量。图2（d）详细列举了智慧变电站中主设备抽水蓄能机组成套开关设备需要监测的主要元件和参量，例如发电机断路器特性监测，发电机断路器属于元件，特性属于参量。图2（e）详细列举了智慧变电站中主设备气体绝缘刚性母线需要监测的主要元件和参量，例如母线形变监测，母线属于元件，形变属于参量。各图中的气体监测指SF6监测，其他替代气体尚不成熟。

以气体绝缘金属封闭开关设备的断路器特性监测为例，按照字段名称、类型、字段说明和备注进行列表，梳理某变电站某间隔中断路器所需要监测的全部关键信息见表1[4]。

表1 断路器监测数据库表

根据数据库表1，研究IEC 61850协议接口及使用方式、IEC 61850通信服务模式及数据模型建模方法，开发基于嵌入式ARM平台的高压开关在线监测装置、局部放电在线监测装置等各个功能的在线监测装置端通信程序和基于PC平台Windows/ Linux的智慧变电站在线监测系统、发电机断路器在线监测系统等不同用户需求的后台软件通信程序，最终通过IEC 61850协议一致性测试，即可在变电站后台系统部署应用[5-7]。

3 智慧变电站状态检修评价

对智慧变电站主设备进行在线监测，当某些监测值超过设置的标准阈值后，监测系统会触发报警装置，变电站运维工作人员可参照智慧变电站状态检修评价标准对不同报警内容进行分类检修，保证变电站的正常运行。

针对变电站各主设备，整理适用于智慧变电站监测系统的状态检修评价标准，如图3所示。评价准则主要依据电力行业的标准。

图3 智慧变电站主设备状态检修评价标准

各主设备状态量评价表主要从采集方式、状态量、劣化程度、基本扣分、判断依据、影响因子、劣化情况、检修内容和类别等分情况列举，并形成变电站主设备状态量评价导则，指导运维工作人员按类别查找问题，并按照检修内容和类别进行检修，做到合理检修、有据可依，使变电站的运维检修高效、规范[8]。

4 数据分析及状态评估

不同的系统，其监测对象、监测内容不同，并在各自领域内形成了不同的专业分析工具，用于对数据进行深入分析。本文分类别研究了专业分析诊断工具，以帮助分析各个子系统数据，进而评估变电站主设备的运行状况。

断路器机械特性的测量对象是行程曲线，行程曲线能很好地体现其内部机械装置的好坏，是体现开关开断能力的重要参考指标。针对机械特性的分析采用包络线法，具体的分析如下：①确定基准行程曲线；②建立断路器机械特性实时监测的判定依据；③断路器机械特性的实时监测；④断路器机械特性实时监测数据的预警处理。

断路器的电寿命是指断路器灭弧室的耐电烧蚀能力。断路器带负荷开合时，在电弧的高温作用下，触头可能产生变形，触头的表面发生烧蚀，喷口的喉道直径因烧蚀变大，达到一定程度时，断路器的灭弧室需要进行特别检修。对于全新的40.5kV及以上电压等级的高压交流六氟化硫断路器，运行时的电寿命按式（1）计算。式（1）中的参数根据产品技术规范的要求在表1中选取。

式中：m为机械寿命的操作次数；s为实际开断电流（kA）；2为开断电流为500A时的允许开断次数；r为额定电流（4kA）；r为额定电流的允许开断次数；sn为额定短路开断电流（kA）；sn为额定短路开断电流允许开断次数；1为额定电流与小于0.35sn曲线之间使之平滑过渡一短路电流值（kA）；1为电流为1时对应的开断次数。对断路器寿命的监测除按式（1）要求外，当=0时要发出断路器电寿命终止信息。

图4 SF6气室压力状态预测

开关触头位置状态的识别算法结构如图5所示。对开关触头位置监测问题进行分析后，根据采集样本的情况，首先将问题转换为二分类问题，分类目标为两种状态：分闸、合闸。在此基础上，结合图像识别算法，最终确定状态是否为合闸到位。

图5 开关触头位置状态的识别算法结构

该算法分为四部分，分别是数据准备、模型训练与优化、模型初步识别及综合识别[9]。

设备的综合评价建立在分立特性的状态检测和评估基础之上，将影响设备质量状况的主要因素作为评价指标，得出分立特性的状态评估结果，结合其他必要信息，可以得出设备的综合评价模型如图6所示[10]。

5 基于SpringBoot平台架构的智慧变电站监测及诊断系统

通过研究以往开发的变电站监测类功能应用软件的特点发现，大部分是单体式应用程序，开发完成后如果要单独移植其中某个监测模块，在技术上难以实现，各个服务功能模块有很强的耦合性，相互依赖，难以扩容和拆分，复用率很低，而且测试和升级负载过高，升级任何一个服务都需要整包发布。

图6 综合评价模型

相对于传统的单体式应用程序，微服务是由单一应用程序构成的小服务，根据业务功能设计，各服务可以用不同的编程语言与数据库实现，与其他服务使用HTTP应用程序接口（application pro- grammable interface, API）通信，拥有自己的行程和轻量化处理，提交后全自动部署。

当某一个应用程序开发完成后，新项目开发可根据需求在既有的应用程序上进行某一服务的修改、升级或增加新服务，工作量和升级负载大大减小。

SpringBoot是一种简化Spring应用开发的全新微服务框架，通过建立底层的管理框架，可以简化应用程序的搭建和开发，并且减少配置文件，通过集成大量常用的第三方库的配置[11]，任何服务程序开发完成后可直接提交，自动打包并部署，几乎可以实现零配置，可轻松实现服务的弹性使用。

在进行“微服务”系统开发之前，开发人员大多使用传统系统进行设计开发，系统开发完成后，代码的模块化程度低，删减或增加模块对代码整体的改动很大，而且当采集和传输数据量很大时，传输效率变低，只能使用同一种语言、同一种逻辑进行开发。而采用微服务框架进行系统开发时，不同服务可同时开发，编程语言和逻辑可以不同，只需进行接口对接即可相互配合使用，代码修改或模块增减可只变动该模块的代码，采集或传输的数据可通过负载均衡提高传输效率，不会影响传输速度，从开发的效率和系统的使用方面都有很大的改善和提升，因此选择采用微服务框架进行新系统的开发。

智慧变电站监测及诊断系统基于Spring Boot框架进行开发，通过更简化的编码、配置、部署、监控，开发出每一个功能元素都可独立替换和独立升级的最新架构的应用程序，并且该程序引入了负载均衡的服务模块，使该程序在总监测平台运行时，即使接入的变电站数量和通信数据达到高峰期也可以使用负载均衡机制轻松实现数据的正常发送和接收，避免服务器瘫痪的可能，Spring Boot框架如图7所示。

该系统针对变电站用户的痛点问题，解决SF6气体泄漏、内部放电故障、机械故障、触头分/合闸不到位、故障识别缺乏大数据分析、整站状态无法远程监控、巡检人工时间成本高等难点，开发整站智慧变电站监测系统，量身打造监测及大数据诊断平台服务，提高了变电站的数字化、智能化监控 水平。

智慧变电站监测及诊断系统的所有采集模块都包含数据采集、历史数据展示、趋势分析、数据预处理、监测配置等基本功能。智慧变电站监测系统登录界面如图8所示。

在线监测数据包括高压开关或变压器等一次设备的SF6气体状态监测、机械特性状态监测、电寿命状态监测、局部放电状态监测、触头测温状态监测、油色谱状态监测等数据，通过人机互动界面按照元件级查看各监测界面的实时数据，应用软件监测界面如图9所示[12]。

图7 Spring Boot框架

图8 智慧变电站监测系统登录界面

该系统具备整站设备状态监测功能，特征量超限报警功能，一键评估、机械特性AI诊断等功能，依据国标分模块进行数据分析，生成评估报告；同时具备工程间隔接入、设备全景监测、变电站准确定位、历史数据查询等个性化功能。

6 结论

本文通过研究变电站各主设备的状态感知原理及工程实现方式，基于IEC 61850通信协议建立了主设备数据库表，对不同监测结果规定了检修原则，根据不同监测内容设计了对应的诊断算法，并使用了高效的Spring Boot架构开发了智慧变电站监测及诊断系统，可实现用户后台一站式管理，实时查看各设备监测状态，迅速预知报警信息，一键查看诊断结果，按照检修标准分级处理，重点分析，真正实现智慧变电站智能监测、智能运检，提升了变电站的数字化、智能化水平。

该系统已在青海省某新能源基地2 500MW光伏项目配套建设的汇集站成功应用，目前运行状态良好，各主设备在线监测功能正常，但是系统中的专家诊断功能还需更多的数据支撑，这需要变电站通过长期的运行积累数据和判断经验，为后期的变电站应用提供技术、数据基础和运行经验。

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A smart substation monitoring and diagnosis system based on SpringBoot

LEI Bei ZHA Xiaochun JIANG Zongmin ZHANG Haojun ZHANG Mi

(Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077)

By studying the requirements of intelligent technologies such as intelligent perception, status monitoring and digital communication of the smart substation main equipment, the technical principle, realization mode and diagnostic algorithm of perception and control of high voltage switchgear, transformer and medium voltage switchgear in smart substations are analyzed in this paper respectively. Based on the SpringBoot architecture, a smart substation monitoring and diagnosis system is developed, which is easy to deploy.

smart substation; condition monitoring; diagnosis algorithm; SpringBoot

2021-02-23

2021-04-14

雷 蓓（1985—），女，陕西省西安市人，硕士，主要从事高压开关的传感器、智能装置、监测与诊断系统的研究工作。