基于大数据平台的红外专家系统在智能变电设备中的诊断

DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2019.02.011收稿日期：2018-09-17作者简介：赵柏翔（1995-），男，辽宁营口人，硕士研究生。

通讯作者：关焕新（1962-），男，辽宁沈阳人，教授，硕士生导师，博士，主要从事神经网络、智能控制方面的研究。

基于大数据平台的红外专家系统在智能变电设备中的诊断赵柏翔a ，关焕新b ，吴迪a ，杨柏a（沈阳工程学院 a.研究生部；b.新能源学院，辽宁沈阳110136）摘要：首次提出在智能变电设备中建立以大数据平台为基础的红外测温专家系统用于故障检测与诊断，收集变电设备中元件的温度数据，将其与包括图像、运行状态、历史数据的数据库作对比，收集并整合为专家知识，开发出一种能够用于智能变电设备故障诊断的红外专家系统数据平台。

与传统测温装置监测故障方法对比得到大数据平台网络系统能够快速准确地判断出故障发生位置与故障类型的结论。

关键词：红外专家系统；智能变电设备；大数据平台；故障检测中图分类号：TM421文献标识码：A文章编号：1673-1603（2019）02-0149-07第15卷第2期2019年4月Vol.15No.2Apr.2019沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）随着中国经济的发展，国内电网规模不断扩大，智能变电设备作为一种新兴的高科技变电设备，从2009年开始得到大规模发展。

由于智能变电设备在企业投资中占比极高，也是电力系统最昂贵和关键的部分之一，其安全稳定运行的重要性不言而喻。

本文借鉴了红外测温装置在变压器故障诊断中的应用。

红外测温作为一种广泛使用的温度测量方法，其在特殊情况下能够对温度进行准确测量，而且红外测温可以充分利用智能变电设备自动化程度高，工作环境适宜的优点，依靠基于平台多红外装置的联动技术［1-2］，建立以设备内大数据平台为核心的，能够实现故障预警、监控、分析，甚至自我修复的红外专家系统。

该系统与传统变电设备相比，由于加入大数据平台分析，极大地提高了智能变电设备的故障识别率，监测速度也明显加快。

因此，具有很高的理论应用价值和监测应用价值［3］。

1红外专家系统原理结构与应用温度监测是电力设备最主要的检测手段之一，与电压检测和电流检测相辅相成。

温度的变化往往代表设备的运行情况，温度的突然升高或降低一般表示设备发生了故障，利用红外温差比较法评定温度故障情况，根据设备可以承受的最大温度为依据进行判定，比较适合在电流致热型设备中使用［4］。

比较法红外温差定义为δ=T 2-T 1T 2-T 0（1）式中，T 2表示正常测点温度；T 1表示发热测点温度；T 0表示环境温度。

第15卷沈阳工程学院学报（自然科学版）1.1红外专家系统原理及应用流程红外线的本质是一种电磁波，能够接收0.76~1mm 波长的电磁波。

在绝对零度以上时，分子间的作用会产生电磁波，红外测温器扫面就会产生热感应图像，从而实现对被测对象表面温度的测量。

红外测温装置有诸多优点：1）避免类似于传统温度计与表面直接接触，既保护了装置，又确保测温仪器的安全；2）红外装置测温范围大，既可以测量高达几千摄氏度的火焰外焰温度，也可以测量液氮等极低温度；3）红外装置反应灵敏，温度测量准确。

红外测温装置的缺点是容易受到环境的影响。

红外专家系统是一种基于红外测温装置对物体表面温度的数据加以分析整合的系统，也是数据输入与设备内的智能体系相连的专家系统。

在智能变电装置中它可以建立以模块为单元的红外测温装置体系，自动感受温度的变化，利用红外测温装置获取各模块的温度测量情况，分析温度变化是否在可行的阈值内，最终得到结论。

超出阈值则往往代表故障发生，会对设备产生不良影响。

本系统应用在变电装置上，能够将同一类别的故障进行整合，确保故障判断的准确性，甚至在技术可行的条件下，对故障原因进行分析，并利用自动调节系统的闭环反馈机制实现自我修复。

红外专家系统在线监测的基本流程如图1所示。

图1在线监测的基本流程1.2红外成像装置红外成像设备可以分为光机扫描和非扫描两种类型，原理也各不相同。

光机扫描型是依靠光机扫描器对物质进行结构上的侦测，其优点是能够生成被测物体的二维图像，能够较完整地到反映物体的真实结构，缺点是成本高昂，广泛应用于军工和高新产业，前景宽广，待技术成熟后会大量应用于生活中。

而非扫描型采用探测器组，探测表面和探测器成对应关系。

近年来，其技术应用更为深入，将探测器装备设计为列阵形式。

以光伏集成电路为例，其大规模地使用极大推动了集成电路技术，带动了与之相关的材料学和建造学的发展。

红外成像装置的核心是热释电摄像装置，组成材料也是热释电材质，利用电子扫描代替光扫描，这不仅简化了设备的制造，降低了成本，而且减少了能耗，不用像光扫描仪那样频繁制冷。

红外成像装置主要包括红外热电视和红外热成像仪。

红外热电视结构如图2所示。

图2红外热电视结构1.3红外热电视原理红外热电视装置运行原理是利用红外测温装置测量以互感器为主的设备表面温度的变化。

根据温度变化导致红外辐射成像变化进而分析与监测互感器的运行状况。

若发生故障，则由本系统结合大数据平台分析故障类型，给出可能导致故障的原因以及如何处理该故障的建议等等。

红外热电视是一种把物体表面的热辐射转化为图像信号的装置，其原理为输出信号的电流与物体表面温度成正比，即：i =kd Td t（2）热电视的信息传递基础是热电视摄像头··150第2期赵柏翔，等：基于大数据平台的红外专家系统在智能变电设备中的诊断(PEV)，温度测量的核心是d Td t，待测物体的表面温度是测量的核心。

热电视温度成像只有在红外线辐射周期性变化的情况下才会体现，否则将不会成像。

因此，调制热电视使其能够成像是关键。

若能将温度信号的变化进行实时监测并以红外成像方式展现，就可以判断变电设备是否正常运行，尤其是实现对电力互感器的运行状况的在线监测，这是该设计可以实现的前提。

红外热电视在性能指标和方便程度上虽不如热像仪，但它具有在常温下工作且不需要制冷的特点，结构与热像仪相比具有更加简单、成本更低、使用和维修均很方便的优点。

这些优点促使红外热电视在红外诊断领域中得到广泛应用。

从节约成本与方便性方面考虑，该设计采用红外热电视成像技术。

2红外专家系统在智能变电设备中的应用2.1智能变电设备与传统变电设备的区别图3传统变电设备结构传统变电设备如图3所示。

由于早期建造时没有规范的形式，在监控、保护、远程动作和数据收集的结合上协调性很差，而信息的采集主要依靠电磁传导和电流电压的互感完成，各个电力元件相互独立，构成集成体的可能性很小，信息的传递与共享难以实现。

红外系统虽然可以应用，但仅仅局限于小范围的收集数据，监测手段往往以人工收集为主，难以实现智能化。

因此，故障分析检测的能力薄弱，而智能变电设备不仅打破了设备内信息难以建立统一集合的僵局，更是将测量信息依附于大数据平台，开创了全新的监测与控制方式，为分析判断找到了新的模式，如图4所示。

图4智能变电设备结构2.2智能变电设备中的平台化红外专家系统本文将大数据平台的红外专家系统应用到智能变电设备的故障检测系统中，将其融合为一套完整体系，监控系统如图5所示。

根据协议IEC61850，将智能变电设备的整体结构分为3个设备层［3］，包括过程层、间隔层和设备内控制层。

过程层是变电设备的根基，它将信息向上一级传递，结构上包含电流互感器、电压互感器、变压器、隔离开关等附属终端的信息化设备。

因此，没有过程层就没有智能变电设备的上层结构。

过程层的基本信息要求具有可确定性、实时性和合并性。

采样值传输是将间隔层和设备内控制层链接的重要方法，同时信息的最大传输点在电子式互感器的保护和协调，在采样值的输送时，准确性与及时性是关键。

根据IEC61850标准，采样值需要光纤传导，间隔层连接方式不再是与合并元件相连，而是在控制层的交换机上得到采样的信号，目前的设备内连接方式还是点对点链接，在一些信息化区域能够实现点线对应关系，链接保证设备内同步，由保护装置提供监测。

为应对变电设备的突发现象，GOOSE 可以为ISO/IEC8802-3建立桥梁，它能够保证设备内间隔层与控制层信息快速传递，缺点是传递信息量不足，若发生紧急故障，GOOSE 可以应用于跳闸保护，实时性远高于同类的非嵌入式系统，报文延迟可以控制在3ms 内。

··151第15卷沈阳工程学院学报（自然科学版）图5智能变电设备一体化监控系统2.3大数据平台的建立与监控为了提高故障判断的准确率，在智能变电设备中应用大数据平台，在红外专家系统大数据平台的基础上实现一体化监控，包括智能操作票和倒闸。

为保证控制设备的安全稳定，需利用电能量采集、备用设备自投运、过滤故障波形等方法实现设备信息与调度的互动，完成智能变电设备综合优化管理，对设备全寿命实现监测。

为了获得更高效、更安全、更稳定的数据，监控系统也可以支持信息的综合处理，满足智能变电设备的快速稳定操作，对外提供IEC61850服务接口，实现用户之间的远程监控与相互协调。

设备内统一大数据平台是智能电网实现信息快速传递和分享的基础，此数据平台不仅能保证截面信息的唯一性与一致性，还可以将设备内信息构成网络，是实现横向与纵向的全面覆盖的电网信息数据库。

大数据平台下的全景数据平台如图6所示，它是实现智能变电设备在不同状态下采集数据、处理图像、检查设备运行情况的工具。

它能够完成数据的品质处理和接口的访问规范，为智能化的应用提供必要的数据信息的技术支持，同时利用过程层的综合设备状态，实现在不同状态下的数据采集，完成设备在动态、稳态、暂态下的监控，以IEC61850标准实现对数据的统一管理、建模，并以此建立一个综合性的设备内数据平台。

图6全景数据平台结构一体化监控则是以平台为基础建设的，测量数据可以在SCADA/EMS 上体现，为电网提供频率振荡分析、故障检测、动态状态监测、Web 网络安全监管技术，为变电设备的运行提供技术参考，同时还··152第2期赵柏翔，等：基于大数据平台的红外专家系统在智能变电设备中的诊断可以提升大数据平台的信息交换与共享的能力，为提高智能变电设备信息反馈的可靠性与即时性打下深厚的根基［5］。

监控系统如图7所示，一般分为两个区域，称为安全Ⅰ区和安全Ⅱ区。

Ⅰ区负责监控主要设备的运行和电网整体情况，防止大事故发生，将运行数据储存到数据库以便为后续检查提供支持。

安全Ⅰ区采用直接获取与传达的方式传递数据信息，在必要的时刻还可以浏览数据，检查运行情况。

安全Ⅱ区是一种综合联系变电线路，为主要运行设备和辅助设备提供通信功能的装置，不仅能够传递有关电力设备运行的信号，还可以应用此信息在电源、安全防护、消防、环保等方面提供技术支持，也可以提供远程服务与浏览功能。