一、系統概述
1.1 系統架構：主要由態勢感知層、多源數據融合層、數據傳輸層、平臺及應用層構成。
1.2 智能態勢感知技術
基于微型化、模塊化、高性能、低功耗、數字化等性能于一體的電力設備智能態勢感知技術，可為綜合智慧能源領域的發電、輸電、變電、配電、儲電等環節的電力設備態勢實時性監測和缺陷專家型診斷打下深厚基礎。再通過深度融合人工智能、邊緣計算、云計算等技術，實現可靠地發現電力設備內部疑似缺陷，及時協助運維檢修工程師快速排查和解決，從而保證電力設備的運行穩定和供電的持續可靠。
超聲波局部放電(AE、AA)、特高頻局部放電(UHF)、高頻局部放電(HF)、暫態地電壓局部放電(TEV)、聲紋振動(VAF)、GIS/開關柜斷路器機械特性、接地電流、SF6氣體綜合、電氣節點溫度（采用無線無源法監測開關柜內的電纜接頭和斷路器動靜觸頭等節點）、套管綜合、油中溶解氣體(DGA)等態勢感知單元的模塊化設計（下文皆用英文簡稱），可滿足針對各類監測需求而定制化設計，以及兼容第三方已裝（DGA、UHF、光纖測溫等）、同步裝、后裝的監測系統/感知單元。
表1：態勢感知層主要功能特點
1 | 微型化、模塊化、高性能、低功耗 |
2 | 監測型：接地電流、電氣節點溫度、SF6氣體綜合態勢、斷路器機械特性、CT卡鉗式測溫等。 |
3 | 診斷型：PD（AE 、AA、UHF、HF、TEV可單獨或任意幾種集成化），VAF，DGA，套管綜合態勢等。 |
4 | 支持“有線有源”、“無線有源”、“無線無源”等多種實施方案。 |
5 | 兼容多種通訊規約，實現監測數據與主站平臺無縫對接。 |
6 | 基于人工智能的電力設備缺陷類型自動識別與智能報警。 |
7 | 基于容器的邊緣計算APP、基于大型數據庫的云計算診斷平臺。 |
1.3 態勢感知層、多源數據融合層、平臺及應用層的概述
1.3.1 態勢感知層
態勢感知層的感知單元采用微型化、模塊化、高性能、低功耗、數字化設計，監測精確，利用基于工業物聯網技術的電力設備運行維護的電力物聯網，實現設備態勢監測覆蓋率的提升。
感知單元：包括有線/無線方案，滿足各種場景下的部署需求。感知單元類型包括PD（AE、AA、UHF、HF、TEV等）、VAF、DGA、套管綜合、斷路器機械特性、接地電流、電氣節點溫度、開關柜內外環境溫濕度、SF6氣體綜合等態勢的信號監測，感知單元通過網絡將數據上送至站端監測單元。可兼容電力設備中已內置的（DGA、UHF、光纖測溫等）感知單元監測的上傳數據和下達操控指令。
表2：有線/無線方案的優劣勢對比
模式 | 優勢 | 劣勢 |
有線供電、有線傳輸方案 | POE網線提供供電和通訊，數據實時采集上送、穩定性高、數據量大，缺陷類型識別準確率高、后期免維護。 | 安裝部署工作量較大。 |
有線供電、無線傳輸方案 | 數據實時采集和上傳、穩定性高、數據量大，缺陷識別準確率高、后期免維護。 | 需就地取電(如在柜體二次室）。 |
電池供電、無線傳輸方案 | 內置電池、太陽能或CT耦合取電，安裝部署工作量較小。 | 數據量小、無法查看實時數據、5～7年需更換電池。 |
名稱 | 技術參數 | 型號 |
AE | 監測帶寬：20 kHz～200 kHz； 感知單元靈敏度：60 dB(V/(m/s))； 濾波：可選帶通。 | PDMU-AE |
AE與TEV 二合一 | TEV監測帶寬：3 MHz～100 MHz； TEV監測動態范圍：70 dB; AE監測頻帶：20 kHz～200 kHz； AE監測靈敏度：60 dB(V/(m/s))。 | PDMU-AE/TEV |
UHF | 監測帶寬：300 MHz～1500 MHz； 感知單元平均等效高度：≧11 mm； 濾波：全通、高通、低通； 監測靈敏度：-80 dBm； 動態范圍：70 dB。 | PDMU-UHF |
CT卡鉗式HF | 監測帶寬：16 kHz～50 MHz； 感知單元傳輸阻抗：≧10 mV/mA； 濾波：任意頻帶高通、低通、帶通、帶阻； 監測靈敏度：1 mV； 動態范圍：1~5000 mV。 | PDMU-HF1 |
貼片耦合式HF | 監測帶寬：16 KHz~50 MHz； 濾波器：任意頻帶高通、低通、帶阻、帶通； 監測靈敏度：1 mV； 動態范圍：1～5000 mV。 | PDMU-HF2 |
VAF | 響應頻率：10 Hz～2k Hz； 動態范圍：>100 dB； 頻率響應的平坦度：<±1 dB； 靈敏度：<100 mV/g。 | VAFMU |
DGA | 監測組份：H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、H20（可選）等7種氣體組分及微水、相對增長率及增長速度； 析診斷功能：通過改良三比值法、大衛三角法及立方體圖示法對監測數據進行分析、診斷，并提供原始譜圖； 最小檢測周期：40-60分鐘，可由用戶自行設定，默認24小時； 取樣方式：循環取樣，安全真實地反應變壓器中氣體真實情況； 油氣分離方式：真空全脫氣方式； 穩定性(測量偏差)：同一試驗條件下對同一油樣的監測結果偏差不超過±5%（中等濃度）。 | DGAMU-7 |
套管綜合態勢(PD、泄露電流、電容量及介質損耗因數、油溫油壓等信號) | PD信號監測頻率范圍：16 kHz～50 MHz； 平均傳輸阻抗：≥5 mV/mA； 最小監測PD量：≤5 pC； 泄漏電流監測范圍：2 mA～150 mA； 電容量監測范圍：100 pF～50000 pF； 介質損耗因數監測范圍：-0.01～0.01； 低頻傳感器匝比：1000比1； 低頻傳感器比差：±0.5%； 油溫監測范圍：-40 ℃-180 ℃； 油溫分辨率：0.1 ℃； 油溫準確度等級：1級； 油壓監測范圍：-100 kPa～900 kPa； 油壓監測分辨率：1 kPa； 油壓監測準確度等級：1級。 |
BMU-06 |
接地電流 | 監測范圍：1 mA～10 A；分辨率：0.1 mA； 監測精度：±（1%+0.1）mA。 | GCMU-10 |
斷路器機械特性 | 監測精度：1%； 采樣率：20 kHz； 錄波通道數：9（不斷電）； 分、合閘單次錄波時長：240 ms； 儲能電機錄波時長：10 s； 時間分辨精度：0.1 ms； 分、合閘線圈正常工作電流范圍：0～5 A，瞬時值：10 A（20ms）； 儲能電機正常工作電流范圍：0～8 A，瞬時值10 A（20ms）。 | SMU-09 |
電氣節點 溫度 | 監測法：無線無源測溫； 范圍：-40 ℃～150 ℃；精度：±1 ℃。 | TMU-RFID |
電纜溫度 | 監測方式：CT卡鉗式； 測溫范圍：-40 ℃～150 ℃； 測溫精度：±1 ℃。 | TMU-CT |
SF6氣體綜合態勢 | 密度監測范圍：0～67 kg/m3； 壓力監測范圍：0-10 bar(值)(145 psi)； 溫度監測范圍：-40 ℃～+85 °C； 壓力監測誤差： <+/-0.3% 全刻度； 溫度監測誤差：<+/- 1 °C。 | SF6MU-03 |
1.3.2 多源數據融合層
1.3.2.1 多源數據融合層的站端單元：站端就地接收和存儲感知單元的監測數據。內置邊緣計算內核，實現感知單元數據的邊緣計算、匯聚、展示。各項數據可上送至平臺及應用層，支持電力無線專網、電力APN通道、電力光纖網等方式接入。
1.3.2.2 多源數據融合技術（以變壓器設備監測為例）
1.3.2.2.1 具備邊緣計算能力，就地采集并處理PD、VAF、接地電流、DGA、套管綜合等各類態勢的信號等，完成本地基本分析，根據傳輸層要求統一通訊接口及數據結構，根據平臺層及應用層要求上傳分析結果。
1.3.2.2.2 具備實物ID管理功能，提供電力設備運行態勢信息的鏈接入口，可掃碼讀取電力設備在線監測的歷史數據及趨勢；通過掃碼或RFID識別電力設備，讀取ID信息，通過站內網絡(4G/5G/WIFI等)傳輸給云端服務器，向服務器請求該電力設備的詳細信息，以及詳細的運行態勢、監測信息等。
1.3.2.2.3 結合電力設備帶電檢測以及各項在線監測態勢的信號，進行數據融合分析，形成基于多源數據融合分析的故障預警機制；多源數據融合分析提高了故障識別的準確性，還能大大減小因單個參量判別帶來的誤報；被測設備經過多源數據融合分析后評價為異常態勢時，本系統會發出告警（可選擇告警發送方式）。
1.3.2.2.4 對于電力設備（以變壓器為例）的診斷可以結合負荷（電壓、電流）、損耗、PD、VAF、接地電流、DGA、油溫油壓、套管綜合以及歷史負荷等態勢的信
號來基于多源數據融合分析。例如：是否有發生過因大電流沖擊而造成繞組變形等；還可以結合PD和DGA信號的監測，判斷是否存在故障及嚴重程度。再者：在監測到不正常的振動頻譜時，本系統可以自動查詢歷史負荷，若發現某段時期有大電流沖擊，即可發出一個預警：繞組可能發生了變形。
1.3.3 平臺及應用層
平臺及應用層用于對各個感知單元、各個節點的電力設備進行管理、協調、監控，實現數據高級分析應用與運檢業務管理支撐。具有美觀易用的界面，支持概要預覽、數據詳細、變化趨勢等多種展示方式，并對設備缺陷的類型和嚴重程度進行專家型診斷，可主動推送預警信息，使用戶實時精準地掌握電力設備運行時的健康態勢。
表4：平臺及應用層功能特點
描述 | 參數 |
概況一覽界面 | 一次接線圖/一次設備分布圖、感知單元分布圖。 |
數據詳情顯示 | 各感知單元傳送的監測數據（量值、波形、圖譜等）。 |
數據趨勢顯示 | 任意時間段的監測值變化趨勢及對比。 |
PD數據統計分析 | 三維PRPS、PRPD、累積PRPD圖譜、聚簇篩選信噪類別T-F MAP圖譜，原始脈沖波形圖譜、超聲波轉換音頻回放等。 |
通信規約 | IEC61850、I2、MQTT，Web Service等。 |
PD類型識別準確率 | >98%。 |
報警方式、設置 | 短信、電子郵件等；閾值、變化趨勢、專家診斷等報警。 |
1.3.3.1 數據展示：數據展示界面能夠顯示所監測的全部通道和裝置的整體態勢，可根據用戶需求顯示任意參數、任意時間段的變化趨勢、實時圖譜及缺陷類型識別 (如下圖7所示) 。本系統發現異常時會以醒目顏色或彈窗等方式提示，并生成報警事件，支持一鍵生成報告，并以短信/電子郵件發送報警信息至變電設備管理者。
1.3.3.2 數據統計分析：除各類監測型感知單元的數據分析外，針對PD信號監測，
平臺可以統計和顯示各通道的三維實時PRPS圖譜、三維PRPD圖譜、聚簇篩選信噪類別的TF-Map圖譜，實現準確的PD信號類型分析。PD信號類型識別算法由500多萬組從現場運行中的電力設備上所采集的現場真實數據訓練而來，對PD信號類型具有準確的識別能力。針對多種PD信號類別的混合信號，的脈沖聚簇篩選技術，不僅可以分離噪聲信號，而且可以分離來自不同缺陷的PD信號。針對變壓器、GIS、電纜等電力設備可通過PD信號脈沖的原始波形，采用到達時間差或反射時間差法來計算PD信號源的準確位置。
二、應用場景
2.1 GZMS-T型變壓器/電抗器設備態勢監測子系統
通過內置DGA，加裝PD（AE、UHF、HF）、接地電流、VAF、套管綜合、紅外熱成像等態勢的感知單元，再融合運行負荷、損耗及歷次監測的態勢數據，即可診斷式評價變壓器/電抗器設備內部存在的絕緣損壞、部件振動異常等問題。
表5：變壓器/電抗器設備態勢監測子系統安裝說明（可根據監測需求而定制監測點數）
感知單元名稱 說明 安裝 AE 通過在變壓器/電抗器外壁安裝AE感知單元監測內部缺陷產生PD信號。 每臺變壓器/電抗器根據需要安裝4個及以上。 UHF 通過UHF感知單元對變壓器/電抗器內部缺陷產生的PD信號進行監測。 每臺變壓器/電抗器安裝1～4個。 HF 通過CT式卡鉗HF感知單元對變壓器/電抗器內部缺陷產生的高頻脈沖電流信號進行監測。 每臺變壓器/電抗器安裝3個（鐵芯、夾件、中心點接地各1個）。 VAF 通過VAF感知單元監測變壓器/電抗器的繞組、有載分接開關、中心點的聲紋振動情況。 每臺變壓器/電抗器根據需要安裝3個及以上。 接地電流 通過接地電流感知單元監測變壓器/電抗器鐵芯、夾件、中心點的接地電流。 每臺變壓器/電抗器安裝3個(鐵芯、夾件、中心點的接地線處)。 套管綜合態勢 通過對PD、泄露電流、電容量及介質損耗因數、油溫油壓等參量綜合監測、融合分析和診斷，反應套管絕緣態勢。 每臺變壓器/電抗器的每個套管末屏處安裝1個。 DGA 通過改良三比值法、大衛三角法、立方體圖示法對油中H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6等7種氣體及微水、相對增長率及增長速度進行分析、診斷，并提供原始譜圖。 每臺油浸式變壓器/電抗器內置1個。
2.2 GZMS-S型GIS設備態勢監測子系統
通過安裝UHF（原無內置的；可兼容已有內置的）、AE、SF6氣體綜合、VAF、GIS斷路器機械特性等態勢的感知單元，再融合運行負荷、歷次監測的態勢數據，即可診斷式評價GIS設備內部存在的絕緣損壞、異常發熱、機械部件上的疑似缺陷問題。
表6：GIS設備態勢監測子系統安裝說明（可根據監測需求而定制監測點數）
感知單元名稱 | 說明 | 安裝 |
AE | 通過在GIS外壁安裝AE感知單元監測內部缺陷產生的PD信號。 | 每個SF6氣室安裝1個。 |
UHF | 通過UHF感知單元對GIS內部缺陷產生的PD進行監測。 | 每個SF6氣室法蘭處安裝一個。 |
VAF | 通過VAF感知單元監測GIS聲紋振動情況。 | 每個SF6氣室外壁安裝1個。 |
SF6氣體 綜合態勢 | 通過SF6氣體密度感知單元監測密度、溫度、壓力和20℃等效壓力。 | 在GIS組裝車間里針對每個氣室安裝1個。 |
斷路器機械 特性 | 通過電流傳感器監測分合閘線圈動作時及儲能電機的電流，分析斷路器是否存在內部機械故障。 | 每個GIS控制柜安裝1個。 |
2.3 GZMS-HL型電纜設備態勢監測子系統
通過在電纜頭（中間接頭、終端）接地線上的PD（AE、UHF、HF）、接地電流、溫度等態勢的感知單元，再融合運行負荷、歷次監測的態勢數據，即可診斷式評價反映電纜內部存在的絕緣損壞、異常發熱缺陷等問題。
表7：電纜設備態勢監測子系統安裝說明（可根據監測需求而定制監測點數）
感知單元名稱 | 說明 | 安裝 |
AE | 通過AE感知單元監測電纜GIS終端內部的PD信號。 | 每根電纜的GIS終端處安裝 1個。 |
UHF | 通過UHF感知單元監測電纜GIS終端內部的PD信號。 | |
HF | 通過電纜頭接地線處的CT卡鉗式HF感知單元監測電纜內部缺陷產生的PD信號。 | 每個電纜頭接地線處安裝 1個。 |
接地電流 | 通過接地電流感知單元監測電纜接地環流。 | |
電纜溫度 | 通過CT卡鉗式溫度感知單元監測電纜頭處的溫度。 |
2.4 GZMS-SC型開關柜設備態勢監測子系統
通過PD（AE、TEV、UHF、HF）、電氣節點溫度、開關柜內外環境溫濕度、開關柜斷路器機械特性等態勢的感知單元，再融合運行負荷、歷次監測的態勢數據，即可診斷式評價開關柜內部存在的絕緣缺陷、異常發熱、機械部件缺陷問題。
表8：開關柜設備態勢監測子系統安裝說明（可根據監測需求而定制監測點數）
感知單元名稱 | 說明 | 安裝 |
AE、TEV二合一 | 通過AE、TEV進行二合一的PD信號監測分析，對開關柜內部絕緣態勢進行評價。 | 每臺開關柜安裝1～2個。 |
UHF | 通過的全向式球型UHF傳感器進行開關室全空間的UHF信號監測分析，對開關柜內部絕緣態勢進行評價。 | 每個開關室安裝1個。 |
HF | 通過耦合電容式HF感知單元進行PD信號的監測分析，對開關柜內部絕緣態勢進行評價。 | 每臺開關柜安裝 1 個。 |
電氣節點溫度 | 通過無源無線溫度感知單元監測電氣節點溫度，對開關柜內部導電觸頭的態勢進行評價。 | 根據需要監測動靜觸頭、母排、電纜接頭，配6～12個。 |
開關柜內外環境溫濕度 | 通過智能除濕器對開關柜設備內部進行除濕，以及監測開關柜內外環境濕度、溫度等參量。 | 根據環境，每臺開關柜安裝 1~2個。 |
開關柜斷路器 機械特性 | 通過斷路器機械特性感知單元對斷路器的分合閘線圈動作時以及儲能電機的電流進行監測，評價斷路器是否存在機械特性缺陷。 | 每臺開關柜安裝 1個。 |
2.5 根據需求，我公司可針對電容器、避雷器、電流互感器、電壓互感器等四小器設備的態勢監測與評價做定制性的技術方案。
2.5.1 GZAC-1000L型避雷器及容性設備態勢監測子系統
2.5.1.1 概述
GZAC-1000L型監測子系統是根據、南方電網等電力設備運行管理方關于變電設備在線監測裝置通用技術規范而設計的避雷器及容性設備在線監測裝置在線監測子單元。
GZAC-1000L型監測子系統采用模塊化，小型化和就地化的設計方案，應用免維護感知單元，安裝在避雷器本體上，再接入避雷器在線監測IED。
電流監測回路采用穿心式電流傳感器，在不破壞原來電氣回路和增加原來電氣回路復雜性的基礎上實現電流采樣。分別采用有源的零磁通電流互感器和電磁式電流互感器測量泄露小電流和動作大電流，滿足電流測量精度高、動態范圍大的要求。采用16位A/D采集模擬信號，采用雙重化采樣比較技術，保證并提高了全量程范圍的測量精度，同時避免了采樣異常引起誤動的問題。
GZAC-1000L型監測子系統就地計算，數字化傳輸，抗力強。具有國家相關的的第三方校驗機構出具的檢驗報告，符合GB/T7261-2016試驗方法和
GB/T17626系列標準。
2.5.1.2 功能特點
GZAC-1000L型監測子系統具備避雷器全電流、阻性電流、阻容比值、動作次數進行連續實時或周期性自動監測功能，監測數據的更新速度不低于1次/10min(可調)。
GZAC-1000L型監測子系統的接入不改變主設備的電氣聯接方式，不影響主設備的絕緣性能及機械性能，電壓信號取樣回路具有防止短路的保護功能，接地引下線可靠接地，滿足相應的通流能力，不影響現場設備的安全運行。
GZAC-1000L型監測子系統具有異常報警功能，包括監測數據超標、監測功能故障和通信中斷等報警功能，報警設置可修改，報警信息實現實時遠傳，因監測子系統原因引起的不同類型的異常報警能通過不同的報警信號加以區分，子系統自診斷信息實現實時遠傳。
GZAC-1000L型監測子系統具備長期穩定工作能力，具有斷電不丟失數據、自復位的功能。
2.5.1.3 技術參數
1）避雷器態勢感知單元
● 全電流監測范圍：0.1mA~50mA，準確度：±（0.5%讀數+0.005mA）。
● 阻性電流測量范圍：0.01mA~10mA，準確度：±（1%讀數+0.005mA）。
● 容性電流測量范圍：0.1mA~50mA，準確度：±（1%讀數+0.005mA）。
● 避雷器在線監測為垂直穿心式。
2）電壓態勢感知單元
● 電壓監測范圍：35kV~1000kV，準確度：±0.2%讀數。
● 系統頻率監測范圍：45~65Hz，準確度：±0.002Hz。
● 3、5、7、9次諧波監測準確度：±1.0%讀數。
3) 容性設備態勢感知單元
● 泄露電流監測范圍：0.1mA~1000mA，準確度：±（0.5%讀數+0.01mA）。
● 電容監測范圍：100pF~50000pF，準確度：±1%讀數。
● 介質損耗監測范圍：0.1％~30％，準確度：±（1%讀數+0.0005mA）。
2.5.2 針對其他的四小器設備態勢監測子系統的技術方案可根據監測需求而定制后另附。
