变电设备智能传感与状态感知技术及应用

第 46 卷 第 9 期：3097-3113 高电压技术 Vol.46, No.9: 3097-3113 2020 年 9 月 30 日 High Voltage Engineering September 30, 2020 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20200939 2020 年 9 月 30 日第 46 卷 September 变电设备智能传感与状态感知技术及应用 李 鹏，毕建刚，于 浩，许 渊 （中国电力科学研究院有限公司，北京 100192） 摘 要：变电设备的可靠性是电网安全运行的基础，其运行状态感知是电网设备运维和运行控制的重要支撑。近 年来变电设备状态感知技术向数字化和智能化方向快速发展，新技术不断涌现，有效提升了设备智能化水平。论 文首先介绍了目前常用的基于电、声、光、化、热物理量监测的设备状态感知技术，及其在变电设备状态感知中 的应用情况，分析了该技术为电网运维带来的积极作用；然后介绍了变电设备新型感知技术研究，并提出了新型 感知技术在电力设备状态感知领域的应用趋势；最后展望了未来的发展方向，指出了变电设备状态感知在智能感 知、人工智能、大数据、立体巡检及传感性能校验方面的发展趋势。 关键词：变电设备；状态感知；新型传感；设备融合；传感可靠性；人工智能；智能传感 Technology and Application of Intelligent Sensing and State Sensing for Transformation Equipment LI Peng, BI Jiangang, YU Hao, XU Yuan (China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China) Abstract：The reliability of transformation equipment is the basis for the safe operation of a power grid, and its perception of operating status is an important support in the maintenance and operation of power grid equipment. In recent years, the perception of operating status technology for transformation equipment has developed rapidly toward more digitization and intellectualization, and new technologies have continuously emerged, promoting the intellectualization of devices effectively. Firstly, we introduced the commonly-used perception of operating status technology for monitoring based on electricity, sound, light, chemical characteristics, and thermophysical quantity at present, and its application in the status sensing of transformation equipment. Then we analyzed the positive effect of this technology on power grid operation and maintenance,and put forward the applications and development trend of new sensing technologies. Finally, we pointed out the future development direction, and analyzed the development trend of state perception of transformation equipment in the aspect of intellisense, artificial intelligence, big data, stereoscopic patrol, and detection of sensing performance. Key words：transformation equipment; state perception; new sensor; equipment fusion; sensor reliability; artificial intelligence; intelligent sensing 0 引言1 当前电网形态正在发生深刻变化，电网规模不 断扩大，设备容量不断提升，变电设备故障会造成 电网停电和重大经济损失，电网运行控制迫切需要 对设备状态进行全面感知。变电设备自身由于功能、 用材不断改进，结构日趋复杂，传统的传感技术和 设备故障诊断技术已不能满足电网应用需求。在应 用层面，由于运行环境恶劣、电磁干扰，许多设备 ——————— 基金资助项目：国家电网公司科技项目(输变电设备无源无线智能传感 器关键技术研究及应用) (5500-202018068A-0-0-00)。 Project supported by Science and Technology Project of SGCC (Research and Application of Key Technologies of Passive Wireless Intelligent Sensor for Power Transmission and Transformation Equipment) (5500- 202018068A-0-0-00). 状态监测装置现场应用性能不稳定，监测装置本身 存在故障率、误报率高及数据可信度存疑等问题， 变电设备状态感知技术研究与应用面临严峻挑战。 变电设备在正常运行时和故障前后，通常伴有 “电、声、光、化、热”等多种特征信息，通过对 设备不同的特征信号开展带电检测或在线监测，感 知和分析设备状态，可以发现和消除很多类型的设 备缺陷和隐患，进而避免设备故障及由此引发的电 网安全事故。 带电检测、在线监测技术在我国起步较晚，针 对重要电力设备状态感知技术应用规模不断扩大的 现状，油中溶解气体检测、电容型设备介损、泄漏 电流、局部放电、红外和紫外检测等技术应用愈加 3098 高电压技术 2020, 46(9) 广泛，也取得了较好的效果。目前国内外都在加强 新型传感技术的研究和应用，但针对近年来频发的 变压器套管、分接开关、气体绝缘开关(gas insulated switchgear，GIS)等设备的突发性故障，仍然缺乏有 效可靠的感知预警手段。同时，国内在原创技术、 基础材料、融合设计等方面与国外的差距明显，高 精度器件目前还主要依靠进口，存在技术短板，也 缺乏体系化的感知装置性能评估等公共平台。总体 上，设备状态感知还需要在传感基础研究与状态感 知智能化方面开展深化研究，以适应不断提高的安 全可靠性需要[1-2]。 智能传感与状态感知技术是电网数字化、物联 网、大数据、智能化的基础，而各类感知传感器及 终端是电网运行状态的神经末梢，各个维度的感知 数据支撑着电网生产指挥决策体系，是电网可靠运 行的重要保障。随着大、云、物、移、智、链等技 术在电网中的深度应用，电力设备状态感知技术也 正在向智能化设备融合的方向转变。 鉴于此，本文对目前以电、声、光、化、热物 理量为监测对象的感知技术及其在变电设备状态感 知中的应用情况进行了总结，分析了相应的参数性 能和优缺点，然后介绍了有助于提升变电设备状态 感知能力并亟待推广的新型感知技术，最后针对电 网发展情况，展望了变电设备状态感知和决策体系 的发展趋势。 1 变电设备状态感知技术及应用现状 随着设备状态检修策略的全面推进和智能电网 建设的加速发展，变电设备状态监测及故障诊断技术 得到了广泛应用。变电设备状态监测系统的安全性、 可靠性、稳定性以及测量结果的准确性，直接影响状 态检修策略的有效开展以及设备状态的可视化和有 效监控。目前各类传感技术应用繁多，效果参差不齐。 表 1 列出了目前推荐的变电设备典型传感技术。 本章主要介绍能够反应变电设备状态的电、 声、光、化、热物理量的感知技术。 1.1 电气量感知技术 电气量是感知变电设备绝缘问题的有效手段。 通过电压、电流的检测，可以获取变压器铁芯、夹 件的接地电流、电缆护层接地电流、套管末屏电流 值等，从而判断设备内部的绝缘状态。 1.1.1 容性设备相对介损及电容量 容性设备介损及电容量可反映套管等电容型 表 1 变电设备典型传感装置 Table 1 Typical sensing devices of transformation equipment 设备 性能指标 典型传感装置类型 变压器 局部放电 高频局部放电 超声波局部放电 温度 红外温度成像 光纤温度 机械性能 振动 油中溶解气体 油色谱 铁芯接地性能 铁芯接地电流 断路器(GIS)设备 局部放电 特高频局部放电 超声波局部放电 SF6气体 SF6气体湿度、组分、检漏 开关状态 分合闸线圈电流 振动 电容型设备 绝缘性能 介质损耗 末屏电流 局部放电 局部放电 避雷器 阻性基波电流、三次谐 波电流及相位角 泄漏电流 局部放电 高频局部放电 开关柜 温度 触头温度 局部放电 超声波局部放电 暂态地电压 电网电压、电流 信号 电网谐波信号 宽频测量装置 设备的状态，通过测量被试设备的电压、电流及相 角，可得到绝对介损和电容量的比值。由于绝对介 损值大多在 0.001~0.01 rad 范围，现场测试易受到 杂散信号干扰[3]，因此目前多采用相对介损，即通 过比较同一变电站的多台同类或同型号设备的末屏 接地电流信号的幅值比和相角差，来获取相对介损 差值和电容量比值。 国内已针对容性设备开展了相对介损测量法 的研究，并根据历史数据，利用 3δ 准则确定了介损 的正常变化范围，减小了数据随机波动的影响[4]。 为了提高测量精度，矩阵约束法[5]、加窗离散傅里 叶变换(discrete Fourier transform，DFT)法[6]、相关 函数法[7]等方法也相继被提出，另外基于深度学习 的介损相对变化辨识方法也提供了一种抗噪思路， 其分辨率可达 0.001%[8]。 介损及电容量变化趋势为设备运维工作提供 了有效支撑。文献[9]给出了受潮情况下的介损变化 趋势，建议电容量超过出厂值30%或介损超范围时， 应及时进行进一步检测；而文献[10]表明，由于缺 少有效监测手段，无法对套管初期故障进行检测， 直到变压器轻瓦斯动作之后才推断出套管故障。 近年来变电站现场应用案例表明，采用相对介 损及电容量实时感知技术，可以及时发现套管缺陷、 套管受潮、电容屏缺陷等故障，但是对于套管底座 脱落、内部产气等缺陷故障还不敏感。实际运维中， 李 鹏，毕建刚，于 浩，等：变电设备智能传感与状态感知技术及应用 3099 也存在套管末屏监测引起接地不良的风险[11]，因此 进一步推动多种感知手段与一次设备融合设计，对 于提高设备的可靠性尤为重要。 1.1.2 避雷器泄漏电流 目前无间隙氧化锌避雷器广泛使用[12]，泄漏电 流在线监测是避雷器内部受潮、阀片劣化等设备状 态的重要感知手段[13]。 避雷器泄漏电流是指施加持续运行电压下流 过避雷器本体的全电流，由阻性电流和容性电流组 成。全电流与阻性电流是感知避雷器运行状态的主 要监测对象，通常使用全电流法、三次谐波法、容 性电流补偿法、阻性电流基波法等方法进行检测， 随着嵌入式计算技术的发展，数字波形分析法得到 了应用，各方法的优缺点见表 2。 结合现场应用，普遍推荐使用的方法是数字波 形分析法，也称为谐波法，该方法通常依托于高性 能数字信号处理器(digital signal processor，DSP)或 现场可编程门阵列(field programmable gate array， FPGA)，使用优化的快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)分析法，能够有效降低频谱泄露以 及干扰给谐波分析带来的不利影响[14]。 近年来的案例也表明，通过泄漏电流检测可以有 效发现避雷器的密封失效和阀片受潮等问题[15-16]。随 着监测装置可靠性的不断提升和成本控制，避雷器 泄漏电流监测技术会得到进一步推广应用。 1.1.3 变压器铁芯接地电流 铁芯接地电流能够直接反映出变压器铁芯多 点接地故障[17]。铁芯多点接地会造成铁芯局部过热 甚至烧毁，还可能造成接地片熔断，形成悬浮电位， 从而产生放电故障。 运行中变压器铁芯接地电流一般不大于 0.1 A， 目前大部分特高压换流站都已安装铁芯接地电流在 线监测装置，量程为 10 mA~5 A，精度可达 1%。 但是，铁芯接地电流容易受到变压器漏磁场的 干扰，因此必须强化监测设备的抗电磁干扰能力， 优化测量布置接线。另外，铁芯接地电流结合油色 谱分析和铁芯振动声纹等感知手段，能够有效判断 变压器铁芯、夹件的故障原因[18-20]。 1.1.4 高频局部放电 局部放电是导致变电设备绝缘系统破坏和引 发电力故障的主要原因[21]，通常是通过带宽为 3~30 MHz 的高频电流传感器检测设备接地引下线上的 放电脉冲电流信号来进行测量。 表 2 避雷器泄漏电流监测方法比较 Table 2 Comparison of monitoring methods for leakage current of arrester 方法 是否需要 电压参考 优点 缺点 全电流法 否 方法简单，易实现在 线监测 不易发现早期老化缺 陷 三次谐波法 否 测量方便、结构简便 受电网谐波影响大 容性电流补 偿法 是 原理清楚，方法简便 受相间干扰及电网谐 波影响较大 阻性电流基 波法 是 有效抑制谐波干扰及 相间干扰 不易感知阀片老化情 况 数字波形分 析法 是 有效测量阻性电流基 波分量和高次谐波分 量，软件灵活 受到相间影响 目前高频电流传感器(high frequency current transformer ， HFCT) 多采用罗格夫斯基线圈 (Rogowski coils)结构，并利用高磁导率的磁芯作为 线圈骨架增加灵敏度，但又需要考虑工频磁场所造 成的磁芯饱和问题。该方法具有灵敏度高、安装简 单等优点，并可量化描述局部放电强度，已广泛应 用于电力电缆、变压器、电抗器等设备的局部放电 检测，成为提前发现潜在缺陷的有效手段之一。 1.2 声振感知技术 1.2.1 局部放电超声波 电力设备内部发生局部放电时，通常会产生超 声波信号。通过在设备外壳或附近安装的超声波传 感器，可以耦合到局部放电产生的超声波信号，进 而判断设备状态。其原理是利用压电效应检测设备 内部局部放电时产生的 20~200 kHz 的声信号，可应 用于变压器、GIS、高压电缆、开关柜等设备的局 部放电检测。与电测法相比，超声波的传播速度较 慢，对检测系统的要求较低，且其空间传播方向性 强，主要用于局放定位，定位精度在 10 cm 以内。 同时，超声波信号受电磁干扰程度小，对振动性缺 陷特别是自由颗粒引起的非放电缺陷具有较好感知 效果[22]。 目前，超声波法通常与特高频法联合使用，文 献[23]采用声电联合法对放电源进行了定位，并对 局放信号进行了有限元仿真，验证了该方法在变压 器局放定位中的有效性和准确性。此外，将超声波 与特高频法、光测法结合的声、光、电联合的多维 度局部放电检测技术具有一定的发展前景。 但是，超声波局部放电感知技术也存在对内部 缺陷不敏感，易受机械振动干扰，放电类型识别难 3100 高电压技术 2020, 46(9) 度较大及检测范围小等缺点。 1.2.2 振动声纹 设备振动包含了变压器机械状态的大量信息。采 用振动信号的分析对变压器故障诊断有重要意义[24]。 目前大多数振动监测设备均采用有源加速度 传感器采集振动或声音信号，其频率响应范围为 20 Hz~1 MHz。振动分析法通过检测传递到箱壁的 振动信号，来对变压器的绕组及铁芯状态进行检测， 其本质是通过绕组机械特性的变化反映绕组状态的 变化。振动检测法利用传感器监测变压器的振动信 号，提取出其时域、频域信息，然后通过信号频谱特 征的横向和纵向分析对比来评估变压器的工作状态。 目前振动声纹监测技术主要应用于变压器和 高抗振动检测、开关设备振动声纹检测、绝缘子振 动探伤等方面。国外和国内正在开展基于振动声纹 的分接开关监测技术研究。 1.2.3 变电站噪声 利用声级计对变压器/电抗器的振动噪声以及 变电站的环境噪声进行检测，可对带宽为 10 Hz~ 10 kHz、声压级为 30~130 dB 的声音信号进行采集。 近年来，基于声成像技术的噪声检测系统得到了一定 的应用，可有效识别变电站电力设备的噪声源，对查 找噪声源、故障源及提出降噪措施具有积极意义[25]。 声学传感器阵列及异响成像定位效果图如图 1 所示。声成像系统基于传感器阵列测量技术，通过 测量一定空间内声波到达各传感器的信号相位差， 依据相控阵原理确定声源位置，从而根据声源特征 信息来诊断设备的运行状态[26]，能够及时发现设备 机械部件的异常。 1.3 光电感知技术 1.3.1 红外成像 通过红外热像仪可以获取设备表面的温度。能够 有效感知接触不良、绝缘劣化、循环不畅、泄漏电流 增大等原因引起的设备发热。红外检测具有不停电、 不接触、灵敏度高、技术成熟等优点，检测精度为 ±2 ℃，可及时有效地发现设备缺陷[27]，图 2 展示了 基于深度学习的输变电设备异常发热点红外图片目 标检测方法[28]，将 13 层卷积层、13 层 Relu 层、4 层 池化层构成的 Zeiler＆Fergus(ZF)深度卷积网络作为 输入层，得到共享卷积特征图，再由候选区域网络得 到坐标及分类信息，同时融合感兴趣区域(region of interest，ROI)池化层，提取区域建议特征，最终得到 输入红外图片故障点识别与定位的结果。 (a) 声学传感器阵列 (b) 异响成像定位效果 图 1 声学传感器阵列及异响成像定位效果 Fig.1 Acoustic sensor array and location effect of abnormal sound imaging 图 2 红外成像在设备温度感知的应用 Fig.2 Application of infrared imaging in temperature sensing of equipment 目前，红外成像技术已广泛应用在巡检机器 人、无人机中，红外图片内容识别也已率先应用人 工智能算法，进一步也向标准化、数字化、智能化 方向发展。但同时也面临着伪彩色类型多样、背景 干扰复杂、拍摄角度不一、红外图像叠加图形字符 等多种因素的干扰[28]。 1.3.2 紫外成像 电力设备因设计、制造、安装等原因造成的局 李 鹏，毕建刚，于 浩，等：变电设备智能传感与状态感知技术及应用 3101 部场强集中会导致电晕放电。紫外成像技术利用特 殊仪器接收电晕放电所激发出的波长小于 280 nm 的日盲区紫外波段光信号，能够实现对电力设备电 晕放电的检测。紫外成像检测内容包括电晕放电强 度、放电形态和频度范围，可应用的场景包括金具 连接、污秽放电、绝缘子局部缺陷检测、局放背景 检测等。国内多数电科院和供电公司都已配有紫外 成像仪器，并积极开展了设备电晕及表面放电检测 工作。文献[29]以紫外图像中放电光斑面积的大小 作为紫外成像的量化参量，分析得到了观测距离为 9 m 和紫外成像仪在几种典型增益下的光斑面积与 脉冲电流的峰值及脉冲电流平均值之间的关系，其 成像及测量效果如图 3 所示。 1.4 化学感知技术 1.4.1 油中溶解气体 充油和油纸绝缘设备内部发生过热、放电故障 时，会产生多种气体，表 3 中给出了不同故障类型 产生的典型气体。 油中溶解气体的主要检测方法有气相色谱、光 声光谱、红外光谱、拉曼光谱和阵列气敏传感器法 等。气相色谱法是一种物理分离方法，它利用混合 物中各组分在两相间分配系数的差别，使各组分得 到分离，是目前应用最广泛的油中溶解气体在线监 测技术，但是仍存在检测周期较长(普遍≥2 h)、维护 量较大(需定期更换色谱柱、载气和标气)等问题。 光声光谱法基于光声效应，特定气体在吸收特定波 长的红外线后，温度会升高，释放出的热能使气体 产生成一定比例的压力波，压力波的频率与光源的 斩波频率一致，可通过高灵敏微音器检测压力波的 强度，而压力波的强度又与气体的浓度成比例关系； 光声光谱法的优点是不需要载气、标气，降低了维 护量，检测周期缩短至 1 h 以内，但采用该方法时， 需要解决实际工况中环境有机气体、振动和湿度干 扰等问题。红外光谱和拉曼光谱技术同样具有维护 量小、检测周期短等优点，但红外光谱无法检测氢 气，拉曼光谱也正处于研究阶段，尚未形成成熟的 产品。阵列式气敏传感器可实现多组份气体的同时 检测，但灵敏度尚不确定，且存在交叉敏感问题[30]。 目前油中溶解气体在线监测或离线检测的应 用已覆盖变压器、电抗器、电流互感器、电压互感 器及油纸套管等设备的制造、安装和运行的全寿命 周期监测。油中溶解气体在线监测装置通常存在运 行后准确度不足、稳定性差、元器件耐用性差等问 图 3 紫外图像中图像的量化参数定义 Fig.3 Quantity parameters definition in the UV image 表 3 不同故障类型产生的气体组分 Table 3 Gas components produced by different fault types 故障类型 主要气体组成 次要气体组成 油过热 CH4，C2H4 H2，C2H6 油和纸过热 CH4，C2H4，CO，CO2 H2，C2H6 油纸绝缘中局部放电 H2，CH4，CO C2H2，C2H6，CO2 油中火花放电 H2，C2H2 油中电弧 H2，C2H2 CH4，C2H4，C2H6 油和纸中电弧 H2，C2H2，CO，CO2 CH4，C2H4，C2H6 题，取油回路复杂，一般为多组分监测，成本较高， 可靠性和智能化还需进一步提升，小型化、低成本 的单组分监测技术也亟需突破。 1.4.2 SF6气体状态 六氟化硫(SF6)气体作为开关设备和母线的绝 缘介质得到了广泛的应用。运行设备的 SF6 气体湿 度、分解产物等参数，以及 SF6 的泄漏情况，是判 断设备状态的重要指标。 SF6 气体湿度检测技术包括质量法、电解法、 阻容法和露点法等，其中露点法应用最广。通常采 用 20 ℃情况下水蒸气与 SF6气体体积比值(10−6)作 为水分含量的标准[30]。为了避免受温度限制和吸附 效应的影响，文献[31]提出了基于“吸附势−吸附空 间”特性曲线的不同温度下湿度之间互相换算的公 式，有效摆脱了监测温度的限制。 基于电化学传感器的 SF6 气体分解产物在线监 测，利用被测气体在高温催化剂作用下发生的化学 反应改变传感器的输出信号，从而确定被测气体的 成分及含量，具有检测速度快、数据处理简单等优 点，SO2 和 H2S 检测精度可达±0.5×10−6 ，CO 检测 精度达±2×10−6，但需要解决传感器在不同气体之 间的交叉干扰问题。文献[32]基于气敏元件阵列和 遗传神经网络，为解决交叉敏感问题提供了新思路。 3102 高电压技术 2020, 46(9) SF6泄漏检测主要像利用 SF6光谱特性，在红外 成像仪中可观测到漏点位置及泄漏浓度，从而实现 实时监测，该方法应用广泛，但对红线监测精度要 求较高。文献[33]结合开放式长光路结构和可调谐 激光吸收光谱技术，实现了 GIS 大区域环境下泄漏 SF6 的在线监测，气体体积分数探测下限可达 1.8×10−6 。 SF6 泄漏及气体状态感知技术已广泛应用于运 行设备中气体的质量监督管理、运行设备的状态评 价及设备故障定位等方面，且已发现了多起断路器 水分超标、纯度不足等现象，并推断出吸附剂缺陷、 操纵机构缺陷、悬浮放电及绝缘沿面放电等故障类 型。但由于受吸附剂和灵敏度的影响，该技术较难 发现设备早期故障，目前还主要用于故障定位。 1.5 热学感知技术 过热故障一直是设备运行管理的重要关注点 之一。测温需求比较大的设备有电容器、电抗器和 开关柜等。红外成像方法存在温度监控死区，红外 摄像头往往只能监控外侧部分设备的表面温度，对 内侧设备和设备内部温度无法有效监测。 早期多采用埋设热电偶进行设备局部温度的 监测，但多应用在实验室或厂内，现场应用不便。 近期，小型的芯片温度传感技术已经在开关柜等设 备温度监测中得到了试点应用，温度传感信号和供 电电源合二为一可实现传感器布置的灵活性，正在 逐渐提升其长期运行可靠性，应用前景较广。 近年来，光纤测温技术在变压器绕组温度监 测、电缆隧道监测等方面已有试点应用，其原理为 利用光纤中传输的光波特性参数的改变来实现温度 感知，包括干涉式、光栅、光纤荧光温度传感器等。 光学传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、本质安全 等优点[34]，能够安装至狭小区域。未来，如果光纤 传感技术如果能够和变电设备实现深度融合设计， 进一步提高气长期可靠性，降低成本，将有更为广 阔的应用范围。 2 变电设备新型感知技术与应用趋势 现有的设备传感技术在电网运维状态监测、故 障预警方面发挥了重要作用，提升了设备的运维水 平。但随着电网运行对变电设备可靠性要求的提升， 设备管理向数据化、智能化发展，现有的设备感知 技术还存在以下问题： 1）感知终端安装数量有限，体积大、功耗大、 成本高，导致有效感知数据的数量和全面性不足， 传感器间相互隔离，数据缺乏共享贯通，难以支撑 电网运行管理“全面感知”的应用需求。 2）感知层基础研究不够深入，已有感知方法 得到的传感量无法有效反映设备运行的真实状态， 存在感知盲区。如 GIS 绝缘子沿面闪络故障、套管 故障和有载分接开关(on-load tap-changer，OLTC) 故障，这些故障的原因和机理目前尚不清楚，使得 传感和检测技术的研究缺少针对性，因此需要加强 设备故障机理与有效传感量之间关联关系的研究。 3）感知传感器、装置可靠性及可信性仍然存 在不足，装置检测校验体系还不够完善。 变电设备新型感知技术研究与应用趋势如图 4 所示。结合各类感知新技术的研究现状，从以下 3 个方面介绍目前正在积极研究、亟需提升性能的新 型感知技术，探索其应用策略。 2.1 新型通用传感技术研究 目前感知传感器存在成本高、体积大、安装不 便等问题，需要研究小型化、低成本、安装方便的 感知终端和布置方案，如微型电场、磁场传感器， 从而使电压、电流等通用电气量的检测更加便捷。 2.1.1 微型电场传感技术 传统的介损、局放监测往往需要以一次电压信 号作为参考，通常由互感器或电容式分压得到，不 可避免地存在角差，也需要额外布线。微型电场传 感技术能够在非接触的条件下进行一次电压测量， 可以降低电压测量的成本。 图 4 变电设备新型感知技术研究与应用趋势 Fig.4 New sensing technology and application trend of transformation equipment 李 鹏，毕建刚，于 浩，等：变电设备智能传感与状态感知技术及应用 3103 微机电系统(micro-electro-mechanical system， MEMS)电场传感器具有体积小、空间分辨力高、功 耗低、成本低、易批量生产等优点[35]。图 5 展示了 一种可以用来测量高压直流线路电场的 MEMS 传 感器[36]，可随外部电场的变化而输出交变的感应电 流，再利用低噪声前置放大电路将微弱电流转化为 输出电压信号；文献[37]也提出了磁驱动悬臂梁式 结构电场传感器，功耗可降至 17.75 mW，灵敏度可 达 9.87 mV/(kV·m−1)；文献[38]提出了一种扭转谐振 式 MEMS 电场传感器，提高了微型电场传感器的灵 敏度，在增益电阻为 100 MΩ 的情况下，传感器灵 敏度可到 4.55 mV/(kV·m−1)，其扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)图如图 6 所示。图 7 展示 了一种基于压电效应和压阻效应耦合的复合结构的 高频电压传感器及其频响曲线，图 7(a)所示为其结 构示意图，图 7(b)所示为传感器的相频响应曲线和 幅频响应曲线[39]。MEMS 电场传感器目前主要处于 实验室试验阶段，实际应用还需进一步解决电磁干 扰等关键技术问题。 另外一种方式是利用泡克耳斯效应、克尔效应 等电光效应测量电场，其基本原理是：在外加电场 作用下，透明物质的折射率会发生改变，通过测量 折射率的变化测量电场。基于电光效应的电场传感 器有集成 M-Z 干式和电容分压型光学、全电压型光 学电压传感器，显著特点是无源、动态范围大、频 带宽，但成本相对较高[40]。 微型电压传感器一定程度上解决了电磁干扰、 传输损耗、带宽受限等问题，但目前仍存在检测精 度不高、抗干扰能力较弱等问题，还处在实验室验 证阶段，未来性能提升后，将在非接触式电压测量、 设备状态监测、继电保护、电磁环境测量方面具有 广阔应用前景。 2.1.2 磁阻电流传感技术 磁阻传感器是感知器件的电阻值随所处磁场 变化而变化的一类传感器，其发展历程如图 8 所示， 包括各向异性磁电阻效应(anisotropic magneto resistance, AMR)、巨磁电阻(giant magneto resistance, GMR)和隧道磁阻(tunnel magneto resistance, TMR) 传感器。 GMR 传感器具有体积小、功耗低等特点，理 论带宽达吉赫兹级别，电流测量范围可达千安培级， 精度达 0.1 级。而 TMR 传感器具有更高的灵敏度、 更低的功耗特性和更优良的温度特性[41-45]，电流测 图 5 MEMS 电场传感器敏感芯片感应原理 Fig.5 Induction principle of sensitive chip of MEMS electric field sensor 图 6 传感器芯片的扫描电镜(SEM)图 Fig.6 SEM image of sensor chip 图 7 一种基于压电−压阻耦合的 MEMS 电场传感器 及其频率相应 Fig.7 Piezoelectric-piezoresistive coupling mems sensors and its frequency response 3104 高电压技术 2020, 46(9) 量范围由微安培级至千安培级[46-47]，其理论带宽达 2 GHz[48-49]进一步为电网普遍需求的宽频电流检测 提供了技术基础。文献[50-51]研究了基于 GMR 传 感器的 DC/DC 用和电力系统矩形母线排用电流传 感器，成功检测了带宽为 1 MHz 的电流信号；文献 [52-53]进行了一系列巨磁阻技术的非接触式瞬态、 宽频电流测量应用探索，对变电设备运行状态的宽 频感知具有重要意义。 磁阻电流传感易受到磁芯、线圈漏磁的影响， 为了减少干扰，可采用阵列式磁传感器的方式。文 献[54]通过使用多个磁传感器对通电导线周围空间 的电磁场分布进行测量，然后经过信号处理，实现 了电流的测量。文献[55]基于磁传感器的电流测量， 提出利用磁传感器阵列和卡尔曼滤波算法消除干扰 电流的影响，研究了磁传感器的布置方式，建立了 磁传感器阵列测量大电流的传感器拓扑优化数学模 型。目前，环形阵列传感器电流测量频带可达 1 MHz 以上，精度达 0.1% FS，侧量范围为 0.5 A~1 kA。 环形阵列磁传感器原理及的多因素测量误差模型如 图 9 所示，基于环形磁传感器阵列的电流测量结构 中考虑了串扰、偏心、偏角和阵列初始角对其测量 误差的影响[56-58]，为该传感器的进一步深化应用提 供了理论基础。 目前磁阻电流传感器在变电设备状态感知中 的应用较少，但随着变电物联网的发展，其低功耗、 高灵敏度、高带宽等优势逐渐突显，具备应用潜力。 2.1.3 局部放电空间定位传感技术 目前变电设备局部放电监测系统一般针对单 一设备设计，无法在站域层面满足准确的局放定位 需求，过多的局放传感器布置也会增加维护成本。 基于特高频(ultra high frequency，UHF)传感器阵列 的空间局部放电感知技术正在开展，已进行了 UHF 信号时延精确测量、定位算法、UHF 在变电站传播 特性等方面的研究[59-60]。 文献[61]利用４个天线组成的天线阵列接收特 高频电磁波，并定义三维坐标系对变电站全站范围 内进行局放定位。该团队设计了一种球面锥形结构 的新型特高频传感器，在 500~2 000 MHz 带宽内具 有驻波比低、全向、高灵敏度及群时延一致性好等 特点，方位角误差小于 2°[62]。文献[63]采用了可移 动式 UHF 天线阵列，并对去噪方法、天线阵列优 化布置及定位算法进行了研究。 同时，一些局放定位算法也相继被提出，文献 图 8 磁传感器件技术的发展历程 Fig.8 The development of magnetic sensor technology 图 9 环形阵列磁传感器原理及其多因素测量误差模型 Fig.9 Principle of circular array of magnetic sensors and its multi factor measurement error model [64]将相控阵原理应用到局放定位算法中，能够采 用多重信号分类算法进行信号测向，经过优化，实 现了 2°的测量误差；文献[65]精确估计了到达时间 差(time difference of arrival，TDOA)，实现了 20 m 范围内小于 20 cm 的定位精度；针对多源局部放电， 文献[66]采用了 K 均值法对天线阵列的 TDOA 向量 进行了聚类，实现了多源 UHF 信号的分离，同样 得到了接近单个放电源的定位精度。 空间局部放电传感技术具有快速、高效、准确 等特点，非接触式测量使检测范围更大、更便捷、 更安全，放电可视化也为现场检测人员提供了一种 更直观的检测手段，降低了对操作人员的技术要求， 具有很好的应用前景。 2.2 关键设备典型故障状态感知技术 前面探讨了几种新型的变电设备通用传感技 术。通过对电网公司近 10 年变压器、开关设备运行 情况的分析发现，套管故障、分接开关故障、变压 器绕组短路损坏、GIS 绝缘子缺陷已成为影响变电 设备可靠运行的主要原因，严重影响了电网的安全 稳定运行。现有的感知技术还没有办法对上述典型 故障进行全面感知和提前预警，目前国内一些单位 李 鹏，毕建刚，于 浩，等：变电设备智能传感与状态感知技术及应用 3105 正在针对上述问题开展技术研究。 2.2.1 OLTC 机械故障在线感知装置 有载分接开关(on-load tap-changer，OLTC)是变 压器/换流变压器的唯一可动部件，发挥着稳定电网 电压、增加电网灵活度、改善电能质量等重要功能。 然而，近年来发生的多起由于分接开关故障导致的 变压器故障，造成了严重后果[67]。 分接开关属于高精密机电一体化设备，机械动 作时序和电气可靠性要求高，换流变有载分接开关 动作频次可达 4 000 次/(台·年)。当分接开关机械动 作时序出现偏差、真空灭弧室出现故障时，油室中 会产生特征气体，严重时会造成极间短路，引发换 流变故障起火。目前分接开关油色谱分析还只能进 行停电取油离线分析，无法实现在线监测。而通过 振动传感器可以感知 OLTC 在档位切换过程中的机 械状态信息，目前已得到了国内外相关单位的关注。 图 10 是测得的分接开关振动信号 U，但该信号易受 到现场环境的干扰，需要开展振动特征提取的研 究[68-71]。驱动电机电流信号也可以在一定程度上反 映 OLTC 切换的部分状态信息，再结合振动信号， 可分析 OLTC 相关部件的劣化趋势[72-76]。文献[77] 提出了一种基于卷积神经网络(convolutional neural networks，CNN)的变压器 OLTC 故障识别方法，其 识别流程如图 11 所示，但该方法缺乏换流站现场应 用效果的检验。 分接开关故障主要分机械故障和电气故障，对 其状态监测需要做到动作时序分析精度在毫秒级， 而现有的在线振动监测无论是在检测精度，还是在 故障识别方法方面都存在许多不足。除了振动信号， 仍需要就真空 OLTC 切换过程中各种特征量的感知 特性和传播特性开展研究，针对不同型号分接开关 结构和切换时序，分析其不同的故障特征，进一步 开发出换流变 OLTC 的在线监测装置。 2.2.2 变压器绕组变形在线感知装置 传统的频响法变压器绕组变形检测技术在电 力行业已经普遍应用，但必须停电检测，无法对在 运变压器进行动态监测，迫切需要研发在线绕组变 形监测技术。 一种技术路线是将传统的离线频响法升级为 在线频响法，面临的最大问题是如何在不影响变压 器安全运行的前提条件下向带电运行的绕组注入激 励扫频信号，并测量响应信号。文献[78]利用套管 次屏抽头或者末屏引出线向运行变压器绕组注入扫 图 10 有载分接开关操作机械振动信号波形 Fig.10 Mechanical vibration signal waveform of OLTC operation 图 11 OLTC 故障识别流程图 Fig.11 Flow chart of fault recognition for OLTC 频信号，并且从套管末屏引出线获取响应信号，以 实现在线获取绕组的频响曲线，但该方法改变了末 屏接地方式，存在套管运行风险。文献[79]提出了 一种非侵入式电容传感器，通过该电容传感器以电 场耦合方式向套管内部的高压引线注入激励信号或 测量引线上的响应电压信号来实现信号的测量；文 献[80]又进一步通过该方式向绕组注入脉冲信号， 经过短时 Fourier 变换[81]或连续小波变换[82]得到绕 组的频响曲线。目前，更易于现场安装使用的基于 罗氏线圈的磁耦合信号注入方式正在探索中，同时， 变压器绕组变形在线感知频响信号传播特性、信号 提取及诊断技术的研究也正在开展，有望推动在线 绕组变形感知装置的广泛应用。 另一种技术路线是振动检测分析法。通过对变 压器绕组固有正频率振动分布特性的研究，可得到 3106 高电压技术 2020, 46(9) 振动信号与绕组变形的相关关系，进而实现绕组变 形的在线感知[83-85]。同时，振动指纹概念也被提出， 即对正常运行状态下的振动特征向量，包括铁芯、 绕组振动信号的频谱、功率谱、能量谱等，建立原 始指纹库，通过特征向量的变化感知绕组的故 障[86-87]。由于变压器结构及运行工况十分复杂，变 压器短路后绕组的变形情况多样，因此振动信号传 递分析和指纹故障识别存在较大困难。 此外，基于分布式光纤传感的变压器绕组变形 监测技术可以实现对绕组轻微变形的有效测量，并 可将变形故障精确至绕组线圈饼级[88]，但光纤传感 器在变压器绕组内部的融合设计和可靠性影响限制 了这种技术的推广应用。 2.2.3 高压套管多参量在线感知装置 套管末屏监测技术研究较多，鉴于套管末屏必 须安全接地，运行中容易受到电磁干扰的影响，因此 需要实现传感一体化集成，以解决传统在线监测装置 在对套管末屏改造后不能就近接地和密封不良的问题。 文献[89]通过在末屏接地线上安装高频电流互 感器(high frequency current transformer，HFCT)、特 高频电流互感器(ultra high frequency current transformer，UHFCT)和介损电流互感器一体化的传感 器，实现了高压套管局部放电和介质损耗的一体化 传感和测量。文献[90]将局部放电、雷电过电压、 工频泄漏电流传感器集成在同轴圆柱外壳内，实现 了多种套管状态的感知。 目前，套管监测正在完善多功能一体化设计， 可以对工频、高频信号进行同步测量，分析介损、 电容量、压力和局放信号，实现对套管典型缺陷故 障的提前预警。对套管进行单一组分气体监测的技 术也在研究中，随着相关技术的不断完善，可以有 效提升套管类设备的运行管控水平。 2.2.4 GIS 绝缘子沿面缺陷状态感知系统 GIS 绝缘子缺陷监测一直是 GIS 研究领域的热 点和难点，已经开展了大量绝缘子表面金属微粒闪 络特性和局放特性的研究。文献[91]在实验室建立 了灵敏度可达 0.02 pC 的综合局放测量和运动观测 系统，观测获得了 GIS 绝缘子表面不同数量亚毫米 级金属颗粒的运动特性和放电特性。文献[92]建立 了 GIS 绝缘子表面金属颗粒运动和高灵敏脉冲电流 局放观测实验平台，如图 12 所示，实验观测到运行 工况下金属颗粒运动诱发沿面闪络的现象，并观测 到其局放发展过程。 图 12 126 kV GIS 实验装置结构 Fig.12 Structure of 126 kV GIS test device GIS 绝缘子缺陷监测技术实际应用较少，效果 不明显。后续亟需结合实际故障案例，深入研究不 同绝缘子表面微粒的运动、放电、闪络特性和试验 技术，找出故障诱因，研究绝缘劣化过程与声、电、 光、热等传感量的关联关系及检测有效性，开发适 用于 GIS 绝缘子缺陷检测的传感技术。 2.3 感知传感器及装置性能提升及检测校验技术 随着变电设备感知终端的大量部署，感知数据 已经成为主设备状态评价的重要依据，传感装置的 可靠性及有效性也已成为变电设备安全运行管控的 重要基础。一方面，在设计上，传感器要强化需要 全周期全要素的可靠性设计，加强可靠性数据收集； 另一方面，在检测上，传感器要突出场景性能的校 验，需要根据传感器应用中存在的问题，加强感知 装置的针对性性能检测验证。 2.3.1 可靠性设计 传感器的可靠性对电力设备状态感知成效至 关重要，根据现有应用经验，传感器仍然存在一致 性、稳定性、可靠性差的问题。已投入使用的传感 器存在着误报警、数据漂移、故障率高等突出问题。 电力系统应用环境复杂，除了一般传感器面临的自 然环境问题(温度、湿度、紫外、高海拔等)，还面 临着电力应用特有的电磁环境问题。同时传感器复 杂度和智能化程度日益增加，主设备故障危害后果 严重，对传感器的可靠性要求更高。 设计是传感器可靠性管理的基础，传感器可靠 性受到材料、工艺、环境等多方面因素的影响，考 虑到主设备安全监控要求高，设备传感器在设计上 李 鹏，毕建刚，于 浩，等：变电设备智能传感与状态感知技术及应用 3107 要进一步提升可靠性要求，充分考虑健壮设计、冗 余设计、容错设计、简化设计、环境适应设计和电 磁兼容设计等。 传感器可靠性设计理念需贯穿整个产品周期， 在方案设计阶段，要充分收集同类传感器的运行情 况和可靠性数据，根据电力设备功能需求和环境特 点，进行针对性的评估和设计；在装置研制阶段， 要开展功能性试验和环境试验，分析研制试验数据， 找出薄弱环节，不断改进；在设计定型或确认时， 除了定型试验，也应开展加速寿命试验，评估传感 器可靠性水平是否达到要求；在批量生产时，要持 续监控制造过程和出厂试验数据，确保传感器可靠 性和工艺水平稳定；在应用阶段，还应结合使用环 境，广泛收集应用效果，持续改进传感器设计和制 造工艺，不断提升传感器的长期运行可靠性。 2.3.2 性能检测校验 为了保证设备传感器的长期可靠性，电力用户 需要对应用的传感器进行性能检验。针对电力设备 状态检修及在线监测装置，目前中国电科院已经建 立了一系列检测标准，相应实验室已具备全面检测 能力。重点针对环境适应性、通信协议、电磁兼容 特性、性能参数等进行测试。但是，针对输变电物 联网传感器，特别是无源无线、低功耗传感器和汇 聚节点，还需建立并完善取电性能、电池性能、低 功耗特性、组网及通讯一致性等检测验证平台和测 试规范。鉴于此，中国电科院已实施物联网传感器 性能检测平台扩建计划，平台框架如图 13 所示。 3 展望 随着能源互联网建设的不断推进，电网资产和 业务不断数据化，电网运行决策日趋精益化，输变 电设备运维日趋智能化。在传统在线监测技术提升 性能的同时，新型感知技术也在加速发展。可以看 到，一方面，物联网技术正逐渐与电力设备状态感 知技术深度融合，形成全方位、多维度的感知体系， 提升了设备的现场感知能力；另一方面，随着感知 数据的积累和智能传感器的大量推广，设备感知数 据不断积累完善，大数据与人工智能技术在设备状 态分析中将会得到深化应用，设备管理的智能化水 平将得到有效提升。 3.1 基于物联网的设备本体智能化感知体系 在设备本体自身感知方面，依托各类设备状态 传感器、在线监测装置等，可构建电网设备物联网 系统，实现设备信息互联互通，系统结构如图 14 所示。建立带电检测和在线监测技术标准体系，建 立统一的数据模型，实现设备识别、状态感知、状 图 13 物联网传感器性能检测平台框架 Fig.13 Construction framework of sensor performance testing platform in the Internet of things 图 14 基于物联网的变电设备智能化感知系统 Fig.14 Intelligent perception system of transformation equipment based on internet of things 3108 高电压技术 2020, 46(9) 态分析无缝衔接，从而为管控系统全面设备状态分 析提供技术基础。 传感器与设备本体一体化融合设计成为发展 趋势。变电站重要设备如变压器、开关设备等在设 计时，在器身预留传感窗口或内置高可靠性传感器， 可提升设备的自感知、自诊断能力，实现设备状态 的可知、可控。根据电力设备重要程度进行智能化 分级，分别针对“海量”、“常用”、“主要”设备标 准化典型设计需求，推行设备模块化设计，可大幅降 低物联网传感器大量部署所带来的检修工作难度。 同时，设备感知与传感装置向全面感知、低功 耗、模块化、标准化、安全高效通信和高可靠性发 展。设备的全面感知包括自身运行状态感知、环境 感知、空间感知、实时感知等全方位感知能力。随 着 MEMS 传感器的发展，其低功耗、模块化、低成 本优势将会使其在电力系统中得到广泛应用。 3.2 基于智能装备的立体巡检体系 除了设备本体感知技术外，基于站内其他面向 非单一设备的智能巡检装置也成为变电设备智能感 知体系中的一个重要组成部分。 搭载红外热像仪、可见光采集、声学传感等感 知设备的巡检机器人，在集成综合导航、机器视觉、 机械性能、电磁兼容性及续航方面都取得了长足进 步，显著提高了机器人巡检的稳定性和数据采集质 量，正逐步在电力系统中得到推广应用[93]。随着巡 检机器人数量及数据量的不断增加，对智能化分析 算法提出了更高的要求，采用自充电的方式还存在 一定的风险，自主导航及定位也还需要进一步突破。 未来，应建立基于智能装备的立体巡检体系， 应用直升机、无人机、巡检机器人等智能装备，开 展多维度线路、变电站立体化巡检工作，建立巡检 数据中心，实时/定期接入管控系统，实现日常巡检 工作无人化，巡检信息收集自动化，巡检结果处理 智能化，从而逐步减少甚至替代传统人工巡视。 3.3 基于人工智能及大数据的决策体系 由于设备故障机理复杂、运行环境多样，针对 不同设备的差异性难以建立完善、精确、统一的评 估和诊断模型。感知装置积累的海量状态数据，若 采用专家人工进行分析诊断，则效率将无法得到保 障[94-95]。人工智能及大数据技术为突破变电设备状 态感知瓶颈带来了全新的解决思路和技术手段。 文献[96]研究了基于大数据挖据分析的设备评 估诊断，运检大数据规划建模技术，及数据跨平台 抓取与异构数据量化融合转换技术等，总结了大数 据关键技术及研究思路；文献[97]针对电力变压器 状态检修，总结了基于人工智能驱动的分析技术应 用，充分说明专家系统、不确定性推理、机器学习 及智能优化计算技术，能够在多源异构数据的处理 与挖掘、全面准确的运行状态评估与预测以及综合 检修决策的建模与优化等应用场景发挥重要作用； 文献[98]回顾了人工智能在输变电设备运维检修业 务中的关键技术和应用现状，总结了各类典型运维 场景中的人工智能应用进展与困难。 在电网业务人工智能辅助决策中，诸多问题仍 需解决。数据质量、壁垒、不均衡问题突出，缺乏 统一标准的感知数据管理流程[96]。通过大、云、物、 移、智、链等信息技术，强化管控平台信息集成、 数据分析及信息流转能力，建立基于管控平台的生 产指挥决策体系，可以实时掌握设备状态，全面管 控运检资源，实现决策指令、现场信息在运检管控 中心和生产现场实时交互，从而大幅提高运检指挥 决策与现场执行效率。通过云边协同，提高边缘计 算能力，实现数据的实时、动态分析和优化控制。 采用差异化保护策略、危机缺陷就地处理，最终形 成资源协同、数据协同和业务协同的局面。 3.4 智能传感器性能检测校验体系 电力系统智能传感器的使用环境严酷，大大提 高了对其性能和可靠性的要求，为保证感知设备及 装置感知的有效性及准确性，需开展检测性能、取电 性能、可靠性、通信一致性等一系列性能测试工作。 但是，多数电力智能传感器无法沿用已发布的 在线监测装置检测标准，智能传感器标准体系仍需 完善；智能传感器种类繁多，检测项目繁杂，检测 效率无法得到保证，检测流程需要更加自动化、智 能化；检测环境需贴近应用场景，可通过真型变电设 备试验平台模拟实际运行条件下的典型缺陷，从而验 证变电设备物联网技术各个功能模块的有效性。 完善感知装置检测标准体系，完善完整的可靠 性评估与试验方法，实现智能传感器检测校验，全 面建设实验室检测能力，是提升状态感知性能的必 然趋势。 4 结论 当前电网规模不断扩大，设备可靠性要求不断 提升，运维人力投入总量受限，资产管理效益要求 越来越高，变电设备状态感知策略在不断发展演变， 李 鹏，毕建刚，于 浩，等：变电设备智能传感与状态感知技术及应用 3109 各类感知技术也不断扩展，逐渐向电力应用场景全 面覆盖方向发展。通过本文的研究，得到以下结论： 1）电、声、光、化、热等物理量的感知技术 在电网设备运维已广泛应用多年，设备感知系统的 安全性、可靠性、稳定性直接影响着设备运维策略 的有效性。目前各类传感技术应用繁多，效果参差 不齐，变电设备故障频发，智能传感技术有广阔的 应用需求和发展前景。 2）现有的设备感知终端安装数量总体有限， 传感器间数据缺乏共享贯通，装置功耗大、成本高、 可靠性不高，感知层基础研究不够深入，难以支撑 电网运行管理“全面感知”的应用需求。 3）传感器与设备本体一体化融合设计成为发 展趋势，感知装置向全面感知、低功耗、模块化、 标准化、安全高效通信和高可靠性发展。融合无人 机、机器人等智能装备的巡检技术，将和一体化的设 备传感一起形成设备的全方位、立体智能感知体系。 4）针对电网设备安全管控、效益提升等多元 综合目标，基于统一数据平台，采用云边协同、人 工智能算法的设备运维决策体系成为发展方向。新 一代设备智能管控体系应满足设备状态的全面感 知、业务数据的相互贯通、信息传输的安全高效、 运行风险的主动预警等应用需求，实现多目标优化 下的设备管理智能决策。