基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究0302讲解.docx
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基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究0302讲解
中国南方电网有限责任公司科技项目
申请书及可行性研究报告
项目名称：
基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究
申请单位：
起止时间：
2015.3——2017.3
项目负责人：
联系电话：
申请日期：
填写说明
一、请严格按照要求填写各项。
二、专业类别根据项目所属专业种类中选择。
三、项目摘要应简要说明项目研究内容和预期成果，字数要求500字以内。
四、项目申请单位指提出项目建议与申请的单位或部门，如总部各部门、直属机构、各分子公司及其所属基层单位等。
五、项目分工应主要描述项目申请单位与协作单位的任务划分，项目计划进度安排应按时间段列出研究推进计划，并明确各阶段交付物及标志性里程。
六、科技经费预算支出科目具体解释见附件2。
七、科技成果的成熟度水平评判标准见附件3。
项目简表
项目名称
基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究
项目
负
责
人
姓名
工作单位
性别
年龄
项
目
分
类
[]基础性研究
[]前瞻性研究
[√]应用性研究
[]发电技术[]输电技术[]变电技术
[√]配电网技术[]用电技术[]电网运行技术
[]信息技术[]通信技术[]物资管理技术
[]电网建设[]继保自动化[]其它
项目起止时间
2015年3月——2017年3月
申请经费总额
600
是否重点项目
是
对配电网设备进行在线监测和实施状态检修，可以提高供电可靠性，大幅度降低定期检修所耗费的巨大人力、物力成本。
近年来，电网公司针对配电网设备在线监测问题已建成了配电网设备运维基层平台，运行单位逐步结合巡检开展了状态监测，对实施配电网设备在线监测和健康状态评估起到了积极作用。
但仍然缺乏一个能够实时智能通讯的平台对配电网设备进行数据收集、实时监测和数据分析，对配电网运行状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型体系的研究也较少。
并未真正实现配电网设备的在线监测与优化管理。
因此，本项目拟应用云计算技术，以配电网设备振荡波局放检测、超声波与地电波检测、红外测温检测为基础，研究开发配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台，最终实现对配电网设备的数据收集、实时监测、大数据分析、状态评估、故障诊断和一终端可移动检测等功能，为配电网设备的在线监测与优化管理提供技术支持。
项目的实施，对提高电网公司配电网设备的供电可靠性和管理水平、保证电网安全、稳定、经济运行，具有重要的理论和实际意义。
研究成果可推广应用于电网公司各地、市电网。
预期成果成熟度水平
8级（1-9级）
项目负责人意见：
（签字）年月日
申请单位意见：
（公章）年月日
总部部门、直属机构、分子公司意见：
（公章）年月日
项目分工与计划进度安排
1、项目相关单位及具体分工
单位
具体分工
项目申请单位
协作单位1
协作单位2
协作单位3
2、计划进度安排
任务名称
开始时间
完成时间
主要内容及交付项
配电网检测装置通讯方式研究
2015.3
2015.6
对局内目前使用的主要厂家的检测装置进行调研，制订配电网设备综合检测终端与检测装置间的数据通讯接口，接口方式拟采用WIFI或USB接口方式；针对多种检测方式，可考虑增加检测装置数据转换接口。
对配电网检测装置通讯方式进行深入研究，最终提交配电网检测装置通讯设计报告。
配电网检测装置数据分析算法研究
2015.7
2015.8
对相对成熟稳定的数据分析算法进行深入研究，并集成于智能检测终端应用中。
配电网综合智能检测终端应用研发
2015.9
2015.11
对检测终端应用的数据结构、界面UI、功能架构进行设计，配电网综合智能检测终端将基于Windows平台进行研发，拟研发基本功能包括检测类型管理、检测基本参数管理、数据管理、诊断分析、规范标准查询。
带电检测与停电试验数据接入的研究
2015.12
2016.2
对平台和检测设备之间的通讯方式、数据传输速度的优化等课题将要做专门研究。
满足检测大数据量通信速率；自动化的处理信道冲突：
实现通信系统封闭性，保证数据安全。
数据模式识别的研究
2016.3
2016.5
选用支持向量机分类模型识别超声波局部放电，在前期采集的数据中选取合适的训练集和测试集，采用不同的核函数及参数结合训练集对支持向量机建模，并对已建好的模型利用测试集进行测试，比较各核函数的优劣，选择最佳的核函数：
基于控薪函援术实现红外测温图形智能识别应用。
基于统计分析算法的规范标准值研究
2016.6
2016.7
借助于正态分布、对数正态分布、威布尔分布及指数分布等统计分布曲线，拟合已有历史数据，并评估出设备的局放状态分界点和相关阀值等标准参数。
开关柜局放放电超声波检测技术应用
2016.8
2016.9
利用语音处理技术对音频信号进行处理，提取表征局部放电的语音特征参数，选取最佳的特征参数组合，作为局部放电音频信号的特征向量，提高局部放电检测效率。
基于支持向量机和数据库的局放识别算法应用
2016.10
2016.11
利用已有的数据，提取特征参数组成特征向量，建立合适的支持向量机分类模型，新晋检测数据加入到数据库中反哺支持向量机分类模型。
在此基础上的局放识别系统，可以及时反映开关柜的局放情况并予以专家评估，便于电力试验工作人员综合分析开关柜的绝缘状况。
基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究
2016.12
2017.1
通过无线网络实现带电检测数据，试验数据的采集、管理，建立诊断知识库、应用各类诊断算法，对相关数据进行分析应用，提供数据交互与共享功能，实现经验共享。
平台包括数据中心模块、带电检测模块、综合诊断模块、知识库管理模块、统计分析模块等功能。
编制结题报告
2017.2
2017.3
编制结题报告，准备结题材料。
编写要求：
1.列出分时间段计划研究内容；
2.分时间段提供成果的内容和形式，要求具有可检查性。
项目组成人员情况
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
张镱议
30
博士
广西大学
系统总体设计
韦化
60
副校长
广西大学
理论分析
祝云
40
博士
广西大学
系统分析
李滨
38
副教授
广西大学
建模及算法
李佩杰
32
副教授
广西大学
算法分析
陈碧云
38
副教授
广西大学
算法分析
阳育德
42
副教授
广西大学
建模及算法
张弛
41
工程师
广西大学
数据接口
白晓清
45
副教授
广西大学
数据结构
黎静华
32
教授
广西大学
算法分析
李如琦
55
教授
广西大学
算法分析
一、目的和意义
1.与项目研究内容紧密相关的公司实际生产力水平和今后的发展方向
长期以来，电力企业一直沿用低效的“到期必修”的预防性试验（即定期检修制度）对配电网网设备进行检修，造成了应修隐患设备漏检修，影响了其技术性能和使用寿命，严重的情况下会造成故障或事故，影响供电可靠性；更多的设备不该检修时安排停电检修，从而造成了人力、物力和财力的浪费。
近年来，随着配电网网规模的快速发展以及配电网设备质量要求的迅速提升，配电网设备的定期检修制度已不适应电网及设备的管理要求。
针对不同设备的具体情况，充分利用配电网设备在线监测系统、巡检、各种试验、检修辅助决策系统等手段，开展科学的配电网网监测和故障诊断势在必行。
针对配电网设备状态监测和故障诊断问题，近年来，电网公司已建成了配电网设备运维基层平台，运行单位逐步结合巡检开展了状态监测，分别覆盖设备管理从建设、运维、检修、监测与监控等各个环节的业务。
虽然信息化建设开发的运维基层平台对配电网设备监测和故障诊断起到了积极作用，但也暴露出以下方面问题：
（1）缺乏专门针对配电网设备健康状态移动检测与诊断技术相结合的数据平台，设备健康状态的总体诊断与评价不够。
目前，运行单位逐步结合巡视开展了状态监测，从设备管理、建设、运维、检修、监测与监控等各个环节，已收集了大量的配电网设备相关数据。
但针对配电网设备健康状态监测的数据研究的专业化不强，缺乏大数据整合分析、健康诊断、状态评价的平台，数据分类还很薄弱，缺乏从状态评价需要的高度进行专项开发，特别是对不同类别，不同单位设备共性、普遍性的东西考虑较少，缺乏整体研究和描述，更没有专家诊断方法的研究与应用。
而且，缺乏一个能够实时智能通讯的“云计算平台”对配电网设备进行数据收集、实时监测、大数据分析、状态评估、故障诊断和一终端可移动检测（一个可移动终端可以实施多个设备的操作）。
（2）配电网设备状态数据信息模型有待建设
目前还没有建立基于配电网设备状态的数据信息模型，仍需要建立配电网运行状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型，提出配电网设备状态、风险、经济等多维度的科学评价方法。
难以通过计算机系统实现各类设备数据的统计分析、状态评估、故障预测等高级应用功能。
因此，有必要开发一套配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台，并在电网公司进行应用，以提高电网公司配电网设备的管理水平以及经济效益。
2.项目成果对现状和技术发展的作用
基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究研究，主要分为两个课题。
课题一，建立“云计算平台”研发智能终端应用，实现一个移动终端对多种检测装置进行数据采集，进行数据控制；课题二，搭建配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台研究（以下简称平台）。
平台系统基于4G网络传输技术，具备检测与试验数据采集，储存，分析，诊断，管理等功能。
项目以配电网设备振动波局放检测、超声波与地电波检测、红外测温检测为基础，构建“云计算平台”最终实现对配电网设备进行数据收集、实时监测、大数据分析、状态评估、故障诊断和一终端可移动检测等功能。
项目成果可以实现配电网设备数据收集、数据储存，在线监测，故障诊断，设备集成管理等功能，为配电网设备的状态检修工作提供技术支持，从而提升电力企业的经济效益。
3.成果应用和推广的途径
电网公司已建成了配电网设备运维基层平台，并已开展了配电网设备的状态监测，具有了一定的成果应用条件。
因此，该项目的成果将首先应用于当地供电局，进而推广至电网公司的各个市县局，最后在南方电网公司内进行全面推广。
4.成果推广后的直接和间接效益
直接经济效益：
美国电科院研究表明，实施配电网设备的状态监测、在线故障诊断、状态检修后，与传统的定期、巡视检修相比，可以提高配电网设备管理的经济效益20-30%。
保守估计配电网设备在运行寿命内用于设备检修的费用约为配电网设备购置费用的2倍。
那么电网公司实施配电网设备状态检测和状态检修后，可以得到保守估计的直接经济效益总量为：
电网公司配电网设备的购置费220%。
间接经济效益：
（1）停电预试的经济损失
按照10kV开关柜6年一次停电预试来平均预估配电网设备停电预试验的经济损失。
当地供电局所有配电网设备2013年大约有2000次停电。
假设每次因停电转检修而少送的电量平均为6000千瓦时，以平均电价1.2元/千瓦时计算，2013年电费损失6000×2000×1.2＝1440万元。
（2）配电网设备故障损失和费用
若不能及时监测配电网设备状态导致配电网设备发生故障，也会发生停电损失和设备修复损失。
按照发生故障后造成停电损失，以及查找故障点、更换设备、试验以及送电操作需要人力物力来估计。
根据故障统计数据可知，10kV配网故障停电时间占平均用户停电时间的60%以上。
若按此比例进行配电网设备故障损失估计，则可得当地供电局配电网设备故障停电导致的电费损失为960（1440×60%）万元。
（3）停电导致的社会经济损失
2014年当地GDP属于GDP较高城市。
根据经验可知，GDP较高城市中，社会因停电产生的损失约为预试停电和故障停电导致的电费损失之和的10倍。
因此配电网设备停电所导致的社会经济损失约为22000（2200×10）万元。
（4）间接经济效益：
科学有效的评估配电网设备的健康状态，采用新型的带电测试设备进行检测，能够减少故障和预试的停电时间，从而获得重大的经济效益。
若保守估计采用本项目成果后，可减少50%的社会经济损失。
根据经验可知，GDP较高城市中，社会因停电产生的损失约为预试停电和故障停电导致的电费损失之和的10倍，那么本项目成果在当地供电局进行全面应用后，一年的间接经济效益为1.1（2.2×50%）亿元。
二、项目研究的背景
1.国内外研究水平的现状和发展趋势
国内电力企业一直沿用“到期必修”的预防性试验（即定期检修制度）对配电网网设备进行检修，造成了应修隐患设备漏检修，影响了其技术性能和使用寿命，严重的情况下会造成故障或事故，影响供电可靠性；更多的设备不该检修时安排停电检修，从而造成了人力、物力和财力的浪费。
近年来，随着配电网网规模的快速发展以及配电网设备质量要求的迅速提升，配电网设备的定期检修制度已不适应电网及设备的管理要求。
针对不同设备的具体情况，充分利用配电网设备在线监测系统、巡检、各种试验、检修辅助决策系统等手段，开展科学的配电网网监测和故障诊断势在必行。
国内外不少研究机构对配电网设备的在线监测和故障诊断开始了积极的研究。
1970年开始，美国的杜邦公司（I．D．Ouinn）就首先提出了配电网设备状态检修概念。
八十年代开始，日本和许多欧洲国家都开始了对检修体制的改革，其发展趋势均为状态检修。
例如IntegratedMaintenanceSystem软件系统，就应用了Intranet、Internet和GIS（地理信息系统）等新型计算机技术，较为明显地改变和提高了配电网设备的监督管理水平。
但是国外在局部放电在线监测和集成化管理、设备健康状态监测集成化平台化的研究较少。
在国内，河北、山东、浙江、江苏、湖北等电力公司开展了配电网设备状态检修试点工作，支撑和推动了当地的配电网网设备状态检修工作。
福建省内部分城市开展了一些配电网网设备状态检修的初步工作，但总体水平相对滞后，处于起步阶段。
目前全国已全面启动了配网状态检修工作，已建立起较为完善的配网状态检修管理体系、技术体系和执行体系。
2011年，浙江金华公司、山东青岛公司、江苏无锡公司、河北邢台公司、湖北荆州公司成为了五个首批配网状态检修试点单位，目前已全部通过验收，为实现设备检修机制的根本转变奠定了较好的基础。
配电网网状态检修大大改善了设备健康状况，提升了配网精益生产管理水平，未来几年将会有很大的发展前景。
测试配电网设备的局部放电是当前对配电网设备进行状态监测和故障诊断的首选方法。
配电网设备在长期运行中必然存在电的、热的、化学的及异常状况下形成的绝缘劣化，导致电气绝缘强度降低，甚至发生故障。
近年来许多配电网网突发事故，多是由于配电网设备局部放电所致。
因此研究测试配电网设备的局部放电特征是目前预防电气设备故障的一种最佳方法。
目前，为获取配电网设备的绝缘信息，通常进行离线的周期性试验。
由于检测是在停电状态下进行的，因而无法展现绝缘状态在电场、热场和机械应力作用下发生渐变而劣化的过程，因而不能对配电网设备的维护检修提供合理的建议，造成了大量的人力、物力和财力的浪费，甚至造成误判，形成大的停电事故。
为弥补周期性试验的缺陷，新近发展起来的在线监测方法已受到国内外研究人员和工程技术人员的重视。
了解局部放电发射能量的方式能够为局部放电在线监测新方法提供技术支持。
研究表明，局部放电采用下列方式发射能量：
①电磁能量：
无线电波、光、热；②声能：
声音、超声波；③气体：
臭氧、氮氧化物。
因此，局部放电检测按检测的物理量性质分有电检测法和非电检测法。
根据局部放电过程中所产生的各种放电现象，相应的出现了基于电磁波产生的瞬时接地电压检测法、超声波检测法、光测法、红外检测法、化学检测法、射频检测法等检测方法，并初步在电网中进行了应用。
但是，由于局部放电检测技术受到现场噪音的影响比较大，难免出现误判的情况。
因此有必要研究综合超声波，地电波，红外，振荡波，超高频等多种检测方式的局部放电故障诊断方法，在不停电的情况下监测到配电网设备的健康状况，及早发现带病运行的设备，实现配电网设备的在线监测和故障诊断。
由上述分析可知，在现阶段进行配电网设备的局部放电测试需要检修人员同时利用多个设备进行操作，对检修人员的专业操作水平要求高，而且由于配电网设备众多，检修人员需要进行检修的工作量大，检修工作总行程公里数非常大。
而且，目前对配电网设备健康状态进行监测没有建立统一的存储和分析平台，供电企业之间一般采用移动储存设备等方式进行所需计算数据的传送。
该方法存在着数据占用空间大、传送效率低、不易进行数据管理、无法进行资源共享等诸多不足。
同时，对上报的数据，需要花费大量人力进行手动校核、录入等工作，工作效率不高。
随着电网的不断发展，迫切要求配电网设备状态监测和故障诊断由单人单设备多次工作模式向智能综合系统工作的模式转变。
“云计算”（CloudComputing）是一种高可靠、高性能且绿色经济的新型计算模式，是实现集中建设、集中管理、全局应用要求的创新道路。
它可根据客户需要伸缩，通过网络进行访问和使用的计算资源的共享池（例如，网络，服务器，存储，应用程序服务）。
它还用最少的管理付出以及与服务供应方在最少的交互，实现了将各种计算资源迅速动态的配置、部署、使用、释放等工作。
在此基础上，云计算使建设与运行维护工作集中到数据中心端，并将软、硬件进行大量虚拟化操作，由此带来的创新建设和管理模式将极大减少相关人力资源的使用量与电力、场地、安保等方面的消耗，带来长远的经济效益。
同时，云计算作为计算服务网络分发的新模式，改变了传统C/S模式带来难于维护、难以远程协作等弊端，也避免了B/S模式漏洞百出之不足，大大简化了基于云计算架构的大规模协同工作软件开发，提高了运行性能及用户体验。
因此应用云计算技术，以配电网设备振动波局放检测、超声波与地电波检测、红外测温检测为基础，研究开发配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台，最终实现对配电网设备进行数据收集、实时监测、大数据分析、状态评估、故障诊断和一终端可移动检测等功能，对于提高电网运行的经济性，实现节能降耗具有非常重要的意义。
同时，该“云”平台低运行成本，低管理成本，高可靠性能和极佳的二次拓展性能使本项目具有极高的性价比。
综上所述，创新性地进行配电网设备状态监测与故障诊断“云”平台的开发，可以为配电网设备的状态检修工作提供技术支持，从而极大地提高电力企业的经济效益。
2.国外研究机构对本项目的研究情况
国外不少研究机构对配电网设备的在线监测和故障诊断开始了积极的研究。
1970年开始，美国的杜邦公司（I．D．Ouinn）就首先提出了配电网设备状态检修概念。
八十年代开始，日本和许多欧洲国家都开始了对检修体制的改革，其发展趋势均为状态检修。
例如IntegratedMaintenanceSystem软件系统，就应用了Intranet、Internet和GIS（地理信息系统）等新型计算机技术，较为明显地改变和提高了配电网设备的监督管理水平。
但是国外在局部放电在线监测和集成化管理、设备健康状态监测集成化平台化的研究较少。
虽然美国和日本对“云计算”政府信息平台建设进行了大规模的投资，但尚未有基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究的研究见于报道。
3.国内研究机构对本项目的研究情况
在国内，河北、山东、浙江、江苏、湖北等电力公司开展了配电网设备状态检修试点工作，支撑和推动了当地的配电网网设备状态检修工作。
福建省内部分城市开展了一些配电网网设备状态检修的初步工作，但总体水平相对滞后，处于起步阶段。
目前还没有建立基于配电网设备状态的数据信息模型，需要建立一套关于配电网运行状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型体系，提出配电网设备安装状态、风险、经济等多维度的科学评价方法。
在局部放电在线监测和集成化管理、设备健康状态监测集成化平台化方面的研究较少。
尚未有基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究的研究见于报道。
4.项目研究的技术关键与难点
（1）与电网公司现有的检测设备数据通讯
项目在多种装置通讯方式的解析上，面临着多种检测方式、检测装置、厂家、通讯协议，造成在多种检测通讯方式解析过程中较大的工作量，同时，由于各厂家协议开发程度不同，又给各通讯方式解析带来了一点困难。
在项目实施过程中，本项目会与各检测装置厂家进行技术交流，保证各仪器检测通讯方式的统一，减低通讯方式解析风险。
（2）各类检测数据算法的解析
由于本身项目设计的算法的跨专业性与集成性，需要对各类检测算法进行深入分析，因此本项目的具体实施过程，需要和有一定研发能力、有配电网设备检测经验的厂家合作完成，保证各类检测算法的有效性，避免智能检测终端，仅完成数据采集，而无法进行数据高级分析的处境。
（3）诊断技术模型的建立
诊断技术模型的建立包括研建立配电网设备健康状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型，提出配电网设备按照状态、风险、经济等多维度进行评估的科学评价方法。
1）配电网设备健康状态评估模型的建立
针对配电网设备特点，建立基于配电网线路的数据模型，将地理信息、设备位置、设备台帐、健康状态检测数据等进行集中呈现，统一调度；并对设备的状态进行状态、风险评估。
2）配电网设备健康状态多维度评估方法的研究
配电网设备的运行可靠性有了很大提高，但随着社会生产的不断发展，负荷的不断增加，设备故障也时有发生。
为了更好的保证配电网设备安全可靠的运行，结合各类分析模型与分析方法，对配电网设备在状态、风险、经济等多个角度进行评估。
（4）“云平台”信息系统开发
云系统开发涉及到通讯协同、虚拟桌面、数据存储、计算服务、系统维护、数据汇总、大数据分析、算法管理、权限管理、基本信息维护、软硬件协同开发、云计算平台监控等关键技术，涉及的技术面广、所需投资大、开发时间长、开发难度大。
三、项目申请单位具备的研究基础和条件
编写要求：
1.项目负责人的情况介绍，专业、特长、工作量和在本项目中的作用；
2.项目申请单位在相关研究领域曾开展的工作、曾取得的科研成果、曾获得的荣誉；
3.项目申请单位在相关研究领域已有的软硬件平台、理论研究环境、实验室条件等。
项目申请单位……
项目协作单位——广西西大优能电气科技有限公司，成立于2014年10月，注册资本1050万元，前身是具有30余年历史的广西大学电力系统最优化研究所。
公司主要从事电力系统最优运行及相关技术研发与工程应用，涉及：
在线最优潮流、水火电力系统最优潮流、满足互联电网CPS新标准的最优AGC控制、电力系统最优稳定控制、电力系统运行极限、电压稳定、状态估计、无功优化、基于Internet的新一代县级电网调度自动化技术、配电网网自动化、智能电网与新能源开发、发电厂经济调度、并行与分布计算技术等。
依托广西大学多学科综合优势，公司组建了一支由教授、博士以及年轻教师、工程师构成的专业化队伍。
公司现有员工97人，其中教授2名，副教授5名，博士15人，硕士78人。
公司依托广西大学建立的研发中心拥有RTDS实时数字仿真器，电力云计算平台，电网调度自动化实时仿真与在线监控一体化平台，电力系统高级应用软件开
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