變壓器絕緣綜合在線監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測對于保障其安全、減少維修、提高管理化水平有著重要的意義。研制了一套多參數(shù)的變壓器絕緣綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠獲取反映變壓器絕緣狀態(tài)的局部放電、鐵芯接地電流和介質(zhì)損耗三種重要參數(shù)，進(jìn)行分析和處理。開發(fā)出的設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)能夠?qū)ψ儔浩鞯脑O(shè)計(jì)和運(yùn)行等參數(shù)進(jìn)行管理，并易于擴(kuò)展其他參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，有助于對變電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評估，適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：變壓器；局部放電；鐵芯接地、介質(zhì)損耗；在線監(jiān)測；狀態(tài)評估

中圖分類號：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0117-03

大型輸變電設(shè)備的故障不僅會因自身維修而帶來經(jīng)濟(jì)損失，而且會造成停電等事故，引起更大的損失。以往一直采用定期預(yù)防性試驗(yàn)、故障后維修策略，[1]存在著不能及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障等缺點(diǎn)，而狀態(tài)檢測、預(yù)測性維修可彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，狀態(tài)檢修的維修時間是根據(jù)設(shè)備的歷史狀態(tài)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)而加以確定的，[2]所以它是建立在大型電力設(shè)備的在線監(jiān)測基礎(chǔ)之上的。美國、日本等國外許多電力公司從20世紀(jì)70年代就開始研究并推廣應(yīng)用變電設(shè)備絕緣在線監(jiān)測技術(shù)，并將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)作為評判設(shè)備狀態(tài)的重要依據(jù)，為狀態(tài)檢修提供指導(dǎo)。[3]例如美國電力科學(xué)研究院（EPRI）開展的一些狀態(tài)檢修工作中有統(tǒng)一的軟件監(jiān)測平臺進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)管理。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始，一些高校和研究機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行在線監(jiān)測技術(shù)的研究，并得到了迅速發(fā)展。[4]在近幾年召開的國際高電壓技術(shù)學(xué)會（ISH）及亞洲絕緣診斷會（ACEID）上，有關(guān)電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測與狀態(tài)檢修方面的論文占有相當(dāng)大比例。[5]

從國內(nèi)外進(jìn)行在線監(jiān)測、開展?fàn)顟B(tài)檢修的情況來看，今后的技術(shù)發(fā)展趨勢是：多功能和多參數(shù)的綜合監(jiān)測與診斷，變電站設(shè)備的集中監(jiān)測，提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，建立專家系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)絕緣診斷的自動化。[1]另外，設(shè)備采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和接口，診斷結(jié)果可以方便地被上位機(jī)系統(tǒng)或者信通中心調(diào)度系統(tǒng)讀取，以適應(yīng)智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的需要。

因此，為了推動在線監(jiān)測和狀態(tài)維修技術(shù)的發(fā)展，又考慮到變壓器是電力系統(tǒng)中非常重要的電力設(shè)備，本項(xiàng)目基于變壓器的局部放電、鐵芯接地電流和套管介質(zhì)損耗的測量，建立了一套設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和評估系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著信息和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在以往單機(jī)監(jiān)測診斷系統(tǒng)和分布式監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與分析系統(tǒng)的研究受到了國內(nèi)外研究者的密切關(guān)注和重視，[6]國家電網(wǎng)公司相關(guān)導(dǎo)則也就此提出了建議性通訊規(guī)約方案。[7]因此本系統(tǒng)建立了基于網(wǎng)絡(luò)通訊的電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測分析及狀態(tài)檢修管理系統(tǒng)?？傮w架構(gòu)分為兩個部分，即變壓器絕緣綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)，如圖1所示。變壓器絕緣綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在變電站內(nèi)，通過數(shù)據(jù)同步把數(shù)據(jù)上傳到信通中心的WEB服務(wù)器上（采用I2數(shù)據(jù)接口），設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)也安裝在WEB服務(wù)器中，內(nèi)部用戶可以上網(wǎng)查詢變壓器的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果。

二、變壓器綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

變壓器綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)包括其局部放電、鐵芯接地電流和套管介質(zhì)損耗的測量，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

局部放電測試采用脈沖電流法或者超高頻法，前者從變壓器高壓側(cè)套管末屏接地線與高壓套管底部用羅高夫斯基線圈耦合局部放電信號，同時采取極性鑒別、開相位等方法濾除各種不同類型的干擾信號，獲得真實(shí)有效的變壓器內(nèi)部局部放電信息；后者采用法蘭安裝的內(nèi)置式UHF傳感器（頻帶范圍300MHz～1.5GHz）。UHF傳感器與變壓器本體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，由變壓器廠家在變壓器本體上選擇適當(dāng)位置安裝（一般采用一個或者三個傳感器，安裝在放油閥處、人孔手孔處）。傳感器采集到變壓器內(nèi)部局放信息后傳輸至信號調(diào)理單元中，經(jīng)過選通放大后由高速數(shù)據(jù)采集單元采集，再計(jì)算處理，生成各類局放譜圖、報(bào)表。

套管介質(zhì)損耗測試采用的是高靈敏度電流傳感器線圈，其穿心套裝在高壓套管的末屏接地線上獲取電流信號；另一方面用高靈敏度的電壓互感器將PT（變電站的電壓互感器）輸入的大電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)?V的小電壓信號，實(shí)現(xiàn)輸入輸出地線的隔離，并獲取電壓信號。輸入的電壓電流信號經(jīng)多路開關(guān)后，進(jìn)行放大和濾波，最后由采集芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集。相比一般的過零相位差比較法，本系統(tǒng)的核心之一為tanδ的相關(guān)分析計(jì)算算法。當(dāng)采樣頻率與電網(wǎng)信號頻率不同步時，用有限時間離散相關(guān)法計(jì)算電容型設(shè)備的tanδ會產(chǎn)生較大的誤差，其主要原因是未能在整周期區(qū)間內(nèi)準(zhǔn)確積分。因此本項(xiàng)目采用了插值的方法修正積分區(qū)間，用梯形積分方法代替矩形積分，采用優(yōu)化的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)來提高計(jì)算精度。仿真實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過修正的方法對電網(wǎng)頻率波動有較強(qiáng)的抑制能力，能明顯減少計(jì)算誤差。

鐵芯接地電流選擇具有較高磁導(dǎo)率的硅鋼片做電流傳感器的磁芯，其具有較低的損耗和矯頑力，可使傳感器二次側(cè)輸出電流信號波形不發(fā)生畸變，也可使信號中的相位誤差較小，其測得的信號經(jīng)放大和濾波后由采集卡進(jìn)行采集。在系統(tǒng)工作站中對信號處理計(jì)算，生成發(fā)展趨勢圖。

整個系統(tǒng)利用虛擬儀器技術(shù)，采用PC-DAQ（微機(jī)數(shù)據(jù)采集）結(jié)構(gòu)，用Labview編程實(shí)現(xiàn)各種功能。通過軟件設(shè)置能按時進(jìn)行自動監(jiān)測，也可由人工實(shí)時啟動或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)采集控制和數(shù)據(jù)傳輸。

二、設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)

1.總體結(jié)構(gòu)

設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)的總體架構(gòu)見示意圖3。

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備指的是在線監(jiān)測子系統(tǒng)，如變壓器套管介質(zhì)損耗和電容量在線監(jiān)測系統(tǒng)等。現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊管理服務(wù)器負(fù)責(zé)將各個在線監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時同步到中心數(shù)據(jù)庫。該服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)集成同步服務(wù)程序。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是在線數(shù)據(jù)管理平臺的數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)存儲從各在線監(jiān)測子系統(tǒng)集成同步的數(shù)據(jù)及其他管理中用到的數(shù)據(jù)，也是Web服務(wù)器的后臺數(shù)據(jù)中心。Web服務(wù)器是基于廣域網(wǎng)的變電站遠(yuǎn)程分析管理系統(tǒng)的網(wǎng)站服務(wù)器，負(fù)責(zé)處理用戶的請求，實(shí)現(xiàn)用戶需要的業(yè)務(wù)邏輯。用戶通過局域網(wǎng)或Internet訪問Web服務(wù)器，完成錄入數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、查詢趨勢圖、譜圖、設(shè)置參數(shù)等管理任務(wù)。

2.組成部分簡介

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶權(quán)限。為了達(dá)到集中統(tǒng)一管理的目的，本系統(tǒng)對所有涉及的監(jiān)測對象進(jìn)行統(tǒng)一管理。邏輯設(shè)備的管理就是對系統(tǒng)中的被檢測對象實(shí)現(xiàn)集中和統(tǒng)一管理，記錄被檢測對象的以下信息：所屬的公司、變電站、名稱、編號、狀態(tài)、是否是某個具體的設(shè)備、邏輯設(shè)備的電壓等級、相序、監(jiān)測項(xiàng)目等。

本系統(tǒng)對用戶采取了基于角色的權(quán)限管理機(jī)制，應(yīng)用windows組管理模式，用戶屬于不同的組（角色）。只有經(jīng)過角色授權(quán)的用戶才能夠使用本系統(tǒng)，不同的用戶具有不同的權(quán)限。

（2）測試數(shù)據(jù)管理。這部分可以設(shè)置整個系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的參數(shù)，例如電壓等級、相序、監(jiān)測項(xiàng)目、數(shù)據(jù)同步時間等，還可以設(shè)置實(shí)時報(bào)警信息等參數(shù)。

變壓器綜合監(jiān)測得到的局部放電數(shù)據(jù)、套管介損數(shù)據(jù)、變壓器鐵芯電流可以用報(bào)表、趨勢圖或譜圖三種方式進(jìn)行查詢。報(bào)表查詢方式見圖4。用戶通過此頁面可以按公司、變電站、設(shè)備、時間等任意查詢?nèi)糠弦蟮谋O(jiān)測數(shù)據(jù)。

同報(bào)表的查詢方式一樣，用戶可以按設(shè)備名稱、時間等查詢數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)的變化趨勢。圖5是項(xiàng)目變電站1#主變的局部放電在一段時間內(nèi)的變化趨勢圖，這種方式觀察數(shù)據(jù)更為直觀。

局部放電等數(shù)據(jù)、譜圖查詢和分析方式見圖6，用戶可以查詢某次局部放電的譜圖，即三維（N-Q-φ）圖、二維（Q-Φ、N-Φ、N-Q）圖，借助譜圖對局部放電進(jìn)行分析。

（3）模塊管理。本系統(tǒng)具有無限擴(kuò)展功能，利用模塊管理可以方便添加新模塊、禁用某個模塊等。這意味著不僅僅是變壓器局部放電、套管介損的在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以被處理，進(jìn)而系統(tǒng)自動評估變壓器的絕緣健康狀況，原有變壓器油中溶解氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)、繞組熱點(diǎn)溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以通過數(shù)據(jù)接口或I/O接口被采集到該系統(tǒng)中，從而由專家系統(tǒng)進(jìn)行全面分析和診斷變壓器的健康狀況。另外，變電站中新增其他設(shè)備或其他參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如避雷器監(jiān)測等。本系統(tǒng)也可以方便地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用，把原有和新增的一些參數(shù)統(tǒng)一納入本系統(tǒng)的管理，方便用戶進(jìn)行集中管理在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的工作。

（4）數(shù)據(jù)同步和其他。如果在電廠、變電站中有其他設(shè)備制造商提供的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可能會不一致，則需要將各個廠家數(shù)據(jù)集中到中心數(shù)據(jù)庫中，由后臺服務(wù)程序?qū)崟r或按照用戶的設(shè)定的時間間隔自動完成。本系統(tǒng)可定期對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，也可手動在web頁面遠(yuǎn)程操作。

除此之外，系統(tǒng)還有日志記錄和在線幫助等，給用戶提供查詢和操作幫助。

3.軟件特點(diǎn)

軟件系統(tǒng)采用基于微軟.NET平臺面向?qū)ο蟮亩鄬臃植际郊夹g(shù)，采用基于Web的B/S程序體系結(jié)構(gòu)。在多層架構(gòu)下，應(yīng)用程序可以分布在不同的系統(tǒng)平臺上，通過分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺之間對象的相互通信，可以極大提高系統(tǒng)的擴(kuò)充性，方便系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)升級。編程語言采用微軟新推出的專門用于.NET Framework的編程語言C#，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、與微軟數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品SQL server集成度高、發(fā)展前景好等特點(diǎn)。

后臺數(shù)據(jù)庫采用的是Microsoft SQL Server 2005，它具有與Windows操作系統(tǒng)兼用型好、使用簡單的特點(diǎn)，并且可以和.NET框架無縫結(jié)合。編程中很好地應(yīng)用了函數(shù)、視圖、存儲過程、觸發(fā)器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大批量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出。另外，本系統(tǒng)利用Teechart圖表控件完美地生成了趨勢圖和譜圖等動態(tài)圖表，運(yùn)用了XHTML、JavaSc ript、CSS和AJAX等構(gòu)建現(xiàn)代大型商業(yè)網(wǎng)站的常用技術(shù)，構(gòu)建出了美觀、靈活、響應(yīng)速度快的應(yīng)用程序。

三、結(jié)語

該變壓器絕緣綜合在線監(jiān)測和設(shè)備評估系統(tǒng)已安裝于某220kV變電站，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。該系統(tǒng)能把變壓器測得的局部放電量、套管介質(zhì)損耗因數(shù)、鐵芯接地電流三方面的測量值分別做成趨勢圖，進(jìn)行綜合分析，為設(shè)備狀態(tài)檢修等提供基本數(shù)據(jù)，為診斷絕緣缺陷和設(shè)備故障提供可靠的依據(jù)，做到早期預(yù)警。系統(tǒng)還可以擴(kuò)展其他監(jiān)測參數(shù)，為提高變電站自動化控制水平和運(yùn)行管理水平、保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到促進(jìn)作用。通過近一年時間的運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性已經(jīng)得到了檢驗(yàn)，并且積累了監(jiān)測數(shù)據(jù)。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，用戶對變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)提出了更高的要求，以后還需進(jìn)一步提高和完善智能在線診斷設(shè)備的采集精度、可靠行、通訊能力以及專家診斷系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，以便為將來能夠真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修、服務(wù)智能電網(wǎng)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）