基于組態(tài)王的變電站運行狀態(tài)在線監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

王明松 馬鴻雁

（北京建筑大學電氣與信息工程學院 北京 100044）

1 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，我國的輸電線網絡也在不斷的改進、發(fā)展。輸電網的構造、組成也越來越復雜多樣。所以對變電站的安全性、先進性也有了更高的要求。對變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計，也提出了更高的要求。電網的安全穩(wěn)定性，對國家經濟的發(fā)展有著重要的作用。電力系統(tǒng)是一個連續(xù)運行的系統(tǒng)，電能的生產、傳輸、分配和消耗都是同時完成的，變電站的運行也是連續(xù)的，為了掌握變電站運行狀態(tài)，需要對有關電氣量進行連續(xù)測量、運行監(jiān)視、記錄。變壓器是電網中的重要設備之一，在運行時產生的損耗以熱的形式通過油、油箱壁和散熱器散發(fā)到周圍的空氣中。散發(fā)到變壓器油中的熱量使油箱中的變壓器油溫度上升、變壓器的絕緣老化，主要是由于溫度、濕度、氧度下降、產生熱浮力，而變壓器油在熱浮力的推動下，化和油中分解的劣化物質的影響所致。同時，變壓器的輸出功率要隨之改變，所以實時的變壓器油溫、油質在線監(jiān)測非常必要，對變壓器的壽命有重要的意義。傳統(tǒng)的變壓器內部油氣檢測方法采用傳統(tǒng)油色譜分析的方法，其一系列缺點：采樣、脫氣是人為錯誤；從取樣到實驗室分析，復雜的工作程序，花費的時間和成本較高，檢測周期長，無法發(fā)現(xiàn)潛在故障發(fā)展趨勢和有效的跟蹤。而該設計采用滲透膜脫氣法是利用高分子膜的透氣性，直接從油中將氣體分離出來，免去取油樣，注油和脫氣等工序，不僅節(jié)省了監(jiān)測時間，而且簡化了裝置，易于實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測的要求。

與此同時，結合現(xiàn)場總線技術和組態(tài)監(jiān)控技術各自的優(yōu)點，應用工控計算機和ADAM—5000/CAN智能模塊，組成了含有CAN 總線結構的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，對變壓器三相電源的電壓、電流、有功和無功功率信號、主變壓器的溫度進行實時監(jiān)控。在軟件設計方面，應用了PLC 技術[1]和組態(tài)軟件—組態(tài)王（King View），對變電站供電系統(tǒng)的整個過程實行監(jiān)控。這種監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了CAN 總線[2]和組態(tài)技術各自的特點，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，具有較大的推廣價值。仿真結果表明提出的方法是有效可行的。

2 變電站電壓電流實時監(jiān)測設計

以某變電站為例，其電氣主接線如圖1 所示，采用內橋式雙母線的主結線結構。其運行狀態(tài)及部分控制要求為：

圖1 變電站電氣主接線Fig.1 The substation main electrical wiring

初始狀態(tài)時，兩套電源G 1、G 2 同時供電，分列運行，斷路器QF1、QF2、QF4、QF5、QF7 都處于合閘狀態(tài)，QF3、QF6 處于斷開態(tài)。若電源G1、G 2 有一個掉電，則QF1 或 QF2 跳閘，QF3 閉合，實現(xiàn)兩路電源的相互備用。若K1 短路，則QF7 立即跳閘（速斷保護）；若K2 短路，QF7 經2 s 延時跳閘（過流保護）。在系統(tǒng)運行時，可以實時監(jiān)控包括三相電源的電壓、電流、有功和無功功率信號、開關跳合、警鈴報警等。

2.1 系統(tǒng)構成及特點

根據變電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求所設計的硬件電路組成如圖2 所示。

圖2 基于CAN 總線的變電站監(jiān)控系統(tǒng)結構Fig.2 The based on CAN bus Structure of substation monitoring and control system

該系統(tǒng)是具有分布式數(shù)據采集控制的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，它的硬件由以下幾部分組成：

（1）工作站

它具有較高的可靠性和集成的裝置結構，PCL-841 總線適配卡可以插人其中。

（2）PCL-841 CAN 總線適配卡

PCL-841 是一款特殊用途的通信卡，它能夠提供PC 與控制器區(qū)域網（CAN）的連接。

（3）ADAM5000/CAN 分布式數(shù)據采集控制器

ADAM5000/CAN 在控制應用和數(shù)據采集上提供了多種功能。在結構上內含微處理器、CAN 通信控制器、CAN 數(shù)據收發(fā)器等接口電路，同時封裝了CAN 2.0 網絡協(xié)議。它受主電腦遠距離控制，把本系列I/O 輸入輸出卡傳來的信息加工分類、打包、緩存，然后通過CAN 總線傳給工作站監(jiān)控計算機。

（4）外圍設備

包括電流互感器、電壓互感器、轉換器、中間繼電器以及其他電量檢測設備。

（5）I/O 分配

變電站監(jiān)控系統(tǒng)，根據控制要求，有許多模擬和開關量參數(shù)需要測量和監(jiān)視，模擬和開關量的數(shù)量應根據出口的數(shù)量和吸入管路的配電變壓器站，包括模擬來自各種各樣的轉換器，如電流、電壓和功率轉換器，繼電保護及二次電路的開關量或斷路器輔助節(jié)點等。

2.2 系統(tǒng)軟件設計與組態(tài)

在啟動組態(tài)王工程瀏覽器以后，進行設備配置，設備配置的主要目的是進行上下位機的通信，本系統(tǒng)主要配置 PCL841 以及智能模塊 ADAM5000/CAN 系列模塊。進行圖形畫面的制作：組態(tài)王提供了類型豐富的繪圖工具，還提供按鈕、實時曲線、歷史曲線、報警窗口等復雜的圖形對象。下一步需要進行數(shù)據庫的構造，在Touch view 運行時，它含有全部數(shù)據變量的當前值，變量在畫面開發(fā)系統(tǒng)定義時，要指定變量名和變量類型。進行下一步動畫鏈接的定義：動畫鏈接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據庫的數(shù)據變量之間建立一種關系 。在組態(tài)王軟件的實時運行環(huán)境 Touch view 中，運行和調試在畫面制作系統(tǒng)中建立的動畫圖形畫面。

根據變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實際要求，設計的軟件實現(xiàn)了下述功能：監(jiān)控畫面的動畫顯示，可以看出主接線中各個電量的實時變化，電壓、電流輸出曲線如圖3 所示。

圖3 電壓、電流輸出曲線Fig.3 The voltage and current output curve

根據變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實際要求，設計的軟件實現(xiàn)了下述功能：監(jiān)控畫面的動畫顯示，可以看出主結線中各個電量的實時變化；實時顯示故障報警畫面、查詢歷史報警，并可以設置報警的極限值；可以進行實時曲線監(jiān)測和歷史曲線查詢；可生成系統(tǒng)實時報表和歷史報表，可以進行定時打??；可對實時數(shù)據庫和歷史數(shù)據庫進行方便的管理。

3 變電站油溫實時監(jiān)測

本案例通過提取PI實時數(shù)據庫中主變油溫、三側電流、功率等數(shù)據，實現(xiàn)對主變油溫、主變負荷的實時監(jiān)測，對主變油溫歷史趨勢曲線的查詢。通過分析電網結構，采用變電站油溫和負荷數(shù)據，利用PI數(shù)據庫中的測點數(shù)據完成對主變負荷電流、主變油溫的監(jiān)測、對主變油溫歷史趨勢變化的查詢和不同溫度計遙測數(shù)據的監(jiān)測和比對。

啟動時，通過VBA編程給主界面上的各控件變量統(tǒng)一賦值，并對不同的按鈕和控件編制相應的控制代碼。具體工作流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程Fig.4 The working process

3.1 實現(xiàn)方法

采用的數(shù)據來自本地電網中各變電站主變油溫、電流、功率等PI 測點數(shù)據，每個主變各取7 個測點，一個變電所有2 組共計14 個測點，見表1。

表1 測點統(tǒng)計表Tab.1 The statistics of the measuring point

使用的控件包括PI Process Book 控件和VBA控件，控件使用情況，如表2 所示。

表2 控件統(tǒng)計表Tab.2 The controls TAB

主要使用PI Process Book 和VBA 編程實現(xiàn)各項功能。

1）系統(tǒng)初始化及變電所數(shù)據切換

系統(tǒng)初始化，首先連接PI 數(shù)據庫服務器，其次通過VBA 對主界面各控件的初始數(shù)據進行賦值，并在主界面上顯示出來。

2）日期時間設置窗口

日期時間設置窗口的建立首先要在VBA 中增加一個窗口文件，通過Insert 菜單的User From 可以加入，如圖5 所示。

圖5 日期時間設置窗口Fig.5 The date/time Settings window

3.2 檢測結果

包括主變油溫趨勢曲線的查詢和顯示、主變負荷及油溫監(jiān)測二個功能模塊。本案例的顯示和控制都集成在一個主監(jiān)測界面中，包括上下二大功能分區(qū)，通過中間的水平分割線劃分。上分區(qū)實現(xiàn)主變油溫趨勢曲線的查詢和顯示，下分區(qū)實現(xiàn)主變負荷及油溫監(jiān)測，如圖6 所示。

圖6 油溫曲線Fig.6 The oil temperature curve

通過VBA 編程對控件賦值，顯示7 天內的趨勢曲線。趨勢曲線顯示窗口顯示該變電所1 號和2號主變油溫趨勢曲線。其他不同變電所數(shù)據的切換和歷史數(shù)據的查詢也可以通過該方法實現(xiàn)。

主變負荷及油溫監(jiān)測模塊主要用于對主變運行狀態(tài)的監(jiān)測，內容包括主變各側電流和功率遙測數(shù)值，各側電流和溫度的柱狀圖，超限顯示報警信息，如圖7 所示。

圖7 電流和溫度的柱狀圖Fig.7 The histogram of electric current and temperature

上圖中包含主變本體二個溫度計溫度曲線和溫差曲線。由于此溫度曲線，取自同一主變本體的二個溫度計數(shù)據，在正常的運行狀態(tài)下，此曲線應該基本在零位附近，如果溫差曲線跳變過大則說明溫度計工作狀態(tài)不穩(wěn)定，則應在檢修工作中注意此溫度計工作狀態(tài)，查明異常原因，如圖8 所示。

圖8 監(jiān)測趨勢曲線Fig.8 The monitoring the trend curve

4 變壓器油質氣體濃度含量的在線監(jiān)測

在變壓器中幾乎都是用油來進行絕緣和散熱，變壓器油與油中的固體有機絕緣材料在運行電壓下因電熱、氧化和局部電弧等多種因素作用會逐漸變質，裂解成不同種類的低分子氣體，而每一種氣體最大產氣率都有一個特定的溫度范圍，故絕緣油在各不相同的故障性質下產生不同成分、不同含量的氣體。由此可見，油中溶解氣體的組分和含量在一定程度上反映出變壓器絕緣老化或故障的程度。而油中溶解氣體[11]的組分和含量必須通過氣體傳感器檢測出來。所以為了更精確的測出變壓器絕緣老化或故障的程度，就要求對氣體傳感器的靈敏度、線性度等性能有更高的要求。

4.1 油中氣體在線監(jiān)測工作原理

氣相色譜分析雖然具有選擇性好、分離性能高、分離時間快、靈敏度高和適應范圍廣等優(yōu)點，但其從取油樣到脫氣、到鑒定是一套較為龐大精密和復雜的檢測裝置，整個分析時間較長，而且油樣需從現(xiàn)場采集并運送到試驗室，采集、運輸、保存過程中還會引起氣體組分的變化，更不能做到實時在線監(jiān)測，為了達到在現(xiàn)場實現(xiàn)在線監(jiān)測，需從取油樣、脫氣、鑒定等方面著手，加以改進，需采用的方法是“滲透膜脫氣法”。

滲透膜脫氣法是利用高分子膜的透氣性，直接從油中將氣體分離出來，免去取油樣、注油和脫氣等工序，不僅節(jié)省了監(jiān)測時間，而且簡化了裝置，易于實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測的要求。而透氣過程也是氣體在膜內溶解和擴散的過程，表征透氣特性的滲透系數(shù)H 是溶解度系數(shù)S 和擴散系數(shù)D 的乘積，即：

4.2 油氣分離裝置的原理

如圖9 所示，油氣分離裝置包括不滲透油只滲透各種氣體的透氣膜，集存滲透氣體的測量管和裝在變壓器本體放油閥上變換氣流通過的六通閥以及電動設備。

圖9 油氣分離裝置組成圖Fig.9 The oil and gas separation plant of figure

采用MGA2000-6e 溶解氣體在變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括油氣分離裝置，控制裝置，氣體探測和診斷單元，包括石油和天然氣分離器、傳感器、控制電路板、背景和其他硬件設施和監(jiān)控、訪問、遠程通信等軟件部分。原理框圖如圖10 所示。閥門安裝在變壓器油氣分離裝置、油氣分離裝置的核心部件是透氣膜。

圖10 變壓器油中氣體在線監(jiān)測原理圖Fig.10 The principle diagram of the gas in transformer oil online monitoring

它有不滲油只滲透各種氣體的特點，氣體分子從油中向氣室的一側擴散，一定時間后，膜兩側的氣體壓力趨于平衡，自動實現(xiàn)了油氣的分離。分離后的混合氣體送至安裝在變壓器旁的氣體檢測單元，先通過色譜柱對六種氣體進行分離，然后依次與傳感器接觸，將氣信號轉換為電信號，電信號傳輸至安裝在主控室的控制及檢測單元，經過放大、變換，還原為各種氣體含量，再通過專家診斷系統(tǒng)對數(shù)據進行分析判斷，提出指導性處理意見，最終達到對變壓器油中溶解氣體進行在線監(jiān)測的目的。

4.3 氣體檢測結果

由變壓器氣體成分分析可知，CH4和C2H2氣體檢測可以覆蓋所有的故障類型，能夠反映變壓器的運行狀況和故障類型，所以本文主要討論 CH4與C2H2氣體濃度檢測。對CH4與C2H2氣體檢測的實驗結果如圖12 所示。

圖12 氣體檢測結果Fig.12 The gas detection results

對CH4與C2H2氣體含量濃度檢測的實驗結果如表3 示。

表3 氣體含量濃度檢測表Tab.3 The gas content concentration measurement table

該設計應用傳感器協(xié)調控制的硬件系統(tǒng)，利用滲透膜脫氣法，直接從油中將氣體分離出來，免去取油樣，注油和脫氣等工序，不僅節(jié)省了監(jiān)測時間，而且簡化了裝置，易于實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測的要求，完成了對變壓器油質氣體含量的在線實時監(jiān)控。

5 結論

該系統(tǒng)設計運用了先進的計算機和通訊技術的新成果，各部分間以通訊的方式建立聯(lián)系，簡化了控制器的硬件設計，提高了控制器的可靠性，降低了成本。各組成部分在功能上相對獨立，易于控制器的組成和擴展，具有良好的應用前景。

主控單元選用了PLC 技術，它具有極高的可靠性和抗干擾能力，簡單易學的編程語言和靈活的I/O擴展能力及強大的通訊功能，既能夠滿足變電站對控制裝置性能的要求又有利于縮短開發(fā)周期，方便操作人員的使用?？刂栖浖δ芡晟?，能夠自動識別系統(tǒng)各種可能的運行方式和各種調節(jié)設備的狀態(tài)，并能及時獲得系統(tǒng)的實時運行參數(shù)，控制命令的發(fā)出及時、準確。

[1]宋藥.基于PLC 的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].知識經濟,2011,(11) 96-121.

[2]代艾妮.基于CAN 總線的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機,2012,09:14-16.

[3]王振,智能電網技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].水利電力,2011.5,16-18.

[4]崔凱,曲麗峰,論智能變壓器在智能電網中的應用[J].科技情報開發(fā)與經濟,2011,21(1),199-201.

[5]李小軍,金正洪,師旭,等.變壓器類設備油氣分析、故障診斷技術發(fā)展與應用實例[J].變壓器,2011,48(2):59-63.

[6]鄭萬長.智能電網中的智能化變壓器[J].電氣時代.2010,10:88-93.

[7]黃華勇,游步新,全智,楊庭軍.通信在線監(jiān)視分析系統(tǒng)在智能變電站中的應用[J].電力自動化設備,2011,(04):88-89.

[8]曹楠,李剛,王冬青.智能變電站關鍵技術及其構建方式的探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,(05):78-79.

[9]韓月,耿寶宏,高強.智能變電站變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東北電力技術,2011,(01):45-46.

[10]楊歡紅,姚建華,阮遠峰,俞京鋒,趙俊,溫杰.變電站綜合自動化系統(tǒng)二次設備在線監(jiān)測技術研究[J].華東電力,2014,(07):95-96.

[11]胡紅紅,鄭亞君,包淇天.淺析變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置及其應用[J].變壓器,2013,50(4):.

[12]周愛東,馬永光.換流變壓器有載開關產生微量乙炔氣體的工程計算法[J].變壓器,2013,50(10):10-13.