變電站全站設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的研制

高兆麗， 孫英濤， 陳敬德， 羅林根， 盛戈皞

(1．國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012; 2．上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

變電站全站設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的研制

高兆麗1， 孫英濤1， 陳敬德2， 羅林根2， 盛戈皞2

(1．國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012; 2．上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

針對變電站各類在線監(jiān)測裝置準(zhǔn)確率不高、使用效率低等特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備故障前一段時(shí)間某些異常如放電信號(hào)、接點(diǎn)溫度和裂紋等會(huì)逐漸增大的特點(diǎn)，提出了一種低成本、高可靠性的變電站設(shè)備監(jiān)測裝置來及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些較大的異常信號(hào)，并對可能發(fā)生故障的設(shè)備提前預(yù)警。系統(tǒng)綜合了局部放電檢測與定位、紅外測溫、全景視頻監(jiān)視和無線測溫等先進(jìn)檢測技術(shù)，并采用車載式移動(dòng)平臺(tái)?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明系統(tǒng)顯著地提高了巡檢效率，降低了經(jīng)濟(jì)成本。

變電站設(shè)備；故障預(yù)警；局部放電；紅外測溫；無線測溫

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展, 變電站在線監(jiān)測設(shè)備近年來逐步得到較多的應(yīng)用，對提高設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和管理水平起到了一定的作用[1-5]。但從近年來的應(yīng)用情況來看，變電站在線監(jiān)測設(shè)備的使用效果仍然存在一定的局限性，主要問題表現(xiàn)在[6]：

(1)目前對于變電站設(shè)備的在線監(jiān)測主要針對GIS、變壓器、容性設(shè)備等進(jìn)行，要對全站的一次電氣設(shè)備實(shí)施監(jiān)測，就

需要在每一個(gè)設(shè)備上都安裝監(jiān)測裝置，所需的費(fèi)用極高。

(2)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測裝置通常需要綜合考慮干擾濾除、異常判斷、閾值設(shè)定、靈敏度等，系統(tǒng)集成和技術(shù)復(fù)雜度較高，使得其經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)的情況，現(xiàn)場使用效果一般。

(3)由于材料、技術(shù)和工藝等問題造成電力設(shè)備在線監(jiān)測裝置本身的故障率較高，在線監(jiān)測裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性較低。

(4)眾多在線監(jiān)測裝置本身的后期維護(hù)及管理的工作量很大。

基于以上原因，現(xiàn)有的變電站電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)認(rèn)可度不高、無法大面積推廣應(yīng)用。然而另一方面，傳統(tǒng)的巡視和帶電檢測方法因其有固定的檢測試驗(yàn)周期，不能對設(shè)備運(yùn)行的全過程進(jìn)行監(jiān)控，。因此國內(nèi)外高壓電力設(shè)備故障仍時(shí)有發(fā)生，包括變壓器、GIS等價(jià)格昂貴、地位重要的電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生的重大故障也并不鮮見。

相關(guān)故障案例分析表明：設(shè)備故障前一段時(shí)間某些異常信號(hào)會(huì)逐漸增大[7](如放電信號(hào)的增強(qiáng)、接點(diǎn)溫度的升高、裂紋的擴(kuò)大等)。本文提出利用低成本、高可靠性的變電站設(shè)備監(jiān)測裝置及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些較大的異常信號(hào)，并對可能發(fā)生故障的設(shè)備提前預(yù)警，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)處置，能有效防止重大設(shè)備故障和停電事故的發(fā)生，從而降低變電站運(yùn)維和管理成本，提高變電站安全運(yùn)行水平和供電可靠性。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

變電站全站設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)將選取變電站設(shè)備帶電檢測中最主要且行之有效的幾個(gè)監(jiān)測對象：局部放電、設(shè)備溫升、關(guān)鍵點(diǎn)溫度和設(shè)備外觀，綜合超高頻(UHF)局部放電檢測及定位、紅外熱像儀和全景視頻監(jiān)視等技術(shù)于一體。實(shí)現(xiàn)的主要功能有：(1)變電站全站局部放電大信號(hào)檢測和定位；(2)變電站環(huán)境及設(shè)備外觀多層次全景圖像監(jiān)控；(3)變電站全站設(shè)備的紅外熱成像監(jiān)視及分析；(4)基于物聯(lián)網(wǎng)無線自組網(wǎng)技術(shù)的變電站關(guān)鍵點(diǎn)溫度分布式監(jiān)測。其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 變電站全站設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)框架

在該系統(tǒng)中，紅外測溫儀、全景攝像頭、UHF局部放電定位系統(tǒng)和無線通信管理機(jī)等將集中安裝在移動(dòng)式平臺(tái)中，如圖2所示的車載式平臺(tái)。

圖2 車載式平臺(tái)示意圖

而無線溫度監(jiān)測探頭則安裝在變電站設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)如變壓器套管、電纜接頭等。這樣一個(gè)分布式、移動(dòng)式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)一方面提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，車載式平臺(tái)移動(dòng)靈活，便于快速巡檢及在不同變電站間開展檢測業(yè)務(wù)，并可以依據(jù)此平臺(tái)進(jìn)行短期的在線監(jiān)測。另一方面，移動(dòng)式平臺(tái)相對于長期式的在線式裝置能有效地降低成本。

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變電站全站局部放電基于大信號(hào)的分布式檢測和定位技術(shù)的總體方案基本框圖如圖3所示。所采用的4個(gè)全向超高頻天線傳感器(帶寬為300 MHz～1.5 GHz)組成傳感器陣列對變電站空間內(nèi)的超高頻電磁波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)有局放信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，天線陣列可分別接收到局放源激發(fā)的超高頻電磁波信號(hào)，這些超高頻電磁波信號(hào)經(jīng)放大濾波等處理后送入超高速數(shù)據(jù)采集模塊。超高速數(shù)據(jù)采集模塊同步采樣各個(gè)通道數(shù)據(jù)并按照規(guī)定的格式存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)處理模塊主要完成背景干擾抑制、時(shí)延序列獲取等功能，數(shù)據(jù)分析模塊主要包括局放信號(hào)識(shí)別及歸類、時(shí)延自適應(yīng)補(bǔ)償、定位計(jì)算等功能，最終確定局放源的三維空間坐標(biāo)。并在變電站可視化三維空間視圖中顯示，對可能的故障設(shè)備進(jìn)行預(yù)警。

圖3 全站局放監(jiān)測和定位子系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

系統(tǒng)采用的DM60紅外測溫儀將紅外熱像儀與高倍變焦可見光攝像機(jī)置在同一云臺(tái)上，既保證了兩個(gè)攝像頭監(jiān)視的是同一個(gè)設(shè)備位置，也解決了紅外熱像中難以識(shí)別設(shè)備安裝位置的問題，便于及時(shí)判斷設(shè)備的具體過熱點(diǎn)。所使用的AV8185DN網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)內(nèi)含4個(gè)分立的攝像頭，采用全景圖像拼接技術(shù)融合生成全景圖像對變電站全站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視。

圖4分別給出了無線測溫系統(tǒng)中的智能傳感器節(jié)點(diǎn)和無線通信管理機(jī)的系統(tǒng)框圖。分布式布置的傳感器節(jié)點(diǎn)與無線通信管理機(jī)相配合實(shí)現(xiàn)對變電站設(shè)備重要節(jié)點(diǎn)溫度信息的采集，預(yù)處理和數(shù)據(jù)無線傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線溫度傳感器采用TI的CC2430作為主要的芯片實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與通信管理機(jī)的上述功能。

圖4 無線測溫智能傳感器系統(tǒng)框圖

3 現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證如圖2所示變電站全站設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)的各項(xiàng)子系統(tǒng)性能，在某220 kV變電站進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

圖5 局放檢測與定位效果圖

局部放電檢測與定位子系統(tǒng)的測試結(jié)果如圖5所示，定位結(jié)果見表1。測試中在變電站復(fù)雜電磁環(huán)境中模擬了局部放電并對其定位。由表1可知，方向角誤差均在2°以內(nèi)，徑向距離的誤差均在15%以下，定位結(jié)果有較高的參考價(jià)值。

系統(tǒng)的紅外測溫、全景視頻監(jiān)視和分布式關(guān)鍵點(diǎn)溫度監(jiān)控等功能測試如圖6所示。

測試結(jié)果表明本系統(tǒng)既能高效準(zhǔn)確地對變電站全站設(shè)備進(jìn)行檢測和故障早期預(yù)警，又具有方便靈活、利于布置等優(yōu)點(diǎn)，提高了使用效率。

表1 變電站局部放電定位測試結(jié)果

圖6 系統(tǒng)界面示意圖

4 結(jié)束語

本文針對變電設(shè)備故障發(fā)生前的較大異常信號(hào)提出的低成本、高可靠性的變電站設(shè)備監(jiān)測裝置， 對變電站全站設(shè)備故障早

期預(yù)警，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)處置，實(shí)際測試表明該系統(tǒng)能有效地提高巡檢效率，降低變電站運(yùn)維和管理成本，提高變電站安全運(yùn)行水平和供電可靠性，具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 黃建華, 全零三. 變電站高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001,25(16)：56-61.

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Development of Early Warning System for Substation Equipment Failure

Gao Zhaoli1, Sun Yingtao1, Chen Jingde2, Luo Lingen2, Sheng Gehao2

(1. Jinan Power Supply Company, Shandong Electric Power Corporation, Jinan Shandong 250012, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai, 200240, China)

Aiming at low accuracy rating and service efficiency of all types of on-line monitoring devices in the substations, this paper proposes a low-cost, high reliability devices for monitoring of substation equipment to detect these major abnormal signals, with early warning for the equipment that may occur faults and this device is designed on ths basis of the behaviour i.e. in the early stage of equipment failure some abnormity such as discharge signals, junction temperature and cracks will gradually increase. The system integrates the advanced detection technology including detection and location of partial discharge, infrared temperature measurement, panorama video surveillance and wireless temperature measurement and adopts vehicle-mounted mobile platform. Field test results show that the system can significantly improve the patrol efficiency and reduce the economic costs.

substation equipment；failure prewarning；partial discharge；infrared temperature measurement；wireless temperature measurement

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.012

TM764.2

A

1000-3886(2016)05-0036-02

高兆麗(1976-),女，山東人，高級工程師,主要從事變電設(shè)備狀態(tài)檢修方面的工作。 孫英濤(1976-)，男，山東人，高級工程師，主要從事變電設(shè)備狀態(tài)檢修方面的工作。 陳敬德(1993-)，男，河南人，碩士，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測。 羅林根(1982-)，男，福建人，博士，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，智能電網(wǎng)。 盛戈皞(1974-)，男，河南人，副教授，長期從事輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及其智能化。

定稿日期: 2016-04-22