狀態(tài)監(jiān)測裝置智能校驗系統(tǒng)的研制與應用

胡成博，張　能，馬　勇，周志成，陶風波，劉　洋，陳俊武

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.華中科技大學，湖北武漢430074）

狀態(tài)監(jiān)測裝置智能校驗系統(tǒng)的研制與應用

胡成博1，張能2，馬勇1，周志成1，陶風波1，劉洋1，陳俊武2

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.華中科技大學，湖北武漢430074）

針對當前智能變電站狀態(tài)監(jiān)測裝置的校驗工作存在工作量大、效率低等問題，結(jié)合當前信息技術(shù)和智能技術(shù)，研制車載化智能校驗系統(tǒng)。車載化智能校驗系統(tǒng)以試驗車為平臺，通過GPRS/3G通信方式以及MIWAVE寬帶無線網(wǎng)絡進行校驗數(shù)據(jù)傳輸，從功能優(yōu)化、信息交互、智能檢測等角度出發(fā)，實現(xiàn)了對現(xiàn)有各類標準信號源、標準監(jiān)測裝置進行集成化、信息化、智能化的改造。該車載化智能校驗系統(tǒng)的研制，提升了變電站狀態(tài)監(jiān)測裝置現(xiàn)場校驗的效率和質(zhì)量。該系統(tǒng)已成功完成了多個500 kV，220 kV變電站監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校驗工作，有力保障了電網(wǎng)設(shè)備的可靠運行。

校驗；車載化；標準信號源；標準監(jiān)測裝置

斷路器、變壓器、避雷器等各類電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，運行中一旦出現(xiàn)故障將對電力系統(tǒng)造成嚴重危害［1］。準確地監(jiān)測這些電力設(shè)備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)其故障并排除對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。隨著科技的不斷發(fā)展，監(jiān)測各類電力設(shè)備運行情況的在線監(jiān)測技術(shù)與裝置也被廣泛研究并應用于變電站中［2］。但是許多實際運行的在線監(jiān)測裝置自身的準確性并不能得到保證，其可靠性與可信度值得懷疑。因此對這些監(jiān)測裝置進行校驗十分重要。目前校驗設(shè)備繁多，每種設(shè)備對檢驗人員專業(yè)技術(shù)有著不同的要求，同時各類校驗設(shè)備所需的時間不一，無法進行高效的校驗工作［3］。

針對以上問題文中研制了一套適用于變電站監(jiān)測裝置校驗的車載智能校驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用車載化集成設(shè)計；集成了各類標準信號源、標準監(jiān)測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類常見在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)校驗工作。

1　車載智能校驗系統(tǒng)總體設(shè)計

車載智能校驗系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)中各模塊通過無線局域網(wǎng)及電力內(nèi)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)互聯(lián)。系統(tǒng)分為軟件與硬件2個部份，其中軟件部分由校驗后臺、車載控制后臺、手持PDA控制終端軟件組；硬件部分由車載主機、無線傳輸網(wǎng)模塊（主機+終端）、移動視頻、標準信號源、標準監(jiān)測裝置所組成。

系統(tǒng)軟件部分主要負責數(shù)據(jù)的交換。校驗后臺負責建立數(shù)據(jù)中心、車載控制后臺的通信鏈路，從數(shù)據(jù)中心讀取被校驗裝置的實時數(shù)據(jù)，把該數(shù)據(jù)實時發(fā)送到車載控制后臺并接收車載控制后臺的校驗數(shù)據(jù)和校驗結(jié)果，通過視頻遠程指導校驗操作，自動生成校驗報表并存儲；車載控制后臺負責控制標準信號源的輸出信號，設(shè)置校驗模式，接收校驗后臺的控制信息，自動比對數(shù)據(jù)，得出校驗結(jié)果并存儲，通過視頻遠程指導校驗操作；PAD控制軟件來控制標準傳感器的輸出，可作為自動校驗的一個補充。系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。

圖1車載智能校驗系統(tǒng)構(gòu)成

圖2系統(tǒng)軟件框

系統(tǒng)硬件部分以汽車為基礎(chǔ)，集各類設(shè)備的標準信號源模擬器、標準監(jiān)測裝置、移動視頻、SF6儲氣罐等設(shè)備為一體，并配有220 V保護模塊，交流220 V轉(zhuǎn)直流12 V整流模塊，電池充電模塊，以及額定輸出500 W的UPS電源，外帶2節(jié)64 Ah型號為A412/65G的蓄電池，可以保證車載中心設(shè)備在無外接電源的情況下正常工作8 h以上。車內(nèi)設(shè)有空調(diào)，能夠為校驗人員提供舒適的工作環(huán)境。

該車載智能校驗系統(tǒng)可對所有需要校驗的在線監(jiān)測裝置通過統(tǒng)一的校驗平臺一次性校驗，采用的校驗方法包括2種：（1）在變電站停電檢修時于被校驗裝置傳感器上加載標準信號源，模擬被監(jiān)測設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，通過被校驗裝置實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和標準信號源實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在被校驗裝置的全量程范圍內(nèi)進行比對；（2）在變電站不停電，被校驗裝置正常工作的情況下，在相同的環(huán)境下，安裝標準監(jiān)測裝置，在一定時間段內(nèi)對被校驗裝置和標準監(jiān)測裝置的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)比對分析［4，5］。

2　數(shù)據(jù)傳輸方式

智能校驗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸采用GPRS/3G通信方式以及MIWAVE寬帶無線網(wǎng)絡［6］。

2.1 GPRS/3G通信

為了方便和數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互，采用GPRS/3G的通信方式。它接收省級輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)下發(fā)的被校驗裝置的實時測量值，同時上傳該監(jiān)測裝置的校驗結(jié)論。GPRS模塊上電后，按照設(shè)定的IP地址和端口（在車載后臺可以修改），自動和校驗后臺建立連接。連接成功后，在車載后臺顯示連接成功，若連接中斷，在車載后臺顯示通信斷開。GPRS模塊每分鐘發(fā)送心跳包，防止長時間沒有數(shù)據(jù)上傳被移動基站斷開網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)發(fā)送后，校驗后臺沒有返回數(shù)據(jù)成功接收的數(shù)據(jù)包，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包至校驗后臺發(fā)回數(shù)據(jù)成功接收信息。當通信連接斷開后，車載后臺自動保存數(shù)據(jù)，等通信連接正常后，補發(fā)未上傳的數(shù)據(jù)。

2.2 MIWAVE寬帶無線網(wǎng)絡

車載后臺和標準信號源之間采用無線局域網(wǎng)的通信模式。通過易于靈活部署的MIWAVE寬帶無線網(wǎng)絡，承載遠程巡檢分析監(jiān)控系統(tǒng)，可解決巡檢機器人或者安全值班人員巡檢全程中和巡檢分析系統(tǒng)、上級領(lǐng)導保持實時信息互通，以便運行中心能夠?qū)崟r、直接地了解和掌握各電站的安全情況，并及時對發(fā)生的情況做出反應［7］。網(wǎng)絡示意圖如圖3所示。

圖3網(wǎng)絡示意圖

基站通信車行駛至智能變電站場區(qū)附近區(qū)域，選擇相對制高點位置停下，同時通過升降桿將基站天線至預定高度，迅即開機后實現(xiàn)以指揮車為中心3～5 km的區(qū)域覆蓋，實現(xiàn)智能變電站廠區(qū)覆蓋，組成可承載多業(yè)務的MIWAVE寬帶無線網(wǎng)絡。檢修單兵移動臺可隨檢修人員在智能變電站廠區(qū)內(nèi)任意區(qū)域游弋，且和基站通信車實時互通。

無線網(wǎng)絡的建立可實現(xiàn)如下功能：（1）電網(wǎng)檢修分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互；（2）雙向多路D1視頻監(jiān)控（支持遠程/移動）；（3）VOIP語音通信；（4）音視頻電話會議；（5）GPS定位。

3　標準信號源

車載智能校驗系統(tǒng)配備有斷路器標準信號源、避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源、中性點電流標準信號源以及SF6氣體密度標準信號源［8］。標準信號源的每個輸出的狀態(tài)都采用數(shù)字閉環(huán)控制，確保輸出結(jié)果達到設(shè)定的目標。

（1）斷路器標準信號源。斷路器標準信號源模擬斷路器正常工作和異常工作時的各項參數(shù)：一次回路的開斷電流；分、合閘線圈電流；儲能電機電流、行程傳感器電壓信號、電流信號、數(shù)字信號［9］。其工作流程如圖4所示。

圖4斷路器標準信號源工作框圖

在車載后臺斷路器校驗模塊或手持PAD中，配置好不同運行狀態(tài)下的斷路器的模型，通過WIFI網(wǎng)發(fā)送到斷路器標準信號源，斷路器標準信號源根據(jù)這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成實際的等價于標準斷路器的信號發(fā)出，并對這些信號輸出通過測量進行反饋確認。斷路器工作狀態(tài)模型可以手動設(shè)置，也可以導入實際檢修中獲取的典型正常、故障波形由標準信號源輸出。

（2）避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源。避雷器、容性設(shè)備、變壓器鐵心漏電流在線監(jiān)測裝置都是監(jiān)測設(shè)備的電流、相位等參量來監(jiān)測該設(shè)備的運行狀態(tài)［12］。文中避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源采用三相交直流指示儀表。避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源工作流程如圖5所示。

圖5避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源工作框圖

在車載后臺配置不同設(shè)備不同運行狀態(tài)下的電流數(shù)據(jù)，包括電壓信號、泄漏電流幅值、泄漏電流相位（鐵心漏電流的相位設(shè)置為0）、疊加上的諧波次數(shù)、相位、幅值，發(fā)送到避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源［10］。避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流標準信號源將避雷器容性設(shè)備鐵心泄漏電流的相應的電流、電壓信號發(fā)出，并對這些信號的輸出通過反饋確認正確。

（3）中性點電流標準信號源。變壓器中性點電流標準信號源采用直流電流標準源來實現(xiàn)［11］。其輸出電壓為0～20 V；輸出電流幅值為0～50 A；電流精度為0.1%；輸出為直流輸出。變壓器中性點電流標準信號源工作框圖如圖6所示。

圖6中性點電流標準信號源工作框圖

在車載后臺變壓器中性點電流標準信號源校驗模塊里，配置好不同運行狀態(tài)下的中性點電流的數(shù)據(jù)，包括電壓信號、含有直流分量的電流，發(fā)送到變壓器中性點電流標準信號源，變壓器中性點電流標準信號源根據(jù)這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成實際的等價于變壓器中性點電流的信號發(fā)出，并對這些信號的輸出通過反饋確認正確。

（4）SF6氣體密度標準信號源。SF6氣體密度信號源采用儲氣缸與可變氣缸配合操作方法來實現(xiàn)［13］。

氣缸采用D 250 mm的可調(diào)行程的氣缸作為SF6的可變壓力氣缸缸，內(nèi)置壓力傳感器和溫濕度傳感器，通過電動推桿來調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)SF6氣體的壓力，使之達到預設(shè)的SF6氣體壓力，供被校驗裝置比對。在車載后臺SF6氣體密度校驗模塊里，設(shè)置好不同的壓力，通過WIFI網(wǎng)發(fā)送到SF6氣體密度標準信號源，SF6氣體密度標準信號源通過內(nèi)置的壓力傳感器采集可變行程的氣缸內(nèi)部壓力和設(shè)置值進行比較，來控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，使可變行程的氣缸內(nèi)SF6氣體壓力和車載后臺的設(shè)置值相等，提供給被校驗裝置。SF6氣體密度標準信號源配有多種口徑的閥門，可以適用大部分SF6氣體密度在線監(jiān)測裝置的校驗。

4　標準監(jiān)測裝置

基于在線比對法校驗的需要，車載智能校驗系統(tǒng)需配備相應的標準監(jiān)測裝置，且包括標準斷路器在線監(jiān)測裝置、標準避雷器/容性設(shè)備/鐵心電流標準在線監(jiān)測裝置、標準中性點電流在線監(jiān)測裝置、標準SF6氣體密度微水在線監(jiān)測裝置、標準SF6微水高精度檢測裝置［14］。

（1）斷路器機械特性標準在線監(jiān)測裝置。標準斷路器機械特性在線監(jiān)測裝置采用同步采樣技術(shù)，通過電流傳感器采集一次回路的開斷電流、分合閘線圈電流、儲能電機電流等參量，通過輔助觸點采集接點信號，通過行程傳感器采集觸頭位移。采集的信號通過錄波分析完成對斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測和電壽命評估。系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1斷路器機械特性標準在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)

（2）標準避雷器/容性設(shè)備/鐵心電流標準在線監(jiān)測裝置。本部分由系統(tǒng)電源監(jiān)測單元（IMM-U）、容性設(shè)備監(jiān)測單元 （IMM-C）、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測單元（IMM-E）鐵心接地電流監(jiān)測單元（IMM-I）、MOA避雷器監(jiān)測單元（IMM-M）、數(shù)據(jù)處理服務器（IMM-Z）以及WIFI接口組成，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

（3）標準中性點電流在線監(jiān)測裝置。中性點電流標準在線監(jiān)測裝置是針對直流輸電對交流電網(wǎng)變壓器影響而設(shè)計的，可以同時監(jiān)測變壓器中性點的直流、變壓器本體的噪聲和振動。系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

（4）標準SF6氣體密度微水在線監(jiān)測裝置。氣體密度微水標準在線監(jiān)測裝置由傳感器單元、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)服務器組成，傳感器單元中的高精度壓力、溫度、濕度變送器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過微處理器進行補償運算及處理，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到SF6微水監(jiān)測單元，通過顯示器直接顯示被測高壓設(shè)備中SF6氣體溫度、壓力、密度、體積比、和露點。系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表4所示。

（5）標準SF6微水高精度檢測裝置。SF6微水高精度檢測裝置采用最新變送器設(shè)計和數(shù)字控制技術(shù)組合而成的光露顯示儀Optidew Vision，工作原理建立于被證實的光學露點測量基礎(chǔ)，具有持續(xù)測量能力，靈活性高，精度高等優(yōu)點。

表2標準避雷器/容性設(shè)備/鐵芯電流標準在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)

表3標準中性點電流在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)

5　基于車載化智能校驗系統(tǒng)的現(xiàn)場校驗模式

車載化智能校驗系統(tǒng)適用于智能變電站投運后運行或檢修期間，在現(xiàn)場開展的狀態(tài)監(jiān)測裝置的性能校驗。同時，它能實現(xiàn)現(xiàn)場校驗結(jié)束后自動與監(jiān)測后臺數(shù)據(jù)進行比對，生成檢測結(jié)果。該工作模式主要體現(xiàn)在：

（1）工作地點轉(zhuǎn)移，利用車載化智能校驗系統(tǒng)可免去將狀態(tài)監(jiān)測裝置拆卸送實驗室校驗的工作量，還可滿足不可拆卸裝置的現(xiàn)場校驗，實現(xiàn)移動式校驗。

（2）檢測人員減少，車載化校驗系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的自動記錄，信息無線傳輸，取消了后臺信息查看人員，減少了現(xiàn)場檢測人員的工作量。

（3）工作效率提高，車載化智能校驗系統(tǒng)各標準信號源可根據(jù)提前設(shè)定的檢測值，逐點輸出標準信號，無需人工干預；檢測結(jié)果可自動與后臺監(jiān)測結(jié)果進行誤差計算，極大提高了工作效率。

表4標準SF6氣體密度在線監(jiān)測裝置技術(shù)參數(shù)

6　現(xiàn)場應用

車載化智能校驗系統(tǒng)在江蘇多個變電站現(xiàn)場開展了應用，對鐵心接地電流監(jiān)測裝置、避雷器泄漏電流監(jiān)測裝置、SF6密度等7類狀態(tài)監(jiān)測裝置開展了現(xiàn)場校驗。以某變電站現(xiàn)場應用為例，利用車載化智能校驗系統(tǒng)對該變電站2個主變的鐵心電流在線監(jiān)測裝置進行校驗。通過智能校驗系統(tǒng)設(shè)置試驗參數(shù) （電流檔位為50 mA，200 mA，5 A檔，根據(jù)電流設(shè)置值進行相應調(diào)整；電流設(shè)置值分別為0 mA，1 mA，3 mA，5 mA，8 mA，10 mA，50 mA，100 mA，500 mA，1000 mA等10個點），經(jīng)檢查在線監(jiān)測裝置、IED、站端主機通信、供電正常工作后啟動校驗，校驗系統(tǒng)自動記錄校驗裝置設(shè)定值和同一時間站端計算機顯示測量值，并進行對比分析。測量數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出：（1）1號主變鐵心電流在線監(jiān)測裝置在0～1000 mA范圍內(nèi)均能滿足測量要求，誤差達標，合格。（2）2號主變鐵心電流在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)誤差不達標，不合格，較標準電流源數(shù)值相差較大，不合格。

與以往單臺設(shè)備現(xiàn)場零散檢測模式相比，利用車載花智能校驗系統(tǒng)，工作人員減少一半，工作時間縮短1/3，且能自動生成檢測結(jié)果，極大地提高了校驗效率。

表5 1號主變測量數(shù)據(jù)

表6 2號主變測量數(shù)據(jù)

7　結(jié)束語

車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)采用車載化集成設(shè)計，優(yōu)化車輛空間布置；建立覆蓋全站的無線局域網(wǎng)環(huán)境，將車載平臺與各類標準信號源、標準監(jiān)測裝置之間建立穩(wěn)定、可靠的無線加密網(wǎng)絡鏈接；開發(fā)各類標準信號源、標準監(jiān)測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類常見在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)校驗工作。采用車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)，對在線的監(jiān)測裝置進行校驗，和原先的在線監(jiān)測裝置校驗的方法相比較，且有以下幾個優(yōu)點：（1）車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)，無需大量專業(yè)人員去現(xiàn)場，只需要少數(shù)檢測人員安裝操作流程來進行，節(jié)約大量的人手和時間。（2）車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)，專用的工具車里集成了多種校驗終端，可以對變電站的所有需要校驗的在線監(jiān)測裝置通過統(tǒng)一的校驗平臺一次性校驗。（3）車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)，采用高精度的標準信號源來校驗在線監(jiān)測裝置，校驗結(jié)果更具權(quán)威性。（4）車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)，所有的前端校驗終端和被校驗設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，都自動上傳到綜合校驗后臺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，通過系統(tǒng)分析軟件自動得出校驗結(jié)果，無需工作人員手動分析，即節(jié)約了工作人員的時間，又排除了由于工作人員失誤造成錯誤結(jié)論，使得檢測結(jié)果更公正。（5）車載化變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測智能校驗系統(tǒng)，對所有運行中的在線監(jiān)測裝置建立檔案，詳細記錄該設(shè)備的運行狀態(tài)、校驗時間、校驗結(jié)果，方便對在線監(jiān)測裝置的統(tǒng)一管理。

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The Development and Application of Smart Calibration System for State Monitoring Devices

HU Chengbo1，ZHANG Neng2，MA Yong1，ZHOU Zhicheng1，TAO Fengbo1，LIU Yang1，CHEN Junwu2
（1.Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Through combining current information technologies with smart technologies，the smart vehicle-mounted calibration system for solving the problems that the calibration work of the smart substation state monitoring devices is heavy and inefficient is developed，.The smart vehicle-mounted calibration system is based on a testing car.It transmits calibration data through GPRS/3G network and MIWAVE broadband wireless network.From the perspectives of function optimization，information interaction，intelligent detection and so on，the system has realized integrated，informationized and intelligentized transformation of the existing various standard signal sources and standard monitoring devices.The development of this smart calibration system improves the efficiency and quality of field calibration of the substation state monitoring devices.The system has finished field the calibration of several 500 kV or 220 kV substations successfully，ensured the reliable operation of power grid equipment effectively.

calibration；vehicle-mounted；standard signal source；standard monitoring device

TM764

B

1009-0665（2016）01-0070-06

2015-08-19；

2015-10-15
國家電網(wǎng)公司科技項目（J2014025）

胡成博（1984），男，江西南昌人，工程師，從事輸變電設(shè)備狀態(tài)信息研究與管理工作；

張能（1992），男，湖北大冶人，研究生，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究工作；

馬勇（1986），男，湖北?？等耍こ處煟瑥氖螺斪冸姽こ虇诱{(diào)試、過電壓檢測分析、避雷器及電容器設(shè)備專業(yè)管理工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級工程師，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究工作；

陶風波（1982），男，江蘇常州人，高級工程師，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究工作；

劉洋（1982），男，江西景德鎮(zhèn)人，高級工程師，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究工作；

陳俊武（1964），男，湖北荊門人，副教授，從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的研究工作。