超高壓智能變電站一次主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪 洋，鄂士平

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引 言

自動(dòng)模式的輸電和配電是電力系統(tǒng)的主要組成部分。輸電和配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行將會(huì)影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)展，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要條件。伴隨我國(guó)電力的快速發(fā)展，電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模越來越大，尤其是現(xiàn)在城市以及農(nóng)村建筑的崛起和一些大的公共設(shè)施的增加，造成電力管理員也在不斷地增加，電網(wǎng)里的很多分系統(tǒng)也在不斷地?cái)U(kuò)大規(guī)模，電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性也面臨著更高效的要求。隨著電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，電負(fù)荷的不斷增加，出現(xiàn)的新型負(fù)載所帶來的一些質(zhì)量上的問題也逐漸展現(xiàn)出來。因此，電力企業(yè)需抓緊建設(shè)智能高效的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用傳感、監(jiān)測(cè)、通信、計(jì)算機(jī)等多種高科技技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和故障診斷等多種功能，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的智能操作和管理，保障電力系統(tǒng)可以安全有效地進(jìn)行。

1 主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)工作面臨的主要問題

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。在智能電網(wǎng)中，主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)工作的數(shù)據(jù)采集、電力診斷以及實(shí)時(shí)監(jiān)控物理鏈路的穩(wěn)定性等還存在著不足。如果電力系統(tǒng)的管理員比較多且規(guī)模較大，那么數(shù)據(jù)采集率就會(huì)比較低，服務(wù)器壓力大，不能很好地保障數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，最后會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的監(jiān)控服務(wù)能力?，F(xiàn)在我國(guó)電力系統(tǒng)診斷還不是很完整，電力系統(tǒng)中的診斷工作主要是應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)和計(jì)算方式對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)、計(jì)算和處理，從而得出電力系統(tǒng)的診斷結(jié)果，推斷電力系統(tǒng)是否安全。但現(xiàn)在我國(guó)很多關(guān)于系統(tǒng)診斷的研究都還是在理論層次，并不能應(yīng)用到實(shí)際狀況中。此外，主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之間的連接存在不穩(wěn)定性。我國(guó)現(xiàn)有電力系統(tǒng)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控是通過遠(yuǎn)程方式收集數(shù)據(jù)，而且電力網(wǎng)絡(luò)中的IP資源比較缺乏，很多主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的網(wǎng)址會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生變化，所以電力系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)有可能會(huì)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)發(fā)生中斷，從而影響數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

2 電力變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)依據(jù)

2.1 在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行選取過程中應(yīng)遵循的原則

對(duì)電力設(shè)備而言，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作很難保證設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)問題，必須使用合理的方法進(jìn)行處理。為切實(shí)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，應(yīng)力求科學(xué)選取監(jiān)測(cè)裝置，選取過程中應(yīng)從以下幾方面考慮是否符合現(xiàn)場(chǎng)。從使用壽命方面考慮，在線監(jiān)測(cè)裝置的使用壽命應(yīng)比被監(jiān)測(cè)設(shè)備大；從測(cè)量方面考慮，故障率應(yīng)保持在最高；監(jiān)測(cè)實(shí)施過程中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)重要負(fù)荷間隔，合理控制測(cè)量精度，精度既不能過高也不能過低。

2.2 變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)

通過調(diào)查得知，如果設(shè)備在工作中出現(xiàn)局部放電，那么其出現(xiàn)問題的可能性就比較大，相關(guān)工作人員一定要保持警惕。局部放電是變壓器出現(xiàn)故障的主要表現(xiàn)之一，目前對(duì)變壓器在這方面的監(jiān)測(cè)工作是采用超高頻的方法，其在工作中表現(xiàn)的效果良好。

2.3 變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)

在實(shí)際工作中，熱故障問題很可能會(huì)被工作人員忽略，從而造成事故。引起熱故障的一般原因是變壓器在工作時(shí)鐵芯的放置位置不對(duì)，從而在鐵芯周圍出現(xiàn)了懸浮電壓造成熱故障。熱故障一旦出現(xiàn)會(huì)使變電站的安全面臨極大的挑戰(zhàn)，所以相關(guān)工作人員一定要引起重視。

3 超高壓智能變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由站控網(wǎng)和過程網(wǎng)構(gòu)成，其中過程層設(shè)備由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元和傳感器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和數(shù)字化處理、存儲(chǔ)，響應(yīng)并接收由主智能電力監(jiān)測(cè)裝置（Intelligent Electronic Device，IED）下發(fā)的控制及配置指令。間隔層設(shè)備，即一次設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)組件柜的主IED，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分析、上傳和存儲(chǔ)，并接收子站下發(fā)的控制及配置命令。站控層設(shè)備即在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的站內(nèi)后臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳、轉(zhuǎn)換、分析、存儲(chǔ)和異常告警，接收并響應(yīng)主站的遠(yuǎn)程控制指令。

3.2 智能變電站一次主設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

可以采用一次設(shè)備、監(jiān)測(cè)單元和測(cè)量控制相分離的方案。狀態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)備包括主變鐵芯、氧化鋅避雷器、主變油色譜單元、容性高壓設(shè)備監(jiān)測(cè)單元、金屬氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)單元以及變壓器鐵芯電流監(jiān)測(cè)單元等。對(duì)智能變電站的各個(gè)組件單元進(jìn)行獨(dú)立配置，采用控制電纜連接設(shè)備本體及站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)，在室內(nèi)智能控制柜內(nèi)就地安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子IED。考慮到功能性及成本因素，可以選取帶有過濾器風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)的雙層中空智能控制柜，并采用分層分塊設(shè)計(jì)的方式，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、分析、處理和存儲(chǔ)，體現(xiàn)出靈活配置、可擴(kuò)展性以及高內(nèi)聚性的特點(diǎn)[1]。

3.2.1 主變油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用物理分離技術(shù)分離變壓器油中溶解的氣體，鑒定和測(cè)量變壓器油中溶解氣體的濃度，通過油氣分離器裝置分離變壓器油中的特征氣體。在強(qiáng)制油循環(huán)導(dǎo)入定量室內(nèi)的載氣作用下，分離出故障特征氣體，辨析變壓器油中特征氣體成分，根據(jù)油中氣體的產(chǎn)氣速率判斷特征氣體的含量和成分。該系統(tǒng)通過油路循環(huán)的方式有效防止連接管道處殘余的變壓器油，進(jìn)行油氣分離和油樣定量工作，并在載氣作用下，由色譜柱分離出采樣氣體。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊采集氣體檢測(cè)的電信號(hào)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。嵌入式微處理器控制單元進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、分析以及存儲(chǔ)。

3.2.2 避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用主機(jī)+從機(jī)的方式進(jìn)行系統(tǒng)配置，選取功耗小、性能穩(wěn)定以及高速的S3C2440A板作為主機(jī)，選取高精度、低功耗、高集成度以及大容量的TMS320F28335一體板作為從機(jī)。同時(shí)，系統(tǒng)基于私有協(xié)議進(jìn)行MOA在線監(jiān)測(cè)裝置和避雷器監(jiān)測(cè)IED間的通信，在線監(jiān)測(cè)并獲悉MOA氧化鋅避雷器的全電流、阻性電流、容性電流以及雷擊時(shí)刻，及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警和排查。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)有工作電壓、共模、差模、電磁場(chǎng)輻射干擾、快速瞬變干擾、絕緣電阻以及脈沖電壓等。

3.2.3 容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由中央監(jiān)控器控制本地LU的工作狀態(tài)，進(jìn)行正常運(yùn)行數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)的讀取、上傳、診斷以及分析。該系統(tǒng)裝置包括電流互感器在線監(jiān)測(cè)裝置、電壓測(cè)量取樣裝置、耦合電容器在線監(jiān)測(cè)裝置以及變壓器套管在線監(jiān)測(cè)裝置等，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓、電流、等值電容量以及諧波分量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由本地測(cè)量單元LC1檢測(cè)母線PT的二次電壓信號(hào)Un，由本地測(cè)量單元LC2檢測(cè)電容型設(shè)備Cx的末屏電流信號(hào)Ix，在中央監(jiān)控器SC的控制下，兩個(gè)本地測(cè)量單元LU1和LU2的信號(hào)采集系統(tǒng)同步啟動(dòng)，對(duì)傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)同步進(jìn)行采樣及FFT變換處理，獲得輸入信號(hào)Un和Ux相對(duì)于工作電源Us的基波相位Ph（n-s）、Ph（x-s），計(jì)算獲悉電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗Tanδ、電容量Cx等絕緣參數(shù)[2]。

3.2.4 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)

局域端主站的OMDS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集一次設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，通過分布式管理的方式在線實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，診斷一次設(shè)備的絕緣狀況，跟蹤變電站內(nèi)被測(cè)設(shè)備的故障缺陷。系統(tǒng)運(yùn)行的不同層級(jí)包括數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)分析服務(wù)層以及應(yīng)用層。數(shù)據(jù)接入層完成在線監(jiān)測(cè)主站及各個(gè)變電站間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)分析服務(wù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，檢查數(shù)據(jù)的可靠性和超變化率，剔除無效數(shù)據(jù)，采用容性設(shè)備相對(duì)介損類比分析方法，完成對(duì)設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)診斷和識(shí)別。同時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置告警限值，如分級(jí)設(shè)置預(yù)警限值和告警限值[3]。應(yīng)用層通過Web方式提供直觀可視的人機(jī)交互界面，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的瀏覽與告警信息發(fā)布等。

3.2.5 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)的集成優(yōu)化

為了能夠達(dá)到簡(jiǎn)化工作難度的目的，變壓器的在線監(jiān)測(cè)會(huì)使用與變電站內(nèi)其他設(shè)備一樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這樣在后臺(tái)進(jìn)行處理時(shí)就能夠通過系統(tǒng)對(duì)變電站內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控。在工作中，如果對(duì)設(shè)備的監(jiān)管過于麻煩，會(huì)無形中加大工作的難度。面對(duì)這種現(xiàn)象，將設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)互相滲透，希望可以建立一個(gè)新的系統(tǒng)，通過系統(tǒng)可以科學(xué)有效地管控變電站設(shè)備，根據(jù)IED上顯示的數(shù)據(jù)判定故障原因。

4 結(jié) 論

我國(guó)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)隨著國(guó)家整體科技水平的提高在不斷進(jìn)行技術(shù)革新。目前，從監(jiān)測(cè)技術(shù)的表現(xiàn)上來看已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷都有明顯表現(xiàn)。通過在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，工作人員已經(jīng)可以全方位監(jiān)測(cè)變電站中設(shè)備的工作情況，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)工作表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。這樣可以在很大程度上提高生產(chǎn)管理水平，通過現(xiàn)代智能科學(xué)技術(shù)加強(qiáng)企業(yè)對(duì)設(shè)備的管理工作，從而為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。