換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)設(shè)計

全曉方，黃松強(qiáng)，黃繁朝

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006)

換流站在整個電網(wǎng)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，其設(shè)備狀態(tài)一旦出現(xiàn)異常，且未及時發(fā)現(xiàn)處理，那么將會給電網(wǎng)運行帶來嚴(yán)重的危害[1-5]。加之換流站需要管控的設(shè)備眾多，若仍沿用傳統(tǒng)的監(jiān)測管控系統(tǒng)對其進(jìn)行管理，很難確保換流站設(shè)備的正常運行，同時量化的監(jiān)測量也會制約管控維護(hù)效率[6-10]。因此，本文將對換流站設(shè)備多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以提高換流站設(shè)備管控監(jiān)測的效率及精度，確保換流站設(shè)備運行的可靠性，進(jìn)而保障電網(wǎng)運行的魯棒性。

1 模塊原理分析

1.1 油色譜遠(yuǎn)程管控模塊原理分析

色譜傳感器是實現(xiàn)油色譜遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)信號的采集工作。當(dāng)換流站變壓器出現(xiàn)故障時，對應(yīng)的特征氣體會發(fā)生一定的改變，這是故障等級不通過導(dǎo)致的。例如：當(dāng)一般性過熱故障時，總烴含量較高，且C2H2<5 μL/L；而若嚴(yán)重性熱故障發(fā)生時，總烴含量高，且C2H2>5 μL/L，但并不是造成烴含量過高的主要源頭，此時的H2含量較高；當(dāng)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象時，總烴含量不高，但H2>100 μL/L，CH4成為烴主要的“供應(yīng)商”；當(dāng)出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象時，總烴不高，C2H2>10 μL/L，此時的H2含量較高；當(dāng)出現(xiàn)電弧放電時，總烴高，C2H2高，但并不是造成烴含量過高的主要源頭，此時的含量會處于較高的狀態(tài)。油色譜遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)運行期間，通過監(jiān)測這些特征氣體的含量便能實現(xiàn)對換流站變電站實時遠(yuǎn)程管控。具體而言，油色譜遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)首先會在換流站變壓器中獲取油樣，而后在強(qiáng)制循環(huán)裝置的作用下，抽取到的油會來到分離裝置中，由分離裝置將樣本油進(jìn)行分離處理，以獲取油中的特征氣體。具體原理如圖1所示。

圖1 油色譜遠(yuǎn)程管控模塊原理Fig.1 Schematic diagram of remote control module for oil chromatography

1.2 SF6氣體遠(yuǎn)程管控模塊原理分析

對換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)而言，需要通過SF6充氣設(shè)備采集得到SF6氣體濕度、壓力以及溫度這3個特征量，而后根據(jù)這3個特征量的情況給出相應(yīng)的遠(yuǎn)程管控方案。通常，自封閉充氣閥門處于密閉狀態(tài)，能夠提供微水含量的檢測與充氣功能，當(dāng)將專用接口安裝在自封閉充氣閥門上時，打開頂針，氣體會通過專用接口自然導(dǎo)出，為獲得所需的特征量，還需在專用接口處加裝1個三通，一頭連接氣室，一頭連接SF6氣遠(yuǎn)程管控裝置，另一頭封閉，為氣室微水的監(jiān)測提供渠道。SF6氣體遠(yuǎn)程管控模塊具體原理如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，采樣得到的SF6氣體會經(jīng)過3道不同工序處理。其中，第1道工序需要經(jīng)過露點變送器測量，以獲得SF6氣體的濕度程度。第2道工序需要經(jīng)過壓力傳送器測量，以得到氣室的壓力情況。第3道工序需要借助溫度傳感器來完成，以獲取氣室的溫度情況。在得到所需的特征變量后，會將這些特征變量轉(zhuǎn)換成電信號，而后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理形成數(shù)字信號，并傳輸至單片機(jī)中，依照20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)對不同溫度下氣室的微水值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后借助RS-485總線將這些標(biāo)準(zhǔn)值傳輸至IED處理單元中，從而形成1條完整的數(shù)據(jù)傳輸鏈。若運行設(shè)備的滅弧氣室微水值≥300×10-6，且其余氣室微水值≥500×10-6時，那么便可斷定設(shè)備內(nèi)部已存在受潮現(xiàn)象，絕緣性能會受到一定干擾，需要換氣處理。若壓力小于額定壓力時，那么設(shè)備可能存在SF6氣體泄漏現(xiàn)象，需要及時補(bǔ)氣，使壓力保持在額定壓力范圍之內(nèi)，同時還需進(jìn)一步開展檢漏操作，避免氣體泄漏事故的發(fā)生。

圖2 SF6氣體遠(yuǎn)程管控監(jiān)測模塊原理Fig.2 Principle of SF6 gas remote control and monitoring module

1.3 電氣絕緣遠(yuǎn)程管控模塊原理分析

通常，電氣絕緣監(jiān)測模塊監(jiān)測換流站設(shè)備時，會借助三相傳感器對信號線路進(jìn)行模擬，并測量出電壓信號與電流信號的幅值與相位差。該模塊主要由I/V電路、放大電路、濾波電路以及單片機(jī)等部分構(gòu)成。其中，利用單片機(jī)補(bǔ)償激磁電流，已成為解決傳感器測量誤差的根本途徑。電氣絕緣遠(yuǎn)程管控模塊具體原理如圖3所示。

圖3 電氣絕緣遠(yuǎn)程管控模塊原理Fig.3 Principle of electrical insulation remote control module

一般來說，I/V電路提供的電流會保持在4～20 mA，當(dāng)電流信號傳輸至零磁通傳感器后，需要經(jīng)過2次變比調(diào)節(jié)，確保輸出電流的合理性。其次，當(dāng)電流傳輸至I/V電路后，會被進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓信號。而后電壓信號會傳輸至放大電路中進(jìn)行放大處理，以確保模擬信號值能夠順利通過A/D電路。最后，由低通濾波器剔除信號中的干擾因素(高頻諧波)，以保障信號傳輸質(zhì)量。從圖3可以看出，模擬信號流入A/D電路后，會對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而后傳輸至DSP信號處理器中進(jìn)行傅里葉變換，以獲取檢測信號的幅值與相位信息。接著將得到的結(jié)果傳輸至單片機(jī)中進(jìn)行處理，而后通過對模擬回路生成激磁電流，并傳輸至二次抗組回路中，確保零磁通互感器的有源補(bǔ)償，增強(qiáng)傳感器的魯棒性與測量精度。最后，在單片機(jī)的作用下，數(shù)據(jù)將沿RS-485總線傳輸至IED中。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

總體架構(gòu)包括站控層、間隔層、數(shù)據(jù)層。其中，站控層負(fù)責(zé)向用戶展示業(yè)務(wù)操作界面，供用戶按需使用；間隔層負(fù)責(zé)系統(tǒng)中不同邏輯層間的信息交互；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)對被遠(yuǎn)程管控的實體進(jìn)行創(chuàng)建、管理以及協(xié)調(diào)工作?？傮w架構(gòu)如圖4所示。

圖4 總體架構(gòu)Fig.4 Overall architecture

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

換流站設(shè)備多方面管理及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的正常運行離不開軟件與硬件的相互配合。該系統(tǒng)涉及到的軟件主要有3種：①IED控制單元軟件；②檢測單元軟件；③站控層軟件。在服務(wù)器的幫助下，用戶能夠?qū)崟r管控設(shè)備的狀態(tài)情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題可及時進(jìn)行管控處理。此處，運用3層體系結(jié)構(gòu)思維對換流站多方面管理及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。因此該系統(tǒng)可分割成3個階層：站控層、間隔層、數(shù)據(jù)層。其中，通過站控層能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實時檢測、狀態(tài)展示以及綜合分析等多項功能；通過間隔層可實現(xiàn)客戶層對數(shù)據(jù)指令的接發(fā)功能；通過數(shù)據(jù)層可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸功能，換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及管控系統(tǒng)可根據(jù)實際需要，對報警閾值、邏輯規(guī)則以及數(shù)據(jù)刷新時間等參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，在結(jié)束相應(yīng)調(diào)整工作后，便可對所需管控的設(shè)備進(jìn)行實時檢測，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的運行狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)對檢測設(shè)備進(jìn)行科學(xué)、合理的管控。系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流情況如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流情況Fig.5 Data flow at top level of system

3 客戶端軟件系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

3.1 換流站設(shè)備監(jiān)測管控模塊設(shè)計

通過設(shè)備檢測管控模塊的設(shè)計，可將換流站設(shè)備監(jiān)測得到的平面圖展示到系統(tǒng)界面中，當(dāng)用戶點擊系統(tǒng)首頁平面圖時，便能清楚了解換流站設(shè)備區(qū)域，如交流濾波場區(qū)域、直流場區(qū)域以及主變區(qū)域等。每個設(shè)備區(qū)域都會附有相應(yīng)的電氣設(shè)備主線圖，用戶通過查閱這類主線圖可直觀了解到電氣設(shè)備相關(guān)參數(shù)情況以及運行狀態(tài)情況。通過該功能模塊的設(shè)計，旨在為用戶查閱換流站設(shè)備信息和異常設(shè)備位置的確定提供便利，該模塊具體設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 設(shè)備監(jiān)測管控模塊設(shè)計流程Fig.6 Design process of equipment monitoring and control module

可以看出，工作人員登入設(shè)備檢測管控界面后，若想了解目標(biāo)設(shè)備區(qū)域相關(guān)信息，便可將該指令發(fā)送到系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)接收到工作人員發(fā)出的指令后，自主對目標(biāo)設(shè)備區(qū)域的通信狀態(tài)進(jìn)行檢測，若通信正常，那么系統(tǒng)會將該區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)集主線圖展現(xiàn)到系統(tǒng)界面中，由工作人員進(jìn)行查閱。若不正常，則會自主報警，由相應(yīng)人員跟進(jìn)處理。

3.2 實時展示模塊的設(shè)計

通過實時展示模塊的設(shè)計，可將換流站中所有設(shè)備監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)直觀展示出來，如交流濾波場、換流變以及直流場等。用戶通過查閱表格的方式了解設(shè)備檢測情況，如換流變的SF6氣體、油色譜以及油溫等指標(biāo)。該模塊具體設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 實時展示模塊設(shè)計流程Fig.7 Real-time display module design process

可以看出，后臺軟件采集數(shù)據(jù)指令傳輸至IED單元中時，IED單元會對檢測模塊的IP地址進(jìn)行掃描處理，若通信不存在異常時，IED會發(fā)出采集信號指令，而后由檢測模塊調(diào)度各類傳感器等收集轉(zhuǎn)換相關(guān)信號，如濕度傳感器、零磁通傳感器以及單片機(jī)等，將最后完善的信號傳輸至IED單元中，由IED單元存儲與讀取。

3.3 報表統(tǒng)計模塊設(shè)計

通過報表統(tǒng)計模塊的設(shè)計，可為用戶提供查詢區(qū)域設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能，如主變區(qū)域數(shù)據(jù)、35 kV設(shè)備區(qū)域數(shù)據(jù)以及交流GIS室區(qū)域數(shù)據(jù)等。這類數(shù)據(jù)需要通過報表的方式進(jìn)行統(tǒng)計，用戶只需在系統(tǒng)界面選定檢測設(shè)備名稱和日期，便能得到設(shè)備的月報表或日報表，同時用戶可以Excel文件的方式導(dǎo)出所需的報表，為后續(xù)擴(kuò)展操作提供條件。當(dāng)用戶成功登錄該功能模塊界面后，首先，對設(shè)備報表信息進(jìn)行查看；其次，查看所有設(shè)備的運行數(shù)據(jù)情況；最后，選擇導(dǎo)出所需的記錄信息。

3.4 綜合分析模塊設(shè)計

綜合分析模塊可分割成2個子模塊：①查詢數(shù)據(jù)模塊；②數(shù)據(jù)清空模塊。通過該模塊功能的設(shè)計，旨在獲取不同監(jiān)測類型的監(jiān)測量，如直流場、高抗、主變以及換流變等。當(dāng)于運維人員通過點擊“查詢”按鍵時，系統(tǒng)會彈出相應(yīng)的趨勢曲線，為用戶判斷設(shè)備運行狀態(tài)提供便利，若需要該趨勢曲線時，可點擊“導(dǎo)出”按鍵，若不需要附帶報表則可點擊“清空”按鍵。綜合分析模塊設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 綜合分析模塊設(shè)計流程Fig.8 Integrated analysis module design process

可以看出，運維人員進(jìn)入分析界面后會根據(jù)所需發(fā)送查詢指令，系統(tǒng)在接收到指令后便會自主生成數(shù)據(jù)曲線和對應(yīng)列表，供運維人員查看分析。

3.5 報警模塊設(shè)計

報警功能模塊設(shè)計主要可分為3個步驟：①通過實時調(diào)度的方式從數(shù)據(jù)庫中獲取所有設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)設(shè)定的報警限值進(jìn)行比對，若監(jiān)測數(shù)據(jù)在限定值范圍之內(nèi)，那么則可調(diào)度其他設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。②若數(shù)據(jù)超過了系統(tǒng)設(shè)定的限值時，那么系統(tǒng)則會自主報警。③由運維人員管控處理，而后將這類異常進(jìn)行存檔處理，便于后續(xù)查看。

3.6 系統(tǒng)配置模塊設(shè)計

系統(tǒng)配置模塊可分割成2大子模塊：①權(quán)限管理模塊；②限值管理模塊。其中，權(quán)限管理模塊又可分為資源管理模塊、組織管理模塊以及權(quán)限分配模塊。具體細(xì)分此處便不再贅述，在組織管理模塊中，本文以新增信息為例，進(jìn)行了流程設(shè)計，具體如圖9所示。用戶進(jìn)入系統(tǒng)界面后，可根據(jù)所需發(fā)出新增指令，如新增部門、用戶等，而后進(jìn)行信息填寫，當(dāng)信息填寫確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)便會存儲用戶新增信息。

圖9 組織管理新增信息設(shè)計流程Fig.9 Organize and manage new information design process

4 性能測試及其現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 性能測試

在設(shè)計研究中，換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)采用了B/S結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計，故系統(tǒng)性能必須進(jìn)行測試。因為該系統(tǒng)只在1臺主機(jī)上使用，登錄的用戶也僅此1個，所以，無需對用戶訪問性能進(jìn)行測試。加之換流站存在各式各樣的設(shè)備，監(jiān)測點眾多，同時也存在具有實時性的檢測模塊，所以并發(fā)的訪問量會出現(xiàn)倍增的現(xiàn)象，給系統(tǒng)運行帶來壓力，故需要對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的測試，如壓力測試、負(fù)載強(qiáng)度測試等。此外，若還需進(jìn)一步評估系統(tǒng)的運行情況，可從CPU運行情況、數(shù)據(jù)庫使用情況以及Memory的使用情況等多方面著手深入。該系統(tǒng)存在同時監(jiān)測換流站中400臺設(shè)備和5 000個電氣量時，其非功能性核心指標(biāo)設(shè)定有：①系統(tǒng)登錄響應(yīng)時間需要保持在2 s以內(nèi)；②監(jiān)測頁面訪問平均時長需要保持在3 s以內(nèi)；③報警平均響應(yīng)時長不得超過2.1 s；④系統(tǒng)內(nèi)存占用情況要低于4 GB；⑤執(zhí)行相應(yīng)操作業(yè)務(wù)平均時長需要保持在3 s以內(nèi)。此時，運用該系統(tǒng)對換流站中的設(shè)備進(jìn)行3次監(jiān)測管控，每次監(jiān)測管控的設(shè)備數(shù)量和檢測量均有所不同，第1次監(jiān)測管控的設(shè)備為400臺，對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)量為7 000個，第2次監(jiān)測管控的設(shè)備為600臺，對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)量為12 000個，第3次檢測管控的設(shè)備為800臺，對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)量為32 000個。在系統(tǒng)這3次監(jiān)測管控下，監(jiān)測頁面訪問性能、系統(tǒng)登錄性能、查詢報表性能、新增設(shè)備性能、報警反應(yīng)時間性能測試情況見表1，用戶性能情況見表2。

綜合上文換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及管控系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計分析可知，設(shè)備監(jiān)測管控模塊可顯示換流站各設(shè)備的主接線圖和區(qū)域模型圖，以供用戶的觀察；實時展示模塊可為用戶提供換流站各設(shè)備的監(jiān)測參數(shù)，以通過對監(jiān)測參數(shù)的分析，明確設(shè)備運行狀態(tài)；報表統(tǒng)計模塊可對監(jiān)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的統(tǒng)計，為用戶預(yù)覽調(diào)用提供便利；綜合分析模塊可生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線，以便用戶進(jìn)行趨勢分析；報警模塊可為用戶提供以往報警記錄的查詢通道，同時具備實時性的報警功能，以便用戶對換流站設(shè)備故障的及時處理管控；系統(tǒng)配置模塊可賦予系統(tǒng)信息維護(hù)、新增刪減以及設(shè)置修改等功能，便于用戶的按需操作?？梢?，系統(tǒng)功能較為齊全，能夠基本滿足實際所需。從表1和表2可以看出，雖然檢測設(shè)備數(shù)量不斷攀升，但是系統(tǒng)反應(yīng)速度、CPU運行情況、數(shù)據(jù)庫情況以及應(yīng)用服務(wù)情況基本處于正常狀態(tài)，不會對該系統(tǒng)的魯棒性造成太大的影響。此外，雖然后期存在擴(kuò)建的可能，但電氣一次設(shè)備總量不會高于800臺，檢測量不會大于32 000個，因此該系統(tǒng)的響應(yīng)速度能夠滿足實際所需。

表1 換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)的總體測試情況Tab.1 Overall test of multi-aspect management and remote control system of converter station equipment state

表2 用戶性能測試情況Tab.2 User performance tests

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

通過對系統(tǒng)性能的測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的系統(tǒng)功能具有多樣性的特點，能夠滿足實際應(yīng)用的需要。為了進(jìn)一步檢驗本文系統(tǒng)設(shè)計的可行性，在某換流站中進(jìn)行了實際應(yīng)用，即對24個GIS氣室中的SF6微水含量進(jìn)行了在線監(jiān)測和離線監(jiān)測。其中，使用SF6全分析儀試驗設(shè)備完成SF6微水含量的離線監(jiān)測，且抽樣開關(guān)氣室12個，微水值應(yīng)不高于150×10-6，其他氣室15個，微水值應(yīng)不高于250×10-6。監(jiān)測得到的結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，本文系統(tǒng)在線監(jiān)測得到的微水值與利用SF6全分析儀監(jiān)測得到的離線微水值間的誤差低于10%，肯定了本文設(shè)計得到的換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)在實際監(jiān)測中的可行性，能夠滿足實際微水在線檢測要求。

表3 GIS氣室SF6微水含量監(jiān)測結(jié)果Tab.3 GIS air cell SF6 micro water content monitoring results

5 結(jié)語

總體而言，本文首先對換流站油色譜、SF6氣體以及電氣絕緣模塊原理進(jìn)行了分析，得到了換流站設(shè)備運行狀態(tài)可通過特征氣體的特點進(jìn)行判斷結(jié)論。其次，給出換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基本架構(gòu)，同時對該系統(tǒng)多個功能模塊進(jìn)行了設(shè)計，如設(shè)備監(jiān)測管控模塊、實時展示模塊以及報表統(tǒng)計模塊等。最后，對換流站設(shè)備狀態(tài)多方面管理及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，明確了本文系統(tǒng)功能具有多樣性的特點。同時，還對該系進(jìn)行了實際應(yīng)用，最終結(jié)果指出，在線監(jiān)測微水值與離線監(jiān)測微水值間的誤差小于10%，肯定了本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。