智能變電站設備在線監測系統

高明華 ，王 冬 ，王學峰 ，張 勇

（1.山東勝利油田電力管理總公司，山東 東營 257000；2.中煤能源山東有限公司，山東 日照 276826；3.山東省招遠市供電公司，山東 招遠 265400；4.山東省禹城市電力總公司，山東 禹城 251200）

0 引言

智能電網是對電網未來發展的一種愿景［1］，涵蓋發電、輸電、變電、配電、儲能和用電各個環節，以先進的通信技術、傳感器技術、信息技術為基礎、以電網設備間的信息交流為手段，實現從發電到用電所有環節信息的雙向交流,具有自愈、安全、交互、協調、兼容、高效、優質、集成的核心特點。

變電站作為電網的重要一環，設備的安全運行是實現堅強智能電網的關鍵。變電站設備檢修策略大致經歷了三個階段,即事故檢修、計劃檢修和狀態檢修。事故檢修是一種被動檢修,即只在故障發生時才進行檢修更新或管理工作;計劃檢修作為一種預防性檢修,在很大程度上降低了設備故障幾率,然而,計劃檢修耗時、耗資,在大多數設備沒有任何異常表現時,對設備進行檢修、維護,確保設備處在正常狀態,該方法并不能保證設備在下次維修之前不惡化和失效。狀態檢修 （CBM,Condition Based Maintenance）是指根據狀態監測和診斷技術提供的設備狀態信息,評估設備的狀況,在故障發生前進行檢修的方式［2］。

進入80年代以來，電力設備在線監測技術發展很快，絕大多數變電站設備及發電機、電纜、線路絕緣子等都有在線監測項目。隨著電子技術的進步和傳感器技術、光纖技術、計算機技術、信息處理技術等的發展和向各領域的滲透，系統監控技術中廣泛應用了這些先進的科研成果，使在線監測技術逐步走向實用化階段［3］。

但是也存在一些問題：變電站自動化系統信息共享程度較低,綜合利用效能還未充分發揮;甚至于出現了一種監控“孤島”現象，主控室里有各種計算機和服務器監測各種設備的運行，如避雷器在線監測、SF6在線監測、高壓接點測溫監測、智能接地線管理、智能安全工、器具柜管理、電纜溫度在線監測、環境在線監測、圖像監控、門禁系統等，但是這些系統各自獨立運行，這種情況不僅浪費了空間資源和計算機資源，同時也增加了值班人員的工作量，必須在不同的計算機之間進行大量的操作［7-10］。

目前,我國智能變電站建設正處于第二批試點工程重點推廣應用的關鍵階段［2］,一、二次設備作為變電站的重要資產,及時、全面掌握設備的運行狀態、健康狀況及其所處環境等要素對于變電站乃至整個電網的安全穩定運行至關重要,實現變電站設備的狀態檢修對于提高設備運行可靠性、降低運行維護費用等意義重大。

1 智能變電站

智能變電站作為智能電網的重要組成部分,根據智能變電站技術導則［4］，其定義為：智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。這個概念使得更加可靠、高效的實時監測和控制設備節點裝設在變電站。

根據導則，智能設備也被增加到變電站設備之中，其定義為：一次設備和智能組件的有機結合體，具有測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化和信息互動特征的高壓設備，是高壓設備智能化的簡稱，能夠實現智能功能并能提供整個系統的監測、控制及管理的普遍IT技術。

由于更多自動化、網絡化設備的應用，智能變電站尤其應加強自動裝置、網絡交換機等設備的在線監視,將設備的自檢診斷信息、運行工況信息等通過標準協議,送達變電站監控系統進行可視化展示,并通過遠傳裝置發送到上級調度/集控系統為電網實現基于狀態監測的設備全壽命周期綜合優化管理提供基礎數據的支撐［2］。

3 智能變電站在線監測

智能變電站中設備主要包括過程層設備（包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備）、間隔層設備（繼電保護裝置、系統測控裝置、監測功能組主IED等二次設備）、站控層設備（包括自動化站級監視控制系統、站域控制、通信系統、對時系統）。

站控層設備中有些已經具有相關參數的量測，在這種情況下可僅進行數據采集即可，對于站控層設備沒有提供的參數另外加裝傳感器測量。

3.1 過程層設備監測

過程層設備在線監測的主要項目有：變壓器、斷路器、電容器、MOA避雷器以及氣體絕緣組合電器（GIS，Gas Insulated Substation）等。

目前國內外對變壓器、容性設備、高壓斷路器等電力設備的在線監測都做了大量深入研究,監測量的范圍也越來越廣泛。智能開關設備（包括斷路器和刀閘）是過程層數字化的重要組成部分。開關設備配有電子設備、數字通訊接口、傳感器和執行器,不但具有分合閘基本功能,而且在監測和診斷方面具有附加功能。GIS等SF6電氣設備的絕緣性能是確保其安全運行的重要條件。設備內部中的金屬微粒、粉末和水分等導電性雜質是引發 GIS等設備故障的原因。設備存在導電性雜質時，因局部放電而發出不正常聲音、振動、產生放電電荷、發光、產生分解氣體等異常現象。因此局部放電是 GIS設備狀態監測重要對象之一。

過程層設備主要監測參數如表1所示。

表1 過程層電力設備在線監測項目

對于以上的參數監測及分析,現階段建立了基于動量因子的標準BP算法,Bold Driver算法、superSAB算法和RPROP算法的算法模型。

變電設備在線監測系統包括在線監測數據集成平臺、容性設備在線監測系統、斷路器在線監測系統等幾部分組成。通過對以上設備的在線監測，來實時監測其絕緣性能和運行狀態，并在出現異常時能及時報警。

3.2 變電站運行環境監測

無人值班變電站運行環境遠程監測系統,應包括視頻和安防功能,實現運行情況監視、入侵探測、防盜報警、出入口控制、火災報警、安全檢查等;還能夠實現室內環境溫濕度監測,以及室外環境溫濕度、雨量風速監測等主要功能。利用單片機技術、紫外線、紅外線、離子感煙等技術，對智能變電站現場的煙霧、明火、絕緣放電、環境溫度、環境濕度、瓷套表面污穢泄漏電流、非法入室、小動物侵入、電纜溝進水等情況進行實時監測和記錄，并通過通訊網絡傳輸到預警系統主站，作為設備運行工作狀況的輔助評估。

變電站運行環境遠程監測系統中的視頻和安防信號傳至集控中心,視頻監視和安防功能宜緊密集成。

變電站運行環境遠程監測系統要成為智能輸電網環境監測信息上送的重要節點。當發生報警時,遠程視頻監控終端能自動切換至相應攝像機,同時傳送報警信息和相關圖像,并自動在地理圖上提示報警位置及類型;聯動現場照明、警笛相關設備;支持一點報警多個攝像機聯動和多點設備聯動。視頻處理單元應能對站內攝像機進行自檢和故障報警,實現聯動并及時準確跟蹤事故點,同時遠傳到集控中心,從遠端實現及時掌控。

3.3 電纜、開關柜測溫

電力系統的一次電氣設備一般由斷路器、變壓器、電纜、母線、開關柜等電氣設備組成，其相互之間由母線、引線、電纜等連接,由于電流流過產生熱量，所以幾乎所有的電氣故障都會導致故障點溫度的變化。如：開關柜內部觸頭接觸不良、插接偏心不正等原因導致過熱，以致起弧燒壞設備；高壓電纜接頭、連接器導體部分接觸不良引起異常過熱，加速絕緣老化導致擊穿，這是高壓開關柜的主要故障形式，電纜連接處、高壓開關柜的動靜觸頭及其他連接處等位置過熱是大型事故的征兆，所以電纜接頭、高壓開關柜的在線實時溫度監控，是電纜和開關柜安全的重要保障。

目前，國內電力測溫主要應用紅外點測儀和紅外成像儀，但都無法實現開關柜內如斷路器、刀閘聯接點和觸頭測溫，對全封閉金屬鎧裝柜更是無法觸及，所以高壓開關的觸點等空間有限的電氣設備基本上都是處于無監控的狀態下運行。

系統采用基于光纖布拉格（FBG）原理的準分布式光纖光柵測溫，具有良好的絕緣耐壓性能和穩定的工作特點，采用星型拓撲結構布置測溫點，如圖1所示，避免了光纖在開關柜內部的迂回布線，解決防污閃問題。

圖1 電纜、開關柜測溫系統結構圖

3.4 在線監測系統整體結構

智能變電站在線監測系統包括智能設備監測終端、通信網絡以及綜合監測分析系統。系統拓撲結構如圖2所示。

基于單片機和總線技術的智能型監測終端安裝在設備運行現場，其主要功能是對各智能設備（如在線檢測設備、SF6氣體泄流監測設備、變壓器色譜分析儀、蓄電池監測系統、直流絕緣檢測、智能直流屏等）采集的數據采用透明轉發技術，通過100M以太網接入光纖網或輔以其他傳輸網絡（如GPRS）實現實時信息的可靠傳送。監測數據通過通訊網絡傳輸到預警系統主站，作為設備運行工作狀況的輔助評估。

為了避免因遠距離傳輸微安、毫安級小電流信號而引入大量電磁干擾，淹沒原始信號，系統選用分層分布式系統，電氣參數就地采集。同時系統采用數字信號處理技術作為硬件平臺；將智能型監測終端的RS485串行通訊口駁接多種智能通訊終端設備，構成了RS485通訊總線。

圖2 智能變電站在線監測系統結構

為了提高設備通訊的可靠性，考慮到設備之間信號的隔離和抗干擾，以及抗雷擊等大信號的沖擊，前向放大部分采用零點漂移小、精度高的運算放大器以及精密的電阻，保證模擬放大通道的穩定性好；在每個設備接入總線的端口增加光電信號隔離裝置，解決不同設備通訊信號地電位不同的問題；同時對于從戶外經過的RS485通訊線路加裝雷擊保護電路，減少大信號沖擊對通訊線路的損壞。

位于數據信息中心的遠程服務器數據采集平臺具有向現場采集儀發送通訊命令、接收和處理信息數據、對電力設備的運行狀況進行評價和分析，故障報警、故障診斷和WEB發布等功能，并負責將處理后的設備信息數據送入開放式實時數據庫，等待設備運行狀態信息查詢，或供其它系統調用，如與有關數據進行融合，建立電力設備運行與檢修管理數據中心，分析處理結果可作為變電站設備狀態檢修的依據。

遠程服務器數據采集平臺采用B/S結構，與安全生產管理信息系統、企業資源計劃系統（ERP）、SCADA和在線監測等實時/歷史數據管理系統有效集成，以達到數據共享。在數據庫運行維護上使用多線程查詢技術和Database Pooling技術，使每個查詢有獨立的線程管理，可以實現并列的多個查詢，提高查詢效率。實現了查詢內存模塊的重復使用，減少了內存占用、釋放的開銷。采用三層結構模式，數據庫與Web服務隔離，用戶只與Web交互，提高了數據庫的安全性。

4 結論

智能變電站的發展和成熟對建立堅強智能電網有重要意義。智能變電站在線監測系統運用當前國內外最先進的通信和檢測技術，實現對變電站設備各項性能參數的實時監測，達到對變電站設備健康狀況及運行環境的智能化實時采集、分析變電站主設備的各項數據，實時對運行設備的狀態進行跟蹤和監測，及時發布故障告警及檢修信息，使智能變電站有效成為智能電網變電環節的重要組成部分。