智能變壓器狀態監測系統設計

郭志紅 陳 穎 李俊剛 魏 勇 路光輝

（1.山東省電力科學研究院，山東 濟南 250002； 2.江蘇省電力公司鎮江供電公司，江蘇 鎮江 211300； 3.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

智能變電站工程建設的推進，對一次設備智能化提出越來越多的需求，變電站在正式投入運行后，整個電氣設備區域實現遠程和自動化控制，并且要求設備裝設更多的傳感器和電子裝置，來監測和反映設備自身狀態信息（如電脈沖、氣體生成物、局部過熱等各種特征量），實現自身狀態檢測和診斷[1]。變壓器作為變電站非常重要的主設備，需要對其狀態進行全面的監測和管理。對其進行實時監測和診斷，可以減少突發性和災難性事故的發生。同時可以避免昂貴的替換和清理費用，避免非計劃性停電。并且變壓器潛在故障的早期監測對于延長變壓器的壽命有著非常重要的意義。變壓器狀態檢測是變壓器智能化的研究熱點，變壓器智能化也是現階段國家電網新一代智能變電站技術框架的主要課題之一[2]，因此變壓器狀態監測系統的設計具有非常重要的應用價值。

1 變壓器狀態監測需求分析

變壓器的安全運行和使用壽命，在很大程度上取決于變壓器的運行條件，尤其是變壓器絕緣的電老化、熱老化、局部放電老化、變壓器油溫過高等使得變壓器絕緣性能大幅降低，同時變壓器油質量無法實現在線監視與自適應調節使得變壓器油老化加劇，從而縮短變壓器的壽命。

變壓器是電力系統重要設備之一，其運行可靠性直接關系電力系統的安全穩定。國內外統計數字均表明，變電設備中變壓器事故引起的非計劃停運時間最長，且修復時間長、費用高、影響面廣。變壓器故障按部位通?？煞譃槔@組、鐵心、絕緣、引線、分接開關、套管、密封等7 類故障，存在過熱、放電、受潮、老化等不同絕緣故障類型。

通過監視負荷電流、油溫、風扇運行情況等，判斷變壓器冷卻系統運行工況，給出信息，提供操作建議，變壓器冷卻系統可以實現自身閉環控制，也可由控制系統統一分析并下發調節指令。

監視變壓器油各項指標，如油中微水、油中氣體等，并根據監視情況形成變壓器油處理意見，形成集在線脫氧、脫水、脫氣、冷卻、過濾以及預警為一體的變壓器油處理系統，可閉環或開環實現變壓器油在線監視和處理。通過對變壓器油的在線監視和處理，可大大延長變壓器油的壽命，從而延長變壓器的壽命，大大提高了變壓器在運行中的安全性。

變壓器可根據事先設定的邏輯，通過調節檔位自動調節負荷潮流，提高智能變電站供電電壓的質量。

監視變壓器繞組最熱點溫度，并進行老化系數和壽命損耗計算，為變壓器運行工況提供量化指標。

表1 監測內容

根據目前傳感器的發展水平，制定方案如下，智能變壓器主要監測的內容包含油中溶解氣體、繞組的直流電阻、變壓器油溫、密封與滲漏、繞組變形、局部放電及本體的振動等狀態進行全面監測。下面為具體狀態監測內容和部位。

2 狀態監測系統設計

由智能變壓器傳感器采集的變壓器全景數據，將與GOOSE 共網的方式傳送到智能變壓器狀態檢測智能單元，構成智能變壓器就地采集子系統。就地采集系統獲得的監測數據采用IEC 61850 標準，采用統一模型方式映射到監控主站。變壓器的監控診斷系統嵌入到智能變電站的主站系統中去，這樣共同組成了智能電力變壓器狀態監測系統，如圖1所示。

圖1 變壓器狀態監測系統結構

變壓器狀態監測[3-7]如要更好的服務于變壓器智能化，與變壓器智能控制部分的數據交互不可缺少。因此本系統中，狀態監測主站信息來源以下幾部分：監測系統、智能控制系統、歷史數據。監測系統主要包括主IED、局部放電IED、油中溶解氣體監測IED（色譜法）、油中溶解氣體監測IED（電化學法）、鐵心接地監測IED、光纖繞組測溫IED。智能控制系統主要包括測量IED、冷卻裝置IED、非電量智能保護IED。

智能變壓器在線狀態監測由狀態傳感器、變電站通訊網絡和監測主站構成。整體結構圖如圖1所示。當變壓器負荷變化時，溫度隨之發生變化，油面溫度控制器將信號傳送到系統，系統輸出變頻器頻率調節信號，調節油泵電機和風扇電機轉速，從而使變壓器維持在一定的溫度范圍平穩運行，當運行中的某臺油泵或風扇發生故障，系統能調整其余變頻器輸出頻率，從而保證整體冷卻裝置功率。

配合智能變電站內電能調節系統，改變分接開關位置，控制命令GOOSE 數據網絡化傳輸，同時檔位信息的上傳也完全基于GOOSE 信息交換機制，具有滑檔閉鎖告警等功能。

通過對變壓器油的全面監測，形成集在線脫氧、脫水、脫氣、冷卻、過濾以及預警為一體的變壓器油處理系統。

利用對預試驗數據、運行數據、歷史數據的綜合判斷，建立完善的數據倉庫。采用仿人工智能等智能控制要素，根據實際偏差變化規律和被控對象的特征、純滯后及擾動等因素，按一定的模式選擇不同的控制策略，解決非線性、線性系統的融合問題。

3 智能變壓器狀態監測主IED 建模

信息交換機制主要依賴于準確定義的信息模型。這些信息模型和建模方法是IEC 61850 的核心[8-10]。能否對IED 模型進行確切、有效的定義是能否對外提供標準服務的關鍵，借鑒和狀態檢測主IED 功能相似的電力系統故障錄波IED 的建模方法[11]，對變壓器狀態監測主IED 數據信息模型建模過程進行說明。

主變主IED 變壓器狀態監測主IED 主要根據相關標準要求對監測子IED 進行管理和信息處理，因此不同的監測信息就構成了邏輯節點。在IEC 61850 7-4 中定義了88 個邏輯節點。其中，以下節點可以用于描述相應信息：如表2、表3、表4所示，邏輯節點（LPHD），該邏輯節點用于描述基本的裝置信息；邏輯節點（LLN0），用于描述相關屬性信息；擴展節點（SPTR），主要用來保存處理過的監測信息。而其他監測子IED 建模也基本類似。

表2 LPHD 邏輯節點

表3 LLN0 邏輯節點

表4 SPTR 邏輯節點

統一的數據對象模型可保證不同設備之間的互相理解、交換信息和協同操作。在完成LN 的建模后，就可以將IED 的數據信息一一對應到相應的邏輯節點下的數據對象中。每個LN 由具有特定數據屬性的數據組成，數據具有結構和定義好的語義，包含在具有專門數據屬性的數據表中。數據對象模型由邏輯設備名、邏輯節點名、數據名、數據屬性名描述。

4 主IED 設計

變壓器主IED 在狀態監測系統中起著重要的作用，它不僅用于狀態監測數據采集子系統數據的處理與通信，同時還對相應信息進行簡單的分析和診斷。還需要實現符合IEC 61850 通信要求的數字化通信功能。硬件平臺是通信功能實現的載體

4.1 硬件設計

主IED 的硬件系統在原理上分成6 個模塊：主控制最小系統、電源模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入輸出模塊和人機接口模塊。其結構原理圖如圖2所示。

圖2中，A、B、C、D、E、F 分別為主IED 跟外界相連的6 個接口。A 代表實現IEC 61850 過程層通信的以太網接口和GOOSE 通信接口；B 代表外部輸入的交流或直流供電電源的接口；C 和D 代表電網中的開關量信息輸入輸出接口，如開關位置、控制信號、告警信號等；E 代表從電網經過一次互感器后得到的電壓電流模擬量和4～20mA 非電量電流信號輸入輸出接口；F 代表人機界面板上的在線下載調試接口。

圖2 變壓器狀態監測主IED 硬件模塊

4.2 軟件設計

利用狀態傳感器。監測子IED 可以對變壓器鐵心和繞組壓緊狀態、位移、變形的振動測量、有載調壓分接頭機械性能、變壓器油氣體、局部放電、繞組熱點、微水檢測、變壓器油性能指標、漏油檢測、鐵心檢測、在線紅外測溫、絕緣狀態檢測等進行實時數據監測記錄。而主IED 對變壓器狀態監測子IED 進行數據通信、控制和管理。

主IED 定時主動向站控層報送統一格式監測數據，當檢測IED 評估的故障幾率每增大2%，立即主動上送報文一次。當有深度分析需求時，監測IED響應召喚，整理所需數據文件，經物理隔離之后通過站控層網絡報送至相關分析系統并支持參數召喚和設置。具體流程如圖3所示。

圖3 綜合分析流程圖

5 監測主站設計

5.1 信息融合

狀態監測主站信息來源由監測信息、變電站監控系統和間隔層信息組成，同時輔以歷史信息，共同構建起狀態監測分析系統。

變壓器狀態變化是一個緩慢的過程，因此采樣信息需要經過處理，才能錄入數據庫，如圖4所示，數據信息經過相應的概率統計或者排序。

圖4 數據處理方法

5.2 智能變壓器狀態監測主站系統功能

變壓器在線狀態監測主站系統對變壓器的狀態信息提供實時采集、監測、診斷及異常報警等功能，通過對變壓器的實時和管理數據獲取，由主站系統對變壓器的故障部位、故障程度、發展趨勢進行判斷和預測，實現變壓器健康狀態的評估，判斷設備異常。監測主站系統功能結構如圖5所示。

圖5 變壓器狀態監測系統功能

變壓器狀態監測系統的目的不僅僅為了狀態檢修，應該根據故障特征類型，逐一分析，制定特定的策略，如圖6所示，首先判斷故障嚴重程度，看是否需要事故維修，接著判斷是否需要定期檢修。最后對于可測的故障類型，進行狀態檢修。只有這樣才能全方位的服務于變壓器設備。

圖6 變壓器狀態監測維修策略原則

6 應用情況

本文的研究依托于2010年山東省電力公司科技項目“變壓器智能診斷的研究與應用”[12]，設計成果被應用于濰坊福盛220kV 輸變電工程[13]中，項目于2012年3月投入運行，運行狀況良好，原來通過定期巡檢方式進行的變壓器檢修工作逐步轉變為運檢中心值班員在遠方依據變壓器狀態監測主站系統上送的在線工況信息進行狀態檢修方式，有效降低了變壓器設備運維費用，同時提高了變壓器的運行可靠性。

7 結論

本文設計了基于IEC 61850 標準的智能變壓器狀態監測系統。用先進的傳感器技術、嵌入式技術、信息建模技術和通信技術實現了變壓器的在線監測，同時利用變電站自動化信息，在監測主站實現傳統變電站SCADA 實時信息和狀態檢測系統的準實時信息的融合及綜合分析利用，最后根據數據屬性和故障模式判別，完成檢修策略制定。在一定程度上提高了變壓器智能化水平，符合國網新一代智能變電站建設技術規劃，對智能變電站的建設具有一定的參考意義。

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