基于全景數(shù)據(jù)系統(tǒng)的特高壓直流換流站監(jiān)控方案

陸 如，于惠鳴，劉自超

（1.上海電力大學(xué)，上海 200090；2.國網(wǎng)煙臺供電公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

隨著特高壓交、直流的飛速發(fā)展，全國電網(wǎng)步入特高壓時代[1]。然而，目前膠東直流換流站內(nèi)的高壓電氣設(shè)備的日常維護工作主要采用傳統(tǒng)的定期檢修和巡檢方式，起到了一定的監(jiān)督作用。但是，長期實踐發(fā)現(xiàn)，定期停電存在明顯局限性，如工作量較大、檢測周期長等[2]。檢測數(shù)據(jù)完全獨立，沒有根據(jù)其相關(guān)性匯總到一起，而通過單一裝置的檢測數(shù)據(jù)無法得出一個準(zhǔn)確的評估結(jié)果信息，需要專業(yè)人員花費大量時間對照分析各項數(shù)據(jù)才能得出相對可靠的評估結(jié)果。因此，亟待研發(fā)一套完善的換流站設(shè)備監(jiān)控方案，保證電力系統(tǒng)最核心的安全問題[3]。

本文提出了基于全景數(shù)據(jù)系統(tǒng)的特高壓直流換流站設(shè)備監(jiān)控方案。以基于全景數(shù)據(jù)系統(tǒng)的特高壓直流換流站設(shè)備監(jiān)控為研究方向，在滿足直流換流站運行設(shè)備檢修、維護要求的前提上，降低換流站工作人員的檢修和運維工作的難度，減少日常維護的工作量，節(jié)約了換流站監(jiān)護成本用三維全景界面，對全站重要設(shè)備和區(qū)域進行三維立體建模，實現(xiàn)了完全可視化，是一種高效、創(chuàng)新的監(jiān)測方案[4]。

1 設(shè)備監(jiān)控方案設(shè)計原則和依據(jù)

1.1 監(jiān)控方案的設(shè)計原則

基于全景數(shù)據(jù)系統(tǒng)的特高壓直流換流站設(shè)備監(jiān)控方案，以可靠性、安全性以及經(jīng)濟性等為設(shè)計原則，同時兼顧技術(shù)先進性、可擴展性和兼容性，在引領(lǐng)未來直流換流站智能監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的同時，提高直流換流站設(shè)備監(jiān)控的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工作效率。

監(jiān)控方案的具體設(shè)計原則包括如下內(nèi)容：

（1）在滿足新一代智能變電站的技術(shù)要求上，對特高壓直流換流站內(nèi)的全部高壓電氣設(shè)備進行全天候、全方位以及全景數(shù)據(jù)的立體監(jiān)控；

（2）為每一臺設(shè)備定制專用的維護檔案和檢修方案，結(jié)合每一臺設(shè)備固有的結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)綜合評估運行狀態(tài)，并形成科學(xué)、有效的評估結(jié)果；

（3）以云計算和大數(shù)據(jù)等數(shù)字化時代的先進運算工具為核心，建立直流換流站高壓電氣設(shè)備的故障數(shù)據(jù)庫，并通過自學(xué)習(xí)算法進行維護和更新。

1.2 監(jiān)控方案的設(shè)計依據(jù)

本方案的系統(tǒng)設(shè)計完全滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，見表1。

2 換流站設(shè)備監(jiān)控方案的架構(gòu)和實施過程

2.1 監(jiān)控方案的架構(gòu)

全景數(shù)據(jù)是反映變電站電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)以及動態(tài)數(shù)據(jù)的集合[6]，形成縱向貫通、橫向?qū)ǖ碾娋W(wǎng)信息支撐平臺。系統(tǒng)集合了全站視頻監(jiān)控，換流變壓器、主變壓器、GIS以及HGIS等重點設(shè)備，交流場、直流場以及閥廳等重要區(qū)域的針對性監(jiān)測方案。監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖1所示。

表1 主要參考標(biāo)準(zhǔn)

圖1 智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)分配圖

監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)通過監(jiān)測光纖主干網(wǎng)上傳到監(jiān)測數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進行一致化管理，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的整合共享，最終實現(xiàn)對全站高壓電氣設(shè)備的實時數(shù)據(jù)獲取、綜合分析、狀態(tài)評估以及全景展示等功能。用戶可在全景監(jiān)控平臺上直觀了解全站各主要設(shè)備的外觀、現(xiàn)場環(huán)境、絕緣狀態(tài)、設(shè)備溫度以及運行位置等信息，并綜合診斷結(jié)果。

監(jiān)測數(shù)據(jù)可長期本地存儲、建立高壓設(shè)備的運行和故障特征庫，同時可通過以太網(wǎng)通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)往遠方監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)分析部門、配電管理系統(tǒng)及維護部門，并可接收控制指令，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和運行狀態(tài)分析。系統(tǒng)通信完全滿足DL/T860和國網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 監(jiān)控方案的實施過程

基于全景數(shù)據(jù)系統(tǒng)的換流站設(shè)備監(jiān)控方案已經(jīng)在膠東換流站分4個階段實施，具體實施過程如下。

第一階段：建設(shè)光纖主干網(wǎng)、監(jiān)控中心，優(yōu)先實施重點監(jiān)測方案，如換流變壓器、主變壓器、避雷器以及部分GIS、HGIS的在線監(jiān)測。

第二階段：在每個區(qū)選擇示范監(jiān)測方案實施，如直流場、閥廳以及交流場的整體監(jiān)測。

第三階段：按照整體規(guī)劃實施，完成全景數(shù)據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體建設(shè)。

第四階段：系統(tǒng)運行后積累數(shù)據(jù)，建立一套完善的分析、評估以及預(yù)警系統(tǒng)。

3 監(jiān)控方案的具體實施

3.1 換流變壓器監(jiān)測

換流變壓器由于運行狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的特殊性，不僅要承受普通電力變壓器要承受的電場、過熱、電動力對其運行狀態(tài)的影響，還受到自身運行因素的影響。因此，相對于普通電力變壓器，它更容易出現(xiàn)各種缺陷和故障，需針對換流變運行工況和結(jié)構(gòu)的特殊性制定相應(yīng)的監(jiān)測策略。檢測體統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 換流變壓器的監(jiān)測手段

針對絕緣系統(tǒng)問題，采用高頻局部放電監(jiān)測、高壓套管超聲局放監(jiān)測、高壓套管電容量和介損監(jiān)測，可以清楚了解整體絕緣系統(tǒng)當(dāng)前的健康狀況。而直流偏磁問題采用振動和鐵芯接地電流監(jiān)測，可以有效監(jiān)測對換流變內(nèi)部結(jié)構(gòu)件松動和多點接地情況，避免內(nèi)部松動和多點接地現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對高次諧波問題，采用監(jiān)測冷卻器效率，以有效避免冷卻器效率不足帶來的溫升問題。

3.2 GIS（HGIS）監(jiān)測

GIS所有元件都采用SF6氣體絕緣，具有很高的應(yīng)用價值[7]。但是，目前膠東直流換流站GIS（HGIS）運行狀態(tài)監(jiān)控主要采用人工巡視，運維任務(wù)繁重，且缺乏對HGIS內(nèi)部開關(guān)類動作機械特性的監(jiān)測，因此對原檢測系統(tǒng)進行改進，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GIS（HGIS）的監(jiān)測手段

根據(jù)GIS的結(jié)構(gòu)特點，采用特高頻和超聲綜合在線監(jiān)測模式。利用小波消噪技術(shù)、自適應(yīng)濾波技術(shù)以及窄帶消干擾技術(shù)消除現(xiàn)場監(jiān)測的干擾信號，可以實現(xiàn)對單個放電脈沖的時域、頻域及時頻分析，提供PRPD、PRPS及指紋圖譜等統(tǒng)計分析，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等自動識別放電故障類型，然后根據(jù)放電類型的統(tǒng)計分析對出現(xiàn)的局放缺陷進行風(fēng)險分析，提供相應(yīng)的維修策略支持。

針對SF6氣體的監(jiān)控，安裝了SF6微水密度在線監(jiān)測。此類監(jiān)測可以實時觀察各間隔氣體微水、溫度值和壓力值，在其泄漏的初始階段發(fā)現(xiàn)并進行維修，并能實時上傳GIS內(nèi)部SF6氣體濕度、溫度等信息形成統(tǒng)計趨勢，可以根據(jù)各項條件進行檢索分析。

3.3 直流場、交流場和閥廳監(jiān)測

直流場、交流場和閥廳均為多個高壓設(shè)備組合形成的區(qū)域，主要包含避雷器、電抗器、電流互感器以及CVT等重要設(shè)備。根據(jù)這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，多數(shù)故障發(fā)生在設(shè)備外部或能夠通過外部反映出來。因此，對直流場、交流場和閥廳設(shè)備主要監(jiān)測方案為外部絕緣和溫度監(jiān)測[8]，依次如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 直流場監(jiān)測手段

圖5 交流場監(jiān)測手段

圖6 閥廳監(jiān)測手段

避雷器、互感器等設(shè)備在長期運行中，當(dāng)自身絕緣出現(xiàn)缺陷或受潮濕、表面污穢等外部因素影響時，會造成局部電場集中，并以電暈、爬電等形式表現(xiàn)出來。當(dāng)絕緣進一步惡化時，甚至?xí)l(fā)生閃絡(luò)。閃絡(luò)監(jiān)測采用紫外光脈沖檢測技術(shù)，通過傳感器檢測高壓設(shè)備發(fā)生電暈和閃絡(luò)時產(chǎn)生的紫外光脈沖信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為電流脈沖信號，由監(jiān)測裝置進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和分析診斷后，將監(jiān)測結(jié)果通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控平臺。

3.4 穿墻套管監(jiān)測

特高壓直流穿墻套管作為換流站直流場和閥廳的連接設(shè)備，在整個直流輸電工程中占據(jù)重要地位。一旦出現(xiàn)任何問題，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)停運。國內(nèi)外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，連接閥廳和直流場的穿墻套管，故障率占比較高。由于穿墻套管工作環(huán)境和安裝方式比較特殊，同時易受高介電、熱應(yīng)力、污穢以及非均勻淋雨等影響，是整個換流站的薄弱環(huán)節(jié)之一，且發(fā)生故障損失也較嚴(yán)重。國內(nèi)外統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，它的主要故障可分為內(nèi)部絕緣擊穿和外部閃絡(luò)擊穿兩種。

對內(nèi)部絕緣故障，需要根據(jù)套管具體結(jié)構(gòu)和絕緣材料特性采用對應(yīng)的檢測方法，目前主要有油浸紙電容結(jié)構(gòu)、環(huán)氧芯體結(jié)構(gòu)以及純SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)等。膠東換流站使用的是HSP套管，環(huán)氧體芯結(jié)構(gòu)，外部采用硅橡膠絕緣材料。內(nèi)部采用電容屏結(jié)構(gòu)，應(yīng)該與特高壓交流套管基本類同。

套管外部絕緣問題主要是污閃和由于非均勻淋雨產(chǎn)生的閃絡(luò)。膠東換流站距離海邊較近，污物較內(nèi)地含鹽量高，更容易發(fā)生污閃。基于全景數(shù)據(jù)系統(tǒng)的換流站設(shè)備監(jiān)控方案采用泄漏電流最大幅值和泄漏電流脈沖數(shù)表示絕緣子污穢度的參數(shù)，不僅易接近絕緣子污穢實況，而且可實現(xiàn)在線監(jiān)測與報警。圖7為套管泄漏電流檢測適配器，圖8為泄漏電流法監(jiān)測污穢度的原理圖。

圖7 套管泄漏電流檢測適配器

圖8 泄漏電流法監(jiān)測污穢度的原理圖

4 監(jiān)控方案的效應(yīng)分析

膠東直流換流站已經(jīng)安裝1套全景數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)平臺將傳統(tǒng)的監(jiān)測模式與先進的大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能診斷技術(shù)以及三維立體建模技術(shù)結(jié)合，形成一套具備數(shù)據(jù)數(shù)字化、通信標(biāo)準(zhǔn)化、診斷智能化、控制自動化以及設(shè)備可視化等特點的智能專家診斷系統(tǒng)。

系統(tǒng)平臺自投運以來，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的逐步積累，已經(jīng)建立設(shè)備的狀態(tài)信息庫，具備分析各數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系的能力，并結(jié)合檢測專家多年經(jīng)驗與專業(yè)知識，總結(jié)高壓設(shè)備的故障發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和故障的特征信息，最終建立了一套完善的具備自動分析、評估、預(yù)警以及自學(xué)習(xí)能力的直流換流站全景數(shù)據(jù)智能監(jiān)控專家系統(tǒng)平臺。