超高壓智能變電站一次主設備在線監測系統設計與實現

汪 洋，鄂士平

（國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引 言

自動模式的輸電和配電是電力系統的主要組成部分。輸電和配電系統的安全運行將會影響到電網的穩定發展，是智能電網建設的重要條件。伴隨我國電力的快速發展，電網的發展規模越來越大，尤其是現在城市以及農村建筑的崛起和一些大的公共設施的增加，造成電力管理員也在不斷地增加，電網里的很多分系統也在不斷地擴大規模，電網的安全性、穩定性以及實時性也面臨著更高效的要求。隨著電網技術的快速發展，電負荷的不斷增加，出現的新型負載所帶來的一些質量上的問題也逐漸展現出來。因此，電力企業需抓緊建設智能高效的監控系統，應用傳感、監測、通信、計算機等多種高科技技術，實現電力系統監測和故障診斷等多種功能，進一步提高電力系統的智能操作和管理，保障電力系統可以安全有效地進行。

1 主設備在線監測工作面臨的主要問題

在線監測系統通常包括狀態監測系統、監測分析系統以及監測診斷系統。在智能電網中，主設備在線監測工作的數據采集、電力診斷以及實時監控物理鏈路的穩定性等還存在著不足。如果電力系統的管理員比較多且規模較大，那么數據采集率就會比較低，服務器壓力大，不能很好地保障數據系統的實時性，最后會影響整個電力系統的監控服務能力。現在我國電力系統診斷還不是很完整，電力系統中的診斷工作主要是應用有關的技術和計算方式對電力信號進行相關檢測、計算和處理，從而得出電力系統的診斷結果，推斷電力系統是否安全。但現在我國很多關于系統診斷的研究都還是在理論層次，并不能應用到實際狀況中。此外，主設備在線監測系統和網絡之間的連接存在不穩定性。我國現有電力系統構架的網絡監控是通過遠程方式收集數據，而且電力網絡中的IP資源比較缺乏，很多主設備在線監測設備的網址會隨時間的變化而發生變化，所以電力系統的監控系統有可能會和網絡通信系統發生中斷，從而影響數據的完整性和準確性。

2 電力變壓器在線監測系統技術依據

2.1 在線監測裝置進行選取過程中應遵循的原則

對電力設備而言，長時間運作很難保證設備不會出現問題，必須使用合理的方法進行處理。為切實實現在線監測，應力求科學選取監測裝置，選取過程中應從以下幾方面考慮是否符合現場。從使用壽命方面考慮，在線監測裝置的使用壽命應比被監測設備大；從測量方面考慮，故障率應保持在最高；監測實施過程中，應重點監測重要負荷間隔，合理控制測量精度，精度既不能過高也不能過低。

2.2 變壓器局部放電在線監測

通過調查得知，如果設備在工作中出現局部放電，那么其出現問題的可能性就比較大，相關工作人員一定要保持警惕。局部放電是變壓器出現故障的主要表現之一，目前對變壓器在這方面的監測工作是采用超高頻的方法，其在工作中表現的效果良好。

2.3 變壓器鐵芯接地電流在線監測

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

3 超高壓智能變電站一次設備在線監測系統設計

3.1 變電站在線監測系統網絡架構

智能變電站在線監測系統由站控網和過程網構成，其中過程層設備由現場監測單元和傳感器構成，實現對原始監測數據的實時采集和數字化處理、存儲，響應并接收由主智能電力監測裝置（Intelligent Electronic Device，IED）下發的控制及配置指令。間隔層設備，即一次設備現場在線監測組件柜的主IED，實現對監測數據的預處理、分析、上傳和存儲，并接收子站下發的控制及配置命令。站控層設備即在線監測系統的站內后臺系統，進行監測數據的上傳、轉換、分析、存儲和異常告警，接收并響應主站的遠程控制指令。

3.2 智能變電站一次主設備在線狀態監測方案設計

可以采用一次設備、監測單元和測量控制相分離的方案。狀態監測的設備包括主變鐵芯、氧化鋅避雷器、主變油色譜單元、容性高壓設備監測單元、金屬氧化鋅避雷器監測單元以及變壓器鐵芯電流監測單元等。對智能變電站的各個組件單元進行獨立配置，采用控制電纜連接設備本體及站內自動化系統，在室內智能控制柜內就地安裝狀態監測系統的子IED。考慮到功能性及成本因素，可以選取帶有過濾器風扇通風系統的雙層中空智能控制柜，并采用分層分塊設計的方式，進行狀態監測系統的后臺軟件設計，進行數據的實時采集、監測、分析、處理和存儲，體現出靈活配置、可擴展性以及高內聚性的特點[1]。

3.2.1 主變油色譜在線監測系統

利用物理分離技術分離變壓器油中溶解的氣體，鑒定和測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。在強制油循環導入定量室內的載氣作用下，分離出故障特征氣體，辨析變壓器油中特征氣體成分，根據油中氣體的產氣速率判斷特征氣體的含量和成分。該系統通過油路循環的方式有效防止連接管道處殘余的變壓器油，進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，數據采集模塊采集氣體檢測的電信號數據，將其轉換為數字信號。嵌入式微處理器控制單元進行采集數據的監測、分析以及存儲。

3.2.2 避雷器在線監測系統

采用主機+從機的方式進行系統配置，選取功耗小、性能穩定以及高速的S3C2440A板作為主機，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。同時，系統基于私有協議進行MOA在線監測裝置和避雷器監測IED間的通信，在線監測并獲悉MOA氧化鋅避雷器的全電流、阻性電流、容性電流以及雷擊時刻，及時進行故障預警和排查。監測系統運行的相關參數有工作電壓、共模、差模、電磁場輻射干擾、快速瞬變干擾、絕緣電阻以及脈沖電壓等。

3.2.3 容性設備在線監測系統

該系統采用分布式結構，由中央監控器控制本地LU的工作狀態，進行正常運行數據和異常數據的讀取、上傳、診斷以及分析。該系統裝置包括電流互感器在線監測裝置、電壓測量取樣裝置、耦合電容器在線監測裝置以及變壓器套管在線監測裝置等，實現對母線電壓、電流、等值電容量以及諧波分量的實時在線監測。容性設備在線監測系統由本地測量單元LC1檢測母線PT的二次電壓信號Un，由本地測量單元LC2檢測電容型設備Cx的末屏電流信號Ix，在中央監控器SC的控制下，兩個本地測量單元LU1和LU2的信號采集系統同步啟動，對傳感器輸出的模擬電壓信號同步進行采樣及FFT變換處理，獲得輸入信號Un和Ux相對于工作電源Us的基波相位Ph（n-s）、Ph（x-s），計算獲悉電容型設備的介質損耗Tanδ、電容量Cx等絕緣參數[2]。

3.2.4 在線狀態監測及故障診斷系統

局域端主站的OMDS在線監測系統采集一次設備的狀態參數，通過分布式管理的方式在線實時查詢監測數據，診斷一次設備的絕緣狀況，跟蹤變電站內被測設備的故障缺陷。系統運行的不同層級包括數據接入層、數據分析服務層以及應用層。數據接入層完成在線監測主站及各個變電站間的數據通信。數據分析服務層進行數據處理和分析，檢查數據的可靠性和超變化率，剔除無效數據，采用容性設備相對介損類比分析方法，完成對設備狀態的自動診斷和識別。同時，系統可以對監測數據設置告警限值，如分級設置預警限值和告警限值[3]。應用層通過Web方式提供直觀可視的人機交互界面，可以進行實時數據和歷史測量數據的瀏覽與告警信息發布等。

3.2.5 在線監測系統后臺的集成優化

為了能夠達到簡化工作難度的目的，變壓器的在線監測會使用與變電站內其他設備一樣的監測系統，這樣在后臺進行處理時就能夠通過系統對變電站內所有設備進行統一管控。在工作中，如果對設備的監管過于麻煩，會無形中加大工作的難度。面對這種現象，將設備的監測系統與管理系統互相滲透，希望可以建立一個新的系統，通過系統可以科學有效地管控變電站設備，根據IED上顯示的數據判定故障原因。

4 結 論

我國在線監測技術隨著國家整體科技水平的提高在不斷進行技術革新。目前，從監測技術的表現上來看已經取得了很大的進步，對設備的狀態監測及診斷都有明顯表現。通過在線監測技術的發展，工作人員已經可以全方位監測變電站中設備的工作情況，并在此基礎上根據數據對工作表現進行評估。這樣可以在很大程度上提高生產管理水平，通過現代智能科學技術加強企業對設備的管理工作，從而為企業帶來經濟效益。