變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的集成應(yīng)用及設(shè)計(jì)

張 鵬

（廣東電網(wǎng)公司中山供電局，廣東 中山 528400）

0 引 言

為從各渠道獲取電力設(shè)備的狀態(tài)特征，結(jié)合近十年來國內(nèi)電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一套完整的變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由就地監(jiān)測層、站端控制層和遠(yuǎn)方監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集管理層3 大部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 就地監(jiān)測層

就地監(jiān)測層設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)思路，將信號處理單元、傳感器、設(shè)備電源等一體化封裝，通過結(jié)構(gòu)上的多層交叉屏蔽設(shè)計(jì)，確保類似于泄露電流等微弱信號能夠以模擬信號的方式實(shí)現(xiàn)最短距離的傳輸[1-2]。將模擬信號就地處理成數(shù)字信號后，上送站端監(jiān)控單元進(jìn)行介損、阻性電流、容性電流等參數(shù)的計(jì)算。采用美國TI 公司32 位DSP 運(yùn)算和RS-485 的數(shù)字傳輸，選用4 800 的波特率，結(jié)合其誤碼率低、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)再搭配“看門狗”技術(shù)，可有效避免采樣和傳輸引起的數(shù)據(jù)丟失、失真、擾動、衰減等因素帶來的測量精度問題，確保在變電站電磁干擾環(huán)境下裝置可靠運(yùn)行。設(shè)備的監(jiān)測對象和參數(shù)如下。

1.1 系統(tǒng)電壓

監(jiān)測各個(gè)電壓等級的母線電壓，為計(jì)算絕緣參數(shù)提供電壓數(shù)據(jù)。主要監(jiān)測參數(shù)包括系統(tǒng)的三相電壓、諧波電壓（3、5、7、9 次）以及系統(tǒng)頻率。

1.2 容性設(shè)備

對于容性設(shè)備，通過高精度傳感器測出設(shè)備末屏電流的幅度、相位以及與參考源的相位差，測得系統(tǒng)電壓的幅度、相位以及與參考源的相位差。通過這兩個(gè)信號的幅度和相位差計(jì)算容性設(shè)備的泄漏電流、電容及介損。可采用高磁導(dǎo)率玻-鏌合金制成的傳感器，在幅值和相位傳遞上具有很小的失真率，幅值傳遞精度可以達(dá)到0.1%，相位傳遞誤差可控制在1 分以內(nèi)，使得泄漏電流、介質(zhì)損耗因數(shù)的測量精度得到可靠保證，同時(shí)對泄漏電流的采樣通過帶高精度、低溫漂、低失真的一匝穿心式CT 的就地監(jiān)測單元。主要監(jiān)測參數(shù)包括末屏電流、介質(zhì)損耗以及等值電容。

1.3 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器在運(yùn)行過程中的主要電流為容性電流，阻性電流占比很小。當(dāng)發(fā)生閥片老化、器身受潮、內(nèi)部絕緣損壞或表面污穢嚴(yán)重時(shí)，容性電流的變化不多，阻性電流卻會大大增加。因此，在線監(jiān)測其交流全電流和有功分量能夠正確反映出避雷器的絕緣狀態(tài)。主要監(jiān)測參數(shù)包括全電流、阻性電流以及阻容比。

1.4 變壓器鐵芯

大型變壓器鐵芯要求一點(diǎn)接地，正常運(yùn)行時(shí)地線中只流過很小的各繞組對鐵芯的寄生電容電流。若鐵芯有兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，則接地點(diǎn)間形成閉合回路，因交鏈磁通而形成較大環(huán)流。該電流會引起局部過熱，導(dǎo)致油分解、燒壞鐵芯等，威脅變壓器的正常運(yùn)行。主要監(jiān)測參數(shù)為鐵芯接地電流。

1.5 變壓器套管

在變壓器三相套管內(nèi)置傳感器，通過在線監(jiān)測介損值，并采用傅立葉變換數(shù)字濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全自動智能化測量方法診斷套管絕緣狀態(tài)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測套管的電容量和介損值的變化。主要監(jiān)測參數(shù)為主變套管介損值。

1.6 設(shè)備環(huán)境

對高壓設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測有助于綜合判斷絕緣狀況，提高狀態(tài)診斷的準(zhǔn)確性。由監(jiān)測單元組成的污穢在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測污穢電流和環(huán)境溫濕度可以有效監(jiān)測變電站現(xiàn)場污穢情況，對嚴(yán)重污穢情況進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)運(yùn)行部門安排戶外一次設(shè)備的清洗、清掃工作，避免污閃等事故的發(fā)生。主要監(jiān)測參數(shù)包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及瓷裙表面污穢電流[3]。

1.7 電力電纜

35 kV 及以上電壓等級的電力電纜主要是單芯結(jié)構(gòu)。電纜正常運(yùn)行時(shí)，電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電流值很??；電纜出現(xiàn)多點(diǎn)接地時(shí)，金屬護(hù)套環(huán)流值變得很大，利用環(huán)流法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測電纜運(yùn)行狀況。通過在電纜金屬護(hù)套上加裝傳感器獲取數(shù)據(jù)，由基于DSP 芯片TMS320LF2407 和簡單的外圍接口電路實(shí)現(xiàn)，完成電力電纜護(hù)套環(huán)流的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的串行傳輸與發(fā)送。主要監(jiān)測參數(shù)為電纜護(hù)套環(huán)流。

1.8 氣體絕緣組合電器（GIS）

在現(xiàn)場GIS 設(shè)備布置外置的天線傳感器，且達(dá)到寬頻帶天線范圍。根據(jù)GIS 局部放電超高頻檢測中的周期性窄帶干擾和白噪干擾的特點(diǎn)，采用復(fù)小波變換技術(shù)對采集的超高頻局部放電信號進(jìn)行去噪信息，實(shí)現(xiàn)對GIS 設(shè)備的局放信號的監(jiān)測。主要監(jiān)測參數(shù)為局放信號[4]。

2 站端控制層

站端的中心模塊按嵌入式PC 智能技術(shù)開發(fā)，負(fù)責(zé)對變電站全部就地智能監(jiān)測模塊的測量與控制、數(shù)據(jù)采集和通信管理，能實(shí)時(shí)把監(jiān)測結(jié)果以城域網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并將報(bào)警信號上送至地方調(diào)度主站。采用的嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)上應(yīng)遵循工業(yè)級的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，必須具備較高的穩(wěn)定性和可靠性。為滿足現(xiàn)場多線程的需求，在原來RS-485 的驅(qū)動能力上應(yīng)予以優(yōu)化。采用的標(biāo)準(zhǔn)C/C++模型設(shè)計(jì)規(guī)范，針對每種監(jiān)測設(shè)備對象均遵循標(biāo)準(zhǔn)C/C++的規(guī)范建模，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測對象的標(biāo)準(zhǔn)化模型發(fā)布，且設(shè)備模塊可實(shí)時(shí)修改。

站端控制層需具備硬接點(diǎn)和軟報(bào)文報(bào)警。硬接點(diǎn)報(bào)警可為一次設(shè)備數(shù)據(jù)越限信息報(bào)警和監(jiān)測設(shè)備自身狀態(tài)報(bào)警，可設(shè)置各設(shè)備的參數(shù)、告警定值等，可在報(bào)警窗口查詢報(bào)警信息和相對應(yīng)的告警報(bào)文，具備數(shù)據(jù)接口擴(kuò)展和延伸等功能，為以后新擴(kuò)建的多間隔、多設(shè)備的整合提供方便。

3 遠(yuǎn)方監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集管理層

遠(yuǎn)方管理層的主要功能是監(jiān)控各站站端中心管理單元的運(yùn)行，控制和管理各監(jiān)測模塊并收集在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，整合優(yōu)化相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、診斷和預(yù)警，方便設(shè)備部門制定維護(hù)和檢修策略。該系統(tǒng)具備充分的延展性和持續(xù)性，可建立針對轄區(qū)下的所有變電站的絕緣在線監(jiān)測，對單臺服務(wù)器在設(shè)計(jì)上可滿足256 個(gè)站點(diǎn)的接入，且在接入方式上具有即接即用的特點(diǎn)。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)庫、對象訪問控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查詢比對、實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢曲線、設(shè)備參數(shù)設(shè)置以及告警定值設(shè)定等功能。

另外，在變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的集成和開發(fā)過程中，必須注意到系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化這一重要技術(shù)問題，妥善做好系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)和驗(yàn)收工作，避免監(jiān)測平臺建立并運(yùn)行相應(yīng)的監(jiān)控軟件后各類數(shù)據(jù)的傳輸、保真及運(yùn)行速度等與設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)的情況發(fā)生[5-6]。

4 結(jié) 論

結(jié)合近年來國內(nèi)在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，探討變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方法。基于目前變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)在我國已有多年的發(fā)展，各類監(jiān)測技術(shù)也日臻成熟、完善，如能系統(tǒng)性地開發(fā)和整合，設(shè)計(jì)出一套成熟有效的電力在線監(jiān)測系統(tǒng)，相信對變電站在預(yù)防事故和減少停電等方面均能發(fā)揮應(yīng)有的作用，有效提升變電站電力設(shè)備的可用率、電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和設(shè)備維護(hù)部門的工作效率，為電力安全保駕護(hù)航。