變壓器油光譜遠程在線分析系統

吳建輝,石軍,周云峰,王遞進，釗向飛，姜新麗

(1.國網河南省電力公司商丘供電公司, 河南 商丘476000; 2.云南電網有限責任公司昭通供電局, 云南 昭通 657000；3.中科百惟(云南)科技有限公司, 昆明 650032； 4.許昌開普電氣研究院有限公司, 河南 許昌 461000)

0 引 言

在電網系統中運行的高壓電力變壓器，絕大多數仍然采用油紙絕緣結構，以提高變壓器的絕緣性能及散熱特性[1-2]。變壓器的絕緣油在熱、電、水、震動等多種因素的綜合作用下，會分解出氫、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等多種烴類氣體，由于高壓電力變壓器的結構特點，這些分解出的氣體將大部分溶解在絕緣油中。當繞組中產生過熱現象或絕緣中產生局部放電等缺陷時，就會加快多種烴類氣體的產生速度。

變壓器絕緣油中氣體的分子組成及產氣速率與變壓器內部絕緣部分故障的類型和缺陷程度有密切的關系，由此來判斷變壓器運行狀態，在國內外普遍推廣使用[3-7]，為此 IEC 制定了IEC 567和IEC 599兩個標準，來對變壓器的絕緣油中溶解氣體進行分析和判斷并指導實際應用。我國也與之對應地建立了GB/T 17623和DL/T 722兩個相對應的標準。因此，根據IEC制訂的標準，來對變壓器絕緣油中的氣體進行組分分析，可以提前發現變壓器內部絕緣中存在的潛在缺陷并追蹤缺陷的發展[8-9]。

目前在電網系統中常用的油中溶解氣體分析方法為油色譜分析法，油色譜分析法與局部放電等在線監測方法相比，油色譜法的判據可靠性要更高，但油色譜分析法仍存在一些缺點，比如：從取油樣到分析出結果的時間間隔長，由于變壓器中的放電發展迅速，無法及時對變壓器內部的運行情況進行反映；同時，油色譜的檢測操作流程繁瑣，對試驗人員的經驗要求很高，造成的人力資源、設備耗費成本較高；另外，色譜法檢測在操作流程中，步驟繁瑣，可能引入誤操作而影響檢測精度。

油中溶解氣體的光學檢測方法的基本原理是通過光聲光譜檢測的氣體成分的方法來進行油中溶解氣體的組分分析，因此相比傳統的檢測方法，油中溶解氣體的光學檢測具備的優點有：非接觸式測量，油中脫出來的溶解氣體不會消耗；光學檢測，抗電磁干擾能力強；光學器件的穩定性高，可以實現免標定(光譜法中所有濾光片均為透射特定波長紅外線的專門設計的高精度光學元件，不易磨損、抗老化，沒有傳統色譜儀必須的儀器校準及標定等問題)[10-11]；無需色譜分離氣體，直接通過光譜分析確定油中溶解氣體的成分和含量，檢測速度快、可連續測量。

鑒于目前離線式油中溶解氣體檢測中存在的不足和弊端，工業界和學術界都對新型在線監測絕緣油中溶解氣體的設備非常重視。在線監測裝置可以作為離線式油中溶解氣體的一種替代方法，對變壓器內部突發性的放電故障無論是檢測靈敏度和時效性都有很大的優勢，也便于追蹤潛伏性故障等優勢。因此，變壓器絕緣油中氣體組分的在線監測就成為電力系統中廣為重要的研究方向。文中研究屬于應用創新，把新技術應用于現場實用，主要是提出一種基于光聲光譜檢測法的新型變壓器油中溶解氣體在線檢測方法，并研制出一套基于新型檢測方法的在線檢測分析系統，該系統采用分布式拓撲結構，具體分析現場監測層、變電站層和遠程監控層三個層次的功能模塊。

1 遠程在線監測方案

針對傳統離線油色譜檢測方法存在的一系列問題[12-13]，提出一種新型的變壓器油中溶解氣體光譜分析的遠程在線監測系統。該遠程在線監測系統以光譜儀為氣體傳感器組建的多組分混合氣體分析平臺,來創建變壓器油中氣體測定的新思路，將光譜儀從室內或現場短期研究設備引入工業現場作為長期連續監測分析氣體的平臺。論文將變壓器、變電站主控室及監控中心以便捷的數據交換連成一體，可以在監控中心對變電站每臺主變的油光譜分析進行實時監測。

光譜儀[14]采用固體激光、高效準相位匹配和新型非線性周期極化晶體等技術，采用商品化的小型近紅外激光和優質周期極化非線性晶體，結合高效差頻準相位匹配技術實現中紅外波段連續相干光輸出的差頻中紅外激光技術。光譜儀系統采用兩臺半導體激光器作為信號源和抽運激光光源，光源經光放大器和隔離器后進入波分復用器；并在溫度控制器的調節下，進入PPLN晶體，進一步經過濾波器、反射鏡和壓電傳感器等環節，到達存有變壓器變壓器油中溶解氣體的腔體。最終電導探測器接受透過的激光能量，光電信號經過直流藕合低噪聲前置放大器等處理環節，由電力智能電子設備進行采集處理。

根據電力變壓器物理位置分散的特點，該遠程在線監測系統對應地采用分布式拓撲結構，整個系統分為現場監測層(前置機子系統)，變電站層(上位機子系統)和遠程監控層(監控中心子系統)三個層次，如圖1所示。

圖1 變電站油光譜遠程在線監測系統的拓撲圖Fig.1 Topology of the remote online monitoring system of oil spectrum in substation

2 系統的功能模塊

2.1 前置機子系統

前置采集裝置直接面向變壓器的數據采集，具有靈活的實現方式，可以采用基于嵌入式技術的智能監測單元或負載專業油光譜采集設備的工控機。前置機主要進行變壓器基礎數據采集和采集過程的監測等功能，具體包括：

(1)硬件驅動：向采集子系統采集設備提供硬件的驅動；

(2)采集控制：根據變壓器監測量的實際需要，控制采集設備實現變壓器油中氣體的采集、計算和存儲，實現循環采集和手動單次采集；

(3)日志記錄：運行日志來記錄監測軟件在運行過程中的所有運行信息，包括采集過程，數據存儲、異常錯誤等。

2.2 上位機子系統

上位機子系統作為變壓器在線監測系統現場部分的上位機，通常位于變電站中央控制室的監測工作站，通常采用工業級控制主機實現。本方案的上位機子系統采用雙核英特爾處理器，2.6 GHz, 內存≥2 G，內置硬盤500 G，19英寸屏幕，標準鍵盤和鼠標，100/1000 BASE網絡接口，內置DVD光驅。操作系統：Microsoft Windows 2000 簡體中文專業版以上版本。

網絡通信設備是整個系統的核心部件之一，采用光纖收發模塊、GSM MODEM[15]等通信方式，以保證跟遠方的監控中心子系統具有高可靠性的信息互連。

上位機子系統一方面收集前置機子系統的數據，另一方面跟遠方的監控中心子系統連接，起到信息匯總、監控及與遠方通信交換等功能，具體包括：

(1)具有故障報警功能；

(2)具有接收前置機發送的監測數據并寫入其數據庫的功能；

(3)具有向所有前置機發送參數設置及數據召喚信息的功能；

(4)具有查看前置機配置參數的功能；

(5)具有數據實時查看和歷史數據查詢及數據診斷功能；

(6)具有系統自診斷功能；

(7)支持現場控制通信協議。

2.3 監控中心子系統

監控中心子系統部署在管理大區的監控數據匯集中心，負責從各個變電站采集監測數據，進行統一管理，提供監測數據瀏覽、統計、分析及診斷的系統。要求具有大數據存儲和應用能力，因此本方案采用服務器實現。該應用服務器采用四核英特爾的強處理器，主頻2.4 GHz，12 MB共享三級緩存，2 G寄存式內存、2×300 G硬盤、2個千兆網卡，2U機架式。操作系統采用Windows Server 2003 Enterprise Edition。由于涉及數量龐大的變壓器數據的存儲和應用[16-18]，方案采用專業的SQL Server 2005數據庫。網絡通信設備采用GSM MODEM與上位機子系統進行遠程信息交換。

監控中心子系統通過短信傳輸網絡從各個變電站主站或直接從監測單元采集監測數據，并存儲到數據庫，進而進行變壓器油中溶解氣體光譜的具體分析和管理，具體包括：

(1)分層次監測對象管理(包括對象創建、更改和刪除)；

(2)監測數據瀏覽查詢(按時間段、監測對象、監測類型)；

(3)監測數據趨勢分析(按時間段、監測對象、監測類型及其組合)；

(4)監測數據報警功能；

(5)多數據融合的診斷功能。

3 系統具體實現

在構建整個系統功能平臺基礎上，系統軟件是整個系統實現的核心。基于Windows操作系統平臺開發了整套實時采集監測分析軟件，其主要功能有：數據采集、數據通信，暫態數據處理與分析，監測設備實時運行狀態等。結合整個在線監測系統，軟件可分為三大塊：前置機軟件、上位機軟件和監控中心軟件。

整個軟件系統的組成與數據流組成如圖2所示，主要包含數據采集模塊、數據通信模塊、實時數據處理模塊、實時數據存儲模塊、實時數據的分析與顯示、歷史數據與歷史記錄的存儲與查詢等部分。

圖2 軟件系統的組成及其數據流程Fig.2 Composition of software system and its data flow

3.1 前置機軟件具體實現

前置機軟件所實現的功能如圖3所示，主要為硬件驅動、動態加載、采集控制、日志記錄和數據上傳五大功能。通過軟件可以對運行過程中的一些參數進行設置，其中包括對光譜儀、串口、網絡通信、巡檢間隔的設置。在采集控制的作用下，通過驅動光譜儀采集得到數據，最后把數據上傳到上位機軟件，日志記錄功能可以監測軟件運行中的所有運行信息，以備后續檢查。

圖3 前置機功能實現Fig.3 Function realization of front-end processor

3.2 功能實現

上位機軟件具體實現故障報警、數據接收、數據存儲、數據召喚、前置機參數設置和系統歷史數據查詢與診斷六大主要功能，如圖4所示。

圖4 上位機功能Fig.4 Function of upper computer

上位機軟件可以接收并存儲來自于前置機軟件的數據，啟動上位機軟件后，自動進入登錄界面，輸入用戶名和密碼即可進入主界面。在主界面中可以對前置機的參數進行設置和修改，也可以向前置機進行數據召喚。當發生故障時，上位機還可通過故障報警功能通知值班人員。其中前置機發送過來的所有數據以及報警的歷史記錄都能存儲下來，以方便工作人員及時查詢與診斷。

3.3 監控中心軟件具體實現

監控中心軟件具體實現功能如圖5所示。

圖5 監控中心功能Fig.5 Function of monitoring center

根據對監控中心軟件功能的分析，可以將整個軟件模塊化劃分。由于數據通信和數據展示具備獨立性，我們將這兩個部分功能設計成獨立程序，即使在數據查詢、顯示、診斷分析等數據管理功能不能使用的情況下，數據也是能夠正常上傳和存儲的，因此監控中心軟件被分為兩部分，即數據傳輸軟件和數據展示軟件。

(1)數據傳輸軟件。在通信模塊中監控中心和上位機間的數據傳輸利用基于GSM MODEM的短信收發技術，數據打包后以短信的形式發送出去，以達到傳輸目的。而在數據傳輸軟件接收到短信后，數據處理模塊可以解析數據報文并自動導入數據庫中存儲；

(2)數據展示軟件。監測對象為變電站所有的變壓器設備，將所有變壓器相關信息存儲在數據庫中，則可以實現管理對象的添加、修改和刪除。數據管理模塊提供給用戶所監測對象的歷史數據查詢、分析以及報表打印。為了信息安全，用戶管理模塊可以提供用戶的添加、修改、刪除以及密碼設置等功能。

4 實際工程應用

所研發的變壓器溶解氣體光譜遠程在線分析系統已經在某市供電公司中作為示范性工程應用研究項目，在3座220 kV 變電站中初步應用。建立整個遠程在線分析系統后，上位機軟件向前置機軟件發送了數據召喚命令，對某一臺主變壓器進行在線監測，前置機軟件驅動光譜儀采集到變壓器油的氣體數據后傳輸到上位機中，然后將數據顯示在主頁面上。

選取其中一臺220 kV變壓器2016年3月2日0:58:55時刻的數據，如圖6所示。通過光譜在線采集和分析，在該界面可以直觀地觀察到：油中溶解主要故障特征氣體氫氣(H2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)的含量濃度分別為0.4、0.5、5.3、45.5、0.0、0.7和648902，單位為uL/L，檢測精度為±10%。

圖6 現場數據的應用顯示Fig.6 Display of onsite data application

5 結束語

針對當前變壓器油中溶解氣體離線分析方法存在的問題，在線監測技術克服了油中溶解氣體離線分析中操作程序復雜、周期長、人為因素等缺點，提出了一種新型的變壓器油光譜遠程在線分析方法，并研制出一套基于新型檢測方法的在線檢測分析系統，該系統采用分布式拓撲結構，具體分析現場監測層、變電站層和遠程監控層三個層次的功能模塊，基于Windows操作系統平臺開發了一套實時采集監測分析軟件，并成功應用于某市220 kV變壓器中，詳細分析了該遠程在線分析系統的功能和具體實現方法。采用變壓器溶解氣體光譜遠程在線分析系統，可以簡化變壓器氣體檢測的程序，縮短檢測周期，檢測頻率高、實時性強，進而及時追蹤潛伏性故障和發現突發事故，變電站220 kV主變的工程應用案例數據驗證了該檢測方法的有效性和所研制在線檢測系統的穩定性。