GIS智能在線監測系統設計及應用研究

許譜名,李 欣,崔建華,李 陽,唐志國

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院,湖南 長沙 410007;2.華北電力大學電氣與電氣工程學院，北京 102206)

0 引言

隨著科技水平的不斷提高，變電站逐漸智能化。智能電力設備是智能變電站的主體部分。氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear,GIS)因其諸多優勢，如可靠性高、占地面積小等，在智能變電站中得到了大力推廣[1-3]。長期以來，GIS都享有“免維護”的美譽。但現實生活中，GIS安全事故在國內外頻頻出現，其故障率超出了國際指定標準。由于GIS特殊的封裝方式，一旦出現故障，就需要較長的時間進行檢修，導致停電時間長、檢測費用高、檢修環節反復等問題，嚴重影響了變電站對用戶的正常供電，造成國民經濟損失[4-5]。

因此，本文對GIS智能在線監測系統的關鍵技術進行研究，從其硬件、軟件設計著手，逐步探討GIS智能在線監測系統的利弊，設計了合理的GIS智能在線監測系統。

1 GIS智能技術概述

智能GIS是電氣元件，采用氣體絕緣技術完成電力輸送、監督檢測、數據共享等任務[6-10]。智能GIS主要由電氣元件組合和自動化配件組成，在組合后的電器元件上安裝電壓或電流傳感器，而后結合通信技術與自動化控制軟件，達到實時監測組合電器元件的目的。同時，智能GIS能對設備運行的狀態進行判斷，以及時發現問題。此外，智能GIS可以主動發出應對指令，并根據指令修正設備運行中出現的的各種問題，實現數據共享、實時監測以及自主調節。

2 GIS智能在線監測系統硬件設計

2.1 傳感器選型

為滿足GIS智能在線監測系統的監測要求，本文選擇四種具有針對性的傳感器，分別為斷路器機械特性傳感器、SF6氣體監測傳感器、局部放電監測傳感器和避雷器電流傳感器。

在對斷路器觸頭的監測中，需要計算開關的分合閘同期性與時間，以明確斷路器機械特性。隨著斷路器分合閘的使用，觸頭在主軸轉動的帶動下會出現分離現象，展現出動觸頭直線位移與主軸轉動角度之間的內在關系。因此，在計算得到主軸角位移量后，可進一步獲取動觸頭的直線位移狀況。同時，在運行期間，動觸頭處于高電位，而主軸處于低電位，并沒有與斷路器高壓部分近距離接觸，故不存在高電位隔離問題。綜上所述，本文借助磁致伸縮位移傳感器對斷路器機械特性進行監測。該傳感器分辨率為0.01 mm，重復精度為0.01%，工作溫度為-25～+100 ℃。波導管由磁致伸縮材料制成，且在波導管外部鑲嵌活動磁環。在測量期間，傳感器會發出電流脈沖，并沿著波導管內部進行傳輸。此時，波導管外部會出現一個圓形磁場。當活動磁環與該磁場相交時，波導管內部會隨之生成一個應變機械波脈沖信號。該信號極容易被電子室檢測獲取，為判斷斷路器機械特性奠定基礎。

在對氣體絕緣組合電器進行監測的過程中，需要對其微水含量、SF6氣體密度進行實時監測，以避免SF6氣體泄漏或對設備造成腐蝕。因此，本文選擇了用于SF6微水密度監測的傳感器。該傳感器密度為0～1.00 MPa，壓力為0～1.00 MPa，濕度為-25～+100 ℃，能夠將監測得到的信號轉化成數字信號，而后傳輸至處理單元進行處理，并經RS-485總線處理后傳輸至SF6密度微水監測傳感器。同時，該傳感器能夠長期對絕緣組合電器的SF6氣體狀況及微水含量進行監測，并以趨勢圖的形式展示其動態變化過程。如果SF6氣體監測指標出現變動，則這種變化會當即顯現在趨勢圖中。如果監測指標達到了報警設定值，則報警裝置會自動報警。如果超過設定指標，則閉鎖裝置會隨之啟動，中斷斷路器的運作，以確保變電站系統的安全。

局部放電監測傳感器指標設定如下：靈敏度為10 pC；測量范圍為50～1 000 pC；工作帶寬為300～1 000 MHz。同時，該傳感器具備超高頻微帶天線。當駐波比低于2時，天線的工作頻帶為540～695 MHz，相對帶寬達到了24%，屬于寬帶天線。因此，局部放電監測傳感器能夠獲取天線正前方不同方向的電磁波。而增益面上各方向增益波動幅度不大，接近于通頻帶內的增益波動。

本文選擇的避雷器電流傳感器的泄漏電流為0～5 mA、阻性電流為0～3 mA、最小檢測周期小于等于1 min。具體參數可根據用戶需求進行設置。

2.2 狀態監測智能電子設備設計

狀態監測智能電子設備(intelligent electronic device，IED)可分為斷路器機械特性監測IED、SF6氣體監測IED、局部放電監測IED、避雷器電流監測IED、工況信息監測IED和一體化監測主IED這6種。

斷路器機械特性監測IED可安裝在控制室內，對斷路器多種機械特性進行監測，如行程特性、震動等，同時也能對開斷電流、分合閘線圈電流等進行實時監測。通過遠程的方式獲取斷路器的運行數據，進而判斷出斷路器的運行狀態，能夠為斷路器的運維提供依據。

SF6氣體監測IED不但能夠長期監測GIS電力設備的微水含量與SF6氣體密度，而且能將其發展趨勢記錄下來，為后續運維策略的制定提供參考。當SF6氣體相關指標發生變動時，其變動會隨之展現在趨勢圖上。當這類指標達到預定的報警值時，報警裝置會主動報警。當這類指標超出報警值時，報警裝置除了報警以外，還會采取額外的應對措施(斷開斷路器)，確保變電站的用電安全。

局部放電監測IED可周期性地對監測點的局部放電信號進行采樣。采樣周期可根據實際需求進行設定。最短采樣周期為1 min。通過信號采樣，對監測部位的放電次數、點相位等相關參數進行合理性分析，同時還能對這類數據進行存儲，存儲時長可超過1年。如有需要，可隨時調動歷史數據進行查閱。

避雷器電流監測IED由電壓互感器(potential transformer,PT)電壓采集單元和電流互感器(current transformer,CT)電流采集單元組成。通過PT電壓采集單元，能夠采集到母線的電壓大小與相位情況，從而獲得相應的相位差，并計算出避雷器的阻性電流。而電流采集單元的主要作用是采集泄漏電流的相位和大小。

工況信息監測IED能夠監測并得到正常的互感器電流信號；同時，通過對信號的預處理(濾波、放大等)，能夠得到互感電流的真實信息。在IEC 61850標準的基礎上，該IED接入站控層網絡，通過文件的方式將監測得到的數據傳輸至監測系統中。其監測周期小于1 min，可根據現場需求進行合理設置。

一體化監測主IED可根據上述各IED的監測信息，判斷出組合電器運行狀況，并參照IEC 61850標準，將最終的診斷結果反饋至終端。此外，該IED還具備全球定位系統(global positioning system,GPS)和射頻識別(radio frequency identification,RFID)功能，能夠選擇合適的通信接口，完成智能組合電器狀態的一體化監測。

一體化監測IED功能如圖1所示。

圖1 一體化監測IED功能示意圖

3 GIS智能在線監測系統軟件設計

3.1 信息一體化平臺模型的構建

在構建信息一體化平臺模型期間，需要對建模語言進行統一處理，實現類與對象、類與類之間的聯系與配合。具體操作步驟如下。

①構建信息一體化平臺模型，并檢驗相關參數是否滿足實際要求，即判斷是否存在關于此設備的模型包。當不存在模型包時，需要新建模型包，并確定擴展類；當存在模型包時，則對該模型包的擴展類進行確定。

②確認模型包中需要擴展的新類是否真實存在。如果真實存在，則可進入下一環節(對其屬性擴展問題進行考慮)。如果模型包中不存在擴展類，那么需要對擴展類與已有類之間的關系進行確定，如繼承、聚合等。

③確定擴展類與新建類屬性。

④探究擴展類屬性的數據類型與新建類的數據類型是否存在。如果存在，則可調用這類數據類型；反之，則需重新構建數據類型。

信息一體化平臺構建流程如圖2所示。

圖2 信息一體化平臺構建流程

3.2 綜合診斷評估模塊的設計

綜合診斷評估模塊主要由GIS設備斷路器狀態評估模塊、GIS局部放電信號評估模塊、避雷器狀態監測模塊以及智能GIS工況信息監測模塊組成。

對GIS設備斷路器狀態評估模塊而言，其評估方法有二。①獲取斷路器觸頭行程。②明確分合閘工作特性。

通常，判定GIS設備SF6氣體的泄漏情況的方法有泄漏率檢測法或閾值比較法。在使用泄漏率檢測法對GIS設備SF6氣體進行檢測時，會將檢測得到的結果與預設值進行比較。當預設值大于檢測結果時，說明GIS設備出現了SF6氣體泄漏。而在使用閾值比較法對GIS設備SF6氣體進行檢測時，會以兩個相鄰傳感器壓力差的相對變化率作為判定依據，即當預設值小于該變化率時，可以認為該GIS設備存在SF6氣體泄漏現象。GIS設備氣體泄漏診斷方法如圖3所示。同時，具有自我評估功能的SF6微水密度監測IED能夠借助過程網絡，以報文的方式向用戶提供設備的狀態、風險程度以及故障模式等信息。當評估風險增大2%時，則需向用戶再次發送報文。圖3(b)中，當Δp≥臨界值時，可判定該位置為故障位置。對GIS局部放電信號評估模塊而言，由局部放電評估分析系統對輸入的工頻信號進行處理，而后輸出平均放電量、最大放電量、放電次數、圖譜等信息。通過獲取信號的輸出情況，可判斷GIS內部的絕緣缺陷類型。

圖3 GIS設備氣體泄漏診斷方法

對避雷器狀態監測模塊而言，借助基波法完成避雷器泄漏電流的測量工作，同時計算出相應的阻性電流，完成避雷器絕緣情況的動態監測。

避雷器絕緣監測IED首先會獲取控制器局域網絡(controller area network,CAN)總線電流互感器中的泄漏電流數據，其次會收集PT電壓單元電壓互感器中的高次諧波、阻性電流等數據，最后對所收集到的數據進行橫向比對，以判定避雷器的故障情況。如果發現存在故障，那么避雷器狀態監測IED會啟動預警功能，對避雷器的絕緣狀態實施在線監測。經過數據處理后，依照IEC 61850標準實施數據封裝，并借助以太網將其傳輸至變電站信息一體化平臺中。

避雷器狀態監測如圖4所示。

圖4 避雷器狀態監測示意圖

對智能GIS工況信息監測模塊而言，其主要負責GIS運行工況狀態參數的檢測工作。當檢測得到的參量值超出了設定的警戒值時，可判定該變壓器運行狀況存在異常現象；同時，這一檢測信息會通過過程網絡傳輸至系統服務器中，而后通過報文的形式將變壓器運行的故障模式、故障部位以及風險程度等信息呈現給用戶。

3.3 信息展示與查詢模塊的設計

通過信息展示與查詢模塊，用戶可獲得更為直觀的數據趨勢情況。信息展示與查詢模塊結構如圖5所示。信息展示與查詢模塊主要由斷路器機械特性、氣體監測參數、局部放電信息、避雷器狀態參數以及工況信息這5個子模塊構成。

圖5 信息展示與查詢模塊結構

4 應用結果分析

為檢驗GIS智能在線監測系統的有效性，本文在A變電站中安裝了在線監測裝置，并進行了相應的調試工作，包括斷路器機械特性監測調試、SF6氣體狀態調試、局部放電監測調試以及避雷狀態監測調試。通過這些調試，檢查IEC 61850通信、監測數據以及狀態評估的正常性，進而確保GIS智能在線監測系統的應用效果。2020年8月6日，A變電站110 kV GIS設備3#主變103#電纜倉氣室出現了故障信號(SF6低氣壓報警)，并將該信號傳輸至后臺終端，由檢修人員跟進處理。檢修人員抵達故障區域后，發現電纜倉(G55)氣室密度繼電器壓力值為0.31 MPa，下降趨勢十分明顯。通過外觀檢查與氣體泄漏核查，發現該回路B相電纜終端絕緣套管底座出現了裂紋，導致氣體泄漏故障的發生，給該氣室運行造成了威脅。

該氣體泄漏故障出現后，檢修人員當即將該氣體泄漏原因、故障位置等信息反饋至公司運維檢修部。為避免泄漏的進一步擴大，導致變電事故的發生，2020年8月8日對103#回路采取了臨時停運措施，并在檢修分公司的幫助下，完成了三相電纜絕緣套管的更換與相應測試工作。

通過研究分析可知，導致此次故障發生的主要原因如下。①B相電纜在安裝期間，收緊度未合理把控，太過繃緊。②在設計期間，沒有將偏離度這一因素考慮在內，導致電纜節距較短。③隨著設備的不斷運行，電纜套管最終無法適應熱機械力的作用，使電纜終端絕緣套管底座出現了破裂現象，進而導致氣體泄漏事故的發生。

本文系統的應用為A變電站GIS設備的正常運行提供了數據支撐，可及時、有效掌握GIS設備的運行狀態，為避免GIS設備故障惡化與及時維修創造了有利條件。由此可見，本系統在確保變電站安全運行方面具有積極作用。

5 結論

本文首先對GIS智能技術進行了概述，明確了其功效；其次，對GIS智能在線監測系統硬件與軟件進行了設計，例如傳感器的選擇、狀態監測IED的設計、信息一體化平臺模型的構建等，為GIS智能在線監測系統選擇出更為合理的監測硬件與軟件；最后，將GIS智能在線監測系統應用到了A變電站中。應用結果表明，該系統成功地在2020年8月6日監測到了氣體泄漏故障問題，使檢修人員及時采取了應對措施，避免了泄漏事故惡化。該結果表明了GIS智能在線監測系統的可行性和有效性。