基于5G技術模塊化結構分層設計的干式電抗器故障監測系統

國網河南省電力公司超高壓公司 古明珠 康建準 劉艷紅 申曉春 王靈貴

1 引言

干式電抗器絕緣出現老化或外絕緣被破壞時，易出現匝間絕緣擊穿或整體絕緣損壞，會產生嚴重的局部溫升現象，甚至出現局部過熱引發著火事故[1]。AVC 系統是在線模式運行的電網電壓無功控制系統，在電抗器故障時具備自動閉鎖功能。但只有在電抗器保護動作時才能夠閉鎖AVC 系統，避免故障電抗器再次投入[2]。干式電抗器一般配置過流保護，在匝間絕緣破壞時，內部的故障電流不流經支路電流互感器，因此在電抗器局部故障甚至著火初期，電抗器保護不能及時動作。因此只存在局部絕緣損壞的電抗器在保護未啟動的情況下具備再次被AVC 系統投入運行的可能，有加劇火災發生的風險[3]。

為實時監測電抗器數據，可以選用的傳輸方式中，光纖具有傳輸距離遠、傳輸容量大等特點，但不利于跨區域信號傳輸。而5G技術傳輸距離遠、傳輸速度高、傳輸質量好，可以用于跨區域信號傳輸。告警信號及實時數據需要通過網絡傳輸至監測平臺，為了電力系統內網信息的安全性、可靠性，在外網設備接入電力系統現地控制單元時，應當采取可靠的物理隔離措施[4]。

2 故障監測系統分層設計

電抗器故障監測系統主要包括三個信息處理層和兩個通信系統。三個信息層分別為前端采集層、區域控制層和遠端集控層；兩個通信系統指前端采集和區域控制層間通信以及區域控制層和遠端集控層間通信。其數據處理主要邏輯為發現-處理-隔離，前端采集層主要實現溫度實時監測，發現故障后進行區域信息處理，區域控制層可以將溫度監測數據通過網絡上傳至遠端集控層，實現故障隔離功能，告警信息傳輸方式通過該網絡分層架構實現，能夠達到系統性處置故障的目的。

2.1 信息處理層設計

2.1.1 前端采集層

熱點溫度法可以采集電抗器內部小范圍內最高點溫度，測量時需要測量電抗器的徑向或軸向的某一區域，該方法能夠反映電抗器各包封運行溫度，可以測量包封內部的溫升分布情況以及比較包封內外的溫度變化。因此實際測溫區域為同軸線圈包封組成的圓環形區域，根據紅外攝像頭實際可照射范圍，選擇安裝攝像頭位置及個數以滿足所有部位均可被照射的條件。電抗器可以承受的最高溫度與其使用的絕緣材料密切相關，根據歷史溫度與絕緣材料，計算出高溫升預警值和超高溫升預警值。電抗器異常溫升預警值表如表1所示。

表1 電抗器異常溫升預警值表

2.1.2 區域控制層

采集裝置需要通過報警主機進行信息處理，信息處理內容包括區域控制站管轄各站告警信息。在區域控制層所在變電站保護小室中裝設收集無人值守站現場紅外測溫攝像頭采集到數據的分點報警主機，報出相關報文供運維人員分析處理。

2.1.3 遠端集控層

省調通過主站自動化系統采集各站遠動裝置發來的數據，對變電站的運行方式和設備狀態進行監視[5]。AVC 裝置通過接收省調AVC 主站下發的電壓控制值進行調節，分為遠方控制和就地控制兩種方式。遠方控制就是實時接收省調下發的母線電壓命令值，AVC 系統根據命令值進行實時的調節。當遠方調解時，AVC 系統長時間收不到主站命令會發出報警信號，并閉鎖AVC，自動轉為開環控制。

系統遠端集控層設置在AVC主站，當收到區域控制層發出的報警信息后，系統可以自動切除溫度異常電抗器，并閉鎖對應的AVC控制，防止電抗器再次加入運行，避免電抗器火災的發生。

2.2 通信系統設計

2.2.1 前端采集和區域控制層間通信

多路紅外攝像頭采集的視頻信號數據傳輸容量較大，攝像頭安裝位置與監控主機安裝位置距離較遠，且對視頻信號質量要求較高。因此視頻信號在前端使用交換機網絡匯聚信號，通過對光電轉換器采用光纖將信號高速、可靠地傳輸至平臺報警主機。

針對各變電站監控主機的報警信息的上送，涉及跨站點之間的通信。結合先進的無線通信技術，采用最新的5G路由器，完成各站至區域控制中心之間的信息傳輸。

2.2.2 區域控制層和遠端集控層間通信

本文通過無源接點的物理隔離方式將告警信號接入遠端的主站自動化系統，通過I/O 接口模塊進行處理，區域控制層提供連接點至主站自動化系統遠動終端RTU。信息子站交換機將RTU采集到的信號通過電力通信專用網SPTnet 傳輸至集中監控中心，監控中心根據報警信息的類型，可以遠方切除溫度異常電抗器，手動閉鎖AVC 或自動觸發AVC閉鎖邏輯，避免電抗器再次加入運行。

2.3 故障監測網絡

通過區域控制中心將各個子站電抗器采集設備采集的信息進行匯聚和輸出。

3 監測系統模塊化設計及裝置選擇

電抗器溫度監測裝置信息處理裝置采用模塊化設計，即將系統中的裝置組合成特定功能的各個模塊，具有通用性和重組性，各個模塊之間應相互獨立，并且模塊之間耦合度最小。

根據溫度監測裝置各個信息處理單元的功能組合成以下幾個模塊。

3.1 信息采集-監視模塊

溫度及視頻信息采集設備采用海康威視DS-2TD2BDZ-YT 型雙光譜筒形攝像機。為滿足攝像頭雙成像及報警功能具備全覆蓋、高可靠、冗余配置的要求，在每相干式電抗器正下方設置3 臺雙光譜筒形攝像機并成120°環形等分配置。分點報警設備采用海康威視DS-19A08-F/K1G 分點報警主機，每相電抗器設置一個分點報警主機負責采集攝像機報警信號。為實現前端設備配置管理、可見光及熱成像視頻信號實時監視、溫度曲線監視及歷史數據記錄等功能，在現地主控室配置一臺視頻監控報警主機，安裝海康威視ivms4200客戶端。

3.2 數據處理模塊

中心報警數據處理模塊由平臺報警主機和中心報警主機兩部分組成。平臺報警主機采用基于Linux系統開發的海康威視DS-PCM1-IP主機，該主機平臺報警系統主機可以滿足各子站電抗器報警信息的匯總、各子站設備運行狀態監視、各子站事件信息記錄等要求。中心報警主機采用海康威視DS-19A08-01BN 主機，該主機能夠將平臺報警主機通過網絡數據傳送的報警信息進行單個報警接點配置并通過485總線或繼電器聯動輸出。

3.3 前端采集與區域控制層間通信模塊

現地交換機與主控室距離較遠，為保證視頻及報警信號能高速、可靠、低時延傳輸至主控室，采用一對海康威視DS-3D201T（R）光纖收發器進行網絡信號遠距離傳輸。在主控室端配置5G工業路由器，將視頻及報警信號上送至本地視頻監控報警主機，同時為了節約運營成本僅將報警信號通過5G信號上送至區域控制中心，用于計算機監控系統的信號報警及AVC閉鎖。

3.4 區域控制和遠端集控層間通信模塊

在中心報警主機設置總線擴展模塊（型號：DS-19M32-NO）。總線擴展模塊能提供36V 有源節點，中心報警主機與總線擴展模塊間使用485 總線進行通信。搭接的繼電器模塊完成有源接點到無源接點轉換。總線擴展模塊輸出的36V 有源接點，通過固態繼電器以及接觸器完成無源干節點的轉換。

在接觸器干接點模塊中，9路報警干接點并聯形成邏輯或的關系，9路預警干接點同理，報警干接點或預警干接點中任一接點有報警信號，均能夠可靠地向監控系統上傳溫度高或溫度超高總報警信號。接觸器干接點模塊中干接點回路的并聯處理，僅需要兩路總報警接點信號上傳至監控系統，有效節省監控系統DI節點數量并且降低監控系統的數據處理壓力。

3.5 接收報警-AVC閉鎖模塊

AVC 通過調度自動化SCADA 系統采集各變電站的母線電壓，對其進行集中監視和分析計算，實現對無功裝置進行協調優化自動閉環控制。在其監控系統上增加兩個報警點位，并進行光字報警、事件描述、監控畫面配置，進而實現電抗器相關溫度報警自動彈出監控事件信息、點亮相關報警光字牌，同時將報警點位變量加入AVC 監控閉鎖邏輯代碼段，實現溫度高報警時自動閉鎖AVC 功能。

4 現場實例

4.1 監測和信息處理功能

4.1.1 24h無間斷監視功能

攝像頭應能夠24h 監測設備溫度，實時顯示現場圖像及最高溫度。ivms4200連接攝像頭后，對視頻效果進行檢測，可以顯示現場圖像及最高溫度，并每隔1h查看畫面是否正常，連續觀察24h。

4.1.2 現地傳輸及告警功能驗證

為檢測本文所述現地傳輸及告警功能，進行模擬試驗，試驗期間將攝像頭預警及報警值改為40℃和80℃，使用熱水模擬熱源，以檢驗報警情況。

4.2 遠端接收功能

站內后臺監控機光字牌上，增加電抗器本體溫度高和本體溫度超高兩項，每當電抗器溫度到達所設置的報警值，光字牌亮，及時提醒值班人員進行相關處理。

除了在本地監控機上發出報警信號，在集中監控中心的監控機上實時告警窗口可以顯示電抗器溫度報警信息。

5 結語

本文提供了一種基于5G通信技術的變電站干式電抗器火災預警裝置，通過研究及現地驗證可以得出以下幾點。

一是通過利用紅外熱成像智能設備，能夠實時監測設備的溫度，并發出溫度告警，包括溫度高和溫度超高的報警信號。

二是區域監控中心利用5G技術實現不同變電站跨區域的實時高效監控。

三是采用無源干接點信號的隔離措施，進行有效隔離，安全地通過內網傳輸到智能監控中心實現AVC的閉鎖和切除裝置的功能。

在實際工作中，可進一步提升設備感知能力，使得區域管控中心可以實現更多的管控功能，實現自動跳閘和自動閉鎖等功能。