110KV智能变电站的在线监测.docx
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110KV智能变电站的在线监测
110KV智能变电站的在线监测
摘要
智能化变电站的重要技术特征之一就是设备实现广泛在线监测,使得设备状态检修更加科学可行。
通过在线监测系统,可以有效地获取设备运行状态数据、并能自动对其进行诊断，使设备检修策略可以从常规变电站设备的"定期检修"变成"状态检修",这将大大提高系统的可用性。
关键词：
变电站；在线监测系统；变压器；避雷器；微水；站内系统
110kvintelligenton-linemonitoringoftransformersubstation
abstract
oneofimportanttechnicalfeaturesofintelligentsubstationequipmentIson-linemonitoring，itMakeequipmentstateoverhaulmorescientificandfeasible。
Throughon-linemonitoringsystem,caneffectivelyobtainequipmentrunningstatusdata,andcanautomaticallycarryonthediagnosis,Maketheequipmentmaintenancestrategycanbetransformedfromconventionalsubstationequipment"preventivemaintenance""statusoverhaul",thiswillgreatlyimprovetheusabilityofthesystem.
Keywords:
Substation;Onlinemonitoringsystem;Transformer;Lightningarrester;Themicrowater;Standingwithinthesystem
引言
电力行业有别于其它行业，维护不能随意中断生产，这就要在事故发生之前作好充分的预测，在事故发生前解决故障，重点是变电站设备的预防性的巡检工作。
变电系统负担着电力变送工作，高电压大电流的线路长期工作，即使是优良的绝缘介质也会出现不可预期的问题而导致事故。
通常情况下，检修人员日常需要做的检修工作油色谱的监测、微水密度监测、设备温度监测等日常检修工作。
这些检修工作都需要检修人员带着检修仪器到每个站内对每个设备进行一一检测，这样工作量大，任务繁重，而且不能达到24小时全天候的监测，安全隐患很多。
为解决以上问题安装了在线监测系统。
正文
智能变电站是采用先进、可靠、集成和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站。
智能变电站主要包括智能高压设备和变电站统一信息平台两部分。
智能高压设备主要包括智能变压器、智能高压开关设备、电子式互感器等。
智能变压器与控制系统依靠通信光纤相连，可及时掌握变压器状态参数和运行数据。
当运行方式发生改变时，设备根据系统的电压、功率情况，决定是否调节分接头；当设备出现问题时，会发出预警并提供状态参数等，在一定程度上降低运行管理成本，减少隐患，提高变压器运行可靠性。
智能高压开关设备是具有较高性能的开关设备和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，具有监测和诊断功能。
电子式互感器是指纯光纤互感器、磁光玻璃互感器等，可有效克服传统电磁式互感器的缺点。
变电站统一信息平台功能有两个，一是系统横向信息共享，主要表现为管理系统中各种上层应用对信息获得的统一化；二是系统纵向信息的标准化，主要表现为各层对其上层应用支撑的透明化。
智能即为人性化，就是把变电站做成像人在调节一样，当低压负荷量增加时变电站送出满足增加负荷量的电量，当低压负荷量减小时，变电站送出电量随之减少，确保节省能源。
智能变电站，分为过程层（设备层）、间隔层、站控层。
过程层（设备层）包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。
间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。
站控层包含自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或一个以上一次设备的测量和控制的功能，完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。
智能变电站实现对图像监视、安全警卫、火灾报警、主变消防、采暖通风、照明、给排水等辅助系统的智能运行管理功能；全站采用交直流一体化电源系统，取消独立通信蓄电池，降低造价，减少运行维护费用。
智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，除此之外，与常规站相比，变电站智能化，光缆取代了电缆，数字代替了模拟，大大提高采样精度和信号传输的可靠性，大幅度简化二次接线，避免了传统互感器和电缆连接固有问题，设备之间互操作性强，大大提高了变电站的自动化水平。
1避雷器在线监测系统的设计
避雷器的发展经历了传统阀式避雷器到现代金属氧化物避雷器（MOA:
Metal-OxideArreste两个阶段,目前使用的MOA以氧化锌为主要成分,所以称为氧化锌避雷器。
由于MOA期承受电力系统运行电压的作用,MOA阀片会逐渐劣化,同时由于MOA容易受潮,这又会进一步的加剧其劣化速度,严重时就会引起损坏甚至爆炸,进而导致更大的事故,因此国内外都十分重视对MOA状态的监测。
避雷器绝缘在线监测设备是高压交流电力系统中与避雷器配套使用的设备。
该设备串接在避雷器接地回路中，设备中的电流互感器用于监测运行电压下通过避雷器的漏电流有效值，可以判断避雷器内部是否受潮，元件是否异常等情况；还可以记录避雷器在过电压下动作的次数。
该设备适合不同电压等级电网中运行的避雷器，在线监测避雷器的绝缘性能，充分增加电网运行安全。
避雷器监测各现场单元在接收到避雷器监测IED的同步采集命令后，电压监测单元及容性设备监测单元跟踪系统频率、利用GPS授时时钟实现同步采样；容性设备监测单元接收到系统电压监测单元的数据后做数据处理，并将结果数据通过2.4GHz无线网络模块发送到避雷器监测IED,避雷器监测IED进行泄露电流、阻性电流、容性电流计算，并通过横向纵向比较、诊断、预警，从而实现避雷器绝缘状态的在线监测，经过处理后的结果数据和设备状态通过光纤以太网上传至主IED。
图1-1避雷器的在线监测
1.1避雷器监测各现场单元工作原理：
各监测单元采用穿芯式零磁通微电流传感器、高精度同步AD、通过DSP及CPLD实现跟踪电网频率、高精度同步采样，采用优化的傅立叶分析法，求得幅度、相位，进而得到所需的泄漏电流、阻性电流、容性电流等电气参数。
图1-2避雷器监测参数的技术指标
序号
监测参数
检测范围
精度
1
泄漏电流
100μA～700mA
±0.5%
2
容性电流
100μA～700mA
±0.5%
3
阻性电流
100μA～700mA
±0.5%
1.1.1在线监测技术现状
MOA在线监测主要是基于对MOA泄漏电流的监测,通过其总泄漏电流和阻性泄漏电流的变化来判断MOA的状态,主要有以下几种方法:
监测全电流法、三次谐波法、基波法、谐波电流补偿法,这些方法都有着各自的优缺点。
为了尽量去除干扰减小误差,提高监测的精确度还出现了双AT法,基于温度的测量法等。
随着电子技术的进步和对MOA研究的深入,逐渐出现了一些在线监测仪器。
这些仪器携带方便,使用简单,不用停电拆除MOA,采用人工巡检的方式,直接测量MOA的泄漏电流、电压等性能参数,大大提高了工作效率。
这种在线监测技术可称为半在线监测,避免了离线监测的诸多不便。
但是MOA的运行工况非常复杂,相间耦合电容和系统电压谐波的影响相互交织在一起。
采用上述这些在线监测仪器对MOA进行监测还存在着检测精度低,实时性不够等缺点。
为了提高监测的精确度,实时地监测金属氧化物避雷器的运行状况和排除故障,网络化、远程化在线监测显得尤为重要。
MOA远程在线监测系统就是依托通信网络、数据采集及管理技术和计算机技术,在MOA所在地设立MOA状态信息采集系统,在异地建立存储和监测系统,进行异地间的监测诊断,迅速地实现MOA状态的预测和判断。
通信及网络系统是实现效益和社会意义,具有以下优点:
①加快MOA工况判断的速度和精度;②实现远程监视与故障预测;③减少监测费用。
随着计算机技术和通信技术的不断发展进步,对MOA的在线监测开始进入一个新的阶段,各种新技术被不断运用其中,智能化、集成化已经成为未来的发展趋势,如何利用强大的计算机技术和日趋成熟的通信网络使MOA监测达到完全在线和远程监测已成为研究的热点。
1.1.2在线监测系统
目前国内外研究开发的MOA在线监测装置大部分都为便携式,属于半在线监测。
另外,这些在线检测装置采用的方案是大都是基于某一种检测方法,采集所需要的数据然后分析计算MOA的阻性电流分量。
这种方案我们认为局限性较大,正如前文所述,所有的方法都有无法回避的缺点,而且关键是针对每一个被检测的MOA没有可查的历史数据进行比对。
为此,我们设计了如下的MOA在线监测系统,可以对MOA进行远程在线监测。
该系统打破了传统MOA监测系统的架构,采取了硬件取样,软件分析的设计方案,即对MOA进行多次测量获取数据,然后再利用计算机软件综合多种分析方法对所取得的数据进行处理,从而提高对MOA监测的精确度。
还有,对MOA的状态诊断是一个长期的过程,利用数据库技术我们可以为每一个MOA建立工况档案。
在获得了新数据之后可以从数据库中取出历史数据与现有测量数据进行纵向的对比,同时在各个MOA之间也可以作横向的对比,这样有利于了解MOA运行的整个趋势,诊断各个MOA的运行状况。
在通信软件设计方面采用了OPC技术。
另外,对运行在不同地区,不同条件下的MOA,用户可以根据需要在近测、遥测自动化测量三种方式间灵活选取合适的监测方式。
1.1.3避雷器在线监测系统的设计
系统由在线采集单元,数据通信部分,监控分析系统三部分组成。
在每组避雷器下方都装有一套在线采集单元,数据采集后先存储到在线采集单元自身的存储器中,在收到传输指令再通过不同的传输方式将数据传回监控主机内进行数据处理。
在主机上对采集信号进行实时动态图像显示,并辅以数据库的支持,可以随时提取历史数据。
1.2在线采集单元
主要由电流传感器、模拟滤波电路、采样保持电路、多路开关、AD转换器、微处理器、ROM、RAM、FLASH数据存储器、硬件时钟电路、看门狗电路、RS-485通讯口、液晶显示器等部分组成。
同时为了提高系统的可靠性K装置采取了如下措施:
①装置电源采用开关电源,将交流电压经抗干扰滤波回路后,利用逆变原理输出五组直流电源,将模拟电源与数字电源分开,CPU数字电源与通讯电源分开,从而减小由电源引入的干扰;②每个模拟量输入回路均设有瞬变二极管等高电压抑制元件,防止高电压进入装置其它回路;③为了提高系统的抗共模、差模干扰能力,在交流输入回路的前端设有共、差模扼流圈及电容等。
④采用硬件、软件看门狗及非法指令中断等措施。
在线采集单元完成如下功能:
①实时地采集动态泄漏电流参数并定时存储在自身的存储器中;②泄漏电流值显示;③越限事件和历史数据追忆功能,越限事件按时间先后顺序显示,历史数据按人工输入的时间段显示;④通讯功能,在线采集单元能将各种数据信息通过便携式数据采集仪、RS-485现场总线、GSM网络与监控系统通讯。
1.3数据通信部分
可以通过三种方式将存储在在线采集单元存储器中的数据送入监控主机进行处理。
1）采用便携式数据采集仪通过人工巡检方式,实现MOA的近测。
在没有安装现场总线而又距离较近的地方可以用便携式数据采集仪人工采集数据,便携式数据采集仪可读取存储在在线采集单元存储器内的数据,回来后再将数据传回监控主机分析处理。
本系统采用自行研制的便携式采集仪。
2）采用现场总线技术,利用其传输距离远、抗干扰能力强、适合强电磁场环境数据传输的特点,建立监测网络,集中管理MOA,及时了解设备的运行状况,提高监测效率和自动化程度,实现MOA的自动化检测。
对于大型电厂、变电站等已建立起测网络的地方可以直接利用已有的监测网络,从而节约了投资提高了效率。
这里我们采用RS-485总线。
3）采用无线通信技术,实现MOA的遥测。
对于传输线路上的MOA,因为过于远离监测站,不便于人工巡检,也不易利用现场总线进行信息传输,这时可以考虑利用无线通信技术。
目前无线通信技术正处在第二代GSM网络阶段,GSM网络是目前国内覆盖范围最广,应用最普遍的无线通信网络,故构建这种远传系统时,完全可利用现成的GSM无线网络而无需再新建基站。
可直接向有需求的地方推广,无需因地域的不同再进行改造。
此处通信模块我们选用西门子TC35模块。
整个系统的数据传输都是基于成熟的通信网络,但由于通信网络各异,如果基于传统的程序设计方法,整个通信驱动程序的开发任务将是很繁重的,更重要的是如果通信网络有所变化,整个程序也将随着做很大的改动。
因此本系统利用了OPC技术。
当现场设备发生变化或系统中加入新设备时,由于服务器所提供的接口的一致性,工控软件不作更改即可继续使用,大大减小了软件维护的工作量;另一方面,工控软件的升级不依赖于服务器,可独立进行。
OPC技术将软件和硬件划清了界限。
后台监控分析系统软件基于Windows2000平台,主要用VisualBasic6.0和MatLab开发。
数据库采用Access,有静态和动态两种,前一种用于存储MOA参数及系统参数,后一种用于存储历史数据。
整个软件系统设计采用模块化的结构。
监测系统软件界面友好,操作方便,主要具有如下功能:
①实时动态显示采集数据;②系统通过对被监测MOA的历史数据信息进行纵向比较,对同一组内其它MOA的数据进行横向比较,利用趋势比较和相对比较相结合的方法实现MOA运行状况及时分析与报警;③通信功能,通过便携式数据采集仪,录历史数据和报警数据,并提供各种方式的查询、显示（图表和波形）及打印;⑤显示并打印实时波形、历史波形和故障波形;⑥数据库维护等
1.4智能化变压器
智能化变压器是智能电网中的重要设备之一，智能化变压器借助传感器、控制器和智能组件，实现对变压器的测量、控制、计量、监测和保护等功能。
智能化变压器也是智能变电站的重要组成部分，实现先进、可靠、集成、低碳和环保的目标，以满足电网运行的安全性、可靠性、灵活性和资源优化配置水平。
1.4.1智能化变电站对变压器的要求
智能化变电站以先进的信息化、自动化和分析技术为基础，灵活、高效且可靠地满足发电、用电对电网提出的各种需求，实现提高电网安全性、可靠性、灵活性和资源优化配置水平的目标。
变电站又是电力网络的节点，负责连接线路和输送电能，担负着变化电压等级，汇集电流，分配电能，控制电能流向和调整电压等功能。
变电站的智能化运行是实现智能电网的最基础环节之一。
智能化变电站基本机构如图2所示，可分为站控层、间隔层和过程层。
站控层包括自动化站级监视控制系统，站域控制、通信系统和对时系统等子系统，实现面向全站设备的监视、控制、告警及信息交互功能。
完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步矢量采集、电能量采集及保护信息管理等相关功能。
站控层功能高度集成，可在一台计算机或嵌入式装置实现，也可分别在多台计算机或嵌入式装置中。
间隔层包括继电保护装置、系统测控装置和监测功能组主智能电子装置IED（IntelligentElectronicDevice）等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入、输出、传感器和控制器通信。
过程层包括变压器、断路器、隔离开关及电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件以及独立的智能电子装置。
电力变压器是过程层中最重要的高压设备之一，由于其事故率高，故障影响大，对电网可靠性有较大影响。
电力变压器也是结构最复杂，故障原因最复杂的电网设备。
电力变压器在运行中有不少需要监测的参数，如负荷、油温、油位、油中气体和开关分接位置等；也有一些需要控制的部件，如冷却系统、有载调压系统等。
综合这些因素可以看出，电力变压器具有智能化价值，是高压设备智能化重要设备之一。
智能化变电站主要对电力变压器的测量、控制、计量、监测和保护等部分的要求与常规变电站不同，智能化变电站对其智能化设备要求至少具有五项基本技术特征，即测量数字化，对相关参量就地数字化测量，所属参量包括变压器油温、有载分接开关分接位置，开关设备分、合闸位置等；控制网络化，对有控制需求的部件实现基于网络控制，如变压器冷却装置、有载分接开关和开关操作机构等；状态可视化，把设备状态信息，通过智能组件的自诊断，以可辨识的方式，使设备状态在电网中是可观测的，所谓状态可视，并非对运行人员而是对相关系统的，如设备运行管理系统与电网调动系统可基于智能组件状态可视化功能，看到设备健康状态，自动生成检修方案，优化电网运行；功能一体化，将相关测量、控制、计量、监测和保护等一体化融合设计，做到简洁、简单，减少占用空间；信息互动化，与调动系统交互，与设备运行管理系统交互使设备自诊断结果与调动决策和设备运行管理系统有机结合，可提供变压器运行自诊断结果。
智能化变压器配置以及解决方案智能化变压器的构成包括变压器本体，内置或外置于变压器本体的传感器和控制器，实现对变压器进行测量、控制、计量、监测和保护的智能组件。
变压器的冷却器控制器和有载分接开关控制器应具有可连接智能组件的接口，并可以响应智能组件的控制。
变压器的状态监测主要包括局部放电监测、油中溶解气体监测、绕组光纤测温、侵入波监测、压器振动波谱和噪声等。
1.4.2智能变压器的测量功能及解决方案
提供主油箱顶层和底部油温度的测量，可判断变压器是否过热，冷却装置运行是否异常。
采集来自气体继电器节点信息和压力释放阀状态信号，用于检测是否由于内部故障产生严重放电或短路。
根据主油箱油位和分接开关油箱油位的测量，给出合理的油位上限、下限。
测量风扇电动机电流和电压，观察和分析风扇及风扇电动机的工作状态。
根据油流继电器提供的信号，分析油泵是否异常。
有载分接开关驱动电源电压测量便于观测操作电源状态，有载分接开关切换次数测量便于分析机械寿命，有载分接开关当前分接位置测量可提供当前工作的状态量。
智能变压器的测量功能还应包括各侧负荷电流及中性点电流测量，其主要作用应用于保护和状态感知。
1.4.3智能变压器的控制功能及解决方案
对于冷却控制系统，主油箱油顶层温度和底部油温度以及绕组光纤测温同样用于判断变压器是否过热，冷却装置运行是否异常，冷却装置开起组数参量用于控制冷却装置负荷匹配及运行状态。
铁心接地电流的主要作用在于监控铁心故障，如是否存在多点接地。
变压器各侧电流和环境温度可对变压器进行发热故障原因判断和温度预测，变压器各侧电压则用于监控是否有过励磁状况发生。
对于有载分接开关控制系统，开关分接位置、变压器各侧电流及变压器各侧电压均用于控制参考量，分接开关运行状态则用于智能控制。
智能化变压器测控单元的配置基于变压器本体测控参量，通过Modbus通信协议将本体控制箱与智能控制柜中的测控单元IED进行连接。
智能化变压器测控单元IED的主要功能是接受来自间隔层或站控层的命令，对PLC通过串口通信进行协议转换，不仅可以向间隔层或站控层发送数据，还可以有效地对数据进行存储，图3给出了智能化变压器测控单元的基本结构。
1.4.4智能化变压器的计量功能及解决方案
智能化变压器的计量主要体现在使用电子式电流互感器替代以前的传统电磁感应式电流互感器，实现变电站运行实时信息数字化。
电子式电流互感器在电网动态观测，提高继电保护可靠性等方面具有重要作用。
准确的电流、电压动态测量，为提高电力系统运行控制的整体水平奠定了测量基础。
电子式电流互感器又可分为采用法拉第磁光效应感应被测信号的光学电子式电流互感器（OCT）和利用电磁感应原理感应被测信号的罗氏（Rogowski）线圈电子式电流互感器（ECT）。
光学电子式电流互感器（OCT）采用法拉第磁光效应感应被测信号，传感头不需要复杂供电装置，整个系统线性度好，关键技术在于光学传感材料的稳定性、传感头组装技术、微弱信号调制解调、温度对精度的影响、振动对精度的影响以及长期运行稳定性等。
罗氏线圈电流互感器（ECT）利用电磁感应原理感应被测信号，由于是空心线圈，不会出现磁饱和及磁滞等问题，频响特性、暂态特性和线性度好。
但是相位处理复杂，线圈制作工艺要求高，易受温度和外磁场等因素干扰，仅在某一范围内满足精度要求，对积分器稳定性要求高。
其关键技术在于电源供电技术、远端电子模块可靠性和采集单元的可维护性。
电子式互感器与传统互感器相比，不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题，提高了继电保护可靠性。
电子式互感器抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压危险，测量精度高，动态范围大，可测量几十安至几千安的电流，故障条件下可反映几万安甚至几十万安的电流。
电子式互感器的频响范围宽，能真实反映一定的高频信号，为暂态量提供可靠数据，绝缘结构不采用油或气体绝缘，无易燃、易爆等危险；结构简单，重量轻，体积小，易于安装；输出的数字接口适应了电力计量与保护数字化、微机化，精度与二次负荷无关；体积和重量比传统电流互感器小很多，经济性能好。
可见，采用电子式电流互感器可以带来显著的经济效益和社会效益，而且电压等级越高效益越明显。
1.4.5智能化变压器的监测功能及解决方案
智能化变压器的局部放电在线监测一般用于500kV级及以上变压器，所采用的局部放电监测技术具有良好的抗电晕干扰能力，可监测的视在放电量一般可控制在500～5000pC。
局部放电监测原理基于特高频的全频带动态扫频检测技术，使用特高频传感器可做到输出阻抗自动平衡，不需阻抗变换器，可以带电检修，同时采用四通道高速同步采样、复合除噪技术和自动阈值小波除噪技术等。
油中溶解气体监测一般选择色谱柱法技术，油气分离采用负压动态真空脱气技术，使用灵敏度高，响应速度快的纳米晶半导体气敏传感器，整个装置支持IEC61850通信协议（见图4）。
油中溶解气体监测满足智能组件状态可视化的基本要求，氢气和乙炔监测为必选，其他气体及水分为可选。
绕组光纤在线测温可有效地监测绕组内部最热点温升，对分析变压器热绝缘寿命衰减具有重大意义。
绕组光纤测量不确定度≤2℃，测量范围一般控制在5～18℃之间。
绕组光纤测温采用在绕组热点处预埋光纤，以达到实时测量绕组最热点温升的目的。
绕组内部光纤通过安装在油箱壁上的贯穿器与外部光纤相连接，外部光纤终端连接至光纤控制器，光纤控制器通过串口通信连接到主IED。
在线监测铁心接地电流的目的是通过对铁心接地电流的监测来发现箱体内异物、内部绝缘受潮或损伤、油箱沉积油泥及铁心多点接地等类型的故障，利用高灵敏度电流传感器，不失真地采集变压器铁心对地的泄漏电流信号。
信息传输采用IEC61850通信协议，
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