高明華 ，王 冬 ，王學(xué)峰 ，張 勇

（1.山東勝利油田電力管理總公司，山東 東營(yíng) 257000；2.中煤能源山東有限公司，山東 日照 276826；3.山東省招遠(yuǎn)市供電公司，山東 招遠(yuǎn) 265400；4.山東省禹城市電力總公司，山東 禹城 251200）

0 引言

智能電網(wǎng)是對(duì)電網(wǎng)未來發(fā)展的一種愿景［1］，涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、儲(chǔ)能和用電各個(gè)環(huán)節(jié)，以先進(jìn)的通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)為基礎(chǔ)、以電網(wǎng)設(shè)備間的信息交流為手段，實(shí)現(xiàn)從發(fā)電到用電所有環(huán)節(jié)信息的雙向交流,具有自愈、安全、交互、協(xié)調(diào)、兼容、高效、優(yōu)質(zhì)、集成的核心特點(diǎn)。

變電站作為電網(wǎng)的重要一環(huán)，設(shè)備的安全運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。變電站設(shè)備檢修策略大致經(jīng)歷了三個(gè)階段,即事故檢修、計(jì)劃?rùn)z修和狀態(tài)檢修。事故檢修是一種被動(dòng)檢修,即只在故障發(fā)生時(shí)才進(jìn)行檢修更新或管理工作;計(jì)劃?rùn)z修作為一種預(yù)防性檢修,在很大程度上降低了設(shè)備故障幾率,然而,計(jì)劃?rùn)z修耗時(shí)、耗資,在大多數(shù)設(shè)備沒有任何異常表現(xiàn)時(shí),對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修、維護(hù),確保設(shè)備處在正常狀態(tài),該方法并不能保證設(shè)備在下次維修之前不惡化和失效。狀態(tài)檢修 （CBM,Condition Based Maintenance）是指根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息,評(píng)估設(shè)備的狀況,在故障發(fā)生前進(jìn)行檢修的方式［2］。

進(jìn)入80年代以來，電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，絕大多數(shù)變電站設(shè)備及發(fā)電機(jī)、電纜、線路絕緣子等都有在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和傳感器技術(shù)、光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等的發(fā)展和向各領(lǐng)域的滲透，系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)中廣泛應(yīng)用了這些先進(jìn)的科研成果，使在線監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段［3］。

但是也存在一些問題：變電站自動(dòng)化系統(tǒng)信息共享程度較低,綜合利用效能還未充分發(fā)揮;甚至于出現(xiàn)了一種監(jiān)控“孤島”現(xiàn)象，主控室里有各種計(jì)算機(jī)和服務(wù)器監(jiān)測(cè)各種設(shè)備的運(yùn)行，如避雷器在線監(jiān)測(cè)、SF6在線監(jiān)測(cè)、高壓接點(diǎn)測(cè)溫監(jiān)測(cè)、智能接地線管理、智能安全工、器具柜管理、電纜溫度在線監(jiān)測(cè)、環(huán)境在線監(jiān)測(cè)、圖像監(jiān)控、門禁系統(tǒng)等，但是這些系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行，這種情況不僅浪費(fèi)了空間資源和計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)也增加了值班人員的工作量，必須在不同的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行大量的操作［7-10］。

目前,我國(guó)智能變電站建設(shè)正處于第二批試點(diǎn)工程重點(diǎn)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵階段［2］,一、二次設(shè)備作為變電站的重要資產(chǎn),及時(shí)、全面掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況及其所處環(huán)境等要素對(duì)于變電站乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的狀態(tài)檢修對(duì)于提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等意義重大。

1 智能變電站

智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分,根據(jù)智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［4］，其定義為：智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站。這個(gè)概念使得更加可靠、高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備節(jié)點(diǎn)裝設(shè)在變電站。

根據(jù)導(dǎo)則，智能設(shè)備也被增加到變電站設(shè)備之中，其定義為：一次設(shè)備和智能組件的有機(jī)結(jié)合體，具有測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)特征的高壓設(shè)備，是高壓設(shè)備智能化的簡(jiǎn)稱，能夠?qū)崿F(xiàn)智能功能并能提供整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制及管理的普遍IT技術(shù)。

由于更多自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的應(yīng)用，智能變電站尤其應(yīng)加強(qiáng)自動(dòng)裝置、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備的在線監(jiān)視,將設(shè)備的自檢診斷信息、運(yùn)行工況信息等通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,送達(dá)變電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行可視化展示,并通過遠(yuǎn)傳裝置發(fā)送到上級(jí)調(diào)度/集控系統(tǒng)為電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)備全壽命周期綜合優(yōu)化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐［2］。

3 智能變電站在線監(jiān)測(cè)

智能變電站中設(shè)備主要包括過程層設(shè)備（包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備）、間隔層設(shè)備（繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)控裝置、監(jiān)測(cè)功能組主IED等二次設(shè)備）、站控層設(shè)備（包括自動(dòng)化站級(jí)監(jiān)視控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)）。

站控層設(shè)備中有些已經(jīng)具有相關(guān)參數(shù)的量測(cè)，在這種情況下可僅進(jìn)行數(shù)據(jù)采集即可，對(duì)于站控層設(shè)備沒有提供的參數(shù)另外加裝傳感器測(cè)量。

3.1 過程層設(shè)備監(jiān)測(cè)

過程層設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有：變壓器、斷路器、電容器、MOA避雷器以及氣體絕緣組合電器（GIS，Gas Insulated Substation）等。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)變壓器、容性設(shè)備、高壓斷路器等電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)都做了大量深入研究,監(jiān)測(cè)量的范圍也越來越廣泛。智能開關(guān)設(shè)備（包括斷路器和刀閘）是過程層數(shù)字化的重要組成部分。開關(guān)設(shè)備配有電子設(shè)備、數(shù)字通訊接口、傳感器和執(zhí)行器,不但具有分合閘基本功能,而且在監(jiān)測(cè)和診斷方面具有附加功能。GIS等SF6電氣設(shè)備的絕緣性能是確保其安全運(yùn)行的重要條件。設(shè)備內(nèi)部中的金屬微粒、粉末和水分等導(dǎo)電性雜質(zhì)是引發(fā) GIS等設(shè)備故障的原因。設(shè)備存在導(dǎo)電性雜質(zhì)時(shí)，因局部放電而發(fā)出不正常聲音、振動(dòng)、產(chǎn)生放電電荷、發(fā)光、產(chǎn)生分解氣體等異?，F(xiàn)象。因此局部放電是 GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)重要對(duì)象之一。

過程層設(shè)備主要監(jiān)測(cè)參數(shù)如表1所示。

表1 過程層電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

對(duì)于以上的參數(shù)監(jiān)測(cè)及分析,現(xiàn)階段建立了基于動(dòng)量因子的標(biāo)準(zhǔn)BP算法,Bold Driver算法、superSAB算法和RPROP算法的算法模型。

變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)、容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等幾部分組成。通過對(duì)以上設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其絕緣性能和運(yùn)行狀態(tài)，并在出現(xiàn)異常時(shí)能及時(shí)報(bào)警。

3.2 變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)

無人值班變電站運(yùn)行環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),應(yīng)包括視頻和安防功能,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行情況監(jiān)視、入侵探測(cè)、防盜報(bào)警、出入口控制、火災(zāi)報(bào)警、安全檢查等;還能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè),以及室外環(huán)境溫濕度、雨量風(fēng)速監(jiān)測(cè)等主要功能。利用單片機(jī)技術(shù)、紫外線、紅外線、離子感煙等技術(shù)，對(duì)智能變電站現(xiàn)場(chǎng)的煙霧、明火、絕緣放電、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、瓷套表面污穢泄漏電流、非法入室、小動(dòng)物侵入、電纜溝進(jìn)水等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)筋A(yù)警系統(tǒng)主站，作為設(shè)備運(yùn)行工作狀況的輔助評(píng)估。

變電站運(yùn)行環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的視頻和安防信號(hào)傳至集控中心,視頻監(jiān)視和安防功能宜緊密集成。

變電站運(yùn)行環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要成為智能輸電網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息上送的重要節(jié)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí),遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控終端能自動(dòng)切換至相應(yīng)攝像機(jī),同時(shí)傳送報(bào)警信息和相關(guān)圖像,并自動(dòng)在地理圖上提示報(bào)警位置及類型;聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)照明、警笛相關(guān)設(shè)備;支持一點(diǎn)報(bào)警多個(gè)攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)和多點(diǎn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)。視頻處理單元應(yīng)能對(duì)站內(nèi)攝像機(jī)進(jìn)行自檢和故障報(bào)警,實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)并及時(shí)準(zhǔn)確跟蹤事故點(diǎn),同時(shí)遠(yuǎn)傳到集控中心,從遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)及時(shí)掌控。

3.3 電纜、開關(guān)柜測(cè)溫

電力系統(tǒng)的一次電氣設(shè)備一般由斷路器、變壓器、電纜、母線、開關(guān)柜等電氣設(shè)備組成，其相互之間由母線、引線、電纜等連接,由于電流流過產(chǎn)生熱量，所以幾乎所有的電氣故障都會(huì)導(dǎo)致故障點(diǎn)溫度的變化。如：開關(guān)柜內(nèi)部觸頭接觸不良、插接偏心不正等原因?qū)е逻^熱，以致起弧燒壞設(shè)備；高壓電纜接頭、連接器導(dǎo)體部分接觸不良引起異常過熱，加速絕緣老化導(dǎo)致?lián)舸?，這是高壓開關(guān)柜的主要故障形式，電纜連接處、高壓開關(guān)柜的動(dòng)靜觸頭及其他連接處等位置過熱是大型事故的征兆，所以電纜接頭、高壓開關(guān)柜的在線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，是電纜和開關(guān)柜安全的重要保障。

目前，國(guó)內(nèi)電力測(cè)溫主要應(yīng)用紅外點(diǎn)測(cè)儀和紅外成像儀，但都無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)如斷路器、刀閘聯(lián)接點(diǎn)和觸頭測(cè)溫，對(duì)全封閉金屬鎧裝柜更是無法觸及，所以高壓開關(guān)的觸點(diǎn)等空間有限的電氣設(shè)備基本上都是處于無監(jiān)控的狀態(tài)下運(yùn)行。

系統(tǒng)采用基于光纖布拉格（FBG）原理的準(zhǔn)分布式光纖光柵測(cè)溫，具有良好的絕緣耐壓性能和穩(wěn)定的工作特點(diǎn)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置測(cè)溫點(diǎn)，如圖1所示，避免了光纖在開關(guān)柜內(nèi)部的迂回布線，解決防污閃問題。

圖1 電纜、開關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括智能設(shè)備監(jiān)測(cè)終端、通信網(wǎng)絡(luò)以及綜合監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于單片機(jī)和總線技術(shù)的智能型監(jiān)測(cè)終端安裝在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，其主要功能是對(duì)各智能設(shè)備（如在線檢測(cè)設(shè)備、SF6氣體泄流監(jiān)測(cè)設(shè)備、變壓器色譜分析儀、蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、直流絕緣檢測(cè)、智能直流屏等）采集的數(shù)據(jù)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，通過100M以太網(wǎng)接入光纖網(wǎng)或輔以其他傳輸網(wǎng)絡(luò)（如GPRS）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的可靠傳送。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)筋A(yù)警系統(tǒng)主站，作為設(shè)備運(yùn)行工作狀況的輔助評(píng)估。

為了避免因遠(yuǎn)距離傳輸微安、毫安級(jí)小電流信號(hào)而引入大量電磁干擾，淹沒原始信號(hào)，系統(tǒng)選用分層分布式系統(tǒng)，電氣參數(shù)就地采集。同時(shí)系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)作為硬件平臺(tái)；將智能型監(jiān)測(cè)終端的RS485串行通訊口駁接多種智能通訊終端設(shè)備，構(gòu)成了RS485通訊總線。

圖2 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了提高設(shè)備通訊的可靠性，考慮到設(shè)備之間信號(hào)的隔離和抗干擾，以及抗雷擊等大信號(hào)的沖擊，前向放大部分采用零點(diǎn)漂移小、精度高的運(yùn)算放大器以及精密的電阻，保證模擬放大通道的穩(wěn)定性好；在每個(gè)設(shè)備接入總線的端口增加光電信號(hào)隔離裝置，解決不同設(shè)備通訊信號(hào)地電位不同的問題；同時(shí)對(duì)于從戶外經(jīng)過的RS485通訊線路加裝雷擊保護(hù)電路，減少大信號(hào)沖擊對(duì)通訊線路的損壞。

位于數(shù)據(jù)信息中心的遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)采集平臺(tái)具有向現(xiàn)場(chǎng)采集儀發(fā)送通訊命令、接收和處理信息數(shù)據(jù)、對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，故障報(bào)警、故障診斷和WEB發(fā)布等功能，并負(fù)責(zé)將處理后的設(shè)備信息數(shù)據(jù)送入開放式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，等待設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息查詢，或供其它系統(tǒng)調(diào)用，如與有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建立電力設(shè)備運(yùn)行與檢修管理數(shù)據(jù)中心，分析處理結(jié)果可作為變電站設(shè)備狀態(tài)檢修的依據(jù)。

遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)，與安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、SCADA和在線監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有效集成，以達(dá)到數(shù)據(jù)共享。在數(shù)據(jù)庫運(yùn)行維護(hù)上使用多線程查詢技術(shù)和Database Pooling技術(shù)，使每個(gè)查詢有獨(dú)立的線程管理，可以實(shí)現(xiàn)并列的多個(gè)查詢，提高查詢效率。實(shí)現(xiàn)了查詢內(nèi)存模塊的重復(fù)使用，減少了內(nèi)存占用、釋放的開銷。采用三層結(jié)構(gòu)模式，數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)隔離，用戶只與Web交互，提高了數(shù)據(jù)庫的安全性。

4 結(jié)論

智能變電站的發(fā)展和成熟對(duì)建立堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)有重要意義。智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的通信和檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備各項(xiàng)性能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)變電站設(shè)備健康狀況及運(yùn)行環(huán)境的智能化實(shí)時(shí)采集、分析變電站主設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)布故障告警及檢修信息，使智能變電站有效成為智能電網(wǎng)變電環(huán)節(jié)的重要組成部分。