郭志紅 陳 穎 李俊剛 魏 勇 路光輝

（1.山東省電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002； 2.江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 211300； 3.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

智能變電站工程建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)一次設(shè)備智能化提出越來越多的需求，變電站在正式投入運(yùn)行后，整個(gè)電氣設(shè)備區(qū)域?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程和自動(dòng)化控制，并且要求設(shè)備裝設(shè)更多的傳感器和電子裝置，來監(jiān)測(cè)和反映設(shè)備自身狀態(tài)信息（如電脈沖、氣體生成物、局部過熱等各種特征量），實(shí)現(xiàn)自身狀態(tài)檢測(cè)和診斷[1]。變壓器作為變電站非常重要的主設(shè)備，需要對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和管理。對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，可以減少突發(fā)性和災(zāi)難性事故的發(fā)生。同時(shí)可以避免昂貴的替換和清理費(fèi)用，避免非計(jì)劃性停電。并且變壓器潛在故障的早期監(jiān)測(cè)對(duì)于延長變壓器的壽命有著非常重要的意義。變壓器狀態(tài)檢測(cè)是變壓器智能化的研究熱點(diǎn)，變壓器智能化也是現(xiàn)階段國家電網(wǎng)新一代智能變電站技術(shù)框架的主要課題之一[2]，因此變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求分析

變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命，在很大程度上取決于變壓器的運(yùn)行條件，尤其是變壓器絕緣的電老化、熱老化、局部放電老化、變壓器油溫過高等使得變壓器絕緣性能大幅降低，同時(shí)變壓器油質(zhì)量無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)視與自適應(yīng)調(diào)節(jié)使得變壓器油老化加劇，從而縮短變壓器的壽命。

變壓器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備之一，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)字均表明，變電設(shè)備中變壓器事故引起的非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間最長，且修復(fù)時(shí)間長、費(fèi)用高、影響面廣。變壓器故障按部位通?？煞譃槔@組、鐵心、絕緣、引線、分接開關(guān)、套管、密封等7 類故障，存在過熱、放電、受潮、老化等不同絕緣故障類型。

通過監(jiān)視負(fù)荷電流、油溫、風(fēng)扇運(yùn)行情況等，判斷變壓器冷卻系統(tǒng)運(yùn)行工況，給出信息，提供操作建議，變壓器冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自身閉環(huán)控制，也可由控制系統(tǒng)統(tǒng)一分析并下發(fā)調(diào)節(jié)指令。

監(jiān)視變壓器油各項(xiàng)指標(biāo)，如油中微水、油中氣體等，并根據(jù)監(jiān)視情況形成變壓器油處理意見，形成集在線脫氧、脫水、脫氣、冷卻、過濾以及預(yù)警為一體的變壓器油處理系統(tǒng)，可閉環(huán)或開環(huán)實(shí)現(xiàn)變壓器油在線監(jiān)視和處理。通過對(duì)變壓器油的在線監(jiān)視和處理，可大大延長變壓器油的壽命，從而延長變壓器的壽命，大大提高了變壓器在運(yùn)行中的安全性。

變壓器可根據(jù)事先設(shè)定的邏輯，通過調(diào)節(jié)檔位自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷潮流，提高智能變電站供電電壓的質(zhì)量。

監(jiān)視變壓器繞組最熱點(diǎn)溫度，并進(jìn)行老化系數(shù)和壽命損耗計(jì)算，為變壓器運(yùn)行工況提供量化指標(biāo)。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)目前傳感器的發(fā)展水平，制定方案如下，智能變壓器主要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包含油中溶解氣體、繞組的直流電阻、變壓器油溫、密封與滲漏、繞組變形、局部放電及本體的振動(dòng)等狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。下面為具體狀態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和部位。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由智能變壓器傳感器采集的變壓器全景數(shù)據(jù)，將與GOOSE 共網(wǎng)的方式傳送到智能變壓器狀態(tài)檢測(cè)智能單元，構(gòu)成智能變壓器就地采集子系統(tǒng)。就地采集系統(tǒng)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)，采用統(tǒng)一模型方式映射到監(jiān)控主站。變壓器的監(jiān)控診斷系統(tǒng)嵌入到智能變電站的主站系統(tǒng)中去，這樣共同組成了智能電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3-7]如要更好的服務(wù)于變壓器智能化，與變壓器智能控制部分的數(shù)據(jù)交互不可缺少。因此本系統(tǒng)中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站信息來源以下幾部分：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括主IED、局部放電IED、油中溶解氣體監(jiān)測(cè)IED（色譜法）、油中溶解氣體監(jiān)測(cè)IED（電化學(xué)法）、鐵心接地監(jiān)測(cè)IED、光纖繞組測(cè)溫IED。智能控制系統(tǒng)主要包括測(cè)量IED、冷卻裝置IED、非電量智能保護(hù)IED。

智能變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)由狀態(tài)傳感器、變電站通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)主站構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)變壓器負(fù)荷變化時(shí)，溫度隨之發(fā)生變化，油面溫度控制器將信號(hào)傳送到系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出變頻器頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，調(diào)節(jié)油泵電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使變壓器維持在一定的溫度范圍平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行中的某臺(tái)油泵或風(fēng)扇發(fā)生故障，系統(tǒng)能調(diào)整其余變頻器輸出頻率，從而保證整體冷卻裝置功率。

配合智能變電站內(nèi)電能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，改變分接開關(guān)位置，控制命令GOOSE 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸，同時(shí)檔位信息的上傳也完全基于GOOSE 信息交換機(jī)制，具有滑檔閉鎖告警等功能。

通過對(duì)變壓器油的全面監(jiān)測(cè)，形成集在線脫氧、脫水、脫氣、冷卻、過濾以及預(yù)警為一體的變壓器油處理系統(tǒng)。

利用對(duì)預(yù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的綜合判斷，建立完善的數(shù)據(jù)倉庫。采用仿人工智能等智能控制要素，根據(jù)實(shí)際偏差變化規(guī)律和被控對(duì)象的特征、純滯后及擾動(dòng)等因素，按一定的模式選擇不同的控制策略，解決非線性、線性系統(tǒng)的融合問題。

3 智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主IED 建模

信息交換機(jī)制主要依賴于準(zhǔn)確定義的信息模型。這些信息模型和建模方法是IEC 61850 的核心[8-10]。能否對(duì)IED 模型進(jìn)行確切、有效的定義是能否對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的關(guān)鍵，借鑒和狀態(tài)檢測(cè)主IED 功能相似的電力系統(tǒng)故障錄波IED 的建模方法[11]，對(duì)變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主IED 數(shù)據(jù)信息模型建模過程進(jìn)行說明。

主變主IED 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主IED 主要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)監(jiān)測(cè)子IED 進(jìn)行管理和信息處理，因此不同的監(jiān)測(cè)信息就構(gòu)成了邏輯節(jié)點(diǎn)。在IEC 61850 7-4 中定義了88 個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。其中，以下節(jié)點(diǎn)可以用于描述相應(yīng)信息：如表2、表3、表4所示，邏輯節(jié)點(diǎn)（LPHD），該邏輯節(jié)點(diǎn)用于描述基本的裝置信息；邏輯節(jié)點(diǎn)（LLN0），用于描述相關(guān)屬性信息；擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)（SPTR），主要用來保存處理過的監(jiān)測(cè)信息。而其他監(jiān)測(cè)子IED 建模也基本類似。

表2 LPHD 邏輯節(jié)點(diǎn)

表3 LLN0 邏輯節(jié)點(diǎn)

表4 SPTR 邏輯節(jié)點(diǎn)

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對(duì)象模型可保證不同設(shè)備之間的互相理解、交換信息和協(xié)同操作。在完成LN 的建模后，就可以將IED 的數(shù)據(jù)信息一一對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)對(duì)象中。每個(gè)LN 由具有特定數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)和定義好的語義，包含在具有專門數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)對(duì)象模型由邏輯設(shè)備名、邏輯節(jié)點(diǎn)名、數(shù)據(jù)名、數(shù)據(jù)屬性名描述。

4 主IED 設(shè)計(jì)

變壓器主IED 在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中起著重要的作用，它不僅用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理與通信，同時(shí)還對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行簡單的分析和診斷。還需要實(shí)現(xiàn)符合IEC 61850 通信要求的數(shù)字化通信功能。硬件平臺(tái)是通信功能實(shí)現(xiàn)的載體

4.1 硬件設(shè)計(jì)

主IED 的硬件系統(tǒng)在原理上分成6 個(gè)模塊：主控制最小系統(tǒng)、電源模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、通信模塊、模擬量輸入輸出模塊和人機(jī)接口模塊。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2中，A、B、C、D、E、F 分別為主IED 跟外界相連的6 個(gè)接口。A 代表實(shí)現(xiàn)IEC 61850 過程層通信的以太網(wǎng)接口和GOOSE 通信接口；B 代表外部輸入的交流或直流供電電源的接口；C 和D 代表電網(wǎng)中的開關(guān)量信息輸入輸出接口，如開關(guān)位置、控制信號(hào)、告警信號(hào)等；E 代表從電網(wǎng)經(jīng)過一次互感器后得到的電壓電流模擬量和4～20mA 非電量電流信號(hào)輸入輸出接口；F 代表人機(jī)界面板上的在線下載調(diào)試接口。

圖2 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主IED 硬件模塊

4.2 軟件設(shè)計(jì)

利用狀態(tài)傳感器。監(jiān)測(cè)子IED 可以對(duì)變壓器鐵心和繞組壓緊狀態(tài)、位移、變形的振動(dòng)測(cè)量、有載調(diào)壓分接頭機(jī)械性能、變壓器油氣體、局部放電、繞組熱點(diǎn)、微水檢測(cè)、變壓器油性能指標(biāo)、漏油檢測(cè)、鐵心檢測(cè)、在線紅外測(cè)溫、絕緣狀態(tài)檢測(cè)等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)記錄。而主IED 對(duì)變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)子IED 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、控制和管理。

主IED 定時(shí)主動(dòng)向站控層報(bào)送統(tǒng)一格式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)IED 評(píng)估的故障幾率每增大2%，立即主動(dòng)上送報(bào)文一次。當(dāng)有深度分析需求時(shí)，監(jiān)測(cè)IED響應(yīng)召喚，整理所需數(shù)據(jù)文件，經(jīng)物理隔離之后通過站控層網(wǎng)絡(luò)報(bào)送至相關(guān)分析系統(tǒng)并支持參數(shù)召喚和設(shè)置。具體流程如圖3所示。

圖3 綜合分析流程圖

5 監(jiān)測(cè)主站設(shè)計(jì)

5.1 信息融合

狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站信息來源由監(jiān)測(cè)信息、變電站監(jiān)控系統(tǒng)和間隔層信息組成，同時(shí)輔以歷史信息，共同構(gòu)建起狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。

變壓器狀態(tài)變化是一個(gè)緩慢的過程，因此采樣信息需要經(jīng)過處理，才能錄入數(shù)據(jù)庫，如圖4所示，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過相應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)或者排序。

圖4 數(shù)據(jù)處理方法

5.2 智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)功能

變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)對(duì)變壓器的狀態(tài)信息提供實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、診斷及異常報(bào)警等功能，通過對(duì)變壓器的實(shí)時(shí)和管理數(shù)據(jù)獲取，由主站系統(tǒng)對(duì)變壓器的故障部位、故障程度、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)變壓器健康狀態(tài)的評(píng)估，判斷設(shè)備異常。監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的不僅僅為了狀態(tài)檢修，應(yīng)該根據(jù)故障特征類型，逐一分析，制定特定的策略，如圖6所示，首先判斷故障嚴(yán)重程度，看是否需要事故維修，接著判斷是否需要定期檢修。最后對(duì)于可測(cè)的故障類型，進(jìn)行狀態(tài)檢修。只有這樣才能全方位的服務(wù)于變壓器設(shè)備。

圖6 變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)維修策略原則

6 應(yīng)用情況

本文的研究依托于2010年山東省電力公司科技項(xiàng)目“變壓器智能診斷的研究與應(yīng)用”[12]，設(shè)計(jì)成果被應(yīng)用于濰坊福盛220kV 輸變電工程[13]中，項(xiàng)目于2012年3月投入運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好，原來通過定期巡檢方式進(jìn)行的變壓器檢修工作逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)檢中心值班員在遠(yuǎn)方依據(jù)變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)上送的在線工況信息進(jìn)行狀態(tài)檢修方式，有效降低了變壓器設(shè)備運(yùn)維費(fèi)用，同時(shí)提高了變壓器的運(yùn)行可靠性。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息建模技術(shù)和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變壓器的在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用變電站自動(dòng)化信息，在監(jiān)測(cè)主站實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)變電站SCADA 實(shí)時(shí)信息和狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息的融合及綜合分析利用，最后根據(jù)數(shù)據(jù)屬性和故障模式判別，完成檢修策略制定。在一定程度上提高了變壓器智能化水平，符合國網(wǎng)新一代智能變電站建設(shè)技術(shù)規(guī)劃，對(duì)智能變電站的建設(shè)具有一定的參考意義。

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