郭志紅 陳 穎 李俊剛 魏 勇 路光輝

（1.山東省電力科學研究院，山東 濟南 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的推進，對一次設備智能化提出越來越多的需求，變電站在正式投入運行后，整個電氣設備區(qū)域?qū)崿F(xiàn)遠程和自動化控制，并且要求設備裝設更多的傳感器和電子裝置，來監(jiān)測和反映設備自身狀態(tài)信息（如電脈沖、氣體生成物、局部過熱等各種特征量），實現(xiàn)自身狀態(tài)檢測和診斷[1]。變壓器作為變電站非常重要的主設備，需要對其狀態(tài)進行全面的監(jiān)測和管理。對其進行實時監(jiān)測和診斷，可以減少突發(fā)性和災難性事故的發(fā)生。同時可以避免昂貴的替換和清理費用，避免非計劃性停電。并且變壓器潛在故障的早期監(jiān)測對于延長變壓器的壽命有著非常重要的意義。變壓器狀態(tài)檢測是變壓器智能化的研究熱點，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)測系統(tǒng)的設計具有非常重要的應用價值。

1 變壓器狀態(tài)監(jiān)測需求分析

變壓器的安全運行和使用壽命，在很大程度上取決于變壓器的運行條件，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，同時變壓器油質(zhì)量無法實現(xiàn)在線監(jiān)視與自適應調(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)重要設備之一，其運行可靠性直接關(guān)系電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。國內(nèi)外統(tǒng)計數(shù)字均表明，變電設備中變壓器事故引起的非計劃停運時間最長，且修復時間長、費用高、影響面廣。變壓器故障按部位通常可分為繞組、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)視負荷電流、油溫、風扇運行情況等，判斷變壓器冷卻系統(tǒng)運行工況，給出信息，提供操作建議，變壓器冷卻系統(tǒng)可以實現(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)視變壓器油各項指標，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、過濾以及預警為一體的變壓器油處理系統(tǒng)，可閉環(huán)或開環(huán)實現(xiàn)變壓器油在線監(jiān)視和處理。通過對變壓器油的在線監(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行中的安全性。

變壓器可根據(jù)事先設定的邏輯，通過調(diào)節(jié)檔位自動調(diào)節(jié)負荷潮流，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溫度，并進行老化系數(shù)和壽命損耗計算，為變壓器運行工況提供量化指標。

表1 監(jiān)測內(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等狀態(tài)進行全面監(jiān)測。下面為具體狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容和部位。

2 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

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)測數(shù)據(jù)采用IEC 61850 標準，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)測系統(tǒng)，如圖1所示。

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

變壓器狀態(tài)監(jiān)測[3-7]如要更好的服務于變壓器智能化，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)測主站信息來源以下幾部分：監(jiān)測系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括主IED、局部放電IED、油中溶解氣體監(jiān)測IED（色譜法）、油中溶解氣體監(jiān)測IED（電化學法）、鐵心接地監(jiān)測IED、光纖繞組測溫IED。智能控制系統(tǒng)主要包括測量IED、冷卻裝置IED、非電量智能保護IED。

智能變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測由狀態(tài)傳感器、變電站通訊網(wǎng)絡和監(jiān)測主站構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當變壓器負荷變化時，溫度隨之發(fā)生變化，油面溫度控制器將信號傳送到系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出變頻器頻率調(diào)節(jié)信號，調(diào)節(jié)油泵電機和風扇電機轉(zhuǎn)速，從而使變壓器維持在一定的溫度范圍平穩(wěn)運行，當運行中的某臺油泵或風扇發(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)絡化傳輸，同時檔位信息的上傳也完全基于GOOSE 信息交換機制，具有滑檔閉鎖告警等功能。

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

利用對預試驗數(shù)據(jù)、運行數(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)實際偏差變化規(guī)律和被控對象的特征、純滯后及擾動等因素，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)測主IED 建模

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

主變主IED 變壓器狀態(tài)監(jiān)測主IED 主要根據(jù)相關(guān)標準要求對監(jiān)測子IED 進行管理和信息處理，因此不同的監(jiān)測信息就構(gòu)成了邏輯節(jié)點。在IEC 61850 7-4 中定義了88 個邏輯節(jié)點。其中，以下節(jié)點可以用于描述相應信息：如表2、表3、表4所示，邏輯節(jié)點（LPHD），該邏輯節(jié)點用于描述基本的裝置信息；邏輯節(jié)點（LLN0），用于描述相關(guān)屬性信息；擴展節(jié)點（SPTR），主要用來保存處理過的監(jiān)測信息。而其他監(jiān)測子IED 建模也基本類似。

表2 LPHD 邏輯節(jié)點

表3 LLN0 邏輯節(jié)點

表4 SPTR 邏輯節(jié)點

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對象模型可保證不同設備之間的互相理解、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)信息一一對應到相應的邏輯節(jié)點下的數(shù)據(jù)對象中。每個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)對象模型由邏輯設備名、邏輯節(jié)點名、數(shù)據(jù)名、數(shù)據(jù)屬性名描述。

4 主IED 設計

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

4.1 硬件設計

主IED 的硬件系統(tǒng)在原理上分成6 個模塊：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 個接口。A 代表實現(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、告警信號等；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 非電量電流信號輸入輸出接口；F 代表人機界面板上的在線下載調(diào)試接口。

圖2 變壓器狀態(tài)監(jiān)測主IED 硬件模塊

4.2 軟件設計

利用狀態(tài)傳感器。監(jiān)測子IED 可以對變壓器鐵心和繞組壓緊狀態(tài)、位移、變形的振動測量、有載調(diào)壓分接頭機械性能、變壓器油氣體、局部放電、繞組熱點、微水檢測、變壓器油性能指標、漏油檢測、鐵心檢測、在線紅外測溫、絕緣狀態(tài)檢測等進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄。而主IED 對變壓器狀態(tài)監(jiān)測子IED 進行數(shù)據(jù)通信、控制和管理。

主IED 定時主動向站控層報送統(tǒng)一格式監(jiān)測數(shù)據(jù)，當檢測IED 評估的故障幾率每增大2%，立即主動上送報文一次。當有深度分析需求時，監(jiān)測IED響應召喚，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)絡報送至相關(guān)分析系統(tǒng)并支持參數(shù)召喚和設置。具體流程如圖3所示。

圖3 綜合分析流程圖

5 監(jiān)測主站設計

5.1 信息融合

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

變壓器狀態(tài)變化是一個緩慢的過程，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)過相應的概率統(tǒng)計或者排序。

圖4 數(shù)據(jù)處理方法

5.2 智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)功能

變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)對變壓器的狀態(tài)信息提供實時采集、監(jiān)測、診斷及異常報警等功能，通過對變壓器的實時和管理數(shù)據(jù)獲取，由主站系統(tǒng)對變壓器的故障部位、故障程度、發(fā)展趨勢進行判斷和預測，實現(xiàn)變壓器健康狀態(tài)的評估，判斷設備異常。監(jiān)測主站系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能

變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的目的不僅僅為了狀態(tài)檢修，應該根據(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。最后對于可測的故障類型，進行狀態(tài)檢修。只有這樣才能全方位的服務于變壓器設備。

圖6 變壓器狀態(tài)監(jiān)測維修策略原則

6 應用情況

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

7 結(jié)論

本文設計了基于IEC 61850 標準的智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。用先進的傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息建模技術(shù)和通信技術(shù)實現(xiàn)了變壓器的在線監(jiān)測，同時利用變電站自動化信息，在監(jiān)測主站實現(xiàn)傳統(tǒng)變電站SCADA 實時信息和狀態(tài)檢測系統(tǒng)的準實時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技術(shù)規(guī)劃，對智能變電站的建設具有一定的參考意義。

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