劉 瑞

（內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

智能高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 瑞

（內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)變電站主變、電壓互感器、電流互感器、耦合電容和避雷器等高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，作者設(shè)計(jì)了系統(tǒng)部分硬件，研制了采樣精度較高、抗干擾能力強(qiáng)的零磁通電流傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元，并與該系統(tǒng)的軟件部分相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行絕緣數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、處理、告警，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、信息共享。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可豐富絕緣監(jiān)測(cè)手段，強(qiáng)化設(shè)備安全管理水平，有助于智能電網(wǎng)的建設(shè)。

變電站；絕緣；在線監(jiān)測(cè)

國(guó)家電網(wǎng)公司推進(jìn)構(gòu)建具有數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、交互化等特征為代表的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，對(duì)變電站高壓電氣設(shè)備的智能化要求越來(lái)越高。變電站高壓電氣設(shè)備作為重要的輸變電設(shè)備，主要包括變壓器、高壓套管、電流互感器、電壓互感器、耦合電容器、氧化鋅避雷器等，數(shù)量約占變電站設(shè)備總數(shù)的 50%～60%，其絕緣狀況的好壞直接關(guān)系到整個(gè)變電站的安全運(yùn)行，一旦發(fā)生事故，造成的損失和影響很大。因此，電力部門(mén)制訂了定期預(yù)防性維修制度，但是定期性預(yù)防試驗(yàn)存在一些缺陷，有時(shí)候不能真實(shí)地反映設(shè)備的絕緣狀況，還會(huì)造成大量的人力物力的耗費(fèi)。而變電站智能高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、感知/測(cè)量/控制技術(shù)、通信技術(shù)，可以對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)，而且還能分析各重要參數(shù)的發(fā)展變化趨勢(shì)，提前識(shí)別潛在故障，改善各種高壓設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供寶貴的數(shù)據(jù)支持，從而確定最佳的檢修時(shí)間，大幅延長(zhǎng)保養(yǎng)周期，提高設(shè)備的利用率，顯著降低維修保養(yǎng)費(fèi)用[1]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用總線控制技術(shù)，它由安裝在變電站內(nèi)的測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)和安裝在后臺(tái)管理中心的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，通過(guò)公共電話網(wǎng)絡(luò)，可把若干個(gè)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集到上層的數(shù)據(jù)管理診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)變電站內(nèi)的高壓設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)。

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常由用戶計(jì)算機(jī)、變電站中央監(jiān)控器和若干個(gè)本地測(cè)量單元構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 采用分布式的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 本地測(cè)量單元

安裝在變電站被監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，種類(lèi)及數(shù)量可根據(jù)監(jiān)測(cè)要求確定。目前可提供的本地測(cè)量單元可對(duì)變壓器套管、電流互感器，電壓互感器，耦合電容器的介損及電容量和末屏電流、避雷器的阻性電流及全電流等絕緣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并以總線通信方式，通過(guò)一根定制的雙絞電纜把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳送到變電站中央監(jiān)控器。

1.2 變電站中央監(jiān)控器

安裝在變電站控制室或監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，每臺(tái)中央監(jiān)控器提供的通信總線上最多可掛載100多個(gè)本地測(cè)量單元。中央監(jiān)控器能夠通過(guò)總線控制各個(gè)本地測(cè)量單元的工作狀態(tài)，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)及異常信息，獲得反映設(shè)備絕緣狀態(tài)的特征參量，并按照下列方式保存各個(gè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，等待上層的用戶計(jì)算機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)[2]。

1.3 用戶計(jì)算機(jī)

安裝在局內(nèi)的信息管理部門(mén)，可通過(guò)局域網(wǎng)與其他的終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。普通的電腦只要安裝了專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，即可通過(guò)局域網(wǎng)的通信方式讀取各個(gè)變電站中央監(jiān)控器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理軟件能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，自動(dòng)篩選出絕緣參數(shù)異常的電氣設(shè)備，及時(shí)發(fā)出狀態(tài)預(yù)警信號(hào)，同時(shí)提供包括參數(shù)變化趨勢(shì)圖在內(nèi)的相關(guān)信息，以便管理人員作出更為精確的診斷。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的絕緣狀況，需要測(cè)量泄漏電流的相位和幅值，電流傳感器在感應(yīng)微弱泄漏電流時(shí)會(huì)引入噪聲，所以必須考慮傳感器輸出信號(hào)的耦合和放大問(wèn)題。電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)介損測(cè)量精度的要求非常高，系統(tǒng)又工作在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，這就加大了系統(tǒng)在信號(hào)調(diào)理時(shí)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理的難度。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路部分框圖見(jiàn)圖2。

圖2 絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

圖2中主要包括三大部分：傳感器模塊、信號(hào)處理電路模塊及濾波與電源模塊。各部分的構(gòu)成及功能簡(jiǎn)述如下：

1）濾波及電源模塊

將220Vac電源變換為±12V，+5V電源信號(hào)，作為傳感器和信號(hào)處理電路的工作電源。

2）微電流傳感器模塊

傳感器采用有源零磁通精密電流傳感器，將 3相（或單相）微電流信號(hào)和參考信號(hào)（來(lái)自220Vac電源，加電阻取樣為小電流信號(hào)）轉(zhuǎn)換為低功率模擬信號(hào)；傳感器工作電源為±12V，該電源來(lái)自電源模塊。傳感器部分的介紹見(jiàn)微電流傳感器設(shè)計(jì)部分。

圖2中的信號(hào)處理電路同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度信號(hào)，以及電路板的電源電壓信號(hào)（圖2中的VCC），該信號(hào)同時(shí)用作對(duì) A/D轉(zhuǎn)換電路的故障診斷。

3）信號(hào)處理電路模塊

包括信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換和DSP模塊三部分。信號(hào)調(diào)理模塊將傳感器輸出的信號(hào)調(diào)理成適合 A/D芯片接收的信號(hào)，DSP模塊控制A/D芯片采樣，并完成相關(guān)計(jì)算，并通過(guò)通信模塊和LCD接口模塊與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國(guó)TI公司的16bit高速6路同步采樣芯片ADS8365。DSP模塊中的DSP芯片采用TI公司的32bit定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片 TMS320F2812。邏輯控制采樣 ALTERA公司的MAX3000A系列CPLD EPM3064A。通信模塊采用RS485總線（ISL81487）；LCD接口為RS232接口，可接具有串行接口的LCD。

2.2 系統(tǒng)的模塊化功能設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，所有的本地采樣單元均由取樣傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理及 A/D采樣模塊、嵌入式微處理器模塊和通信及電源管理模塊構(gòu)成。

1）高精密的穿芯零磁通電流傳感器模塊

電流傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響電容型設(shè)備介損耗參數(shù)參數(shù)的測(cè)量精度。為保證信號(hào)取樣的安全性，通常應(yīng)采用穿芯結(jié)構(gòu)的零磁通電流傳感器。

采用有源零磁通設(shè)計(jì)技術(shù)是提高小電流傳感器檢測(cè)精度的惟一途徑。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了先進(jìn)的自動(dòng)補(bǔ)償式電流傳感器，除了選用起始導(dǎo)磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵心處，還采用了獨(dú)特的深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)，能夠?qū)﹁F心的激磁磁勢(shì)進(jìn)行全自動(dòng)補(bǔ)償，保持鐵心工作在接受理想的零磁通狀態(tài)。其技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)下表1所示。

表1 電流傳感器技術(shù)指標(biāo)

2）寬范圍的信號(hào)調(diào)理采樣模塊

信號(hào)調(diào)理及A/D采樣模塊是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部件，能夠同時(shí)測(cè)量4個(gè)輸入通道的交流或者直流電壓信號(hào)，并具備極強(qiáng)的通道擴(kuò)展功能。

3）嵌入式數(shù)字微處理器模塊

DSP嵌入式微處理器模塊是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及端口控制功能。絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊采用目前性能最優(yōu)良的 32位數(shù)字信號(hào)處理芯片，并根據(jù)其特點(diǎn)精心設(shè)計(jì)了DSP核心及外圍電路，可以滿足絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要。

4）通信及電源管理模塊

通信及電源管理模塊是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組件，具備如下功能：①含有AC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊，能夠向其他提供 5V及±12V工作電源；②提供一個(gè)光電隔離的通信接口，可掛載多個(gè)通信接點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理及診斷軟件主要包括如下幾個(gè)功能模塊，可以在任何一臺(tái)安裝了Windows NT系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

1）中央數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

中央數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)建立在Microsoft SQL Server上的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用程序可通過(guò)SQL專(zhuān)用命令來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。管理軟件的所有數(shù)據(jù)都是以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放在中央數(shù)據(jù)庫(kù)之中。

2）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收集模塊

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收集模塊通常是一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行程序，其基本功能是通過(guò)局域網(wǎng)定時(shí)從各個(gè)變電站的中央監(jiān)控器中讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并登錄在中央數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，該模塊還提供IE瀏覽器訪問(wèn)功能，用戶可通過(guò)普通的撥號(hào)上網(wǎng)方式訪問(wèn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3）數(shù)據(jù)查詢分析模塊

數(shù)據(jù)查詢分析模塊可為操作人員提供友好的圖形操作界面，能夠在變電站電氣接線圖中反映出被監(jiān)測(cè)設(shè)備的分布情況和監(jiān)測(cè)參數(shù)的異常情況，提供各種比例尺度的曲線及表格。利用提供的曲線圖譜可有效地反映出絕緣參數(shù)的變化趨勢(shì)，并可通過(guò)表格形式查詢出精確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4）專(zhuān)家診斷系統(tǒng)模塊

目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅僅提供了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)診斷模塊，它是通過(guò)對(duì)同類(lèi)型設(shè)備或同相設(shè)備絕緣參數(shù)變化趨勢(shì)的比較，篩選出絕緣異常的電氣設(shè)備，輸出包括絕緣參數(shù)變化趨勢(shì)圖在內(nèi)的相關(guān)信息報(bào)告，供管理人員作出分析和判斷，通常不需要人工干擾。此外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上層軟件為設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)的人員提供了訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示結(jié)果（包括特征量、曲線、表格等）的工具，專(zhuān)業(yè)人員可利用這些接口開(kāi)發(fā)出更為完善的診斷方法，如果能夠和現(xiàn)有的預(yù)防性數(shù)據(jù)管理軟件結(jié)合起來(lái)，則將形成更為精確的診斷結(jié)果。

4 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、診斷、報(bào)警，并通過(guò)信息遠(yuǎn)傳，實(shí)現(xiàn)信息共享，這對(duì)豐富運(yùn)行人員的監(jiān)測(cè)手段，確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，提升全局的設(shè)備安全管理水平發(fā)揮良好的促進(jìn)作用；同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)主要設(shè)備的定檢周期可適當(dāng)延長(zhǎng)，減少設(shè)備的大小修次數(shù)，可使檢修安排更加符合設(shè)備的自身運(yùn)轉(zhuǎn)特性，順應(yīng)國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)的需求，可有效提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少檢修費(fèi)用，因此具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，示范作用和推廣價(jià)值顯著，應(yīng)用前景良好。

[1] 楊建明. 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(8): 203-206.

[2] 王呂長(zhǎng), 李福祺, 高勝友. 電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障檢測(cè)診斷[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[3] 姜俊莉. 110kV變電所絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2000(5).

Design of Smart On-Line Insulation Monitoring System for HV Apparatuses

Liu Rui
(Inner Mongolia Ultra High Voltage Power Supply Bureau, Hohhot 010080)

The research subject of this paper is to realize real-time monitoring on the insulation situation of transformer substation’s main transformer, potential transformer, current transformer,coupling capacitor and arresters. For this reason, design some parts of the hardware of this system,develop zero magnetic flow with high-resolution of sampling and super ability of anti-jamming, local bus and local monitoring unit is fixed to link with software of the system. Process, store, analyse, and transfers multifarious insulation parameter of each equipment, give an alarm when the parameter is overrun, achieve long distance transmission and share monitoring data by local area network. The test result shows that it has the important meaning to enhance monitoring method, raise equipment safe management. It is efficiently helpful for the building of smart power grids.

transformer substation; insulation; on-line monitoring

劉 瑞（1962-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行、技改及管理工作。