李志軍，宗起振，杜 林，謝奇峰，張建學(xué)，任濟(jì)雙

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210032;2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400030)

0 引言

近年來，智能電網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，智能電網(wǎng)是促進(jìn)可再生能源發(fā)展、實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的核心。智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐［1］。而智能變壓器又是智能變電站的重要組成部分，它的正常運行與否直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全，對變壓器增加有效、及時的監(jiān)測手段是十分必要的［2］，隨著智能變電站建設(shè)的日益規(guī)范化和成熟化，對變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)所具備的功能、性能以及通信規(guī)范提出了更高的要求，便于為變壓器提供故障原因、故障位置、何時檢修等提供依據(jù)，從而達(dá)到真正意義上的狀態(tài)檢修，最大程度地減少無謂檢修及故障檢修，提高了管理運營效率，降低維護(hù)成本，同時也有效保障了變壓器運行的安全可靠性，對保證電網(wǎng)安全運行提供了重要基礎(chǔ)。

隨著嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用、Internet的普及以及國際上頒布了IEC61850通訊規(guī)范第2版等，都為變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐［3-4］。

油浸的電力變壓器無論在正常老化還是故障運行時都會產(chǎn)生低分子烴類、微水、CO、CO2等氣體，這些氣體將會溶解于油中，根據(jù)油中溶解的氣體種類和濃度就可以判斷變壓器是否有故障以及故障的種類等信息［5］。因此如何提高變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性和軟件功能集成化是目前迫切需要解決的問題。目前油中溶解氣體分析技術(shù)(DGA)是應(yīng)用較早，也是較為成功的一種變壓器故障診斷方法［6］。

傳統(tǒng)變電站變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)后臺配置基本都采用工控機(jī)上運行Windows系列操作系統(tǒng)。為了適應(yīng)智能變電站IEC61850通訊規(guī)約的要求，增加2種配置方式:

(1)加裝運行Linux操作系統(tǒng)的IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器，通過IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器把采集的數(shù)據(jù)上傳到站控層后臺。

(2)加裝運行Linux操作系統(tǒng)的IED(Intelligent Electronic Device，智能電力監(jiān)測裝置)，通過在IED開發(fā)IEC61850規(guī)約再上傳到站控層后臺［7］。

本裝置采用了基于高實時性和高可靠性Vx-Works操作系統(tǒng)的嵌入式一體化平臺，無需加裝規(guī)約轉(zhuǎn)換器或IED，直接與站控層后臺通訊，是集成信號采集、算法分析、數(shù)據(jù)采集多元化、故障診斷、流程控制及IEC61850通訊等功能于一體的智能部件。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由載氣單元、色譜單元、脫氣單元、電氣控制單元、IED、輔助設(shè)備組成。如圖1所示，載氣單元為壓縮空氣;脫氣單元包括:油樣采集和油氣分離;色譜單元包括:氣體進(jìn)樣控制、混合氣體分離、氣體檢測;IED包括:信號采集和分析、通訊控制、故障診斷等;電氣控制單元包括開關(guān)電源、固態(tài)繼電器等;輔助設(shè)備包括變壓器取油閥、油管及通訊電纜等。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 工作原理

如圖2所示，裝置自動獲取油樣，流過微水傳感器室完成微水含量及油溫檢測，經(jīng)油氣分離單元得到混合特征氣體進(jìn)入六通閥的定量管，在載氣作用下流過色譜柱實現(xiàn)各組分逐個分離，氣體檢測單元按H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H2、C2H6出峰順序分別將 7 種特征氣體變換成電壓信號。IED完成電壓信號采集、檢測流程控制、譜圖算法分析和色譜標(biāo)定、數(shù)據(jù)存儲、故障診斷評估、通信管理等功能;其中色譜標(biāo)定根據(jù)離線色譜儀器的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，計算出各組分、總烴的含量及各自的增長率，再由故障診斷模塊進(jìn)行診斷，從而實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測。也可將監(jiān)測結(jié)果通過IEC61850通信上傳，經(jīng)多參量、多診斷融合的變壓器故障診斷專家系統(tǒng)實現(xiàn)變壓器的綜合故障診斷。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 現(xiàn)場自制載氣

目前同類產(chǎn)品基本采用購買高純度氮氣或氧氣等作為載氣，一般一年左右需更換，不僅成本高，也給運行和維護(hù)帶來不便。本裝置在運行現(xiàn)場利用自然空氣經(jīng)過濾塵、壓縮、穩(wěn)壓穩(wěn)流等措施后獲得干凈、流速穩(wěn)定的載氣。

圖3 氣體凈化部分原理框圖

工作原理如圖3所示，首先現(xiàn)場空氣經(jīng)過濾塵裝置后完成除塵處理，通過無油空氣壓縮機(jī)完成制氣。壓縮空氣中的水分通過排水閥對外排水;使用分子篩、變色硅膠、活性炭等對壓縮氣體進(jìn)行凈化并通過穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流閥對氣源的壓力、流量進(jìn)行控制，從而得到載氣。

2.2 油氣分離

油氣分離裝置的脫氣率對監(jiān)測裝置有著決定性的影響，油氣平衡時間和脫氣率決定了監(jiān)測的周期和檢測下限;油氣分離的重現(xiàn)性決定了監(jiān)測結(jié)果的可靠性。目前國內(nèi)外的在線監(jiān)測系統(tǒng)所用的油氣分離方法的原理主要有:平板高分子透氣膜法、真空脫氣法、動態(tài)頂空脫氣法和中空纖維脫氣法幾種。平板高分子透氣膜法存在脫氣效率較低、油氣平衡時間較長，動態(tài)頂空脫氣法存在油樣脫氣完后不能回收，中空纖維脫氣法存在油泵循環(huán)油樣時間長等不足。真空脫氣法具有油氣平衡時間短(一般為十幾分鐘)，脫氣率達(dá)95%以上，且脫氣完成的油樣不受污染，能直接返回變壓器本體等特點。

真空脫氣法原理:利用亨利定律在一定溫度下(氣體在液體中的飽和濃度與液面上該氣體的平衡分壓成正比)，一定體積溶解有氣體的樣品油被注入到脫氣室，借助真空攪拌作用，使油中溶解氣體迅速析出，利用缸體活塞將析出的氣體轉(zhuǎn)移到集氣室內(nèi)。

監(jiān)測裝置采用真空全脫氣法，主要部件包括油缸、氣缸、行程限位開關(guān)、液位開關(guān)、緩沖室、脫氣室、壓力傳感器、電磁閥、氣源等。流程設(shè)計近十次脫氣-集氣過程，提高了脫氣率，保證每次脫氣-集氣過程真空度不變，提高了重復(fù)性。采用進(jìn)口氣缸和油缸，壽命超十萬次以上。設(shè)計完備的回油安全保護(hù)功能，確保杜絕任何情況下氣體被帶入變壓器的可能。

2.3 溫控系統(tǒng)設(shè)計

考慮到溫度直接影響色譜柱的選擇分離效果及檢測器的靈敏度和穩(wěn)定性，監(jiān)測裝置采用兩級溫度控制，第一級采用機(jī)柜專用工業(yè)空調(diào)，雙層保溫結(jié)構(gòu)(柜體內(nèi)外壁之間填充阻燃保溫棉)，確保柜內(nèi)溫度恒定在5℃～35℃工作范圍內(nèi)。第二級控制色譜單元，色譜單元組成主要包括色譜柱、氣體檢測器、定量管等。色譜柱的傳統(tǒng)加熱方式主要采用烘箱、加熱板、涂層、套管加熱等方式，存在體積大、升溫速度慢、溫度不均勻和升溫快但降溫慢等不足;本裝置色譜單元溫控系統(tǒng)包括柱箱、鑄爐、阻燃的保溫棉、加熱棒、循環(huán)風(fēng)扇、溫度傳感器、高精度溫控器。鑄爐安裝于柱箱內(nèi)，鑄爐和柱箱之間填充阻燃的保溫棉;多支加熱棒內(nèi)嵌于鑄爐壁內(nèi)的不同方位，對鑄爐加熱，達(dá)到加熱均勻且防止因個別加熱棒損壞而導(dǎo)致無法加熱。鑄爐腔體內(nèi)部安裝循環(huán)風(fēng)扇和溫度傳感器探頭、加快熱量平衡，溫度傳感器探頭檢測內(nèi)部溫度后將信號提供給高精度溫控器，溫控器依據(jù)設(shè)定溫度采用PID溫控調(diào)節(jié)控制加熱棒。色譜單元溫控精度達(dá)到±0.1℃，穩(wěn)定性好，提高了色譜柱和檢測器的性能。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 VxWorks操作系統(tǒng)

為實現(xiàn)功能集成化設(shè)計，系統(tǒng)采用基于實時性、高可靠性、支持多任務(wù)的VxWorks操作系統(tǒng)和Power-PC處理器的嵌入式一體化平臺。首先VxWorks操作系統(tǒng)本身占用資源少;在滿足系統(tǒng)要求的情況下，對BSP進(jìn)行最大可能的裁剪，編譯后鏡像文件不足2M;為了保證高實時性，對系統(tǒng)多任務(wù)的控制采用優(yōu)先級搶占調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制。其次VxWorks有完善的技術(shù)支持，特別是與之相適應(yīng)的開發(fā)工具Workbench3.0的出現(xiàn)，從而使開發(fā)人員能快速、高效、可靠地完成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā);最后，Vx-Works所采用的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制遵循標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議，而且提供對其它網(wǎng)絡(luò)的“透明”訪問［8-9］。因此監(jiān)測裝置采用VxWorks操作系統(tǒng)，不僅滿足了客戶要求智能變電站主要設(shè)備采用實時高可靠性的嵌入式操作系統(tǒng)，更重要的是客戶對裝置的信任度立即凸顯，從而提高了裝置本身的商業(yè)價值。

3.2 SQLite數(shù)據(jù)庫

SQLite是一種開放源碼、超輕量級的嵌入式關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫引擎，可在多個嵌入式操作系統(tǒng)下進(jìn)行移植。相對于數(shù)據(jù)存儲采用文本文件方式比，SQLite數(shù)據(jù)庫有很多優(yōu)勢:提供了對ANSI SQL92的大多數(shù)支持:支持多表、索引、事務(wù)、觸發(fā)等和一系列的程序接口、API函數(shù)及驅(qū)動。SQLite動態(tài)鏈接庫占用資源比較少，但支持的數(shù)據(jù)庫最大達(dá)到2TB，提供B-Tree存儲數(shù)據(jù)的模式，支持?jǐn)?shù)據(jù)以ASCII碼或二進(jìn)制形式進(jìn)行存儲。SQLite 3支持大多數(shù)的SQL語言，具有輕小、快、簡單、可靠、穩(wěn)定、安全、屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、免費等特點［10-11］，而且實現(xiàn)了完備的、可嵌入的、零配置的SQL數(shù)據(jù)庫引擎，因此非常適用于嵌入式應(yīng)用開發(fā)中。由于本系統(tǒng)中有多個線程并發(fā)使用同一個數(shù)據(jù)庫連接或 prepared statement，為了降低并發(fā)沖突，在SQLite編譯時，對SQLITE_THREADSAFE=2進(jìn)行宏定義，啟用多線程模式。對sqlite3_open()打開數(shù)據(jù)庫失敗，ppDb指針參數(shù)返回一個無效的數(shù)據(jù)庫句柄時，仍當(dāng)需要調(diào)用sqlite3_close()，以及使用完數(shù)據(jù)庫要及時關(guān)閉數(shù)據(jù)庫等措施，有效地緩解了對數(shù)據(jù)庫資源占用的負(fù)荷。

3.3 嵌入式Embedthis Goahead

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展以及Internet的普及，嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用越來越廣泛。用戶只需在客戶端通過Web瀏覽器就可以實現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，這為管理、監(jiān)測遠(yuǎn)程運行設(shè)備的狀態(tài)提供了一種有效的方法和途徑［12］。

Embedthis Goahead WebServer是一款開放源代碼的嵌入式Web服務(wù)器程序。目前最新的版本是3.1，相比2.5版本，3.1 版本在可靠性和性能方面有不少的提高，Web服務(wù)器通過HTTP協(xié)議與瀏覽器進(jìn)行通信，由于Embedthis Goahead支持ASP，可以實現(xiàn)動態(tài)頁面。為提高圖形可視化程度，本系統(tǒng)采用Dygraphs和wz_jsgraphics.js兩種矢量圖插件結(jié)合使用的方式，WebServer在收到客戶端的請求后，與嵌入式應(yīng)用模塊交互，實現(xiàn)對變壓器油中溶解氣體監(jiān)測裝置參數(shù)的讀取與設(shè)置，實現(xiàn)對裝置狀態(tài)、參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)以及曲線圖在客戶端瀏覽器中顯示。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用動態(tài)優(yōu)先級和多任務(wù)的思想，把整個系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)存儲模塊、故障診斷模塊、歷史查詢模塊、在線監(jiān)測模塊和IEC61850通信功能模塊。系統(tǒng)軟件框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框架

為了方便創(chuàng)建具有高度交互性的動態(tài)圖形網(wǎng)頁，Goahead開發(fā)了一種嵌入式的腳本語言 Ejscript。Ejscript是JavaScript的一個嚴(yán)格子集，實現(xiàn)了其基本語言要素。本系統(tǒng)采用高性能的矢量圖形wz_jsgraphics.js［13］，wz_jsgraphics.js 是用來表示二維矢量圖形的JavaScript語言，它簡單易用。歷史數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁中的顯示如圖5所示。

圖5 歷史數(shù)據(jù)網(wǎng)頁

根據(jù)用戶選中的譜圖文件采用Dygraphs矢量圖形庫插件［14］畫出曲線圖，Dygraphs矢量圖形庫可以實現(xiàn)對曲線的放大、還原，多條曲線顯示等功能，曲線圖在瀏覽器顯示如圖6所示。

圖6 曲線圖網(wǎng)頁

采用Goahead Web服務(wù)器技術(shù)較好地解決了對裝置遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測能力，而且使信息圖形化、界面簡潔化、提高設(shè)備可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，有效地降低裝置維護(hù)費用，提高對裝置的管理水平。

3.4 IEC 61850 通信

IEC 61850通信是智能變電站的重要組成部分，IEC61850是一個完全以實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)中智能電子設(shè)備互操作性為主要目的的通信標(biāo)準(zhǔn)體系，同時它也是建立數(shù)字化變電站的國際標(biāo)準(zhǔn)［15］，其次，IEC61850具有完整的數(shù)據(jù)對象建模方法和一致的服務(wù)接口，使得不同廠家設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互、功能聯(lián)合及互操作成為可能，再加上其點對多點的交互通信模式非常適用于基于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的系統(tǒng)［16］。因此在本監(jiān)測裝置中采用基于B/S架構(gòu)的IEC 61850通信模式，并且系統(tǒng)具備日志、支持文件服務(wù)功能?？蛻舳颂岢龇?wù)請求，從執(zhí)行該服務(wù)的服務(wù)器收到確認(rèn)或響應(yīng)。客戶端也可以接收來自服務(wù)器的服務(wù)指示，很好地滿足了智能變電站的通信要求。在本裝置中，SIML的部分?jǐn)?shù)據(jù)對象如表1所示。

表1 SIML數(shù)據(jù)對象

4 結(jié)束語

本文通過研究智能變電站規(guī)范和發(fā)展要求，通過對在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件采用關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計，利用VxWorks操作系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)先級、高實時性和可靠性特點，對嵌入式關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用，開發(fā)出基于VxWorks的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，本監(jiān)測裝置已在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)多個智能變電站(變壓器型號如 ODFPS-334000/500kV、ODFPS-250000/500kV、SFSZ-150MVA/220kV等)應(yīng)用，實際運行表明:本裝置具有運行穩(wěn)定、測量較準(zhǔn)確、支持遠(yuǎn)程管理和遠(yuǎn)程升級、維護(hù)方便等功能，較好地解決了現(xiàn)場應(yīng)用各項技術(shù)要求，提高了對裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控能力和管理水平，有效地降低了裝置的運行維護(hù)費用，滿足了對智能變壓器在線狀態(tài)檢修的要求。這對于今后智能變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用具有重要的參考意義以及廣闊的推廣使用價值。

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