張 亮，高紅強(qiáng)（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230000）

變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

張 亮，高紅強(qiáng)（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽合肥230000）

伴隨電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大與信息技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)用的日益成熟，智能電網(wǎng)已成為現(xiàn)代電網(wǎng)的一個(gè)重要標(biāo)志。變電站變壓器作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，其正常工作是維護(hù)與保障電網(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件與基礎(chǔ)。而要想觀察變電站變壓器運(yùn)行狀態(tài)就需要借助在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此本文對(duì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變電站變壓器中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。

變電站；變壓器；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前言

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為智能電網(wǎng)當(dāng)前及未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行具有重要的影響和作用。利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)中的變電站變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行定位、診斷與分析，不僅可以大大降低故障對(duì)變電站變壓器的影響，而且可以顯著提高整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行效率與可靠性。所以在信息化時(shí)代下，設(shè)計(jì)與應(yīng)用變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常重要。

1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是指利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定位技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，共同研發(fā)而成的輔助運(yùn)行系統(tǒng)。它具有故障識(shí)別與診斷、報(bào)警、追蹤定位等多種功能，在電網(wǎng)中的運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行[1]。目前，由于使用對(duì)象不同、技術(shù)支持水平不同，用戶要求各異等原因，使得在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大小、開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、功能范圍等尚無(wú)統(tǒng)一界定，也沒(méi)有建立起統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

雖然在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)代電網(wǎng)的變電站變壓器中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著狀態(tài)檢修的逐漸深入，一些問(wèn)題開(kāi)始逐漸暴露出來(lái)，如抗電磁干擾性較弱、穩(wěn)定性較差等。這意味著現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要不斷的改進(jìn)與完善，所以對(duì)變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行研究十分必要。

2 變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如JPOWER2000系統(tǒng)中，傳感器、間隔層、站控層、現(xiàn)場(chǎng)處理終端等是大多數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所具有的幾個(gè)重要組成部分?；诖耍冸娬咀儔浩髟诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要包括變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)、油色譜在線監(jiān)測(cè)、冷卻系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)、控制參量在線監(jiān)測(cè)、開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)、斷路器特性在線監(jiān)測(cè)等多個(gè)子系統(tǒng)[2]。這些子系統(tǒng)通過(guò)分別采取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)裝置的狀態(tài)信息，然后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元轉(zhuǎn)換、分類與匯總，最后由IEC61850協(xié)議發(fā)送到站控層，站控層通過(guò)運(yùn)用各種模型、試驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)等來(lái)對(duì)變電站變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的。

2.2 應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)

變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)采用色譜法對(duì)油中溶解的氣體進(jìn)行檢測(cè)，該色譜法不僅能夠檢測(cè)出氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等多種氣體，而且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)與記錄，數(shù)據(jù)處理與故障診斷功能較強(qiáng)。變壓器油色譜IED采用8GSDCARD存儲(chǔ)器，由RS485接口連接TROM-600油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置完成，可以保存一年以上的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集、存儲(chǔ)與分析等處理[3]。以這種方式設(shè)計(jì)的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最小監(jiān)測(cè)周期為2h，監(jiān)測(cè)周期可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，支撐遠(yuǎn)程操作。

2.2.2 局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)變壓器局部放電產(chǎn)生的原因與現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)，本文對(duì)變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)，變壓器局部放電IED采用超高頻法對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行定期采集，單次采集信號(hào)長(zhǎng)度為50個(gè)工頻周期。監(jiān)測(cè)周期可以根據(jù)實(shí)際需要以現(xiàn)場(chǎng)操作或遠(yuǎn)程控制方式進(jìn)行靈活調(diào)整，最短周期為60s。由于變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)IED配備有三個(gè)高速數(shù)據(jù)采集通道，因而可以安裝三個(gè)超高頻傳感器，以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)采集效率。利用局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用模塊對(duì)變壓器局部放電特征進(jìn)行分析，需要對(duì)放電頻次、相位、幅值等基本參量進(jìn)行分析，而這些基本參量的采集與存儲(chǔ)則可以通過(guò)局部放電IED來(lái)較好的實(shí)現(xiàn)[4]。局部放電IED通過(guò)采用固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)，既可以保存24h的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以保存一年以上的放電特征信息。

變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用模塊的硬件設(shè)計(jì)以ARM作為主機(jī)，以DSP作為從機(jī)，ARM采用三星公司出產(chǎn)的32位精簡(jiǎn)指令集S3C2440A系列芯片，該芯片具有功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定、計(jì)算快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)。DSP采用浮點(diǎn)型控制器TMS320F28335系列芯片，該芯片具有成本低、性能好、精度高、集成度高、存儲(chǔ)量大等諸多優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)局部放電IED硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)硬件結(jié)構(gòu)框圖

局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用模塊軟件設(shè)計(jì)由主機(jī)根據(jù)事先設(shè)定的通信協(xié)議對(duì)被檢測(cè)設(shè)備下發(fā)指令，從機(jī)獲取指令后對(duì)指令有效位進(jìn)行截取，然后轉(zhuǎn)發(fā)給智能終端，智能終端將采集來(lái)的數(shù)據(jù)返回給從機(jī)，由從機(jī)根據(jù)相應(yīng)協(xié)議進(jìn)行解析與整合，再進(jìn)行封裝、打包傳回主機(jī)，最終完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

2.2.3 冷卻系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)

變壓器冷卻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)為ARM與DSP相結(jié)合的方式。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變壓器負(fù)荷電流、頂層油溫等數(shù)據(jù)信息的采集與分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)估，并能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求對(duì)電源、風(fēng)機(jī)輪換周期等進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器冷卻系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與故障報(bào)警功能。

由互感器與接觸器等組成的風(fēng)冷控制柜作為變壓器冷卻系統(tǒng)中的一個(gè)重要裝置，為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全性，應(yīng)將其設(shè)計(jì)成手動(dòng)控制回路形式，并用該回路來(lái)代替自動(dòng)控制裝置完成冷卻系統(tǒng)的徹底切斷任務(wù)，這樣可以有效避免變電站發(fā)生停電風(fēng)險(xiǎn)。變壓器冷卻系統(tǒng)IED結(jié)構(gòu)控制過(guò)程如圖2。

圖2 變壓器冷卻系統(tǒng)IED控制結(jié)構(gòu)圖

3 變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用案例

某220kV智能變電站改造工程中，應(yīng)用了變電站變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)設(shè)備局部放電信息進(jìn)行采集、分析與處理。①施工人員將超高頻傳感器安裝到變電站變壓器的法拉上，使超高頻傳感器通過(guò)變壓器法拉間隙感應(yīng)到局部放電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備局部放電信號(hào)的采集與處理。傳感器將采集來(lái)的局部放電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后經(jīng)由光纖傳輸至IED中，然后由IED將其轉(zhuǎn)換成IEC61850協(xié)議，再傳到后臺(tái)監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)[5]。②局部放電IED安裝在變壓器附近，以便于油色譜分析儀等其他設(shè)備集中安裝和縮短信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸速率與改造施工效率。

在變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用下，根據(jù)系統(tǒng)所得放電頻次、電量與相位等基本分量實(shí)時(shí)圖像分析可以看出，主變局部放電量大多在350PC左右，某一時(shí)刻局部放電量較大為440PC左右，此時(shí)變壓器運(yùn)行狀態(tài)仍在正常范圍內(nèi)。當(dāng)主變局部放電量超出正常范圍值許多時(shí)，系統(tǒng)軟件就會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)，從而有效避免局部放電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成進(jìn)一步影響。

經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行觀察來(lái)看，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效的對(duì)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反映。與電網(wǎng)改造前相比，應(yīng)用了變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的220kV智能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的24h監(jiān)測(cè)，并且既可以自啟動(dòng)監(jiān)測(cè)，也可以定時(shí)監(jiān)測(cè)，非常方便靈活，達(dá)到了較高的自動(dòng)化、智能化與信息化水平。

4 總結(jié)

通過(guò)上文對(duì)變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究可知，雖然現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍不夠完善，但其在智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要性是不可忽視的，在提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性與可靠性方面所發(fā)揮的巨大作用也是不可否認(rèn)的。隨著在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)更加趨于完善，這對(duì)未來(lái)電網(wǎng)的信息化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]劉福強(qiáng).虹橋變電站變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)，2012.

[2]李 凱.變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)，2014.

[3]王曉東.內(nèi)蒙古500kV變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[D].華北電力大學(xué)，2014.

[4]李 祖.變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D].華北電力大學(xué)，2014.

[5]甘景福，韓克勤，周燕飛.超高頻變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在智能變電站的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程，2012，02：41～45.

TM855

A

2095-2066（2016）05-0071-02

2016-2-1

張 亮（1982-），男，工程師，碩士，主要從事變電運(yùn)維工作。

高紅強(qiáng)（1982-），男，工程師，本科，主要從事變電運(yùn)維工作。