劉 軍 靖 偉 彭代君 聶萬慶

1.勝利石油管理局有限公司 經(jīng)營管理部 山東東營 257000 2.勝利石油管理局有限公司 電力分公司 山東東營 257000 3.勝利油田分公司 安全環(huán)保質(zhì)量管理部 山東東營 257000

勝利油田通過變電站綜合自動化技術(shù)建設(shè)電網(wǎng),全面實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的在線采集和無人值守。隨著自動化和環(huán)境采集技術(shù)的發(fā)展、光通信網(wǎng)絡(luò)的完善、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的提升,對電力設(shè)備運行環(huán)境及運行狀態(tài)中各種參數(shù)進行采集成為可能。由此,在完成對電網(wǎng)潮流進行實時監(jiān)控的同時,可以對設(shè)備的運行可靠性進行評估。筆者介紹勝利油田變電運行數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控技術(shù)。

1 電網(wǎng)運行在線監(jiān)控

通過變電站綜合自動化系統(tǒng),實現(xiàn)電網(wǎng)運行中正常狀態(tài)下數(shù)據(jù)的實時采集。油田電網(wǎng)運行中,數(shù)據(jù)主要分為運行數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)。通過微機保護裝置或測控裝置實現(xiàn)對電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等運行數(shù)據(jù)實時在線采集,通過各種線路出口電表對電量數(shù)據(jù)進行采集,各種自動化裝置的應(yīng)用實現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集。

1.1 運行數(shù)據(jù)

以勝利油田某110 kV變電站為例,站內(nèi)有兩臺主變壓器,容量均為31 500 kVA。共有110 kV室外電氣設(shè)備40組、35 kV室內(nèi)電氣設(shè)備12組、6 kV室內(nèi)電氣設(shè)備30組,具有各種輔助電氣設(shè)備等。除變壓器、站用變、消弧線圈、6 kV電壓互感器為充油設(shè)備外,其余均為SF6充氣設(shè)備或干式設(shè)備。該變電站為綜合自動化變電站,后臺系統(tǒng)共采集710個模擬量、7 011個遙信量。模擬量主要包括:① 電流互感器采集的經(jīng)過開關(guān)設(shè)備的電流;② 各段母線電壓互感器采集的電壓;③ 部分設(shè)備采集的零序電壓、零序電流、頻率等;④ 直流設(shè)備的電壓、電流,蓄電池組中每塊蓄電池的電壓;⑤ 通過計算獲得的有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。遙信量主要包括保護事件、遙信采集量、遙控點采集量等幾類。

通過各種數(shù)據(jù)量的采集,實現(xiàn)對變電站正常運行過程中各種設(shè)備運行狀態(tài)、線路負(fù)荷情況、變壓器負(fù)荷等的實時監(jiān)控。故障狀態(tài)下保護事件、設(shè)備狀態(tài)的變化可以為運行人員提供電網(wǎng)運行情況,檢修人員根據(jù)故障狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)判斷電網(wǎng)事故原因。

1.2 電量數(shù)據(jù)

電能表是電網(wǎng)中的常見計量設(shè)備,在變電站各類出口均配備計量表計。隨著技術(shù)的發(fā)展,需要采集的數(shù)據(jù)量種類不斷增多,可以應(yīng)用專用的通信通道進行傳遞。三相多功能電表采集的數(shù)據(jù)見表1。

表1 三相多功能電表采集的數(shù)據(jù)

2 設(shè)備在線監(jiān)控

隨著各種電力設(shè)備運行狀態(tài)傳感器的完善,不同的設(shè)備采取不同的采集方式。目前在變電站中,避雷器在線監(jiān)控、斷路器機械特性監(jiān)控、環(huán)境溫濕度監(jiān)控、設(shè)備溫度監(jiān)控等系統(tǒng)分別對設(shè)備的運行環(huán)境、自身狀態(tài)進行在線監(jiān)控。通過對各種參數(shù)的實時采集,實現(xiàn)對電力設(shè)備運行的安全可靠性進行評估。

2.1 避雷器在線監(jiān)控

避雷器是電力關(guān)鍵設(shè)備,流經(jīng)避雷器上的阻性電流是衡量避雷器絕緣程度的一項重要指標(biāo)。通過對避雷器的全電流、阻性電流、容性電流、阻容比、雷擊次數(shù)、雷擊時刻進行實時在線監(jiān)測[1],可以實現(xiàn)對高壓電氣設(shè)備絕緣狀況的實時監(jiān)測。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù),可以及時發(fā)現(xiàn)避雷器潛在的故障,并為狀態(tài)檢修提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù),為運行檢修人員提供可靠的設(shè)備絕緣信息。

2.2 斷路器機械特性監(jiān)控

高壓斷路器依靠機械部件的正確動作來實現(xiàn)功能,每個組成部件的機械牢固性極為重要。高壓斷路器事故統(tǒng)計分析表明,80%高壓斷路器故障由機械原因引起[2],且大多數(shù)故障由操作機構(gòu)問題引起,如拒分、拒合、不能開斷等。隨著電力系統(tǒng)朝高電壓、大容量的方向發(fā)展,停電事故給生產(chǎn)、生活帶來的影響和損失越來越大,保證電力設(shè)備的安全運行越來越重要。因此,對高壓斷路器實現(xiàn)狀態(tài)診斷或?qū)崟r在線監(jiān)測,及時了解其運行狀況,掌握其運行特性及變化趨勢,對于提高電力系統(tǒng)運行可靠性而言極為重要[3]。斷路器機械特性狀態(tài)在線評估遙信點見表2。

表2 斷路器機械特性狀態(tài)在線評估遙信點

2.3 環(huán)境溫濕度監(jiān)控

變電站內(nèi)環(huán)境溫濕度和各種柜體內(nèi)部溫濕度情況會影響一次設(shè)備的安全運行,對中高壓開關(guān)柜、端子箱、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變壓器等設(shè)備的內(nèi)部溫度和濕度進行調(diào)節(jié)控制,可以有效防止因低溫、高溫造成的設(shè)備故障,以及受潮或結(jié)露引起的爬電、閃絡(luò)事故。DL/T 5149—2001《220～500 kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定,主控制室和計算機室溫度宜控制在18～25 ℃范圍內(nèi),且溫度變化不超過±5 ℃,繼電小室的溫度變化范圍為5～30 ℃,且溫度變化不超過±5 ℃[4]。因此,在變電站設(shè)備投運前,必須嚴(yán)格按照變電站各相設(shè)備、控制系統(tǒng)對環(huán)境溫度的規(guī)程要求進行檢查,以保證變電站系統(tǒng)安全可靠運行。新型開關(guān)柜封閉性較強,柜內(nèi)的濕度、溫度過高會造成設(shè)備損壞,部分電氣接點容易產(chǎn)生過熱和放電現(xiàn)象,嚴(yán)重時會發(fā)生燃燒,威脅變電站的安全運行。通過在線監(jiān)測變電站開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度,管理人員能夠在第一時間準(zhǔn)確了解掌握產(chǎn)生安全隱患的變電站開關(guān)柜的具體信息,及時前往現(xiàn)場進行處理。無人值守變電站需要對站內(nèi)的溫度、濕度進行自動調(diào)節(jié)。環(huán)境溫濕度監(jiān)控裝置采集控制點見表3。

表3 環(huán)境溫濕度監(jiān)控裝置采集控制點

2.4 設(shè)備溫度監(jiān)控

一次設(shè)備不同位置有各種連接點,隨著運行電流的變化,會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。特別是斷路器、刀開關(guān)、穿墻套環(huán)、主變壓器接頭等位置,需要重點關(guān)注。對各種一次設(shè)備的接頭溫度進行監(jiān)控,了解不同負(fù)荷、環(huán)境溫濕度情況下設(shè)備接頭溫度變化情況,是在線評估設(shè)備接頭接觸情況的一種方式,可以為設(shè)備接頭打磨、緊固等檢修工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù),實現(xiàn)有選擇性的設(shè)備接頭檢修,在提高檢修質(zhì)量的同時,降低工作強度。目前應(yīng)用的一次設(shè)備溫度監(jiān)控方式主要分為紅外測溫和接觸式測溫兩種。

紅外測溫采用紅外成像技術(shù),測量電力設(shè)備輻射出的紅外能量,將其轉(zhuǎn)換為溫度信息,同時對溫度信息進行處理,以圖像視頻信號將被測設(shè)備溫度信息直觀顯現(xiàn)出來,通過電力設(shè)備監(jiān)測判據(jù)實時快速判斷設(shè)備的運行狀態(tài)。利用紅外測溫在線監(jiān)測電力設(shè)備運行狀態(tài),具有測量精確、監(jiān)測效率高、可在夜間診斷等優(yōu)點[5-7]。以變壓器為例,變壓器正常工作溫度為40 ℃左右,在運行時會產(chǎn)生熱量,溫度升高。當(dāng)溫度升高嚴(yán)重時,會導(dǎo)致變壓器絕緣受損,使線圈發(fā)生短路,甚至燒毀變壓器。設(shè)置紅外線攝像頭,保持50 m內(nèi)測溫精度,可進行接頭、套管、本體測溫。一般設(shè)置十個溫度觀測點,進行循環(huán)測溫。

變電站接觸式測溫系統(tǒng)總體設(shè)計分為數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳感網(wǎng)絡(luò)支撐模塊、遠程信息管理模塊三部分。接觸式測溫使用無線通信方式,主要適用于手車式動觸頭、電纜與母排搭接處、隔離刀開關(guān)搭接處等電氣搭接點的溫度測量,適用于室內(nèi)外高壓設(shè)備測量點較多的情況。在設(shè)備的接頭處安裝溫度傳感器,對溫度傳感器感知的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸,在監(jiān)控中心設(shè)計溫度監(jiān)控系統(tǒng),進行接頭的實時數(shù)據(jù)展示與分析[8]。

3 綜合診斷技術(shù)

電力設(shè)備在運行中,對可靠性起重要影響的是設(shè)備的耐受能力,也就是使用壽命。如果把電力設(shè)備投入使用時的初始狀態(tài)看作健康狀態(tài),那么由于電力設(shè)備在使用過程中受到環(huán)境、操作、切除故障等因素的影響,各部分將發(fā)生不同程度的磨損和劣化,導(dǎo)致耐受能力和運行性能降低。這些磨損和劣化主要包括三個方面,分別為電磨損、機械磨損、絕緣磨損[9]。對電力設(shè)備在運行中的正常狀態(tài)和故障狀態(tài)所承受的電壓、電流對電力設(shè)備造成的損害,以及電力設(shè)備運行過程中各種機械特性、物理屬性的變化進行綜合分析,基于數(shù)據(jù)積累,實現(xiàn)電力設(shè)備使用壽命的預(yù)測,減少電力設(shè)備故障的發(fā)生。

3.1 傳統(tǒng)綜合診斷

利用各種物理、化學(xué)原理和手段,通過伴隨故障現(xiàn)象出現(xiàn)的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象,直接檢測故障。例如,可以利用振動、聲、光、熱、電、磁、射線、化學(xué)等多種手段,觀測變化規(guī)律和特征,用以直接檢測和診斷故障。這種方法快速有效,但只能檢測部分故障。利用故障所對應(yīng)的征兆來診斷故障是最常用、最成熟的方法。以輸電線路為例,電壓、電流顯著變化的征兆最能反映故障的特點,最有利于進行故障診斷。為此,要深入研究各種故障的機理,分析各種故障所對應(yīng)的征兆。在診斷過程中,分析系統(tǒng)在運行中的信號,提取信號的各種特征信息,獲取與故障相關(guān)的征兆,利用征兆進行故障診斷。由于故障與各種征兆間并不是簡單的一一對應(yīng)關(guān)系,因此利用征兆進行故障診斷往往是一個反復(fù)探索和求解的過程。這一方法雖然能較好地檢測出電力設(shè)備的故障,但是屬于傳統(tǒng)的離線預(yù)防性檢驗方法,缺點是脫離實際運行條件,不能有效及時檢測出電力設(shè)備的潛伏性故障。這一方法可以對已經(jīng)發(fā)生故障的電力設(shè)備進行故障原因分析,消除故障,恢復(fù)系統(tǒng)運行,但是無法預(yù)測評估電力設(shè)備的使用壽命。

3.2 新型智能診斷

在上述傳統(tǒng)綜合診斷方法的基礎(chǔ)上,全面采集電力設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù),并對數(shù)據(jù)進行積累分析,將運行數(shù)據(jù)作為電力設(shè)備各種磨損的因素,將電力設(shè)備各種狀態(tài)參數(shù)的發(fā)展趨勢作為電力設(shè)備使用壽命預(yù)測的重要依據(jù)。

將人工智能理論和方法應(yīng)用于故障診斷,發(fā)展智能化診斷方法,是故障診斷的一個全新途徑。雖然智能診斷在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用,但是技術(shù)還不是很成熟,需要各種實際運行數(shù)據(jù)的長期積累。當(dāng)然,智能診斷作為一種故障診斷方法,其優(yōu)越性在預(yù)測方面是其它故障診斷方法所無法比擬的。電力設(shè)備安全運行的實質(zhì)是消除故障停電,預(yù)測事故發(fā)生。在智能診斷過程中,起主導(dǎo)作用的是人類專家知識。智能診斷技術(shù)不再是少數(shù)專業(yè)人員才能掌握的技術(shù),而是一般人員能夠使用的工具。智能診斷技術(shù)的特點在于充分利用各種先進傳感技術(shù),獲取大量電力設(shè)備故障信息、智能數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢,對信息、數(shù)據(jù)進行集中采集、處理,并應(yīng)用人工智能技術(shù)提高人類專家的參與能力。

4 在線監(jiān)控技術(shù)展望

只有對電力設(shè)備進行在線監(jiān)控,才能實現(xiàn)電力設(shè)備的狀態(tài)維修,這也是保證電力設(shè)備安全可靠運行的關(guān)鍵。通過對電力設(shè)備在線數(shù)據(jù)進行分析,實現(xiàn)對電力設(shè)備故障進行預(yù)測,這是對傳統(tǒng)離線預(yù)防性試驗的重要補充。對變配電系統(tǒng)設(shè)備和運行環(huán)境進行在線監(jiān)控,可以有效評估設(shè)備的運行狀況,為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支撐。為確保電力設(shè)備的安全運行,長期以來采用計劃檢修,投入大量人力、物力和財力,同時也造成了停電損失,甚至?xí)?dǎo)致電力設(shè)備壽命縮短。在無法實現(xiàn)對電力設(shè)備狀態(tài)進行準(zhǔn)確評估的情況下,計劃性停電檢修工作是保障電力設(shè)備安全運行的必要條件[10]。隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,對設(shè)備、環(huán)境各種參數(shù)進行采集成為可能,先進的無線通信傳輸技術(shù)打破了常規(guī)有線通信技術(shù)的限制,通過對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的綜合積累分析,逐步實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的預(yù)估。未來,在線監(jiān)控技術(shù)將應(yīng)用于各種電力設(shè)備,為保障檢修工作的精準(zhǔn)性提供數(shù)據(jù)支撐。