吳建輝,石軍,周云峰,王遞進(jìn)，釗向飛，姜新麗

(1.國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司, 河南 商丘476000; 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局, 云南 昭通 657000；3.中科百惟(云南)科技有限公司, 昆明 650032； 4.許昌開普電氣研究院有限公司, 河南 許昌 461000)

0 引 言

在電網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行的高壓電力變壓器，絕大多數(shù)仍然采用油紙絕緣結(jié)構(gòu)，以提高變壓器的絕緣性能及散熱特性[1-2]。變壓器的絕緣油在熱、電、水、震動(dòng)等多種因素的綜合作用下，會(huì)分解出氫、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等多種烴類氣體，由于高壓電力變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些分解出的氣體將大部分溶解在絕緣油中。當(dāng)繞組中產(chǎn)生過熱現(xiàn)象或絕緣中產(chǎn)生局部放電等缺陷時(shí)，就會(huì)加快多種烴類氣體的產(chǎn)生速度。

變壓器絕緣油中氣體的分子組成及產(chǎn)氣速率與變壓器內(nèi)部絕緣部分故障的類型和缺陷程度有密切的關(guān)系，由此來判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)，在國內(nèi)外普遍推廣使用[3-7]，為此 IEC 制定了IEC 567和IEC 599兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，來對(duì)變壓器的絕緣油中溶解氣體進(jìn)行分析和判斷并指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。我國也與之對(duì)應(yīng)地建立了GB/T 17623和DL/T 722兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)IEC制訂的標(biāo)準(zhǔn)，來對(duì)變壓器絕緣油中的氣體進(jìn)行組分分析，可以提前發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣中存在的潛在缺陷并追蹤缺陷的發(fā)展[8-9]。

目前在電網(wǎng)系統(tǒng)中常用的油中溶解氣體分析方法為油色譜分析法，油色譜分析法與局部放電等在線監(jiān)測(cè)方法相比，油色譜法的判據(jù)可靠性要更高，但油色譜分析法仍存在一些缺點(diǎn)，比如：從取油樣到分析出結(jié)果的時(shí)間間隔長，由于變壓器中的放電發(fā)展迅速，無法及時(shí)對(duì)變壓器內(nèi)部的運(yùn)行情況進(jìn)行反映；同時(shí)，油色譜的檢測(cè)操作流程繁瑣，對(duì)試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，造成的人力資源、設(shè)備耗費(fèi)成本較高；另外，色譜法檢測(cè)在操作流程中，步驟繁瑣，可能引入誤操作而影響檢測(cè)精度。

油中溶解氣體的光學(xué)檢測(cè)方法的基本原理是通過光聲光譜檢測(cè)的氣體成分的方法來進(jìn)行油中溶解氣體的組分分析，因此相比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，油中溶解氣體的光學(xué)檢測(cè)具備的優(yōu)點(diǎn)有：非接觸式測(cè)量，油中脫出來的溶解氣體不會(huì)消耗；光學(xué)檢測(cè)，抗電磁干擾能力強(qiáng)；光學(xué)器件的穩(wěn)定性高，可以實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定(光譜法中所有濾光片均為透射特定波長紅外線的專門設(shè)計(jì)的高精度光學(xué)元件，不易磨損、抗老化，沒有傳統(tǒng)色譜儀必須的儀器校準(zhǔn)及標(biāo)定等問題)[10-11]；無需色譜分離氣體，直接通過光譜分析確定油中溶解氣體的成分和含量，檢測(cè)速度快、可連續(xù)測(cè)量。

鑒于目前離線式油中溶解氣體檢測(cè)中存在的不足和弊端，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都對(duì)新型在線監(jiān)測(cè)絕緣油中溶解氣體的設(shè)備非常重視。在線監(jiān)測(cè)裝置可以作為離線式油中溶解氣體的一種替代方法，對(duì)變壓器內(nèi)部突發(fā)性的放電故障無論是檢測(cè)靈敏度和時(shí)效性都有很大的優(yōu)勢(shì)，也便于追蹤潛伏性故障等優(yōu)勢(shì)。因此，變壓器絕緣油中氣體組分的在線監(jiān)測(cè)就成為電力系統(tǒng)中廣為重要的研究方向。文中研究屬于應(yīng)用創(chuàng)新，把新技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用，主要是提出一種基于光聲光譜檢測(cè)法的新型變壓器油中溶解氣體在線檢測(cè)方法，并研制出一套基于新型檢測(cè)方法的在線檢測(cè)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層、變電站層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層三個(gè)層次的功能模塊。

1 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)傳統(tǒng)離線油色譜檢測(cè)方法存在的一系列問題[12-13]，提出一種新型的變壓器油中溶解氣體光譜分析的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以光譜儀為氣體傳感器組建的多組分混合氣體分析平臺(tái),來創(chuàng)建變壓器油中氣體測(cè)定的新思路，將光譜儀從室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)短期研究設(shè)備引入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作為長期連續(xù)監(jiān)測(cè)分析氣體的平臺(tái)。論文將變壓器、變電站主控室及監(jiān)控中心以便捷的數(shù)據(jù)交換連成一體，可以在監(jiān)控中心對(duì)變電站每臺(tái)主變的油光譜分析進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

光譜儀[14]采用固體激光、高效準(zhǔn)相位匹配和新型非線性周期極化晶體等技術(shù)，采用商品化的小型近紅外激光和優(yōu)質(zhì)周期極化非線性晶體，結(jié)合高效差頻準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)中紅外波段連續(xù)相干光輸出的差頻中紅外激光技術(shù)。光譜儀系統(tǒng)采用兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器作為信號(hào)源和抽運(yùn)激光光源，光源經(jīng)光放大器和隔離器后進(jìn)入波分復(fù)用器；并在溫度控制器的調(diào)節(jié)下，進(jìn)入PPLN晶體，進(jìn)一步經(jīng)過濾波器、反射鏡和壓電傳感器等環(huán)節(jié)，到達(dá)存有變壓器變壓器油中溶解氣體的腔體。最終電導(dǎo)探測(cè)器接受透過的激光能量，光電信號(hào)經(jīng)過直流藕合低噪聲前置放大器等處理環(huán)節(jié)，由電力智能電子設(shè)備進(jìn)行采集處理。

根據(jù)電力變壓器物理位置分散的特點(diǎn)，該遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)地采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層(前置機(jī)子系統(tǒng))，變電站層(上位機(jī)子系統(tǒng))和遠(yuǎn)程監(jiān)控層(監(jiān)控中心子系統(tǒng))三個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 變電站油光譜遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)鋱DFig.1 Topology of the remote online monitoring system of oil spectrum in substation

2 系統(tǒng)的功能模塊

2.1 前置機(jī)子系統(tǒng)

前置采集裝置直接面向變壓器的數(shù)據(jù)采集，具有靈活的實(shí)現(xiàn)方式，可以采用基于嵌入式技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)單元或負(fù)載專業(yè)油光譜采集設(shè)備的工控機(jī)。前置機(jī)主要進(jìn)行變壓器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和采集過程的監(jiān)測(cè)等功能，具體包括：

(1)硬件驅(qū)動(dòng)：向采集子系統(tǒng)采集設(shè)備提供硬件的驅(qū)動(dòng)；

(2)采集控制：根據(jù)變壓器監(jiān)測(cè)量的實(shí)際需要，控制采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)變壓器油中氣體的采集、計(jì)算和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)采集和手動(dòng)單次采集；

(3)日志記錄：運(yùn)行日志來記錄監(jiān)測(cè)軟件在運(yùn)行過程中的所有運(yùn)行信息，包括采集過程，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異常錯(cuò)誤等。

2.2 上位機(jī)子系統(tǒng)

上位機(jī)子系統(tǒng)作為變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部分的上位機(jī)，通常位于變電站中央控制室的監(jiān)測(cè)工作站，通常采用工業(yè)級(jí)控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)。本方案的上位機(jī)子系統(tǒng)采用雙核英特爾處理器，2.6 GHz, 內(nèi)存≥2 G，內(nèi)置硬盤500 G，19英寸屏幕，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)，100/1000 BASE網(wǎng)絡(luò)接口，內(nèi)置DVD光驅(qū)。操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 2000 簡體中文專業(yè)版以上版本。

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，采用光纖收發(fā)模塊、GSM MODEM[15]等通信方式，以保證跟遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心子系統(tǒng)具有高可靠性的信息互連。

上位機(jī)子系統(tǒng)一方面收集前置機(jī)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，另一方面跟遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心子系統(tǒng)連接，起到信息匯總、監(jiān)控及與遠(yuǎn)方通信交換等功能，具體包括：

(1)具有故障報(bào)警功能；

(2)具有接收前置機(jī)發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并寫入其數(shù)據(jù)庫的功能；

(3)具有向所有前置機(jī)發(fā)送參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)召喚信息的功能；

(4)具有查看前置機(jī)配置參數(shù)的功能；

(5)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看和歷史數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)診斷功能；

(6)具有系統(tǒng)自診斷功能；

(7)支持現(xiàn)場(chǎng)控制通信協(xié)議。

2.3 監(jiān)控中心子系統(tǒng)

監(jiān)控中心子系統(tǒng)部署在管理大區(qū)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯集中心，負(fù)責(zé)從各個(gè)變電站采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)瀏覽、統(tǒng)計(jì)、分析及診斷的系統(tǒng)。要求具有大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用能力，因此本方案采用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。該應(yīng)用服務(wù)器采用四核英特爾的強(qiáng)處理器，主頻2.4 GHz，12 MB共享三級(jí)緩存，2 G寄存式內(nèi)存、2×300 G硬盤、2個(gè)千兆網(wǎng)卡，2U機(jī)架式。操作系統(tǒng)采用Windows Server 2003 Enterprise Edition。由于涉及數(shù)量龐大的變壓器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和應(yīng)用[16-18]，方案采用專業(yè)的SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備采用GSM MODEM與上位機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程信息交換。

監(jiān)控中心子系統(tǒng)通過短信傳輸網(wǎng)絡(luò)從各個(gè)變電站主站或直接從監(jiān)測(cè)單元采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而進(jìn)行變壓器油中溶解氣體光譜的具體分析和管理，具體包括：

(1)分層次監(jiān)測(cè)對(duì)象管理(包括對(duì)象創(chuàng)建、更改和刪除)；

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)瀏覽查詢(按時(shí)間段、監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)類型)；

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析(按時(shí)間段、監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)類型及其組合)；

(4)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警功能；

(5)多數(shù)據(jù)融合的診斷功能。

3 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

在構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)功能平臺(tái)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心?；赪indows操作系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)了整套實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)分析軟件，其主要功能有：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信，暫態(tài)數(shù)據(jù)處理與分析，監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)等。結(jié)合整個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，軟件可分為三大塊：前置機(jī)軟件、上位機(jī)軟件和監(jiān)控中心軟件。

整個(gè)軟件系統(tǒng)的組成與數(shù)據(jù)流組成如圖2所示，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析與顯示、歷史數(shù)據(jù)與歷史記錄的存儲(chǔ)與查詢等部分。

圖2 軟件系統(tǒng)的組成及其數(shù)據(jù)流程Fig.2 Composition of software system and its data flow

3.1 前置機(jī)軟件具體實(shí)現(xiàn)

前置機(jī)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能如圖3所示，主要為硬件驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)加載、采集控制、日志記錄和數(shù)據(jù)上傳五大功能。通過軟件可以對(duì)運(yùn)行過程中的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中包括對(duì)光譜儀、串口、網(wǎng)絡(luò)通信、巡檢間隔的設(shè)置。在采集控制的作用下，通過驅(qū)動(dòng)光譜儀采集得到數(shù)據(jù)，最后把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)軟件，日志記錄功能可以監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行中的所有運(yùn)行信息，以備后續(xù)檢查。

圖3 前置機(jī)功能實(shí)現(xiàn)Fig.3 Function realization of front-end processor

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件具體實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)召喚、前置機(jī)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢與診斷六大主要功能，如圖4所示。

圖4 上位機(jī)功能Fig.4 Function of upper computer

上位機(jī)軟件可以接收并存儲(chǔ)來自于前置機(jī)軟件的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)上位機(jī)軟件后，自動(dòng)進(jìn)入登錄界面，輸入用戶名和密碼即可進(jìn)入主界面。在主界面中可以對(duì)前置機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，也可以向前置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)召喚。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，上位機(jī)還可通過故障報(bào)警功能通知值班人員。其中前置機(jī)發(fā)送過來的所有數(shù)據(jù)以及報(bào)警的歷史記錄都能存儲(chǔ)下來，以方便工作人員及時(shí)查詢與診斷。

3.3 監(jiān)控中心軟件具體實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件具體實(shí)現(xiàn)功能如圖5所示。

圖5 監(jiān)控中心功能Fig.5 Function of monitoring center

根據(jù)對(duì)監(jiān)控中心軟件功能的分析，可以將整個(gè)軟件模塊化劃分。由于數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)展示具備獨(dú)立性，我們將這兩個(gè)部分功能設(shè)計(jì)成獨(dú)立程序，即使在數(shù)據(jù)查詢、顯示、診斷分析等數(shù)據(jù)管理功能不能使用的情況下，數(shù)據(jù)也是能夠正常上傳和存儲(chǔ)的，因此監(jiān)控中心軟件被分為兩部分，即數(shù)據(jù)傳輸軟件和數(shù)據(jù)展示軟件。

(1)數(shù)據(jù)傳輸軟件。在通信模塊中監(jiān)控中心和上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸利用基于GSM MODEM的短信收發(fā)技術(shù)，數(shù)據(jù)打包后以短信的形式發(fā)送出去，以達(dá)到傳輸目的。而在數(shù)據(jù)傳輸軟件接收到短信后，數(shù)據(jù)處理模塊可以解析數(shù)據(jù)報(bào)文并自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)；

(2)數(shù)據(jù)展示軟件。監(jiān)測(cè)對(duì)象為變電站所有的變壓器設(shè)備，將所有變壓器相關(guān)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，則可以實(shí)現(xiàn)管理對(duì)象的添加、修改和刪除。數(shù)據(jù)管理模塊提供給用戶所監(jiān)測(cè)對(duì)象的歷史數(shù)據(jù)查詢、分析以及報(bào)表打印。為了信息安全，用戶管理模塊可以提供用戶的添加、修改、刪除以及密碼設(shè)置等功能。

4 實(shí)際工程應(yīng)用

所研發(fā)的變壓器溶解氣體光譜遠(yuǎn)程在線分析系統(tǒng)已經(jīng)在某市供電公司中作為示范性工程應(yīng)用研究項(xiàng)目，在3座220 kV 變電站中初步應(yīng)用。建立整個(gè)遠(yuǎn)程在線分析系統(tǒng)后，上位機(jī)軟件向前置機(jī)軟件發(fā)送了數(shù)據(jù)召喚命令，對(duì)某一臺(tái)主變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，前置機(jī)軟件驅(qū)動(dòng)光譜儀采集到變壓器油的氣體數(shù)據(jù)后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，然后將數(shù)據(jù)顯示在主頁面上。

選取其中一臺(tái)220 kV變壓器2016年3月2日0:58:55時(shí)刻的數(shù)據(jù)，如圖6所示。通過光譜在線采集和分析，在該界面可以直觀地觀察到：油中溶解主要故障特征氣體氫氣(H2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)的含量濃度分別為0.4、0.5、5.3、45.5、0.0、0.7和648902，單位為uL/L，檢測(cè)精度為±10%。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用顯示Fig.6 Display of onsite data application

5 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前變壓器油中溶解氣體離線分析方法存在的問題，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)克服了油中溶解氣體離線分析中操作程序復(fù)雜、周期長、人為因素等缺點(diǎn)，提出了一種新型的變壓器油光譜遠(yuǎn)程在線分析方法，并研制出一套基于新型檢測(cè)方法的在線檢測(cè)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層、變電站層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層三個(gè)層次的功能模塊，基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)了一套實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)分析軟件，并成功應(yīng)用于某市220 kV變壓器中，詳細(xì)分析了該遠(yuǎn)程在線分析系統(tǒng)的功能和具體實(shí)現(xiàn)方法。采用變壓器溶解氣體光譜遠(yuǎn)程在線分析系統(tǒng)，可以簡化變壓器氣體檢測(cè)的程序，縮短檢測(cè)周期，檢測(cè)頻率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，進(jìn)而及時(shí)追蹤潛伏性故障和發(fā)現(xiàn)突發(fā)事故，變電站220 kV主變的工程應(yīng)用案例數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該檢測(cè)方法的有效性和所研制在線檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。