智能高压设备绝缘在线监测系统设计

刘 瑞

（内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080）

智能高压设备绝缘在线监测系统设计

刘 瑞

（内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080）

本文设计目标是对变电站主变、电压互感器、电流互感器、耦合电容和避雷器等高压设备的绝缘状态进行实时监测。为此，作者设计了系统部分硬件，研制了采样精度较高、抗干扰能力强的零磁通电流传感器、现场总线和现场监测单元，并与该系统的软件部分相结合，实现了通过局域网进行绝缘数据采集、存储、分析、处理、告警，并实现数据远传、信息共享。试验结果表明，该系统可丰富绝缘监测手段，强化设备安全管理水平，有助于智能电网的建设。

变电站；绝缘；在线监测

国家电网公司推进构建具有数字化、信息化、自动化、交互化等特征为代表的坚强智能电网，对变电站高压电气设备的智能化要求越来越高。变电站高压电气设备作为重要的输变电设备，主要包括变压器、高压套管、电流互感器、电压互感器、耦合电容器、氧化锌避雷器等，数量约占变电站设备总数的 50%～60%，其绝缘状况的好坏直接关系到整个变电站的安全运行，一旦发生事故，造成的损失和影响很大。因此，电力部门制订了定期预防性维修制度，但是定期性预防试验存在一些缺陷，有时候不能真实地反映设备的绝缘状况，还会造成大量的人力物力的耗费。而变电站智能高压设备绝缘在线监测系统采用先进的计算机技术、网络技术、感知/测量/控制技术、通信技术，可以对高压电气设备绝缘状态进行实时的连续的在线监测，而且还能分析各重要参数的发展变化趋势，提前识别潜在故障，改善各种高压设备运行的安全可靠性，为设备的状态检修提供宝贵的数据支持，从而确定最佳的检修时间，大幅延长保养周期，提高设备的利用率，显著降低维修保养费用[1]。

1 系统总体架构设计

变电站高压设备绝缘在线监测系统采用总线控制技术，它由安装在变电站内的测量监控系统和安装在后台管理中心的数据管理系统两个部分组成，通过公共电话网络，可把若干个变电站监控系统的监测数据汇集到上层的数据管理诊断系统，实现对多个变电站内的高压设备绝缘在线监测。

绝缘监测系统通常由用户计算机、变电站中央监控器和若干个本地测量单元构成，其结构框图如图1所示。

图1 采用分布式的绝缘在线监测系统

1.1 本地测量单元

安装在变电站被监测设备的运行现场，种类及数量可根据监测要求确定。目前可提供的本地测量单元可对变压器套管、电流互感器，电压互感器，耦合电容器的介损及电容量和末屏电流、避雷器的阻性电流及全电流等绝缘参数进行监测。并以总线通信方式，通过一根定制的双绞电缆把监测数据以数字形式传送到变电站中央监控器。

1.2 变电站中央监控器

安装在变电站控制室或监测设备现场，每台中央监控器提供的通信总线上最多可挂载100多个本地测量单元。中央监控器能够通过总线控制各个本地测量单元的工作状态，读取测量数据及异常信息，获得反映设备绝缘状态的特征参量，并按照下列方式保存各个设备的监测数据，等待上层的用户计算机进行访问[2]。

1.3 用户计算机

安装在局内的信息管理部门，可通过局域网与其他的终端计算机进行数据交换。普通的电脑只要安装了专用数据库管理软件，即可通过局域网的通信方式读取各个变电站中央监控器的监测数据。数据管理软件能够对监测数据进行分析判断，自动筛选出绝缘参数异常的电气设备，及时发出状态预警信号，同时提供包括参数变化趋势图在内的相关信息，以便管理人员作出更为精确的诊断。

2 系统硬件设计

为了监测电力设备的绝缘状况，需要测量泄漏电流的相位和幅值，电流传感器在感应微弱泄漏电流时会引入噪声，所以必须考虑传感器输出信号的耦合和放大问题。电力设备绝缘在线监测系统对介损测量精度的要求非常高，系统又工作在强电磁干扰环境下，这就加大了系统在信号调理时对微弱信号进行处理的难度。

2.1 系统硬件结构

绝缘监测系统硬件电路部分框图见图2。

图2 绝缘监测系统硬件框图

图2中主要包括三大部分：传感器模块、信号处理电路模块及滤波与电源模块。各部分的构成及功能简述如下：

1）滤波及电源模块

将220Vac电源变换为±12V，+5V电源信号，作为传感器和信号处理电路的工作电源。

2）微电流传感器模块

传感器采用有源零磁通精密电流传感器，将 3相（或单相）微电流信号和参考信号（来自220Vac电源，加电阻取样为小电流信号）转换为低功率模拟信号；传感器工作电源为±12V，该电源来自电源模块。传感器部分的介绍见微电流传感器设计部分。

图2中的信号处理电路同时还可以监测环境温度信号，以及电路板的电源电压信号（图2中的VCC），该信号同时用作对 A/D转换电路的故障诊断。

3）信号处理电路模块

包括信号调理、A/D转换和DSP模块三部分。信号调理模块将传感器输出的信号调理成适合 A/D芯片接收的信号，DSP模块控制A/D芯片采样，并完成相关计算，并通过通信模块和LCD接口模块与外界进行数据交互。A/D转换芯片采用美国TI公司的16bit高速6路同步采样芯片ADS8365。DSP模块中的DSP芯片采用TI公司的32bit定点数字信号处理芯片 TMS320F2812。逻辑控制采样 ALTERA公司的MAX3000A系列CPLD EPM3064A。通信模块采用RS485总线（ISL81487）；LCD接口为RS232接口，可接具有串行接口的LCD。

2.2 系统的模块化功能设计

在线监测系统采用模块化设计结构，所有的本地采样单元均由取样传感器模块、信号调理及 A/D采样模块、嵌入式微处理器模块和通信及电源管理模块构成。

1）高精密的穿芯零磁通电流传感器模块

电流传感器是监测系统的关键部件，直接影响电容型设备介损耗参数参数的测量精度。为保证信号取样的安全性，通常应采用穿芯结构的零磁通电流传感器。

采用有源零磁通设计技术是提高小电流传感器检测精度的惟一途径。监测系统采用了先进的自动补偿式电流传感器，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁心处，还采用了独特的深度负反馈补偿技术，能够对铁心的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁心工作在接受理想的零磁通状态。其技术设计指标见下表1所示。

表1 电流传感器技术指标

2）宽范围的信号调理采样模块

信号调理及A/D采样模块是监测系统的重要部件，能够同时测量4个输入通道的交流或者直流电压信号，并具备极强的通道扩展功能。

3）嵌入式数字微处理器模块

DSP嵌入式微处理器模块是监测系统的核心部件，具备强大的数据处理及端口控制功能。绝缘监测系统的信号处理模块采用目前性能最优良的 32位数字信号处理芯片，并根据其特点精心设计了DSP核心及外围电路，可以满足绝缘监测系统的需要。

4）通信及电源管理模块

通信及电源管理模块是监测系统的基本组件，具备如下功能：①含有AC/DC开关电源模块，能够向其他提供 5V及±12V工作电源；②提供一个光电隔离的通信接口，可挂载多个通信接点。

3 系统软件设计

绝缘在线监测系统的数据库管理及诊断软件主要包括如下几个功能模块，可以在任何一台安装了Windows NT系统的计算机上运行。

1）中央数据库模块

中央数据库是一个建立在Microsoft SQL Server上的大型数据库，应用程序可通过SQL专用命令来访问数据库内容。管理软件的所有数据都是以统一的数据结构存放在中央数据库之中。

2）数据远程收集模块

数据远程收集模块通常是一个后台运行程序，其基本功能是通过局域网定时从各个变电站的中央监控器中读取监测数据，并登录在中央数据库中。此外，该模块还提供IE浏览器访问功能，用户可通过普通的拨号上网方式访问监测系统。

3）数据查询分析模块

数据查询分析模块可为操作人员提供友好的图形操作界面，能够在变电站电气接线图中反映出被监测设备的分布情况和监测参数的异常情况，提供各种比例尺度的曲线及表格。利用提供的曲线图谱可有效地反映出绝缘参数的变化趋势，并可通过表格形式查询出精确的监测结果。

4）专家诊断系统模块

目前的监测系统仅仅提供了一个相对简单的数据诊断模块，它是通过对同类型设备或同相设备绝缘参数变化趋势的比较，筛选出绝缘异常的电气设备，输出包括绝缘参数变化趋势图在内的相关信息报告，供管理人员作出分析和判断，通常不需要人工干扰。此外，监测系统的上层软件为设计专家系统的人员提供了访问数据库和显示结果（包括特征量、曲线、表格等）的工具，专业人员可利用这些接口开发出更为完善的诊断方法，如果能够和现有的预防性数据管理软件结合起来，则将形成更为精确的诊断结果。

4 系统主要性能指标设计

绝缘状态监测系统主要参数指标如表2所示。

表2 绝缘状态监测系统主要参数指标

5 结论

本文系统设计可实现对变电站高压设备绝缘状态的实时监控、分析、诊断、报警，并通过信息远传，实现信息共享，这对丰富运行人员的监测手段，确保电气设备的安全运行，提升全局的设备安全管理水平发挥良好的促进作用；同时，对电网主要设备的定检周期可适当延长，减少设备的大小修次数，可使检修安排更加符合设备的自身运转特性，顺应国家智能电网建设的需求，可有效提高了劳动生产率，减少检修费用，因此具有很好的经济价值和社会效益，示范作用和推广价值显著，应用前景良好。

[1] 杨建明. 在线监测技术在电网中的应用[J]. 高电压技术, 2007, 33(8): 203-206.

[2] 王吕长, 李福祺, 高胜友. 电力设备的在线监测与故障检测诊断[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[3] 姜俊莉. 110kV变电所绝缘在线监测技术[J]. 高电压技术, 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

刘 瑞（1962-），男，工程师，从事电力系统自动化设备运行、技改及管理工作。