超高压智能变电站一次主设备在线监测系统设计与实现

汪 洋，鄂士平

（国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引 言

自动模式的输电和配电是电力系统的主要组成部分。输电和配电系统的安全运行将会影响到电网的稳定发展，是智能电网建设的重要条件。伴随我国电力的快速发展，电网的发展规模越来越大，尤其是现在城市以及农村建筑的崛起和一些大的公共设施的增加，造成电力管理员也在不断地增加，电网里的很多分系统也在不断地扩大规模，电网的安全性、稳定性以及实时性也面临着更高效的要求。随着电网技术的快速发展，电负荷的不断增加，出现的新型负载所带来的一些质量上的问题也逐渐展现出来。因此，电力企业需抓紧建设智能高效的监控系统，应用传感、监测、通信、计算机等多种高科技技术，实现电力系统监测和故障诊断等多种功能，进一步提高电力系统的智能操作和管理，保障电力系统可以安全有效地进行。

1 主设备在线监测工作面临的主要问题

在线监测系统通常包括状态监测系统、监测分析系统以及监测诊断系统。在智能电网中，主设备在线监测工作的数据采集、电力诊断以及实时监控物理链路的稳定性等还存在着不足。如果电力系统的管理员比较多且规模较大，那么数据采集率就会比较低，服务器压力大，不能很好地保障数据系统的实时性，最后会影响整个电力系统的监控服务能力。现在我国电力系统诊断还不是很完整，电力系统中的诊断工作主要是应用有关的技术和计算方式对电力信号进行相关检测、计算和处理，从而得出电力系统的诊断结果，推断电力系统是否安全。但现在我国很多关于系统诊断的研究都还是在理论层次，并不能应用到实际状况中。此外，主设备在线监测系统和网络之间的连接存在不稳定性。我国现有电力系统构架的网络监控是通过远程方式收集数据，而且电力网络中的IP资源比较缺乏，很多主设备在线监测设备的网址会随时间的变化而发生变化，所以电力系统的监控系统有可能会和网络通信系统发生中断，从而影响数据的完整性和准确性。

2 电力变压器在线监测系统技术依据

2.1 在线监测装置进行选取过程中应遵循的原则

对电力设备而言，长时间运作很难保证设备不会出现问题，必须使用合理的方法进行处理。为切实实现在线监测，应力求科学选取监测装置，选取过程中应从以下几方面考虑是否符合现场。从使用寿命方面考虑，在线监测装置的使用寿命应比被监测设备大；从测量方面考虑，故障率应保持在最高；监测实施过程中，应重点监测重要负荷间隔，合理控制测量精度，精度既不能过高也不能过低。

2.2 变压器局部放电在线监测

通过调查得知，如果设备在工作中出现局部放电，那么其出现问题的可能性就比较大，相关工作人员一定要保持警惕。局部放电是变压器出现故障的主要表现之一，目前对变压器在这方面的监测工作是采用超高频的方法，其在工作中表现的效果良好。

2.3 变压器铁芯接地电流在线监测

在实际工作中，热故障问题很可能会被工作人员忽略，从而造成事故。引起热故障的一般原因是变压器在工作时铁芯的放置位置不对，从而在铁芯周围出现了悬浮电压造成热故障。热故障一旦出现会使变电站的安全面临极大的挑战，所以相关工作人员一定要引起重视。

3 超高压智能变电站一次设备在线监测系统设计

3.1 变电站在线监测系统网络架构

智能变电站在线监测系统由站控网和过程网构成，其中过程层设备由现场监测单元和传感器构成，实现对原始监测数据的实时采集和数字化处理、存储，响应并接收由主智能电力监测装置（Intelligent Electronic Device，IED）下发的控制及配置指令。间隔层设备，即一次设备现场在线监测组件柜的主IED，实现对监测数据的预处理、分析、上传和存储，并接收子站下发的控制及配置命令。站控层设备即在线监测系统的站内后台系统，进行监测数据的上传、转换、分析、存储和异常告警，接收并响应主站的远程控制指令。

3.2 智能变电站一次主设备在线状态监测方案设计

可以采用一次设备、监测单元和测量控制相分离的方案。状态监测的设备包括主变铁芯、氧化锌避雷器、主变油色谱单元、容性高压设备监测单元、金属氧化锌避雷器监测单元以及变压器铁芯电流监测单元等。对智能变电站的各个组件单元进行独立配置，采用控制电缆连接设备本体及站内自动化系统，在室内智能控制柜内就地安装状态监测系统的子IED。考虑到功能性及成本因素，可以选取带有过滤器风扇通风系统的双层中空智能控制柜，并采用分层分块设计的方式，进行状态监测系统的后台软件设计，进行数据的实时采集、监测、分析、处理和存储，体现出灵活配置、可扩展性以及高内聚性的特点[1]。

3.2.1 主变油色谱在线监测系统

利用物理分离技术分离变压器油中溶解的气体，鉴定和测量变压器油中溶解气体的浓度，通过油气分离器装置分离变压器油中的特征气体。在强制油循环导入定量室内的载气作用下，分离出故障特征气体，辨析变压器油中特征气体成分，根据油中气体的产气速率判断特征气体的含量和成分。该系统通过油路循环的方式有效防止连接管道处残余的变压器油，进行油气分离和油样定量工作，并在载气作用下，由色谱柱分离出采样气体。同时，数据采集模块采集气体检测的电信号数据，将其转换为数字信号。嵌入式微处理器控制单元进行采集数据的监测、分析以及存储。

3.2.2 避雷器在线监测系统

采用主机+从机的方式进行系统配置，选取功耗小、性能稳定以及高速的S3C2440A板作为主机，选取高精度、低功耗、高集成度以及大容量的TMS320F28335一体板作为从机。同时，系统基于私有协议进行MOA在线监测装置和避雷器监测IED间的通信，在线监测并获悉MOA氧化锌避雷器的全电流、阻性电流、容性电流以及雷击时刻，及时进行故障预警和排查。监测系统运行的相关参数有工作电压、共模、差模、电磁场辐射干扰、快速瞬变干扰、绝缘电阻以及脉冲电压等。

3.2.3 容性设备在线监测系统

该系统采用分布式结构，由中央监控器控制本地LU的工作状态，进行正常运行数据和异常数据的读取、上传、诊断以及分析。该系统装置包括电流互感器在线监测装置、电压测量取样装置、耦合电容器在线监测装置以及变压器套管在线监测装置等，实现对母线电压、电流、等值电容量以及谐波分量的实时在线监测。容性设备在线监测系统由本地测量单元LC1检测母线PT的二次电压信号Un，由本地测量单元LC2检测电容型设备Cx的末屏电流信号Ix，在中央监控器SC的控制下，两个本地测量单元LU1和LU2的信号采集系统同步启动，对传感器输出的模拟电压信号同步进行采样及FFT变换处理，获得输入信号Un和Ux相对于工作电源Us的基波相位Ph（n-s）、Ph（x-s），计算获悉电容型设备的介质损耗Tanδ、电容量Cx等绝缘参数[2]。

3.2.4 在线状态监测及故障诊断系统

局域端主站的OMDS在线监测系统采集一次设备的状态参数，通过分布式管理的方式在线实时查询监测数据，诊断一次设备的绝缘状况，跟踪变电站内被测设备的故障缺陷。系统运行的不同层级包括数据接入层、数据分析服务层以及应用层。数据接入层完成在线监测主站及各个变电站间的数据通信。数据分析服务层进行数据处理和分析，检查数据的可靠性和超变化率，剔除无效数据，采用容性设备相对介损类比分析方法，完成对设备状态的自动诊断和识别。同时，系统可以对监测数据设置告警限值，如分级设置预警限值和告警限值[3]。应用层通过Web方式提供直观可视的人机交互界面，可以进行实时数据和历史测量数据的浏览与告警信息发布等。

3.2.5 在线监测系统后台的集成优化

为了能够达到简化工作难度的目的，变压器的在线监测会使用与变电站内其他设备一样的监测系统，这样在后台进行处理时就能够通过系统对变电站内所有设备进行统一管控。在工作中，如果对设备的监管过于麻烦，会无形中加大工作的难度。面对这种现象，将设备的监测系统与管理系统互相渗透，希望可以建立一个新的系统，通过系统可以科学有效地管控变电站设备，根据IED上显示的数据判定故障原因。

4 结 论

我国在线监测技术随着国家整体科技水平的提高在不断进行技术革新。目前，从监测技术的表现上来看已经取得了很大的进步，对设备的状态监测及诊断都有明显表现。通过在线监测技术的发展，工作人员已经可以全方位监测变电站中设备的工作情况，并在此基础上根据数据对工作表现进行评估。这样可以在很大程度上提高生产管理水平，通过现代智能科学技术加强企业对设备的管理工作，从而为企业带来经济效益。