变电站绝缘在线监测系统的集成应用及设计

张 鹏

（广东电网公司中山供电局，广东 中山 528400）

0 引 言

为从各渠道获取电力设备的状态特征，结合近十年来国内电力设备在线监测技术的开发和应用，设计出一套完整的变电站绝缘在线监测系统。该系统采用分层分布式结构，由就地监测层、站端控制层和远方监控与数据采集管理层3 大部分组成，系统结构如图1所示。

图1 变电站绝缘在线监测系统结构图

1 就地监测层

就地监测层设备采用一体化设计思路，将信号处理单元、传感器、设备电源等一体化封装，通过结构上的多层交叉屏蔽设计，确保类似于泄露电流等微弱信号能够以模拟信号的方式实现最短距离的传输[1-2]。将模拟信号就地处理成数字信号后，上送站端监控单元进行介损、阻性电流、容性电流等参数的计算。采用美国TI 公司32 位DSP 运算和RS-485 的数字传输，选用4 800 的波特率，结合其误码率低、抗干扰性强的特点再搭配“看门狗”技术，可有效避免采样和传输引起的数据丢失、失真、扰动、衰减等因素带来的测量精度问题，确保在变电站电磁干扰环境下装置可靠运行。设备的监测对象和参数如下。

1.1 系统电压

监测各个电压等级的母线电压，为计算绝缘参数提供电压数据。主要监测参数包括系统的三相电压、谐波电压（3、5、7、9 次）以及系统频率。

1.2 容性设备

对于容性设备，通过高精度传感器测出设备末屏电流的幅度、相位以及与参考源的相位差，测得系统电压的幅度、相位以及与参考源的相位差。通过这两个信号的幅度和相位差计算容性设备的泄漏电流、电容及介损。可采用高磁导率玻-镆合金制成的传感器，在幅值和相位传递上具有很小的失真率，幅值传递精度可以达到0.1%，相位传递误差可控制在1 分以内，使得泄漏电流、介质损耗因数的测量精度得到可靠保证，同时对泄漏电流的采样通过带高精度、低温漂、低失真的一匝穿心式CT 的就地监测单元。主要监测参数包括末屏电流、介质损耗以及等值电容。

1.3 氧化锌避雷器

氧化锌避雷器在运行过程中的主要电流为容性电流，阻性电流占比很小。当发生阀片老化、器身受潮、内部绝缘损坏或表面污秽严重时，容性电流的变化不多，阻性电流却会大大增加。因此，在线监测其交流全电流和有功分量能够正确反映出避雷器的绝缘状态。主要监测参数包括全电流、阻性电流以及阻容比。

1.4 变压器铁芯

大型变压器铁芯要求一点接地，正常运行时地线中只流过很小的各绕组对铁芯的寄生电容电流。若铁芯有两点或多点接地，则接地点间形成闭合回路，因交链磁通而形成较大环流。该电流会引起局部过热，导致油分解、烧坏铁芯等，威胁变压器的正常运行。主要监测参数为铁芯接地电流。

1.5 变压器套管

在变压器三相套管内置传感器，通过在线监测介损值，并采用傅立叶变换数字滤波技术，实现全自动智能化测量方法诊断套管绝缘状态，实时准确监测套管的电容量和介损值的变化。主要监测参数为主变套管介损值。

1.6 设备环境

对高压设备现场运行环境的监测有助于综合判断绝缘状况，提高状态诊断的准确性。由监测单元组成的污秽在线监测系统，通过监测污秽电流和环境温湿度可以有效监测变电站现场污秽情况，对严重污秽情况进行预警，指导运行部门安排户外一次设备的清洗、清扫工作，避免污闪等事故的发生。主要监测参数包括环境温度、环境湿度以及瓷裙表面污秽电流[3]。

1.7 电力电缆

35 kV 及以上电压等级的电力电缆主要是单芯结构。电缆正常运行时，电缆金属护套感应电流值很小；电缆出现多点接地时，金属护套环流值变得很大，利用环流法实现在线监测电缆运行状况。通过在电缆金属护套上加装传感器获取数据，由基于DSP 芯片TMS320LF2407 和简单的外围接口电路实现，完成电力电缆护套环流的数据采集、数据的串行传输与发送。主要监测参数为电缆护套环流。

1.8 气体绝缘组合电器（GIS）

在现场GIS 设备布置外置的天线传感器，且达到宽频带天线范围。根据GIS 局部放电超高频检测中的周期性窄带干扰和白噪干扰的特点，采用复小波变换技术对采集的超高频局部放电信号进行去噪信息，实现对GIS 设备的局放信号的监测。主要监测参数为局放信号[4]。

2 站端控制层

站端的中心模块按嵌入式PC 智能技术开发，负责对变电站全部就地智能监测模块的测量与控制、数据采集和通信管理，能实时把监测结果以城域网传输到远方监控与数据管理系统，并将报警信号上送至地方调度主站。采用的嵌入式工业控制计算机在设计上应遵循工业级的设计标准，必须具备较高的稳定性和可靠性。为满足现场多线程的需求，在原来RS-485 的驱动能力上应予以优化。采用的标准C/C++模型设计规范，针对每种监测设备对象均遵循标准C/C++的规范建模，实现各监测对象的标准化模型发布，且设备模块可实时修改。

站端控制层需具备硬接点和软报文报警。硬接点报警可为一次设备数据越限信息报警和监测设备自身状态报警，可设置各设备的参数、告警定值等，可在报警窗口查询报警信息和相对应的告警报文，具备数据接口扩展和延伸等功能，为以后新扩建的多间隔、多设备的整合提供方便。

3 远方监控与数据采集管理层

远方管理层的主要功能是监控各站站端中心管理单元的运行，控制和管理各监测模块并收集在线监测的数据，整合优化相关数据，实现电力设备状态的远程在线监测、诊断和预警，方便设备部门制定维护和检修策略。该系统具备充分的延展性和持续性，可建立针对辖区下的所有变电站的绝缘在线监测，对单台服务器在设计上可满足256 个站点的接入，且在接入方式上具有即接即用的特点。系统具备数据管理、历史数据库、对象访问控制、实时数据和历史数据的查询比对、实时趋势和历史趋势曲线、设备参数设置以及告警定值设定等功能。

另外，在变电站绝缘在线监测系统的集成和开发过程中，必须注意到系统的协调与优化这一重要技术问题，妥善做好系统调试、维护和验收工作，避免监测平台建立并运行相应的监控软件后各类数据的传输、保真及运行速度等与设计相差甚远的情况发生[5-6]。

4 结 论

结合近年来国内在线监测技术的发展和应用，探讨变电站绝缘在线监测系统实现的设计思路和技术方法。基于目前变电站在线监测系统在我国已有多年的发展，各类监测技术也日臻成熟、完善，如能系统性地开发和整合，设计出一套成熟有效的电力在线监测系统，相信对变电站在预防事故和减少停电等方面均能发挥应有的作用，有效提升变电站电力设备的可用率、电网系统的可靠性和设备维护部门的工作效率，为电力安全保驾护航。