基于DSP 技术的高压输变电设备状态监测研究

商佳文，徐梁

（国网电力科学研究院有限公司，江苏南京 211106）

高电压、大容量输变电设备的可靠运行关系到整个电力系统的安全稳定运行，也直接影响着电能质量和供电可靠性。随着特高压、特高压输电线路的不断开发、建设，我国的输电线路也在逐步实现全覆盖[1]。因地域辽阔且地理环境多种多样，多数线路运行环境恶劣，当线路或设备出现故障时，很难保证供电的可靠性和稳定性，严重影响人们的正常生活，甚至造成巨大的损失[2]。有效保证电网的安全运行，成为电力部门迫切需要解决的问题。

当前常用的诊断技术多为红外线成像监测技术、紫外线成像技术[3]。其中，红外线成像监测技术应用更为广泛，但其局限性也十分明显，红外辐射对固体的穿透能力很弱。所以，对于一些大型电气设备，或者由于故障引起的加热功率比较小，故障位置离表面太远，这种检测技术难以实现从表面到内部运行状态的相应检测；紫外线成像技术主要用于探测设备表面由于局部放电现象引起的通道碳化和电蚀，这种方法的局限性在于，实际测量的光子数会受到外界环境因素如距离、气压等的影响，结果精度较差。但由于工艺、技术等问题，状态监测的稳定性也不可靠。对于大电流大电压环境，监测结果易受辐射、噪声、谐波等干扰，影响监测结果的可靠性。为此，该研究基于DSP 技术设计了新的高压输变电设备状态监测方法，主要针对变压器和避雷器状态展开准确监测。

1 变压器状态监测

变压器的主台、套管、绕组和铁芯是最易发生故障的部位，内耗占总耗电量的10%以下，但其危害远大于外耗[4]。对变压器进行状态监测主要包括以下几项：

1）互感器油气状态监测

分析判断油溶解气故障的主要方法是阈值判断，即将检测到的各种气体成分的浓度与国家标准规定的阈值进行比较，从而得出变压器在运行条件下具有良好的灵敏度[5]。图1 显示了基于DSP 技术的变压器状态监测原理。由图1 可知，利用传感器获取气体检测数据，由于变压器状态监测技术中传感器对气体的选择具有“交叉敏感度”，提高了检测的可靠性[6-8]。

图1 基于DSP技术变压器状态监测原理

目前，采用DSP 技术对变压器油液中气体进行监测已成为研究热点，该系统不仅能识别气体成分，而且能对复杂的气体成分进行定性和定量的检测，具体内容如表1 所示。

表1 不同故障情况下产生气体对比

2）变压器绕组变形状态监测

绕组是变压器的组成部分，其故障较多，故障的发生大多与绕组变形有关[9-10]。当变压器线圈变形到一定程度时，线圈本身的绝缘性能会急剧下降，造成线圈匝间短路，而短路事故又是造成变压器损耗的主要原因，因此分析变压器线圈的短路电流对监测线圈变形非常重要[11-12]。

在线圈短路情况下，线圈内损耗明显增加，主要表现在附加损耗增加。因此，如果变压器的损耗能被检测到，那么它就会变得更大，从根本上讲，它能判断变压器绕组是否短路，从而判断变压器绕组是否出现故障和严重程度，从而对变压器绕组进行监测[13]。另外，通过测量变压器的短路电抗，可以反映出变压器线圈的变形，而且不受干扰[14]。

对变压器各侧电压、电流的计算是否准确，直接影响到变压器功率的大小，因此，采用DSP 技术可以保证所得到电压、电流数值的准确性，得到的损耗量取决于变压器的计算能力[15]。另外，由于变压器运行时绕组电阻比漏抗小，所以其损耗量相对较小。为了不影响裁决，计算变压器实际运行损耗值，并与正常运行损耗值对比，确定变压器绕组变形状态。

式（1）中，P1、P2分别表示变压器一次和二次侧流出功率；β1、β2变压器一次和二次侧实际电流与额定电流比值；ΔPL1、ΔPL2分别表示变压器一次和二次侧绕组短路损耗值；ε表示变压器正常运行损耗值。

2 避雷器状态监测

防雷故障原因主要是避雷器阀门老化，避雷器内部受潮，使电流增加、耗电增加，甚至可能引起内部放电爆炸；避雷器的表面由于环境因素而受到污染，泄漏电流和局部放电增加[16]。图2 为高压输变电设备避雷器的状态监测流程。

图2 高压输变电设备避雷器状态监测流程

使用DSP 技术，分析避雷器总泄露电流情况，如图3 所示。

图3 总泄露电流法监测

DSP 技术监测总泄露电流是在常规监测技术的基础上进行了改良，监测流程如下：

step1：将获取的电流经过逻辑分析，计算容性电流和阻性电流。容性电流计算公式为：

式（2）中，u表示施加电压；f表示施加频率；c表示输变电设备电容量经验值。阻性电流计算公式为：

式（3）中，P额表示额定功率；V额表示额定电压；λ表示功率因数；η表示效率。

由于容性电流和阻性电流是两个频率相同的交流电，两个同频率正弦量的相位差就等于初相之差，由此分析两者之间的相位差，如图4 所示。

图4 容性电流和阻性电流之间相位差

由图4 可知，当相位差大于0 时，容性电流正弦量比阻性电流正弦量相位超前；当相位差小于0 时，容性电流正弦量比阻性电流正弦量相位滞后；当相位差等于0 时，容性电流正弦量与阻性电流正弦量同相；当相位差等于π/2 时，容性电流正弦量与阻性电流正弦量正交。

step2：通过相位差分析结果，结合DSP 信号处理技术，提取容性电流信号初值；

step3：将容性电流信号初值与总泄漏电流对比，如果总泄漏电流比容性电流大，则说明避雷器漏电；反之，则说明避雷器运行正常。

3 实验与分析

以宁夏电力公司高压输变电设备为例，对基于DSP 技术的高压输变电设备状态监测方法的合理性进行实验验证分析。

3.1 电网规模

截止2019 年底，宁夏电网已经投运750 kV 变电站、330 kV 变电站、220 kV 变电站，具体变电站及线路长度如表2、3 所示。

表2 2019年宁夏电网变电站规模

表3 2019年宁夏电网输电线路规模

3.2 高压输变电设备运行环境设置

由于地形、地理及当地小气候等因素的影响，宁夏输电线路的子跨振荡、风偏及结冰事故时有发生，缺少有效的在线监测手段很难进行有效预防。750 kV 电网以宁夏为主，电网由于国内设备和设备制造质量的原因，近几年750 kV 电网设备事故频发，特别是800 kV 断路器绝缘操作杆断裂、分解，盆式绝缘子闪络，操作机构工作缸爆炸等事故。

3.3 实验结果与分析

分别使用红外线成像监测技术、紫外线成像技术和基于DSP 的技术监测高压输变电设备状态。

3.3.1 变压器状态

分别使用3 种技术监测变压器在两种实验环境下的复杂气体，对比结果如表4 所示。

表4 3种技术变压器异常运行复杂气体监测结果对比

由表4 可知，使用红外线成像监测技术和紫外线成像技术在不同故障情况下，仅监测出主要气体，次要气体无法监测；使用基于DSP 技术在不同故障情况下，不仅监测出主要气体，还能监测出次要气体，具有精准监测效果。

3.3.2 避雷器状态监测

分别使用3 种技术监测避雷器在两种实验环境下的复杂气体，对比结果如图5 所示。分析图5 可知，使用红外线成像监测技术，在时间为5 s 后，电压波动幅值在0 V 上下波动；使用紫外线成像技术，在时间为2.9 s 时，电压波动幅值达到最大为1.9 V。在时间为5.5 s 后，电压波动幅值在0 V 上下波动；使用基于DSP 技术与实际监测结果一致，在时间为9.5 s以后，电压波动幅值在0 V 下方波动。

图5 3种技术监测结果对比

4 结束语

该研究提出了基于DSP 技术的高压输变电设备状态监测方法，实现变压器、避雷器的测量、分析与监测。实验结果表明，该方法具有精准监测结果。由于实验条件有限，该技术存在有待改进的地方，对输变电设备状态监测关键技术的研究，不仅仅是将监测与物联网等前沿技术紧密结合，还将不断改进监测诊断技术；并将单机监控范围扩大到整个系统监控，即开发分布式多参数监控系统，实现资源共享，提高监控的可靠性；在继电保护等系统中集成状态监测系统。