智能高壓設備絕緣在線監測系統設計

劉 瑞

（內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

智能高壓設備絕緣在線監測系統設計

劉 瑞

（內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080）

本文設計目標是對變電站主變、電壓互感器、電流互感器、耦合電容和避雷器等高壓設備的絕緣狀態進行實時監測。為此，作者設計了系統部分硬件，研制了采樣精度較高、抗干擾能力強的零磁通電流傳感器、現場總線和現場監測單元，并與該系統的軟件部分相結合，實現了通過局域網進行絕緣數據采集、存儲、分析、處理、告警，并實現數據遠傳、信息共享。試驗結果表明，該系統可豐富絕緣監測手段，強化設備安全管理水平，有助于智能電網的建設。

變電站；絕緣；在線監測

國家電網公司推進構建具有數字化、信息化、自動化、交互化等特征為代表的堅強智能電網，對變電站高壓電氣設備的智能化要求越來越高。變電站高壓電氣設備作為重要的輸變電設備，主要包括變壓器、高壓套管、電流互感器、電壓互感器、耦合電容器、氧化鋅避雷器等，數量約占變電站設備總數的 50%～60%，其絕緣狀況的好壞直接關系到整個變電站的安全運行，一旦發生事故，造成的損失和影響很大。因此，電力部門制訂了定期預防性維修制度，但是定期性預防試驗存在一些缺陷，有時候不能真實地反映設備的絕緣狀況，還會造成大量的人力物力的耗費。而變電站智能高壓設備絕緣在線監測系統采用先進的計算機技術、網絡技術、感知/測量/控制技術、通信技術，可以對高壓電氣設備絕緣狀態進行實時的連續的在線監測，而且還能分析各重要參數的發展變化趨勢，提前識別潛在故障，改善各種高壓設備運行的安全可靠性，為設備的狀態檢修提供寶貴的數據支持，從而確定最佳的檢修時間，大幅延長保養周期，提高設備的利用率，顯著降低維修保養費用[1]。

1 系統總體架構設計

變電站高壓設備絕緣在線監測系統采用總線控制技術，它由安裝在變電站內的測量監控系統和安裝在后臺管理中心的數據管理系統兩個部分組成，通過公共電話網絡，可把若干個變電站監控系統的監測數據匯集到上層的數據管理診斷系統，實現對多個變電站內的高壓設備絕緣在線監測。

絕緣監測系統通常由用戶計算機、變電站中央監控器和若干個本地測量單元構成，其結構框圖如圖1所示。

圖1 采用分布式的絕緣在線監測系統

1.1 本地測量單元

安裝在變電站被監測設備的運行現場，種類及數量可根據監測要求確定。目前可提供的本地測量單元可對變壓器套管、電流互感器，電壓互感器，耦合電容器的介損及電容量和末屏電流、避雷器的阻性電流及全電流等絕緣參數進行監測。并以總線通信方式，通過一根定制的雙絞電纜把監測數據以數字形式傳送到變電站中央監控器。

1.2 變電站中央監控器

安裝在變電站控制室或監測設備現場，每臺中央監控器提供的通信總線上最多可掛載100多個本地測量單元。中央監控器能夠通過總線控制各個本地測量單元的工作狀態，讀取測量數據及異常信息，獲得反映設備絕緣狀態的特征參量，并按照下列方式保存各個設備的監測數據，等待上層的用戶計算機進行訪問[2]。

1.3 用戶計算機

安裝在局內的信息管理部門，可通過局域網與其他的終端計算機進行數據交換。普通的電腦只要安裝了專用數據庫管理軟件，即可通過局域網的通信方式讀取各個變電站中央監控器的監測數據。數據管理軟件能夠對監測數據進行分析判斷，自動篩選出絕緣參數異常的電氣設備，及時發出狀態預警信號，同時提供包括參數變化趨勢圖在內的相關信息，以便管理人員作出更為精確的診斷。

2 系統硬件設計

為了監測電力設備的絕緣狀況，需要測量泄漏電流的相位和幅值，電流傳感器在感應微弱泄漏電流時會引入噪聲，所以必須考慮傳感器輸出信號的耦合和放大問題。電力設備絕緣在線監測系統對介損測量精度的要求非常高，系統又工作在強電磁干擾環境下，這就加大了系統在信號調理時對微弱信號進行處理的難度。

2.1 系統硬件結構

絕緣監測系統硬件電路部分框圖見圖2。

圖2 絕緣監測系統硬件框圖

圖2中主要包括三大部分：傳感器模塊、信號處理電路模塊及濾波與電源模塊。各部分的構成及功能簡述如下：

1）濾波及電源模塊

將220Vac電源變換為±12V，+5V電源信號，作為傳感器和信號處理電路的工作電源。

2）微電流傳感器模塊

傳感器采用有源零磁通精密電流傳感器，將 3相（或單相）微電流信號和參考信號（來自220Vac電源，加電阻取樣為小電流信號）轉換為低功率模擬信號；傳感器工作電源為±12V，該電源來自電源模塊。傳感器部分的介紹見微電流傳感器設計部分。

圖2中的信號處理電路同時還可以監測環境溫度信號，以及電路板的電源電壓信號（圖2中的VCC），該信號同時用作對 A/D轉換電路的故障診斷。

3）信號處理電路模塊

包括信號調理、A/D轉換和DSP模塊三部分。信號調理模塊將傳感器輸出的信號調理成適合 A/D芯片接收的信號，DSP模塊控制A/D芯片采樣，并完成相關計算，并通過通信模塊和LCD接口模塊與外界進行數據交互。A/D轉換芯片采用美國TI公司的16bit高速6路同步采樣芯片ADS8365。DSP模塊中的DSP芯片采用TI公司的32bit定點數字信號處理芯片 TMS320F2812。邏輯控制采樣 ALTERA公司的MAX3000A系列CPLD EPM3064A。通信模塊采用RS485總線（ISL81487）；LCD接口為RS232接口，可接具有串行接口的LCD。

2.2 系統的模塊化功能設計

在線監測系統采用模塊化設計結構，所有的本地采樣單元均由取樣傳感器模塊、信號調理及 A/D采樣模塊、嵌入式微處理器模塊和通信及電源管理模塊構成。

1）高精密的穿芯零磁通電流傳感器模塊

電流傳感器是監測系統的關鍵部件，直接影響電容型設備介損耗參數參數的測量精度。為保證信號取樣的安全性，通常應采用穿芯結構的零磁通電流傳感器。

采用有源零磁通設計技術是提高小電流傳感器檢測精度的惟一途徑。監測系統采用了先進的自動補償式電流傳感器，除了選用起始導磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵心處，還采用了獨特的深度負反饋補償技術，能夠對鐵心的激磁磁勢進行全自動補償，保持鐵心工作在接受理想的零磁通狀態。其技術設計指標見下表1所示。

表1 電流傳感器技術指標

2）寬范圍的信號調理采樣模塊

信號調理及A/D采樣模塊是監測系統的重要部件，能夠同時測量4個輸入通道的交流或者直流電壓信號，并具備極強的通道擴展功能。

3）嵌入式數字微處理器模塊

DSP嵌入式微處理器模塊是監測系統的核心部件，具備強大的數據處理及端口控制功能。絕緣監測系統的信號處理模塊采用目前性能最優良的 32位數字信號處理芯片，并根據其特點精心設計了DSP核心及外圍電路，可以滿足絕緣監測系統的需要。

4）通信及電源管理模塊

通信及電源管理模塊是監測系統的基本組件，具備如下功能：①含有AC/DC開關電源模塊，能夠向其他提供 5V及±12V工作電源；②提供一個光電隔離的通信接口，可掛載多個通信接點。

3 系統軟件設計

絕緣在線監測系統的數據庫管理及診斷軟件主要包括如下幾個功能模塊，可以在任何一臺安裝了Windows NT系統的計算機上運行。

1）中央數據庫模塊

中央數據庫是一個建立在Microsoft SQL Server上的大型數據庫，應用程序可通過SQL專用命令來訪問數據庫內容。管理軟件的所有數據都是以統一的數據結構存放在中央數據庫之中。

2）數據遠程收集模塊

數據遠程收集模塊通常是一個后臺運行程序，其基本功能是通過局域網定時從各個變電站的中央監控器中讀取監測數據，并登錄在中央數據庫中。此外，該模塊還提供IE瀏覽器訪問功能，用戶可通過普通的撥號上網方式訪問監測系統。

3）數據查詢分析模塊

數據查詢分析模塊可為操作人員提供友好的圖形操作界面，能夠在變電站電氣接線圖中反映出被監測設備的分布情況和監測參數的異常情況，提供各種比例尺度的曲線及表格。利用提供的曲線圖譜可有效地反映出絕緣參數的變化趨勢，并可通過表格形式查詢出精確的監測結果。

4）專家診斷系統模塊

目前的監測系統僅僅提供了一個相對簡單的數據診斷模塊，它是通過對同類型設備或同相設備絕緣參數變化趨勢的比較，篩選出絕緣異常的電氣設備，輸出包括絕緣參數變化趨勢圖在內的相關信息報告，供管理人員作出分析和判斷，通常不需要人工干擾。此外，監測系統的上層軟件為設計專家系統的人員提供了訪問數據庫和顯示結果（包括特征量、曲線、表格等）的工具，專業人員可利用這些接口開發出更為完善的診斷方法，如果能夠和現有的預防性數據管理軟件結合起來，則將形成更為精確的診斷結果。

4 系統主要性能指標設計

絕緣狀態監測系統主要參數指標如表2所示。

表2 絕緣狀態監測系統主要參數指標

5 結論

本文系統設計可實現對變電站高壓設備絕緣狀態的實時監控、分析、診斷、報警，并通過信息遠傳，實現信息共享，這對豐富運行人員的監測手段，確保電氣設備的安全運行，提升全局的設備安全管理水平發揮良好的促進作用；同時，對電網主要設備的定檢周期可適當延長，減少設備的大小修次數，可使檢修安排更加符合設備的自身運轉特性，順應國家智能電網建設的需求，可有效提高了勞動生產率，減少檢修費用，因此具有很好的經濟價值和社會效益，示范作用和推廣價值顯著，應用前景良好。

[1] 楊建明. 在線監測技術在電網中的應用[J]. 高電壓技術, 2007, 33(8): 203-206.

[2] 王呂長, 李福祺, 高勝友. 電力設備的在線監測與故障檢測診斷[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004.

[3] 姜俊莉. 110kV變電所絕緣在線監測技術[J]. 高電壓技術, 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

劉 瑞（1962-），男，工程師，從事電力系統自動化設備運行、技改及管理工作。