變壓器絕緣綜合在線監測與狀態評估系統設計

摘要：對變壓器的運行狀態進行在線監測對于保障其安全、減少維修、提高管理化水平有著重要的意義。研制了一套多參數的變壓器絕緣綜合在線監測系統，能夠獲取反映變壓器絕緣狀態的局部放電、鐵芯接地電流和介質損耗三種重要參數，進行分析和處理。開發出的設備狀態評估系統能夠對變壓器的設計和運行等參數進行管理，并易于擴展其他參數的監測數據管理，有助于對變電設備的狀態進行評估，適應智能電網發展的需要。

關鍵詞：變壓器；局部放電；鐵芯接地、介質損耗；在線監測；狀態評估

中圖分類號：TM406 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0117-03

大型輸變電設備的故障不僅會因自身維修而帶來經濟損失，而且會造成停電等事故，引起更大的損失。以往一直采用定期預防性試驗、故障后維修策略，[1]存在著不能及時準確發現故障等缺點，而狀態檢測、預測性維修可彌補這些缺點，狀態檢修的維修時間是根據設備的歷史狀態和在線監測數據而加以確定的，[2]所以它是建立在大型電力設備的在線監測基礎之上的。美國、日本等國外許多電力公司從20世紀70年代就開始研究并推廣應用變電設備絕緣在線監測技術，并將在線監測數據作為評判設備狀態的重要依據，為狀態檢修提供指導。[3]例如美國電力科學研究院（EPRI）開展的一些狀態檢修工作中有統一的軟件監測平臺進行設備的運行狀態管理。國內從20世紀80年代開始，一些高校和研究機構開始進行在線監測技術的研究，并得到了迅速發展。[4]在近幾年召開的國際高電壓技術學會（ISH）及亞洲絕緣診斷會（ACEID）上，有關電氣設備絕緣在線監測與狀態檢修方面的論文占有相當大比例。[5]

從國內外進行在線監測、開展狀態檢修的情況來看，今后的技術發展趨勢是：多功能和多參數的綜合監測與診斷，變電站設備的集中監測，提高監測系統的靈敏度和可靠性，建立專家系統以實現絕緣診斷的自動化。[1]另外，設備采用統一的數據格式和接口，診斷結果可以方便地被上位機系統或者信通中心調度系統讀取，以適應智能電網技術發展的需要。

因此，為了推動在線監測和狀態維修技術的發展，又考慮到變壓器是電力系統中非常重要的電力設備，本項目基于變壓器的局部放電、鐵芯接地電流和套管介質損耗的測量，建立了一套設備狀態監測和評估系統。

一、系統總體設計

隨著信息和計算機網絡技術的發展，在以往單機監測診斷系統和分布式監測與故障診斷系統基礎上，設備遠程監測與分析系統的研究受到了國內外研究者的密切關注和重視，[6]國家電網公司相關導則也就此提出了建議性通訊規約方案。[7]因此本系統建立了基于網絡通訊的電力設備遠程監測分析及狀態檢修管理系統。總體架構分為兩個部分，即變壓器絕緣綜合在線監測系統和設備狀態評估系統，如圖1所示。變壓器絕緣綜合在線監測系統安裝在變電站內，通過數據同步把數據上傳到信通中心的WEB服務器上（采用I2數據接口），設備狀態評估系統也安裝在WEB服務器中，內部用戶可以上網查詢變壓器的相關監測數據和診斷結果。

二、變壓器綜合在線監測系統簡介

變壓器綜合在線監測系統包括其局部放電、鐵芯接地電流和套管介質損耗的測量，總體結構如圖2所示。

局部放電測試采用脈沖電流法或者超高頻法，前者從變壓器高壓側套管末屏接地線與高壓套管底部用羅高夫斯基線圈耦合局部放電信號，同時采取極性鑒別、開相位等方法濾除各種不同類型的干擾信號，獲得真實有效的變壓器內部局部放電信息；后者采用法蘭安裝的內置式UHF傳感器（頻帶范圍300MHz～1.5GHz）。UHF傳感器與變壓器本體進行一體化設計，由變壓器廠家在變壓器本體上選擇適當位置安裝（一般采用一個或者三個傳感器，安裝在放油閥處、人孔手孔處）。傳感器采集到變壓器內部局放信息后傳輸至信號調理單元中，經過選通放大后由高速數據采集單元采集，再計算處理，生成各類局放譜圖、報表。

套管介質損耗測試采用的是高靈敏度電流傳感器線圈，其穿心套裝在高壓套管的末屏接地線上獲取電流信號；另一方面用高靈敏度的電壓互感器將PT（變電站的電壓互感器）輸入的大電壓信號轉變為5V的小電壓信號，實現輸入輸出地線的隔離，并獲取電壓信號。輸入的電壓電流信號經多路開關后，進行放大和濾波，最后由采集芯片進行A/D轉換和數據采集。相比一般的過零相位差比較法，本系統的核心之一為tanδ的相關分析計算算法。當采樣頻率與電網信號頻率不同步時，用有限時間離散相關法計算電容型設備的tanδ會產生較大的誤差，其主要原因是未能在整周期區間內準確積分。因此本項目采用了插值的方法修正積分區間，用梯形積分方法代替矩形積分，采用優化的采樣頻率和采樣點數來提高計算精度。仿真實驗表明經過修正的方法對電網頻率波動有較強的抑制能力，能明顯減少計算誤差。

鐵芯接地電流選擇具有較高磁導率的硅鋼片做電流傳感器的磁芯，其具有較低的損耗和矯頑力，可使傳感器二次側輸出電流信號波形不發生畸變，也可使信號中的相位誤差較小，其測得的信號經放大和濾波后由采集卡進行采集。在系統工作站中對信號處理計算，生成發展趨勢圖。

整個系統利用虛擬儀器技術，采用PC-DAQ（微機數據采集）結構，用Labview編程實現各種功能。通過軟件設置能按時進行自動監測，也可由人工實時啟動或關閉，實現采集控制和數據傳輸。

二、設備狀態評估系統

1.總體結構

設備狀態評估系統的總體架構見示意圖3。

現場監測設備指的是在線監測子系統，如變壓器套管介質損耗和電容量在線監測系統等。現場數據通訊管理服務器負責將各個在線監測子系統的數據實時同步到中心數據庫。該服務器運行數據集成同步服務程序。數據庫服務器是在線數據管理平臺的數據中心，負責存儲從各在線監測子系統集成同步的數據及其他管理中用到的數據，也是Web服務器的后臺數據中心。Web服務器是基于廣域網的變電站遠程分析管理系統的網站服務器，負責處理用戶的請求，實現用戶需要的業務邏輯。用戶通過局域網或Internet訪問Web服務器，完成錄入數據、查詢數據、查詢趨勢圖、譜圖、設置參數等管理任務。

2.組成部分簡介

（1）系統數據和用戶權限。為了達到集中統一管理的目的，本系統對所有涉及的監測對象進行統一管理。邏輯設備的管理就是對系統中的被檢測對象實現集中和統一管理，記錄被檢測對象的以下信息：所屬的公司、變電站、名稱、編號、狀態、是否是某個具體的設備、邏輯設備的電壓等級、相序、監測項目等。

本系統對用戶采取了基于角色的權限管理機制，應用windows組管理模式，用戶屬于不同的組（角色）。只有經過角色授權的用戶才能夠使用本系統，不同的用戶具有不同的權限。

（2）測試數據管理。這部分可以設置整個系統正常運行需要的參數，例如電壓等級、相序、監測項目、數據同步時間等，還可以設置實時報警信息等參數。

變壓器綜合監測得到的局部放電數據、套管介損數據、變壓器鐵芯電流可以用報表、趨勢圖或譜圖三種方式進行查詢。報表查詢方式見圖4。用戶通過此頁面可以按公司、變電站、設備、時間等任意查詢全部符合要求的監測數據。

同報表的查詢方式一樣，用戶可以按設備名稱、時間等查詢數據在一段時間內的變化趨勢。圖5是項目變電站1#主變的局部放電在一段時間內的變化趨勢圖，這種方式觀察數據更為直觀。

局部放電等數據、譜圖查詢和分析方式見圖6，用戶可以查詢某次局部放電的譜圖，即三維（N-Q-φ）圖、二維（Q-Φ、N-Φ、N-Q）圖，借助譜圖對局部放電進行分析。

（3）模塊管理。本系統具有無限擴展功能，利用模塊管理可以方便添加新模塊、禁用某個模塊等。這意味著不僅僅是變壓器局部放電、套管介損的在線監測的數據可以被處理，進而系統自動評估變壓器的絕緣健康狀況，原有變壓器油中溶解氣體監測數據、繞組熱點溫度等監測數據也可以通過數據接口或I/O接口被采集到該系統中，從而由專家系統進行全面分析和診斷變壓器的健康狀況。另外，變電站中新增其他設備或其他參數的監測數據，如避雷器監測等。本系統也可以方便地擴展其應用，把原有和新增的一些參數統一納入本系統的管理，方便用戶進行集中管理在線監測數據的工作。

（4）數據同步和其他。如果在電廠、變電站中有其他設備制造商提供的狀態監測數據，數據格式可能會不一致，則需要將各個廠家數據集中到中心數據庫中，由后臺服務程序實時或按照用戶的設定的時間間隔自動完成。本系統可定期對數據進行備份，也可手動在web頁面遠程操作。

除此之外，系統還有日志記錄和在線幫助等，給用戶提供查詢和操作幫助。

3.軟件特點

軟件系統采用基于微軟.NET平臺面向對象的多層分布式技術，采用基于Web的B/S程序體系結構。在多層架構下，應用程序可以分布在不同的系統平臺上，通過分布式技術實現異構平臺之間對象的相互通信，可以極大提高系統的擴充性，方便系統的開發和維護升級。編程語言采用微軟新推出的專門用于.NET Framework的編程語言C#，其具有適應性強、與微軟數據庫產品SQL server集成度高、發展前景好等特點。

后臺數據庫采用的是Microsoft SQL Server 2005，它具有與Windows操作系統兼用型好、使用簡單的特點，并且可以和.NET框架無縫結合。編程中很好地應用了函數、視圖、存儲過程、觸發器等技術，實現了大批量數據的導入和導出。另外，本系統利用Teechart圖表控件完美地生成了趨勢圖和譜圖等動態圖表，運用了XHTML、JavaSc ript、CSS和AJAX等構建現代大型商業網站的常用技術，構建出了美觀、靈活、響應速度快的應用程序。

三、結語

該變壓器絕緣綜合在線監測和設備評估系統已安裝于某220kV變電站，目前系統運行狀況良好。該系統能把變壓器測得的局部放電量、套管介質損耗因數、鐵芯接地電流三方面的測量值分別做成趨勢圖，進行綜合分析，為設備狀態檢修等提供基本數據，為診斷絕緣缺陷和設備故障提供可靠的依據，做到早期預警。系統還可以擴展其他監測參數，為提高變電站自動化控制水平和運行管理水平、保障電網的安全穩定運行起到促進作用。通過近一年時間的運行，系統穩定性已經得到了檢驗，并且積累了監測數據。隨著智能電網技術的發展，用戶對變電設備在線監測技術提出了更高的要求，以后還需進一步提高和完善智能在線診斷設備的采集精度、可靠行、通訊能力以及專家診斷系統等相關技術，以便為將來能夠真正實現狀態維修、服務智能電網的發展打下基礎。

參考文獻：

[1]王昌長，李福祺，高勝友.電力設備的在線監測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，2006：291.

[2]成永紅，陳玉，孟永鵬，等.變電站電力設備絕緣綜合在線監測系統的開發[J].高電壓技術，2007，（8）：61-65.

[3]梁甲文.電氣設備的絕緣在線監測與狀態檢修[D].濟南：山東大學，2005.

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[5]關根志，賀景亮.電氣設備的絕緣在線監測與狀態維修[J].中國電力，2000，33（3）：46-50.

[6]白維，曾成碧，王濤.高壓電氣設備絕緣在線監測的研究[J].中國測試技術，2006，32（1）：64-66，122.

[7]變電設備在線監測系統技術導則[S].北京：中國電力出版社，

2010.

（責任編輯：王祝萍）