變壓器智能化應用實例探討

趙 立 田子九

（西安西電變壓器有限責任公司，西安 710077）

鑒于智能變電站技術難度高，涉及復雜的設備環節，變電站智能化的趨勢也日漸突出，筆者在此對智能化電站其中一種解決方案和應用實例進行介紹，以方便大家了解和探討。

西安供電局戶縣330kV 新盛變電站是國家電網公司2010年第二批智能電網建設項目之一。本期規模為：安裝360MV 安主變壓器兩臺，330kV 出線4回、110kV 出線11 回。該變電站采用大量的智能設備，不但可以自動完成采集信息、控制、保護、計量和監測等基本功能，還可支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能，并實現與相鄰變電站的互動。

戶縣OSFSZ-360000/330kV 變壓器是西電變壓器公司為陜西省電力公司生產的首臺330kV 電壓等級超高壓智能變壓器，是繼延安站ODFPS-700000/ 750kV 超高壓智能變壓器后生產的又一批超高壓智能變壓器產品。

作為我國首座330kV 智能電站，也是國內首座全面實現變電站“狀態可視化、操作程序化、檢修狀態化、運行智能化”的330kV 智能變電站。西安供電局戶縣新盛變電站在2012年6月中旬完工投運。

1 變壓器智能組件介紹

依據常見的變壓器智能化示意圖（圖1），變壓器智能組件包括測量、控制和在線監測等基本功能。在某些工程中，還包括了同間隔電子式互感器合并單元、測控、保護等擴展功能。

在具體工程實際中，一般由多個獨立功能設備來實現變壓器智能組件監測的功能，這些功能模塊主要有：

1）套管監測裝置：監測變壓器套管介損，采集套管泄漏電流、阻性電流等。

圖1 變壓器智能組件的組成

2）局放監測裝置：采用超聲波和特高頻法監測變壓器內部局部放電現象，并定量和定性分析局部放電類型、位置等。局部放電測量被證明是一個有效的，對電氣絕緣無損害的評估方法，通過探測絕緣問題在可能引起絕緣擊穿之前避免損失相當大的未計劃停電。本工程中使用ICM 監視器，可以連續監測高壓和中壓絕緣。它使用套管的電容抽頭，通過電壓傳感器盒以及同軸電纜與套管的測量抽頭連接。此抽頭也用于電壓和套管電容的監測（電壓傳感器適配器）。關于ICM 監視器，將另文介紹，此處不在贅述。

3）油色譜監測裝置：在變壓器不停電條件下監測變壓器油中氣體，包括 H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO2、H2O 等。

4）非電量保護：根據非電量信號完成對變壓器的保護，采用電纜直采直跳方式，匯集在變壓器本體端子箱中，然后轉接至智能組件柜國電南自的PCX 操作箱及輔助裝置。

2 變壓器MS3000 控制柜

變壓器MS3000 控制柜采用Profibus 現場總線技術，傳感器的布線由現場總線裝置完成，將信號轉換為數字信號并轉換成現場總線協議。現場總線裝置由一組電子串聯端子組成，端子的端部是Profibus 耦合器并帶有現場總線接口。Profibus 耦合器最多可以串聯64 個電子端子用于各種信號形式的選擇。當各部件互相鎖住后，電源觸點和各個單獨的串聯端子的內部母線端互相作用，每個單獨的串聯端子均可單獨替換并被安裝在標準的導軌上。傳感器的連接通過彈簧觸點技術直接安裝在串聯端子上。MS3000 控制柜容性套管測量和電壓測量的連接由50Ω 同軸電纜（RG400）完成。套管測量的電壓信號直接傳輸至測量轉換器的BNC 連接。

現場的兩臺 36 萬變壓器本體上分別安裝MS3000 系統的控制箱。本體端子箱提供MS3000控制箱的電源供給。

2.1 變壓器運行狀態在線監測信號的采集

變壓器運行狀態在線監測采集以下信號至MS3000 控制柜：

1）負荷電流、電壓信號。常規互感器通過電纜直采獲取高壓側電流、電壓有效值。

2）頂層油溫。采用PT100 溫度傳感器，頂層油面溫度計2 個，安裝于油箱頂部對角線位置。溫度參量也在變壓器本體上通過表計直接顯示。

3）底層油溫。變壓器底層油PT100 溫度傳感器兩個，安裝于冷卻器框架兩側，對角位置安裝。

4）繞組溫度。采用9 通道光纖繞組測溫監視器LUMA SENSE TECHNOLOGIES 主機，直接測量和顯示各預埋監測點的繞組溫度，傳送4～20mA 繞組溫度信號至變壓器MS3000 控制柜。

5）本體儲油柜油位。本工程中未采用油位計，本體儲油柜打破了傳統儲油柜的油位指示模式，取消了油位計和轉換表。直接通過儲油柜觀測指針位置查看油位高低，直接采集4～20mA 信號對油位進行連續監測。

6）氣體聚集量。氣體繼電器安裝于儲油柜與變壓器本體的連接管道上，對變壓器產生的少量氣體（輕瓦斯）進行監測，提供輕瓦斯報警、重瓦斯跳閘信號，根據需要可采集4～20mA 信號對氣體聚集量進行連續監測。

7）環境溫、濕度。環境溫度采集采用PT100傳感器，濕度越限起動除濕設備。

8）鐵心接地電流。采用穿心式CT，安裝于鐵心接地線上。每臺變壓器上安裝鐵心接地電流傳感器CT 盒。MS3000 控制箱敷設一根電源供應電纜至鐵心接地電流傳感器CT 盒，提供DC24V 電源。每臺變壓器按接線圖從鐵心接地電流傳感器CT 盒將接地電流信號（4～20mA）傳送到MS3000 控制箱。

變壓器MS3000 控制箱采集上述信號并經軟件處理后，通過IEC61850 方式，將變壓器實時運行狀態及告警等信號送入站控層MMS 網。

MS3000 控制柜根據變壓器過載能力數據，并結合環境溫度、高壓側負荷、油溫和繞組溫度，將變壓器的當前最高變送容量數據經過專家診斷系統分析處理，通過智能組件柜送給遠方調度，使得調度可以充分利用變壓器的變送容量，保證變壓器的可靠安全運行，實現變壓器過載能力的優化。

2.2 變壓器冷卻控制功能

變壓器從風冷控制箱內將兩個風扇組的開關狀態信號連接至MS3000 控制箱。變壓器MS3000 控制柜通過電纜直采獲取高壓側負荷電流、電壓信號，再結合實時采集到的變壓器頂層、底層油溫、繞組溫度等信號，軟件評估繞組的熱點溫度，自動逐臺或分段（組）投切相應數量的油泵和風扇，控制智能組件柜中冷卻系統的運行，冷卻系統可在變壓器旁就地手動操作，也可在控制室中通過智能測控裝置遙控操作。

2.3 變壓器有載調壓分接頭控制功能

每臺變壓器上從有載分接開關電動機構敷設電纜連接到MS3000 控制箱，將有載分接開關盤式電阻器上的檔位信號接入MS3000 控制柜。

智能測控裝置通過電纜直采或從站控層獲取變壓器負荷電流、電壓信號，按照設定的調壓控制方式，自動向有載調壓開關控制器發出調節指令，或從站控層獲取遠方遙控命令調節變壓器分接頭檔位。

MS3000 控制柜從有載調壓分接頭開關就地控制器獲取分接頭檔位、調節操作次數、OLTC 異常狀態等信號，這些信號通過IEC61850 發送至站控層網絡。

3 變壓器全面在線監測、診斷和專家診斷系統MS3000（主IED 裝置方案）

本工程變壓器在線監測系統MS3000（以下簡稱MS3000 系統）主IED 裝置需要與變壓器油色譜在線監測裝置廠家接口，故需要與相應第三方供貨廠家協商具體的物理接口、軟件算法處理等技術細節，然后再細化變壓器在線監測主IED 裝置的具體實施方案。系統概況如圖2所示。

圖2 工程系統概況

一般情況下，變壓器在線監測主IED 裝置可選擇配置多個以太網接口板卡或RS485 接口板卡。通過以太網或RS485 串口接收廠家油色譜裝置采樣數據，并根據相關廠家提供的算法完成油色譜在線監測功能。

在本工程中，我們將MS3000 系統 IED 模塊安裝在變壓器智能組件柜中。變壓器油色譜在線監測裝置由第三方提供，兩臺變壓器油色譜分析儀連接至以太網交換機，然后通過一根光纖（ST 頭多模光纖62.5/125μm 或者50/125μm）連接到MS3000 IED模塊背后專門提供的 RJ45 端口。（ 使用IEC60870-104 通信規約將油色譜分析儀信號集成進MS3000 系統）。

變壓器在線監測主IED 支持IEC61850 通信規約，可直接接入數字化變電站站控層MMS 網。我們首先將電站現場提供的專門電話線連接至MS3000 IED 模塊背后的電話端口，電站現場提供的局域網線插入MS3000 IED 模塊背后使用TCP/IP 協約提供的RJ45 端口，供MS3000 網頁可視化。然后使用用戶自備光纖（62.5/125μm 或者50/125μm，1300、1310nm,100Mbit/s 全雙工通信制）插入MS3000 IED 模塊背后光纖端口，然后連接至第三方提供的站用平臺，供MS3000 使用IEC61850 通信規約進行數據傳送。

按照系統結構圖和接線圖，使用MS3000 提供的20m 銅纜將變壓器智能組件柜內MS3000 IED 模塊與組件柜附近變壓器上的MS3000 控制箱進行連接。

按照系統結構圖和接線圖，使用MS3000 提供的100m 銅纜將兩臺變壓器進行相互連接。

4 變壓器智能測控（主變智能組件柜）功能

4.1 變壓器智能組件控制柜GPSIU602-201 功能

本工程通過整合原變壓器的運行狀態在線監測、有載調壓分接頭控制和冷卻系統監視、控制等功能，在智能控制柜上實現上述全部功能。利用采集的變壓器各種運行狀態參數，經過軟件分析和識別，從而實現變壓器智能化。具體情況見圖3智能組件柜功能示意圖。

1）變壓器智能組件控制柜通過IEC61850 通信規約接入數字化變電站的站控層（過程層），實現變電站內數據共享和互操作功能。它還可以通過IEC61850 規約從站控層接收分接頭遠方遙控命令，同時上送分接頭當前檔位、操作次數和異常狀態等信息。

2）本組件控制柜可就地戶外安裝，防護等級為IP55。端子箱和MS3000 控制箱就近安裝在變壓器本體上，方便現場各種傳感器的電纜連接。現場傳感器通過4～20mA、串口或空接點等方式分別接入變壓器端子箱和MS3000 控制箱。

3）本組件控制柜通過交流采樣板卡實時采集風扇和油泵電機的交流電流信號，油流狀態信號以及冷卻裝置的各種自檢信號，上述信號及冷卻裝置異常告警信號通過IEC61850 送到站控層MMS 網。

4）本組件控制柜從站控層（過程層）網絡獲取或直采變壓器負荷電流，油面溫度、繞組溫度等相關信息，經過PSIU602 智能終端處理，就地控制變壓器冷卻系統，并回采和上送冷卻系統的運行狀態。

圖3 智能組件柜功能示意圖

4.2 變壓器智能組件柜技術特點

變壓器智能組件控制柜（智能測控裝置）采用IP55 防護等級，滿足戶外就地安裝要求。變壓器智能控制柜（智能測控裝置）具有如下特點：

1）支持IEC61850 MMS 通信方式，絕對放電電流NQS 等技術參數的設置和可視化可以通過監測系統的可視化網頁界面來完成。

2）采用整體面板、全封閉機箱，強弱電嚴格分開，大大增強抗干擾能力，達到電磁兼容各項標準的最高等級。

3）智能組件柜通過整合變壓器相關運行狀態監視信號，在一臺裝置內完成多個功能，結構緊湊，裝置內數據共享，簡化了其他廠家多裝置接入數據共享繁瑣問題，節約投資。

4）通過結構設計及元器件的嚴格篩選解決了現場高、低溫運行環境影響設備可靠運行的問題。裝置經過嚴酷的高低溫試驗，可在戶外惡劣環境中可靠運行。

5 結論

智能變電站中智能變壓器的應用，是個新興的課題。通過上文所述的幾個方面的介紹，希望能對變壓器的智能化技術應用有一定的普及，以便相關方面的專家和技術人員加速智能變壓器技術的研究和探索。我們相信，隨著智能電網技術的逐步發展和應用，將會有更先進的技術應用在工程實踐中。