變電站絕緣在線監測系統的集成應用及設計

張 鵬

（廣東電網公司中山供電局，廣東 中山 528400）

0 引 言

為從各渠道獲取電力設備的狀態特征，結合近十年來國內電力設備在線監測技術的開發和應用，設計出一套完整的變電站絕緣在線監測系統。該系統采用分層分布式結構，由就地監測層、站端控制層和遠方監控與數據采集管理層3 大部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1 變電站絕緣在線監測系統結構圖

1 就地監測層

就地監測層設備采用一體化設計思路，將信號處理單元、傳感器、設備電源等一體化封裝，通過結構上的多層交叉屏蔽設計，確保類似于泄露電流等微弱信號能夠以模擬信號的方式實現最短距離的傳輸[1-2]。將模擬信號就地處理成數字信號后，上送站端監控單元進行介損、阻性電流、容性電流等參數的計算。采用美國TI 公司32 位DSP 運算和RS-485 的數字傳輸，選用4 800 的波特率，結合其誤碼率低、抗干擾性強的特點再搭配“看門狗”技術，可有效避免采樣和傳輸引起的數據丟失、失真、擾動、衰減等因素帶來的測量精度問題，確保在變電站電磁干擾環境下裝置可靠運行。設備的監測對象和參數如下。

1.1 系統電壓

監測各個電壓等級的母線電壓，為計算絕緣參數提供電壓數據。主要監測參數包括系統的三相電壓、諧波電壓（3、5、7、9 次）以及系統頻率。

1.2 容性設備

對于容性設備，通過高精度傳感器測出設備末屏電流的幅度、相位以及與參考源的相位差，測得系統電壓的幅度、相位以及與參考源的相位差。通過這兩個信號的幅度和相位差計算容性設備的泄漏電流、電容及介損。可采用高磁導率玻-鏌合金制成的傳感器，在幅值和相位傳遞上具有很小的失真率，幅值傳遞精度可以達到0.1%，相位傳遞誤差可控制在1 分以內，使得泄漏電流、介質損耗因數的測量精度得到可靠保證，同時對泄漏電流的采樣通過帶高精度、低溫漂、低失真的一匝穿心式CT 的就地監測單元。主要監測參數包括末屏電流、介質損耗以及等值電容。

1.3 氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器在運行過程中的主要電流為容性電流，阻性電流占比很小。當發生閥片老化、器身受潮、內部絕緣損壞或表面污穢嚴重時，容性電流的變化不多，阻性電流卻會大大增加。因此，在線監測其交流全電流和有功分量能夠正確反映出避雷器的絕緣狀態。主要監測參數包括全電流、阻性電流以及阻容比。

1.4 變壓器鐵芯

大型變壓器鐵芯要求一點接地，正常運行時地線中只流過很小的各繞組對鐵芯的寄生電容電流。若鐵芯有兩點或多點接地，則接地點間形成閉合回路，因交鏈磁通而形成較大環流。該電流會引起局部過熱，導致油分解、燒壞鐵芯等，威脅變壓器的正常運行。主要監測參數為鐵芯接地電流。

1.5 變壓器套管

在變壓器三相套管內置傳感器，通過在線監測介損值，并采用傅立葉變換數字濾波技術，實現全自動智能化測量方法診斷套管絕緣狀態，實時準確監測套管的電容量和介損值的變化。主要監測參數為主變套管介損值。

1.6 設備環境

對高壓設備現場運行環境的監測有助于綜合判斷絕緣狀況，提高狀態診斷的準確性。由監測單元組成的污穢在線監測系統，通過監測污穢電流和環境溫濕度可以有效監測變電站現場污穢情況，對嚴重污穢情況進行預警，指導運行部門安排戶外一次設備的清洗、清掃工作，避免污閃等事故的發生。主要監測參數包括環境溫度、環境濕度以及瓷裙表面污穢電流[3]。

1.7 電力電纜

35 kV 及以上電壓等級的電力電纜主要是單芯結構。電纜正常運行時，電纜金屬護套感應電流值很小；電纜出現多點接地時，金屬護套環流值變得很大，利用環流法實現在線監測電纜運行狀況。通過在電纜金屬護套上加裝傳感器獲取數據，由基于DSP 芯片TMS320LF2407 和簡單的外圍接口電路實現，完成電力電纜護套環流的數據采集、數據的串行傳輸與發送。主要監測參數為電纜護套環流。

1.8 氣體絕緣組合電器（GIS）

在現場GIS 設備布置外置的天線傳感器，且達到寬頻帶天線范圍。根據GIS 局部放電超高頻檢測中的周期性窄帶干擾和白噪干擾的特點，采用復小波變換技術對采集的超高頻局部放電信號進行去噪信息，實現對GIS 設備的局放信號的監測。主要監測參數為局放信號[4]。

2 站端控制層

站端的中心模塊按嵌入式PC 智能技術開發，負責對變電站全部就地智能監測模塊的測量與控制、數據采集和通信管理，能實時把監測結果以城域網傳輸到遠方監控與數據管理系統，并將報警信號上送至地方調度主站。采用的嵌入式工業控制計算機在設計上應遵循工業級的設計標準，必須具備較高的穩定性和可靠性。為滿足現場多線程的需求，在原來RS-485 的驅動能力上應予以優化。采用的標準C/C++模型設計規范，針對每種監測設備對象均遵循標準C/C++的規范建模，實現各監測對象的標準化模型發布，且設備模塊可實時修改。

站端控制層需具備硬接點和軟報文報警。硬接點報警可為一次設備數據越限信息報警和監測設備自身狀態報警，可設置各設備的參數、告警定值等，可在報警窗口查詢報警信息和相對應的告警報文，具備數據接口擴展和延伸等功能，為以后新擴建的多間隔、多設備的整合提供方便。

3 遠方監控與數據采集管理層

遠方管理層的主要功能是監控各站站端中心管理單元的運行，控制和管理各監測模塊并收集在線監測的數據，整合優化相關數據，實現電力設備狀態的遠程在線監測、診斷和預警，方便設備部門制定維護和檢修策略。該系統具備充分的延展性和持續性，可建立針對轄區下的所有變電站的絕緣在線監測，對單臺服務器在設計上可滿足256 個站點的接入，且在接入方式上具有即接即用的特點。系統具備數據管理、歷史數據庫、對象訪問控制、實時數據和歷史數據的查詢比對、實時趨勢和歷史趨勢曲線、設備參數設置以及告警定值設定等功能。

另外，在變電站絕緣在線監測系統的集成和開發過程中，必須注意到系統的協調與優化這一重要技術問題，妥善做好系統調試、維護和驗收工作，避免監測平臺建立并運行相應的監控軟件后各類數據的傳輸、保真及運行速度等與設計相差甚遠的情況發生[5-6]。

4 結 論

結合近年來國內在線監測技術的發展和應用，探討變電站絕緣在線監測系統實現的設計思路和技術方法。基于目前變電站在線監測系統在我國已有多年的發展，各類監測技術也日臻成熟、完善，如能系統性地開發和整合，設計出一套成熟有效的電力在線監測系統，相信對變電站在預防事故和減少停電等方面均能發揮應有的作用，有效提升變電站電力設備的可用率、電網系統的可靠性和設備維護部門的工作效率，為電力安全保駕護航。