換流站設備狀態多方面管理及遠程管控系統設計

全曉方，黃松強，黃繁朝

(中國南方電網有限責任公司 超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006)

換流站在整個電網系統中扮演著重要的角色，其設備狀態一旦出現異常，且未及時發現處理，那么將會給電網運行帶來嚴重的危害[1-5]。加之換流站需要管控的設備眾多，若仍沿用傳統的監測管控系統對其進行管理，很難確保換流站設備的正常運行，同時量化的監測量也會制約管控維護效率[6-10]。因此，本文將對換流站設備多方面管理及遠程管控系統進行設計，以提高換流站設備管控監測的效率及精度，確保換流站設備運行的可靠性，進而保障電網運行的魯棒性。

1 模塊原理分析

1.1 油色譜遠程管控模塊原理分析

色譜傳感器是實現油色譜遠程管控系統的關鍵設備，負責信號的采集工作。當換流站變壓器出現故障時，對應的特征氣體會發生一定的改變，這是故障等級不通過導致的。例如：當一般性過熱故障時，總烴含量較高，且C2H2<5 μL/L；而若嚴重性熱故障發生時，總烴含量高，且C2H2>5 μL/L，但并不是造成烴含量過高的主要源頭，此時的H2含量較高；當出現局部放電現象時，總烴含量不高，但H2>100 μL/L，CH4成為烴主要的“供應商”；當出現火花放電現象時，總烴不高，C2H2>10 μL/L，此時的H2含量較高；當出現電弧放電時，總烴高，C2H2高，但并不是造成烴含量過高的主要源頭，此時的含量會處于較高的狀態。油色譜遠程管控系統運行期間，通過監測這些特征氣體的含量便能實現對換流站變電站實時遠程管控。具體而言，油色譜遠程管控系統首先會在換流站變壓器中獲取油樣，而后在強制循環裝置的作用下，抽取到的油會來到分離裝置中，由分離裝置將樣本油進行分離處理，以獲取油中的特征氣體。具體原理如圖1所示。

圖1 油色譜遠程管控模塊原理Fig.1 Schematic diagram of remote control module for oil chromatography

1.2 SF6氣體遠程管控模塊原理分析

對換流站設備狀態多方面管理及遠程管控系統而言，需要通過SF6充氣設備采集得到SF6氣體濕度、壓力以及溫度這3個特征量，而后根據這3個特征量的情況給出相應的遠程管控方案。通常，自封閉充氣閥門處于密閉狀態，能夠提供微水含量的檢測與充氣功能，當將專用接口安裝在自封閉充氣閥門上時，打開頂針，氣體會通過專用接口自然導出，為獲得所需的特征量，還需在專用接口處加裝1個三通，一頭連接氣室，一頭連接SF6氣遠程管控裝置，另一頭封閉，為氣室微水的監測提供渠道。SF6氣體遠程管控模塊具體原理如圖2所示。可以發現，采樣得到的SF6氣體會經過3道不同工序處理。其中，第1道工序需要經過露點變送器測量，以獲得SF6氣體的濕度程度。第2道工序需要經過壓力傳送器測量，以得到氣室的壓力情況。第3道工序需要借助溫度傳感器來完成，以獲取氣室的溫度情況。在得到所需的特征變量后，會將這些特征變量轉換成電信號，而后經過A/D轉換處理形成數字信號，并傳輸至單片機中，依照20 ℃的標準對不同溫度下氣室的微水值進行轉換，最后借助RS-485總線將這些標準值傳輸至IED處理單元中，從而形成1條完整的數據傳輸鏈。若運行設備的滅弧氣室微水值≥300×10-6，且其余氣室微水值≥500×10-6時，那么便可斷定設備內部已存在受潮現象，絕緣性能會受到一定干擾，需要換氣處理。若壓力小于額定壓力時，那么設備可能存在SF6氣體泄漏現象，需要及時補氣，使壓力保持在額定壓力范圍之內，同時還需進一步開展檢漏操作，避免氣體泄漏事故的發生。

圖2 SF6氣體遠程管控監測模塊原理Fig.2 Principle of SF6 gas remote control and monitoring module

1.3 電氣絕緣遠程管控模塊原理分析

通常，電氣絕緣監測模塊監測換流站設備時，會借助三相傳感器對信號線路進行模擬，并測量出電壓信號與電流信號的幅值與相位差。該模塊主要由I/V電路、放大電路、濾波電路以及單片機等部分構成。其中，利用單片機補償激磁電流，已成為解決傳感器測量誤差的根本途徑。電氣絕緣遠程管控模塊具體原理如圖3所示。

圖3 電氣絕緣遠程管控模塊原理Fig.3 Principle of electrical insulation remote control module

一般來說，I/V電路提供的電流會保持在4～20 mA，當電流信號傳輸至零磁通傳感器后，需要經過2次變比調節，確保輸出電流的合理性。其次，當電流傳輸至I/V電路后，會被進一步轉換成電壓信號。而后電壓信號會傳輸至放大電路中進行放大處理，以確保模擬信號值能夠順利通過A/D電路。最后，由低通濾波器剔除信號中的干擾因素(高頻諧波)，以保障信號傳輸質量。從圖3可以看出，模擬信號流入A/D電路后，會對信號進行模數轉換，使其轉換成數字信號，而后傳輸至DSP信號處理器中進行傅里葉變換，以獲取檢測信號的幅值與相位信息。接著將得到的結果傳輸至單片機中進行處理，而后通過對模擬回路生成激磁電流，并傳輸至二次抗組回路中，確保零磁通互感器的有源補償，增強傳感器的魯棒性與測量精度。最后，在單片機的作用下，數據將沿RS-485總線傳輸至IED中。

2 系統架構及功能設計

2.1 系統架構設計

總體架構包括站控層、間隔層、數據層。其中，站控層負責向用戶展示業務操作界面，供用戶按需使用；間隔層負責系統中不同邏輯層間的信息交互；數據層負責對被遠程管控的實體進行創建、管理以及協調工作。總體架構如圖4所示。

圖4 總體架構Fig.4 Overall architecture

2.2 系統功能設計

換流站設備多方面管理及遠程控制系統的正常運行離不開軟件與硬件的相互配合。該系統涉及到的軟件主要有3種：①IED控制單元軟件；②檢測單元軟件；③站控層軟件。在服務器的幫助下，用戶能夠實時管控設備的狀態情況，一旦發現問題可及時進行管控處理。此處，運用3層體系結構思維對換流站多方面管理及遠程控制系統進行設計。因此該系統可分割成3個階層：站控層、間隔層、數據層。其中，通過站控層能夠對設備進行實時檢測、狀態展示以及綜合分析等多項功能；通過間隔層可實現客戶層對數據指令的接發功能；通過數據層可實現數據的實時采集與傳輸功能，換流站設備狀態多方面管理及管控系統可根據實際需要，對報警閾值、邏輯規則以及數據刷新時間等參數進行合理調整，在結束相應調整工作后，便可對所需管控的設備進行實時檢測，根據檢測的數據判斷設備的運行狀態，并根據狀態對檢測設備進行科學、合理的管控。系統頂層數據流情況如圖5所示。

圖5 系統頂層數據流情況Fig.5 Data flow at top level of system

3 客戶端軟件系統功能模塊設計

3.1 換流站設備監測管控模塊設計

通過設備檢測管控模塊的設計，可將換流站設備監測得到的平面圖展示到系統界面中，當用戶點擊系統首頁平面圖時，便能清楚了解換流站設備區域，如交流濾波場區域、直流場區域以及主變區域等。每個設備區域都會附有相應的電氣設備主線圖，用戶通過查閱這類主線圖可直觀了解到電氣設備相關參數情況以及運行狀態情況。通過該功能模塊的設計，旨在為用戶查閱換流站設備信息和異常設備位置的確定提供便利，該模塊具體設計流程如圖6所示。

圖6 設備監測管控模塊設計流程Fig.6 Design process of equipment monitoring and control module

可以看出，工作人員登入設備檢測管控界面后，若想了解目標設備區域相關信息，便可將該指令發送到系統當中，系統接收到工作人員發出的指令后，自主對目標設備區域的通信狀態進行檢測，若通信正常，那么系統會將該區域的相關數據集主線圖展現到系統界面中，由工作人員進行查閱。若不正常，則會自主報警，由相應人員跟進處理。

3.2 實時展示模塊的設計

通過實時展示模塊的設計，可將換流站中所有設備監測得到的數據直觀展示出來，如交流濾波場、換流變以及直流場等。用戶通過查閱表格的方式了解設備檢測情況，如換流變的SF6氣體、油色譜以及油溫等指標。該模塊具體設計流程如圖7所示。

圖7 實時展示模塊設計流程Fig.7 Real-time display module design process

可以看出，后臺軟件采集數據指令傳輸至IED單元中時，IED單元會對檢測模塊的IP地址進行掃描處理，若通信不存在異常時，IED會發出采集信號指令，而后由檢測模塊調度各類傳感器等收集轉換相關信號，如濕度傳感器、零磁通傳感器以及單片機等，將最后完善的信號傳輸至IED單元中，由IED單元存儲與讀取。

3.3 報表統計模塊設計

通過報表統計模塊的設計，可為用戶提供查詢區域設備監測數據的功能，如主變區域數據、35 kV設備區域數據以及交流GIS室區域數據等。這類數據需要通過報表的方式進行統計，用戶只需在系統界面選定檢測設備名稱和日期，便能得到設備的月報表或日報表，同時用戶可以Excel文件的方式導出所需的報表，為后續擴展操作提供條件。當用戶成功登錄該功能模塊界面后，首先，對設備報表信息進行查看；其次，查看所有設備的運行數據情況；最后，選擇導出所需的記錄信息。

3.4 綜合分析模塊設計

綜合分析模塊可分割成2個子模塊：①查詢數據模塊；②數據清空模塊。通過該模塊功能的設計，旨在獲取不同監測類型的監測量，如直流場、高抗、主變以及換流變等。當于運維人員通過點擊“查詢”按鍵時，系統會彈出相應的趨勢曲線，為用戶判斷設備運行狀態提供便利，若需要該趨勢曲線時，可點擊“導出”按鍵，若不需要附帶報表則可點擊“清空”按鍵。綜合分析模塊設計流程如圖8所示。

圖8 綜合分析模塊設計流程Fig.8 Integrated analysis module design process

可以看出，運維人員進入分析界面后會根據所需發送查詢指令，系統在接收到指令后便會自主生成數據曲線和對應列表，供運維人員查看分析。

3.5 報警模塊設計

報警功能模塊設計主要可分為3個步驟：①通過實時調度的方式從數據庫中獲取所有設備監測數據，與系統設定的報警限值進行比對，若監測數據在限定值范圍之內，那么則可調度其他設備數據進行比對。②若數據超過了系統設定的限值時，那么系統則會自主報警。③由運維人員管控處理，而后將這類異常進行存檔處理，便于后續查看。

3.6 系統配置模塊設計

系統配置模塊可分割成2大子模塊：①權限管理模塊；②限值管理模塊。其中，權限管理模塊又可分為資源管理模塊、組織管理模塊以及權限分配模塊。具體細分此處便不再贅述，在組織管理模塊中，本文以新增信息為例，進行了流程設計，具體如圖9所示。用戶進入系統界面后，可根據所需發出新增指令，如新增部門、用戶等，而后進行信息填寫，當信息填寫確認無誤后，系統便會存儲用戶新增信息。

圖9 組織管理新增信息設計流程Fig.9 Organize and manage new information design process

4 性能測試及其現場應用

4.1 性能測試

在設計研究中，換流站設備狀態多方面管理及遠程管控系統采用了B/S結構模式進行設計，故系統性能必須進行測試。因為該系統只在1臺主機上使用，登錄的用戶也僅此1個，所以，無需對用戶訪問性能進行測試。加之換流站存在各式各樣的設備，監測點眾多，同時也存在具有實時性的檢測模塊，所以并發的訪問量會出現倍增的現象，給系統運行帶來壓力，故需要對系統進行相應的測試，如壓力測試、負載強度測試等。此外，若還需進一步評估系統的運行情況，可從CPU運行情況、數據庫使用情況以及Memory的使用情況等多方面著手深入。該系統存在同時監測換流站中400臺設備和5 000個電氣量時，其非功能性核心指標設定有：①系統登錄響應時間需要保持在2 s以內；②監測頁面訪問平均時長需要保持在3 s以內；③報警平均響應時長不得超過2.1 s；④系統內存占用情況要低于4 GB；⑤執行相應操作業務平均時長需要保持在3 s以內。此時，運用該系統對換流站中的設備進行3次監測管控，每次監測管控的設備數量和檢測量均有所不同，第1次監測管控的設備為400臺，對應的監測數量為7 000個，第2次監測管控的設備為600臺，對應的監測數量為12 000個，第3次檢測管控的設備為800臺，對應的監測數量為32 000個。在系統這3次監測管控下，監測頁面訪問性能、系統登錄性能、查詢報表性能、新增設備性能、報警反應時間性能測試情況見表1，用戶性能情況見表2。

綜合上文換流站設備狀態多方面管理及管控系統功能模塊的設計分析可知，設備監測管控模塊可顯示換流站各設備的主接線圖和區域模型圖，以供用戶的觀察；實時展示模塊可為用戶提供換流站各設備的監測參數，以通過對監測參數的分析，明確設備運行狀態；報表統計模塊可對監測量數據進行系統性的統計，為用戶預覽調用提供便利；綜合分析模塊可生成相應的數據曲線，以便用戶進行趨勢分析；報警模塊可為用戶提供以往報警記錄的查詢通道，同時具備實時性的報警功能，以便用戶對換流站設備故障的及時處理管控；系統配置模塊可賦予系統信息維護、新增刪減以及設置修改等功能，便于用戶的按需操作。可見，系統功能較為齊全，能夠基本滿足實際所需。從表1和表2可以看出，雖然檢測設備數量不斷攀升，但是系統反應速度、CPU運行情況、數據庫情況以及應用服務情況基本處于正常狀態，不會對該系統的魯棒性造成太大的影響。此外，雖然后期存在擴建的可能，但電氣一次設備總量不會高于800臺，檢測量不會大于32 000個，因此該系統的響應速度能夠滿足實際所需。

表1 換流站設備狀態多方面管理及遠程管控系統的總體測試情況Tab.1 Overall test of multi-aspect management and remote control system of converter station equipment state

表2 用戶性能測試情況Tab.2 User performance tests

4.2 現場應用

通過對系統性能的測試發現，本文設計的系統功能具有多樣性的特點，能夠滿足實際應用的需要。為了進一步檢驗本文系統設計的可行性，在某換流站中進行了實際應用，即對24個GIS氣室中的SF6微水含量進行了在線監測和離線監測。其中，使用SF6全分析儀試驗設備完成SF6微水含量的離線監測，且抽樣開關氣室12個，微水值應不高于150×10-6，其他氣室15個，微水值應不高于250×10-6。監測得到的結果見表3。

從表3中可以看出，本文系統在線監測得到的微水值與利用SF6全分析儀監測得到的離線微水值間的誤差低于10%，肯定了本文設計得到的換流站設備狀態多方面管理及遠程管控系統在實際監測中的可行性，能夠滿足實際微水在線檢測要求。

表3 GIS氣室SF6微水含量監測結果Tab.3 GIS air cell SF6 micro water content monitoring results

5 結語

總體而言，本文首先對換流站油色譜、SF6氣體以及電氣絕緣模塊原理進行了分析，得到了換流站設備運行狀態可通過特征氣體的特點進行判斷結論。其次，給出換流站設備狀態多方面管理及遠程控制系統基本架構，同時對該系統多個功能模塊進行了設計，如設備監測管控模塊、實時展示模塊以及報表統計模塊等。最后，對換流站設備狀態多方面管理及遠程管控系統性能進行了測試，明確了本文系統功能具有多樣性的特點。同時，還對該系進行了實際應用，最終結果指出，在線監測微水值與離線監測微水值間的誤差小于10%，肯定了本系統具有較強的魯棒性。