GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

許譜名,李 欣,崔建華,李 陽,唐志國

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院,湖南 長沙 410007;2.華北電力大學(xué)電氣與電氣工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

隨著科技水平的不斷提高，變電站逐漸智能化。智能電力設(shè)備是智能變電站的主體部分。氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear,GIS)因其諸多優(yōu)勢，如可靠性高、占地面積小等，在智能變電站中得到了大力推廣[1-3]。長期以來，GIS都享有“免維護(hù)”的美譽(yù)。但現(xiàn)實(shí)生活中，GIS安全事故在國內(nèi)外頻頻出現(xiàn)，其故障率超出了國際指定標(biāo)準(zhǔn)。由于GIS特殊的封裝方式，一旦出現(xiàn)故障，就需要較長的時間進(jìn)行檢修，導(dǎo)致停電時間長、檢測費(fèi)用高、檢修環(huán)節(jié)反復(fù)等問題，嚴(yán)重影響了變電站對用戶的正常供電，造成國民經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。

因此，本文對GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，從其硬件、軟件設(shè)計(jì)著手，逐步探討GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的利弊，設(shè)計(jì)了合理的GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 GIS智能技術(shù)概述

智能GIS是電氣元件，采用氣體絕緣技術(shù)完成電力輸送、監(jiān)督檢測、數(shù)據(jù)共享等任務(wù)[6-10]。智能GIS主要由電氣元件組合和自動化配件組成，在組合后的電器元件上安裝電壓或電流傳感器，而后結(jié)合通信技術(shù)與自動化控制軟件，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測組合電器元件的目的。同時，智能GIS能對設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行判斷，以及時發(fā)現(xiàn)問題。此外，智能GIS可以主動發(fā)出應(yīng)對指令，并根據(jù)指令修正設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的的各種問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實(shí)時監(jiān)測以及自主調(diào)節(jié)。

2 GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

為滿足GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測要求，本文選擇四種具有針對性的傳感器，分別為斷路器機(jī)械特性傳感器、SF6氣體監(jiān)測傳感器、局部放電監(jiān)測傳感器和避雷器電流傳感器。

在對斷路器觸頭的監(jiān)測中，需要計(jì)算開關(guān)的分合閘同期性與時間，以明確斷路器機(jī)械特性。隨著斷路器分合閘的使用，觸頭在主軸轉(zhuǎn)動的帶動下會出現(xiàn)分離現(xiàn)象，展現(xiàn)出動觸頭直線位移與主軸轉(zhuǎn)動角度之間的內(nèi)在關(guān)系。因此，在計(jì)算得到主軸角位移量后，可進(jìn)一步獲取動觸頭的直線位移狀況。同時，在運(yùn)行期間，動觸頭處于高電位，而主軸處于低電位，并沒有與斷路器高壓部分近距離接觸，故不存在高電位隔離問題。綜上所述，本文借助磁致伸縮位移傳感器對斷路器機(jī)械特性進(jìn)行監(jiān)測。該傳感器分辨率為0.01 mm，重復(fù)精度為0.01%，工作溫度為-25～+100 ℃。波導(dǎo)管由磁致伸縮材料制成，且在波導(dǎo)管外部鑲嵌活動磁環(huán)。在測量期間，傳感器會發(fā)出電流脈沖，并沿著波導(dǎo)管內(nèi)部進(jìn)行傳輸。此時，波導(dǎo)管外部會出現(xiàn)一個圓形磁場。當(dāng)活動磁環(huán)與該磁場相交時，波導(dǎo)管內(nèi)部會隨之生成一個應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號。該信號極容易被電子室檢測獲取，為判斷斷路器機(jī)械特性奠定基礎(chǔ)。

在對氣體絕緣組合電器進(jìn)行監(jiān)測的過程中，需要對其微水含量、SF6氣體密度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以避免SF6氣體泄漏或?qū)υO(shè)備造成腐蝕。因此，本文選擇了用于SF6微水密度監(jiān)測的傳感器。該傳感器密度為0～1.00 MPa，壓力為0～1.00 MPa，濕度為-25～+100 ℃，能夠?qū)⒈O(jiān)測得到的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，而后傳輸至處理單元進(jìn)行處理，并經(jīng)RS-485總線處理后傳輸至SF6密度微水監(jiān)測傳感器。同時，該傳感器能夠長期對絕緣組合電器的SF6氣體狀況及微水含量進(jìn)行監(jiān)測，并以趨勢圖的形式展示其動態(tài)變化過程。如果SF6氣體監(jiān)測指標(biāo)出現(xiàn)變動，則這種變化會當(dāng)即顯現(xiàn)在趨勢圖中。如果監(jiān)測指標(biāo)達(dá)到了報(bào)警設(shè)定值，則報(bào)警裝置會自動報(bào)警。如果超過設(shè)定指標(biāo)，則閉鎖裝置會隨之啟動，中斷斷路器的運(yùn)作，以確保變電站系統(tǒng)的安全。

局部放電監(jiān)測傳感器指標(biāo)設(shè)定如下：靈敏度為10 pC；測量范圍為50～1 000 pC；工作帶寬為300～1 000 MHz。同時，該傳感器具備超高頻微帶天線。當(dāng)駐波比低于2時，天線的工作頻帶為540～695 MHz，相對帶寬達(dá)到了24%，屬于寬帶天線。因此，局部放電監(jiān)測傳感器能夠獲取天線正前方不同方向的電磁波。而增益面上各方向增益波動幅度不大，接近于通頻帶內(nèi)的增益波動。

本文選擇的避雷器電流傳感器的泄漏電流為0～5 mA、阻性電流為0～3 mA、最小檢測周期小于等于1 min。具體參數(shù)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)置。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測智能電子設(shè)備設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)測智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)可分為斷路器機(jī)械特性監(jiān)測IED、SF6氣體監(jiān)測IED、局部放電監(jiān)測IED、避雷器電流監(jiān)測IED、工況信息監(jiān)測IED和一體化監(jiān)測主IED這6種。

斷路器機(jī)械特性監(jiān)測IED可安裝在控制室內(nèi)，對斷路器多種機(jī)械特性進(jìn)行監(jiān)測，如行程特性、震動等，同時也能對開斷電流、分合閘線圈電流等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。通過遠(yuǎn)程的方式獲取斷路器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷出斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，能夠?yàn)閿嗦菲鞯倪\(yùn)維提供依據(jù)。

SF6氣體監(jiān)測IED不但能夠長期監(jiān)測GIS電力設(shè)備的微水含量與SF6氣體密度，而且能將其發(fā)展趨勢記錄下來，為后續(xù)運(yùn)維策略的制定提供參考。當(dāng)SF6氣體相關(guān)指標(biāo)發(fā)生變動時，其變動會隨之展現(xiàn)在趨勢圖上。當(dāng)這類指標(biāo)達(dá)到預(yù)定的報(bào)警值時，報(bào)警裝置會主動報(bào)警。當(dāng)這類指標(biāo)超出報(bào)警值時，報(bào)警裝置除了報(bào)警以外，還會采取額外的應(yīng)對措施(斷開斷路器)，確保變電站的用電安全。

局部放電監(jiān)測IED可周期性地對監(jiān)測點(diǎn)的局部放電信號進(jìn)行采樣。采樣周期可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定。最短采樣周期為1 min。通過信號采樣，對監(jiān)測部位的放電次數(shù)、點(diǎn)相位等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理性分析，同時還能對這類數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，存儲時長可超過1年。如有需要，可隨時調(diào)動歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱。

避雷器電流監(jiān)測IED由電壓互感器(potential transformer,PT)電壓采集單元和電流互感器(current transformer,CT)電流采集單元組成。通過PT電壓采集單元，能夠采集到母線的電壓大小與相位情況，從而獲得相應(yīng)的相位差，并計(jì)算出避雷器的阻性電流。而電流采集單元的主要作用是采集泄漏電流的相位和大小。

工況信息監(jiān)測IED能夠監(jiān)測并得到正常的互感器電流信號；同時，通過對信號的預(yù)處理(濾波、放大等)，能夠得到互感電流的真實(shí)信息。在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，該IED接入站控層網(wǎng)絡(luò)，通過文件的方式將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)中。其監(jiān)測周期小于1 min，可根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行合理設(shè)置。

一體化監(jiān)測主IED可根據(jù)上述各IED的監(jiān)測信息，判斷出組合電器運(yùn)行狀況，并參照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，將最終的診斷結(jié)果反饋至終端。此外，該IED還具備全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)和射頻識別(radio frequency identification,RFID)功能，能夠選擇合適的通信接口，完成智能組合電器狀態(tài)的一體化監(jiān)測。

一體化監(jiān)測IED功能如圖1所示。

圖1 一體化監(jiān)測IED功能示意圖

3 GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信息一體化平臺模型的構(gòu)建

在構(gòu)建信息一體化平臺模型期間，需要對建模語言進(jìn)行統(tǒng)一處理，實(shí)現(xiàn)類與對象、類與類之間的聯(lián)系與配合。具體操作步驟如下。

①構(gòu)建信息一體化平臺模型，并檢驗(yàn)相關(guān)參數(shù)是否滿足實(shí)際要求，即判斷是否存在關(guān)于此設(shè)備的模型包。當(dāng)不存在模型包時，需要新建模型包，并確定擴(kuò)展類；當(dāng)存在模型包時，則對該模型包的擴(kuò)展類進(jìn)行確定。

②確認(rèn)模型包中需要擴(kuò)展的新類是否真實(shí)存在。如果真實(shí)存在，則可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)(對其屬性擴(kuò)展問題進(jìn)行考慮)。如果模型包中不存在擴(kuò)展類，那么需要對擴(kuò)展類與已有類之間的關(guān)系進(jìn)行確定，如繼承、聚合等。

③確定擴(kuò)展類與新建類屬性。

④探究擴(kuò)展類屬性的數(shù)據(jù)類型與新建類的數(shù)據(jù)類型是否存在。如果存在，則可調(diào)用這類數(shù)據(jù)類型；反之，則需重新構(gòu)建數(shù)據(jù)類型。

信息一體化平臺構(gòu)建流程如圖2所示。

圖2 信息一體化平臺構(gòu)建流程

3.2 綜合診斷評估模塊的設(shè)計(jì)

綜合診斷評估模塊主要由GIS設(shè)備斷路器狀態(tài)評估模塊、GIS局部放電信號評估模塊、避雷器狀態(tài)監(jiān)測模塊以及智能GIS工況信息監(jiān)測模塊組成。

對GIS設(shè)備斷路器狀態(tài)評估模塊而言，其評估方法有二。①獲取斷路器觸頭行程。②明確分合閘工作特性。

通常，判定GIS設(shè)備SF6氣體的泄漏情況的方法有泄漏率檢測法或閾值比較法。在使用泄漏率檢測法對GIS設(shè)備SF6氣體進(jìn)行檢測時，會將檢測得到的結(jié)果與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。當(dāng)預(yù)設(shè)值大于檢測結(jié)果時，說明GIS設(shè)備出現(xiàn)了SF6氣體泄漏。而在使用閾值比較法對GIS設(shè)備SF6氣體進(jìn)行檢測時，會以兩個相鄰傳感器壓力差的相對變化率作為判定依據(jù)，即當(dāng)預(yù)設(shè)值小于該變化率時，可以認(rèn)為該GIS設(shè)備存在SF6氣體泄漏現(xiàn)象。GIS設(shè)備氣體泄漏診斷方法如圖3所示。同時，具有自我評估功能的SF6微水密度監(jiān)測IED能夠借助過程網(wǎng)絡(luò)，以報(bào)文的方式向用戶提供設(shè)備的狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)程度以及故障模式等信息。當(dāng)評估風(fēng)險(xiǎn)增大2%時，則需向用戶再次發(fā)送報(bào)文。圖3(b)中，當(dāng)Δp≥臨界值時，可判定該位置為故障位置。對GIS局部放電信號評估模塊而言，由局部放電評估分析系統(tǒng)對輸入的工頻信號進(jìn)行處理，而后輸出平均放電量、最大放電量、放電次數(shù)、圖譜等信息。通過獲取信號的輸出情況，可判斷GIS內(nèi)部的絕緣缺陷類型。

圖3 GIS設(shè)備氣體泄漏診斷方法

對避雷器狀態(tài)監(jiān)測模塊而言，借助基波法完成避雷器泄漏電流的測量工作，同時計(jì)算出相應(yīng)的阻性電流，完成避雷器絕緣情況的動態(tài)監(jiān)測。

避雷器絕緣監(jiān)測IED首先會獲取控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)總線電流互感器中的泄漏電流數(shù)據(jù)，其次會收集PT電壓單元電壓互感器中的高次諧波、阻性電流等數(shù)據(jù)，最后對所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比對，以判定避雷器的故障情況。如果發(fā)現(xiàn)存在故障，那么避雷器狀態(tài)監(jiān)測IED會啟動預(yù)警功能，對避雷器的絕緣狀態(tài)實(shí)施在線監(jiān)測。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，依照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施數(shù)據(jù)封裝，并借助以太網(wǎng)將其傳輸至變電站信息一體化平臺中。

避雷器狀態(tài)監(jiān)測如圖4所示。

圖4 避雷器狀態(tài)監(jiān)測示意圖

對智能GIS工況信息監(jiān)測模塊而言，其主要負(fù)責(zé)GIS運(yùn)行工況狀態(tài)參數(shù)的檢測工作。當(dāng)檢測得到的參量值超出了設(shè)定的警戒值時，可判定該變壓器運(yùn)行狀況存在異常現(xiàn)象；同時，這一檢測信息會通過過程網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器中，而后通過報(bào)文的形式將變壓器運(yùn)行的故障模式、故障部位以及風(fēng)險(xiǎn)程度等信息呈現(xiàn)給用戶。

3.3 信息展示與查詢模塊的設(shè)計(jì)

通過信息展示與查詢模塊，用戶可獲得更為直觀的數(shù)據(jù)趨勢情況。信息展示與查詢模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。信息展示與查詢模塊主要由斷路器機(jī)械特性、氣體監(jiān)測參數(shù)、局部放電信息、避雷器狀態(tài)參數(shù)以及工況信息這5個子模塊構(gòu)成。

圖5 信息展示與查詢模塊結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用結(jié)果分析

為檢驗(yàn)GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，本文在A變電站中安裝了在線監(jiān)測裝置，并進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)試工作，包括斷路器機(jī)械特性監(jiān)測調(diào)試、SF6氣體狀態(tài)調(diào)試、局部放電監(jiān)測調(diào)試以及避雷狀態(tài)監(jiān)測調(diào)試。通過這些調(diào)試，檢查IEC 61850通信、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及狀態(tài)評估的正常性，進(jìn)而確保GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果。2020年8月6日，A變電站110 kV GIS設(shè)備3#主變103#電纜倉氣室出現(xiàn)了故障信號(SF6低氣壓報(bào)警)，并將該信號傳輸至后臺終端，由檢修人員跟進(jìn)處理。檢修人員抵達(dá)故障區(qū)域后，發(fā)現(xiàn)電纜倉(G55)氣室密度繼電器壓力值為0.31 MPa，下降趨勢十分明顯。通過外觀檢查與氣體泄漏核查，發(fā)現(xiàn)該回路B相電纜終端絕緣套管底座出現(xiàn)了裂紋，導(dǎo)致氣體泄漏故障的發(fā)生，給該氣室運(yùn)行造成了威脅。

該氣體泄漏故障出現(xiàn)后，檢修人員當(dāng)即將該氣體泄漏原因、故障位置等信息反饋至公司運(yùn)維檢修部。為避免泄漏的進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致變電事故的發(fā)生，2020年8月8日對103#回路采取了臨時停運(yùn)措施，并在檢修分公司的幫助下，完成了三相電纜絕緣套管的更換與相應(yīng)測試工作。

通過研究分析可知，導(dǎo)致此次故障發(fā)生的主要原因如下。①B相電纜在安裝期間，收緊度未合理把控，太過繃緊。②在設(shè)計(jì)期間，沒有將偏離度這一因素考慮在內(nèi)，導(dǎo)致電纜節(jié)距較短。③隨著設(shè)備的不斷運(yùn)行，電纜套管最終無法適應(yīng)熱機(jī)械力的作用，使電纜終端絕緣套管底座出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致氣體泄漏事故的發(fā)生。

本文系統(tǒng)的應(yīng)用為A變電站GIS設(shè)備的正常運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐，可及時、有效掌握GIS設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為避免GIS設(shè)備故障惡化與及時維修創(chuàng)造了有利條件。由此可見，本系統(tǒng)在確保變電站安全運(yùn)行方面具有積極作用。

5 結(jié)論

本文首先對GIS智能技術(shù)進(jìn)行了概述，明確了其功效；其次，對GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，例如傳感器的選擇、狀態(tài)監(jiān)測IED的設(shè)計(jì)、信息一體化平臺模型的構(gòu)建等，為GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)選擇出更為合理的監(jiān)測硬件與軟件；最后，將GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到了A變電站中。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功地在2020年8月6日監(jiān)測到了氣體泄漏故障問題，使檢修人員及時采取了應(yīng)對措施，避免了泄漏事故惡化。該結(jié)果表明了GIS智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和有效性。