超高压变电站状态检测系统方案研究

超高压变电站状态检测系统方案研究

黄󰀁华,李红雷,王󰀁健,董󰀁明

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(1.华东电力试验研究院有限公司,上海󰀁200437;2.华东电力调度中心,上海󰀁200002;

3.西安交通大学,西安󰀁710049)

摘󰀁要:研究探讨了超高压变电站一次主设备状态检测系统的框架方案,详细阐述了其设计原则、状态参数的选用、检测系统的结构和组成。提出了通过对离线试验、带电检测和在线监测三种数据的集成管理,借助适用的网络通信平台,组成数据采集层、变电站状态分析系统和远方诊断中心三层平台的状态检测系统。该系统的实现,将为设备的状态检修数据中心建设提供基础,为实现超高压变电站检修管理模式的突破准备条件。关键词:超高压变电站;输变电设备;状态检测

作者简介:黄󰀁华(1970󰀁),男,高级工程师,输配电部经理,长期从事高电压技术研究。中图分类号:TM76󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁文章编号:1001󰀁9529(2009)07󰀁1063󰀁05

StudyofconditionmonitoringsystemschemesforEHVsubstations

HUANGHua1,LIHong󰀁lei1,WANGJian2,DNGMing3

(1.EastChinaElectricPowerTest&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200437,China;

2.EastChinaElectricPowerDispatchCenter,Shanghai200002,China;

3.Xi󰀂anJiaotongUniv.,Xi󰀂an110049,China)

Abstract:TheframeworkschemeofthemainequipmentconditionmonitoringsystemforEHVsubstationswasdis󰀁cussed,andthedesignprinciple,conditionparametersselection,andstructureandcompositionofthesystemwerepresentedindetai.lAthree󰀁tier󰀁platformconditionmonitoringsystemconsistingofthedataacquisitionlayer,thesub󰀁stationstateanalysissystem,andtheremotediagnosticcenterwaspresented,inwhichdatafromoff󰀁linetesting,livemeasurement,andon󰀁linemonitoringareintegratedthroughthenetworkcommunicationplatform.Thesystemcanprovidebasisforcondition󰀁basedmaintenancedatacentersforequipment.

Keywords:EHVsubstation;transmissionandtransformationequipment;conditionmonitoring

󰀁󰀁随着电网的快速发展,在传统的输变电设备检修模式下,需要更多的人力、物力和财力。适应国家电网精益化管理要求,稳步推进设备的状态检修工作,不断提高设备的可靠性,有效降低生产运营成本,是电网公司面临的重大课题。

建立超高压交流变电站状态检测系统是状态检修推进的重要条件。在比较成熟的输变电设备状态测试技术的基础上,将先进的计算机技术、人工智能技术、通信技术应用于超高压变电站状态检修,既能保证电气设备的安全可靠运行,又可获得较佳的经济效益和社会效益。

状态检测技术主要有离线试验、带电检测和在线监测技术。其中离线试验(多指传统的预防性试验)已有较多经验,带电检测技术仍在不断发展中。在线监测技术具有技术上的优越性,但目前许多监测装置甚至在同一个变电站里孤立运

行,孤立诊断,资源不能共享,监测的数据没有得到充分利用,且没有与离线试验、带电检测密切地结合起来。显然,建立集中的、多级的、远程的数字化状态检测与诊断网络系统具有十分重要的意义。

1󰀁超高压变电站一次电气设备的配置与特点

󰀁󰀁敞开式超高压变电站一般配置主变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电容式电压互感器、避雷器、母线等一次设备。GIS超高压变电站一般配置主变压器、GIS或HGIS组合电器、电容式电压互感器、避雷器等一次设备。

通常,超高压变电站配置的一次设备在内绝缘设计上主要有两种。一种是油纸(膜)组合绝缘,如主变压器、高压电抗器等,另一种是SF6气

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体绝缘,如SF6断路器、GIS或HGIS组合电器。但影响设备寿命的因素则涵盖了电气、机械和热性能多方面的因素,其次还应考虑设备外部因素如系统过电压等的影响。因此,需要结合不同的一次电气设备的配置,选择可靠的、全面的、成熟的检测解决方案。

环境最恶劣的检测技术。

因此,一方面,在技术层面上,通过构建超高压变电站的状态检测系统,比较全面掌握超高压主设备状态和性能,并最终体现为对关键的主设

备电气绝缘性能的把握,形成设备状态检测的技术体系;另一方面,在管理层面上,组建状态检测装置和数据管理的前端平台,由状态检测专责工程师负责,后端则由设备和试验等相关专家组成状态诊断的专家体系。这样,通过控制数据的获取和分析两个关键环节掌握设备的状态,为设备管理者作出正确的维修决策提供依据。

2.3󰀁超高压变电站状态检测手段选用的基本原则

离线试验技术在我国的应用已积累了丰富的经验,一般在设备停电时进行。其优点是项目齐全,判据比较明确,有相关的标准和规程作为依据,便于实施。主要缺点是停电试验的实施会影响设备的可用率指标,也难以反映设备带电运行的真实状况,很多项目是!侵入性∀的。因此,离线试验技术一般在必要时,规程要求时或需要对设备的状况进行比较全面诊断时进行。不同地区经验不同,与设备的运行水平和维护经验密切相关。

带电巡检技术包括三类技术,第一类是预先在被监测主设备设计取样口,然后定期通过对介质取样分析,如油色谱分析;第二类是在被监测主设备上安置传感器,可以预先埋入,或检测时临时安放在设备表面,如局放检测电极或传感器等;第三类是!非侵入性∀检测技术,如红外测温、紫外测电晕、激光成像检漏等技术。

在线监测技术的发展代表了设备检测技术的方向,正处于发展成熟的时期。因此,选用的在线监测设备总体原则是必须是成熟、有效和可靠的产品。一般原则如下:

(1)可连续监测、记录被监测设备的有效的状态参数,可及时有效地跟踪电气设备的状态变化,对潜伏性故障进行预警,有利于预防事故的发生。

(2)监测系统的接入原则上不能改变被监测主设备的关键结构设计和联接方式,不影响主设备的安全和可靠运行。

(3)监测系统能够长期稳定、可靠地工作。尤其是安装在户外的监测单元和通信线路,可以

2󰀁超高压变电站状态检测方案的设计原则

2.1󰀁超高压变电站实施状态检测的技术经济分析

一般建议从两方面来综合考虑:一是对被检

测设备的重要性分析,二是对检测系统的成本效益分析。对于重要的超高压变电站,一旦故障将引起大面积的停电,或对电网的安全稳定运行构成威胁,其故障带来的损失甚至大大超过故障设备本身的损失,因此宜考虑状态检测的策略;并且检测系统的投入收益还应考虑主设备的故障成本并包括电网的停电损失等,而不仅仅考虑主设备的购置费用。

在对单台设备进行在线监测,还是对整个变电站进行综合的在线监测的策略选择上,从考虑提高供电可靠性的角度出发,一般认为对整个超高压变电站进行综合在线监测是一种趋势。但在电网中不同地位的变电站停电带来的损失差别巨大,此时应结合故障风险进行分析,对处于一般地位的变电站,可选择变电站内重要地位的设备进行在线监测。也就是说一切应因地制宜,在选择时要认真分析可能带来的效益以及投入 产出比。

2.2󰀁超高压变电站状态检测系统的框架设想

依据目前电气设备检测技术发展的现状,建议超高压变电站的状态检测策略以下述三类检测技术为主,互相补充,并以其获取的设备状态信息为基础,通过兼容性好的通信网络、集成平台以及先进的诊断平台组成一个完整的状态检测系统。(1)采用适合本电网运行经验的离线试验技术,定期或在必要时在设备停役的前提下,获取设备的状态信息;

(2)采用带电巡检的检测技术,需要人参与的定期或不定期获取设备的状态信息;

(3)采用连续的在线监测技术,自动地实时地获取设备的状态信息,相对前二种技术,本种技术实现了对设备的!全真∀检测,但相对也是工作

黄󰀁华,等󰀁超高压变电站状态检测系统方案研究1065

适应恶劣的气候条件和电磁环境,不影响监测装置的正确使用。

电流、分合闸线圈电流(适用于断路器和高速接地开关)、储能电机动作时间和次数、SF6气体密度和压力。

4)电流互感器󰀁主要包括电容和介损或三相不平衡电流。

5)金属氧化锌避雷器󰀁主要包括全电流、阻性电流等。

6)外部环境󰀁主要包括短路电流、过电压、温度、湿度等。

3.2󰀁状态检测系统的结构和组成

(1)总体结构

超高压变电站状态检测系统包括离线试验子系统、带电巡检子系统和在线监测子系统。在结构上分三层:状态数据采集层、变电站状态分析工作站和远方诊断中心。

离线试验子系统的数据采集通过掌中电脑或笔记本电脑等移动终端实现,在试验人员完成试验后,可在移动终端采用专用的软件录入试验报告,然后合适的通信方式,传送到变电站主控室的状态分析工作站。

带电巡检子系统的数据采集通过巡检设备专用的移动终端实现,然后采用合适的通信方式,传送到变电站主控室的状态分析工作站。对于大容量的图象数据,由状态检测专责工程师及时录入状态检测工作站。

在线监测子系统建议采用总线式的分层分布式结构,这种结构有良好的抗干扰性、可扩展性和整体性能。主要由监测单元、通信控制单元、主站单元(变电站状态分析工作站子单元)组成,实现在线监测数据的采集、预处理、通信、后处理及存储管理功能。通信控制单元实现监测单元和主站单元之间采用成熟的现场通信总线连接,适应数据量比较大的状态检测数据的抗干扰传送。

变电站状态分析工作站和远方诊断中心通过网络相连。状态检测系统还应建立与设备检修管理系统和SCADA系统的接口,可以获取设备的台帐、运行和检修等相关信息,共享成为状态检测系统诊断的基础数据。

超高压状态检测系统的总体结构见图1。(2)状态数据采集层

如图1所示,状态数据采集层包括离线试验移动终端,带电巡检终端(红外等)和在线监测终端(变压器、高压电抗器在线监测等)。其功能是

3󰀁超高压变电站状态检测方案的具体设计

3.1󰀁状态参数的选用

离线试验项目的要求根据当地电网相关的预防性试验规程确定,并且通过实施状态检修方式

后不断进行反馈优化。以下侧重于带电检测和在线监测的状态参数的配置,主要是基于对被监测主设备绝缘、热和机械性能三个方面实施状态检测的需要,以及目前在国内外相应检测技术的成熟程度而确定。

(1)带电检测技术

1)变压器󰀁主要包括油中溶解气体(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6)、油的理化特性、油介损和击穿强度、油中微水、油的含气量、油中糠醛、油位、箱壁和套管的红外测温、局部放电(采用脉冲电流法、超声法或特高频法)、箱壁振动、套管的紫外电晕检测等。

2)GIS或HGIS󰀁主要包括局部放电(采用超声法或特高频法)、气体泄漏(激光成像法)、SF6气体成分检测、机构振动(断路器操作时)、套管的红外测温、套管的紫外电晕检测、SF6气体密度和压力等。

3)SF6断路器󰀁主要包括气体泄漏(激光成像法)、机构振动(断路器操作时)、套管的红外测温、套管的紫外电晕检测、SF6气体密度和压力等。

4)隔离开关󰀁电流互感器、电容式电压互感器、金属氧化锌避雷器,主要为红外测温、紫外电晕检测等。

(2)在线监测技术

1)变压器󰀁主要包括运行电压和负荷电流、油中溶解气体、顶层油温、线温、套管电容和介损或三相不平衡电流、铁心和夹件接地电流、中性点接地电流、有载分接开关操作电动机电流、冷却系统油泵电流、冷却系统运行状况(冷却装置的投运组数)等。

2)GIS或HGIS󰀁主要包括运行电压和负荷电流、分合闸线圈电流(适用于断路器和高速接地开关)、储能电机动作时间和次数、SF6气体密度和压力。

3)SF6断路器󰀁主要包括运行电压和负荷

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于会影响被监测主设备可靠性和可用率的检修决策设置在电网公司一级。本层可实现数据处理、计算、分析、存储、打印和显示多种功能。

(4)远方诊断中心

远方诊断中心由设备诊断工作站、专家知识库、专家会诊终端、设备检修辅助决策系统和领导决策终端组成,提出变电站状态分析工作站上传的对异常设备进行诊断和检修决策请求的解决方案。

设备诊断工作站包含设备诊断模型与专家系统,其目的是以设备为对象,分别构建不同设备的诊断模型;专家会诊终端是对设备的智能诊断的结果由电力设备和试验等专家在网上进行会诊;设备检修辅助决策系统根据前两个系统得出的结

图1󰀁状态检测系统结构图

及时准确地采集设备相关的状态数据。

对于前两者,由运行和检修人员在停电试验和设备巡检时临时带到现场进行使用。通过专用的移动数字平台以及无线通信接口,实现离线试验和带电巡检数据传送到状态分析工作站。对于离线试验数据,设计综合的试验报告录入平台,采用掌上电脑或笔记本电脑实现。对于带电巡检数据,针对不同的巡检项目如红外、局放等设计专用的移动平台,采用掌上电脑或其他移动数字终端实现。

在线监测终端主要实现被监测参数的采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能,被安装在被监测主设备本体上或附近。监测单元在现场使用的精度及稳定性是保证整个监测系统有效性的关键环节。监测单元应对采集的信号与本单元电路实施有效的隔离和绝缘,防止监测单元绝缘故障影响到数据采集和控制单元。其电源也应采用合适的隔离措施,如采用隔离变压器。

(3)变电站状态分析工作站

变电站状态分析工作站建立在变电站层,其功能是将各种检测终端向状态检测上位机和数据库提交的设备状态参数数据进行整理和分类,结合SCADA提供的实时数据和变电站设备运行检修工作站提供的设备台帐、运行和检修历史数据,以变电站层的一般知识库为基础,对被监测主设备的异常状况进行初步的判断,由此提出设备状态的预警,并可提出加强带电巡检如缩短周期,增加项目的建议供状态检测专责工程师参考。但对

论提出检修建议,领导决策终端是领导介入后对

上述检修建议决定是否采纳。

设备诊断工作站的故障诊断为专家级的智能诊断,算法主要有两种:

1)综合静态和动态数据进行设备的故障诊断。在诊断中运用纵比(历史变化率比较)、横比(三相比较、同类设备比较)、多信息量融合法、援例分析等方法。对不同监测量,宜采用不同的诊断算法,如在变压器油中溶解气体故障诊断中,可综合运用小波、模糊数学、故障模式聚类、人工神经网络等工具;对容性设备在线监测数据,可以用趋势分析手段。另外,系统还对大量的检测数据,采用各种算法,排除环境、检测装置本身误差等各方面因素的影响,提取出有效信息。

2)利用知识库中的知识和模式识别等人工智能方法,找出故障的类型和发生的部位以及故障的严重程度。完成故障诊断后,系统对设备的状态进行全面的分析,并对设备今后一段时间的状态进行预测,防范事故于未然,还可对设备的使用寿命进行评估。

基于成熟的经验,设备诊断工作站主要针对各种设备建立有效的诊断模型,如针对变压器建立绕组温度和绝缘老化模型,冷却系统控制模型,有载分接开关温度模型,微水和气泡模型,用于判断设备绝缘的老化和劣化状况。

3.3󰀁通信方式和协议

通信主要实现状态检测数据的传输。对于在线监测数据,传输介质一般为同轴电缆、屏蔽双绞线和光纤。光纤传输不受电磁干扰的影响,同时

第37卷󰀁第7期2009年7月Vo.l37󰀁No.7July󰀁2009

基于振动分析法的变压器在线监测

傅󰀁坚,徐󰀁剑,陈柯良,王丰华,姜益民,金之俭

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(1.上海市电力公司超高压输变电公司,上海󰀁200063;2.上海交通大学,上海󰀁200030)

摘󰀁要:研究了变压器的振动原理,提出了变压器振动简化模型,用最小二乘法对现场试验数据进行参数拟合,得到振动模型参数,可作为指纹参数,由任意时刻电压、电流幅值计算求得变压器振动幅值,根据与实际振动的比较,判断变压器是否故障,实践证明,该方法预估的变压器振动信号具有很高精确度,在变压器在线监测绕组与铁心状态中有良好的应用前景。

关键词:变压器;振动分析法;在线监测;最小二乘法

作者简介:傅󰀁坚(1965󰀁),男,高级工程师,工程硕士,从事电力系统变电运行工作。中图分类号:TM835󰀁󰀁文献标志码:B󰀁󰀁文章编号:1001󰀁9529(2009)07󰀁1067󰀁03

On󰀁linetransformermonitoringbasedonvibrationanalysis

FUJian,XUJian2,CHENKe󰀁liang2,WANGFeng󰀁hua2,JIANGYi󰀁min1,JINZhi󰀁jian2(1.ExtraHighVoltagePowerTransmissionCompany,SMEPC,Shanghai200063,China;

2.ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200062,China)

Abstract:Thevibrationtheoryfortransformerswasanalyzed,andthesimplifiedtransformervibrationmodelwaspro󰀁posed.Theleast󰀁squaresmethodwasusedforparameterfittingfromfieldmeasureddatatogetthevibrationmodelpa󰀁rametersasthefingerprintparametertocalculatethevibrationamplitudefromthevoltageandcurrentmagnitudesatanytime.Thecalculatedamplitudewasthencomparedwithactualvibrationamplitudetojudgetransformerfaults.Practiceshowedthatthepredictedtransformervibrationsignalsobtainedbythismethodareaccurate.Keywords:transformer;vibrationanalysis;on󰀁linemonitoring;least󰀁squaresmethod

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󰀁󰀁始于20世纪80年代的振动分析法通过检测传递到箱壁的振动信号对变压器的铁心与绕组状

可实现有效的电气隔离,因此是较优的传输介质。这些传输介质均可敷设在变电站电缆沟中。对于移动检测数据,采用不受工作场所限制的无线通信方式。

通信方式的核心部分是通信协议,对于状态检测系统,宜采用满足监测数据传输所需要的、标准的、可靠的、兼容性好的、适用于工业现场的通信协议,便于在变电站内形成统一的监测数据的管理平台。这样在选用不同状态检测参数、不同状态检测厂家的监测终端时,仍可保持状态检测系统运行的连续性。另外,适应于状态检测数据量相对比较大,以及传输的实时要求,对通信速率也有较高的要求。对于离线试验子系统和带电巡检子系统,可采用无线数据传输方式,同时注意传送频段的抗扰性和传送数据的安全性设计。

4󰀁结语

对于重要的超高压交流变电站,建立状态检测系统是非常必要的,可以为超高压变电站一次主设备的检修维护提供有效的技术手段,同时,也需在管理方式上进行适应性的调整,为状态检测系统的运行使用提供体制上的保障。

状态检测系统通过对离线试验、带电巡检和在线监测数据的集成管理,借助先进的网络通信平台,组成数据采集层、变电站状态分析系统和远方诊断中心的三层技术平台。该系统模式的实施,将为设备的状态检修数据中心建设提供基础,将为超高压变电站检修管理模式的突破准备条件。

收稿日期:2009󰀁06󰀁04本文编辑:郑文彬