变电站高压设备在线监测系统设计

摘要：针对传统变电站高压设备检修方式存在盲目性大，缺乏针对性等缺点，对变电站高压设备状态检修技术进行了探讨，分析了变电站高压设备状态特征量，设计了变压站高压设备在线监测系统，并将综合智能技术应用到变电站高压设备监测系统。

关键词：状态监测；变电站；故障诊断；在线监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）30-7362-02

变电站高压设备是电力系统的重要组成部分，对这些高压设备进行检修和运行管理是电网安全运行的基础，以往对于变压器、断路器等变电站高压设备的工作状况检修普遍采用定期检修，定期检修会产生“过剩维修”，影响供电可靠性、影响售电量，而且易引发维修故障，过多设备停电以及停复电操作，增加了电网不完整性和操作带来的安全风险，造成人力、物力和财力的浪费，还会产生“维护不足”，降低了供电可靠性，并存在故障隐患。因此，实现变电站高压设备在线监测，减少电网设备的检修次数，提高电网的供电可靠性和经济效益是当前检修管理发展的必然趋势，具有巨大的实际应用价值。

1 设备状态特征量分析

1.1 变压器

变压器是变电站中最重要的设备，它的运行状态好坏直接决定了供电质量，因此，需要对其进行详细的监测，监测特征量有：油中溶解气体（氢气H2、二氧化碳CO2、乙烷C2H6、乙炔C2H2、一氧化碳CO、甲烷CH4、乙烯C2H4）分析，绕组变形，油中微水质量分数，铁芯接地电流，油中糠醛含量，高压套管的介损，每相绕组首端和末端电流，局部放电时首端套管末屏对地电流，中性点接地线电流，常规电气检测（极化指数、介质损耗因数、绝缘电阻及吸收比、绕组直流电阻、温度等）等。

1.2 断路器

断路器是变压器的极其重要设备，其运行可靠性关系到变电站的安全与稳定运行，常见的断路器包括真空断路器、SF6断路器、油断路器，监测的特征量有： 分合闸线圈的电压和电流，SF6气体压力及湿度，储能电机线圈的电压和电流，分合闸时间、速度、行程、超程，三相电流，壳体温升，断路器主体振动波形，绝缘支撑和绝缘拉杆的泄露电流，时间行程曲线特性。

1.3 电容型设备

包括电流互感器、电容式电压互感器、电容器、电容式套管、电缆等，主要的监测特征量有：绕组及末屏绝缘电阻，介质损耗角正切值，泄漏电流、介质等值电容，缘油色谱分析，交流耐压试验，绝缘油击穿电压试验等。

1.4 氧化锌避雷器

主要监测绝缘电阻、全电流、泄漏电流和阻性电流。

2 变电站高压设备在线监测系统

2.1 功能设计

变电站高压设备在线监测系统应包括如下的功能：

1）数据采集功能：能够在线自动采集氧化锌避雷器、电容性设备、断路器及电力变压器等设备状态信息，并在系统一次主接线图上实时显示各电气设备的电流、电压、开关状态和频率等各种状态信息；

2）状态诊断功能：根据采集到的高压设备状态信息，采用基于多信息融合技术（专家系统，遗传算法，神经网络，决策树，聚类分析，关联规则等）的综合故障诊断模型，对设备的工作状态做出判断，并评估出设备的剩余寿命；

3）决策支持功能：对可能发生的故障进行预报，对正在发生故障进行分析，对已经发生的故障进行判断，指出故障发生前的征兆、发生时的后果及发生后的措施总结，提出相关的预防故障发生、控制故障发展和消除故障的措施；

4）报警功能：监测到参数出现异常时，如超过极限值、保护动作，产生声光报警；

5）数据管理：提供包括避雷器、互感器、断路器、变压器等设备的状态信息，提供系统设置（整定值输入和修改），手工录入实验数据的功能，在线监测系统采用浏览器方式实现，查询设备相关数据和设备工作状态，并可对设备数据进行分析、计算和判断。

2.2 系统结构设计

系统采用先进的分层分布式系统结构，通过安装在变电站内部的采集装置采集主要高压设备的状态信息，通过网络传送到上级系统，便于及时方便地了解并掌握变电设备的健康状态，系统包括几个方面：变压器状态监测，断路器监测，容性设备监测和避雷器监测，如图1所示。

2.3 软件设计

系统软件是在Windows xp下采用了 Visual c++6.0 程序编程进行开发， 诊断数据来源是历史数据与在线数据，通过对历史数据进行数据挖掘，挖掘出各种关联关系、聚类关系和决策树规则，然后再利用这些规则对在线采集数据（各个保护测量单元的模拟量、开关量、保护动作、电度量等信息）进行综合分析判断，从而准确评估了变电站设备的运行状况。为了完成监测及诊断任务，系统软件分为主控程序、通信服务程序、数据采集程序、数据库处理程序、分析判断程序等几部分，其中主控程序与数据库、系统硬件及上级调度通讯进行通信，实现对高压电气设备的巡检任务，完成现场信号采集任务，并把站内的各种装置所提供的数据信息，按照需要归整成 CDT 规约的通讯报文，在上级调度需要时上传，通过设置监测警戒值，采用神经网络结合专家系统和模糊理论判断故障类型，一旦监测到设备的数据超过警戒值时，程序立即通过声光报警的形式通知值班人员及时处理；Visual C++利用ODBC 提供的接口访问后台数据库，后台数据库包括监测诊断数据库及辅助数据库，监测诊断数据库用来存放监测诊断结果，方便查询和制定检修策略，辅助数据库用来存放高压设备的通用参数以及下位机的各监测参数（如：设备的名称、型号，报警限值等）；服务程序包括实现数据库的维护管理（查询、播入、删除、修改、权限控制等），波形打印等功能，通过使用 VC 语言控制 Excel 完成数据从SQL Server数据库读取到 ExceL，完成波形打印功能；分析程序主要是以傅立叶变换为数学基础，对所采集的数字化波形按照监测结果要求进行波形处理，根据设置的各参数标准，分析诊断出结果并传输给主控程序，在 VC 中采用树形控件存放各层次需要监测的参量，层次清晰，现对一次设备状态的显示，实时曲线和历史曲线的显示，方便所转换需监测参数，各参数实时变化情况，达到了在线监测的目的。

3 故障诊断

在线监测的目的是为了故障诊断，将综合智能技术应用到变电站高压设备检测中，其主要包括4个层次。

1）在线数据的预处理：由于现场数据在采集过程中，收到外部干扰，比如：电磁干扰，强噪声干扰等，使得数据存在虚假点，因此，必须剔除虚假点，常用剔除虚假点的方法有：53H法和一阶差分法，系统利用53H法结合曲线拟合法剔除虚假点；

2）征兆集的提取：对征兆集进行提取，常见的方法有时间序列分析法，概率统计法，相对比较法和趋势分析法，综合考虑到数据的随机误差和动态特性的影响，采用了时间序列分析法和相对比较法；3）故障类型的确定：常见的方法有自适应神经网络、节约覆盖集理论和模糊数学，由于在故障诊断中同时存随机性和模糊性，使用自适应神经网络解决这个难题；

4）决策层：决策层是故障诊断的最底层， 利用基于Web的故障诊断专家系统进行故障诊断，根据诊断结果，采用所掌握的关于设备的知识和经验进行推理判断，判断电力设备是否能继续正常运行，从经济效益角度考虑检修时间和周期等。

4 结束语

随着变电站规模的不断扩大，对变电站电力设备的可靠性要求也越来越高，采用变电站整体设计的思想，设计了变电站状态监测系统对变压器、断路器、容性设备和避雷器的特征信息进行监测，采用先进的分层分布式系统结构的设计思想，对这些设备的状态信息进行可视化展示，数据综合分析，最终得出故障诊断结果，测量结果更加准确，大大提高了系统的稳定性，通过网络通讯将现场数据送到上位机进行分析处理，为一次设备状态检修提供数据支持，确保变电站安全可靠地运行。

参考文献：

[1] 陈安伟.智能变电站一次主设备在线监测系统工程实现[J].电力系统自动化，2012（13）.

[2] 王德文.智能变电站状态监测系统的设计方案[J].电力系统自动化，2011（18）.

[3] 魏本刚.基于智能巡检的智能化变电站状态监测系统设计方案[J].华东电力，2012（6）.

[4] 傅钦翠.基于IEEE 1588的变电站设备在线监测系统的设计[J].电气应用，2011（21）.