浅析500kV变电站智能化采集系统设备配置及功能

【摘 要】本文笔者亲身经历的云南500千伏建塘变电所工程500千伏GIS设备在线监测系统设备技术谈判和安装过程，结合云南电网公司500千伏变电所在线监测系统设备的配置现状，对变电所智能采集系统配置进行了总结，根据现场实际配置情况对智能变电站中的采集系统智能组件设备的作用做了简单介绍。对未来全智能变电站中可能出现的情况进行了思考。

【关键词】电网变电站；智能化

0 引言

随着互联网、物联网、通信网与电力系统的紧密融合，分布式电源、储能装置、智能电器等快速发展，以及云计算、大数据、移动终端等现代信息技术的广泛应用，传统电网向智能电网的全面升级已成必然。

根据国家电力规划研究中心日前《我国中长期发电能力及电力需求发展预测》报告。根据报告，2020年以前，我国电力需求年均增速不会低于6%，到2020年全国需电量将达到8万亿千瓦时左右，电力装机将达到18亿千瓦左右。为满足未来持续增长的电力需求，到2020年国内将建成坚强智能电网的计划。

目前国内电力系统变电站已基本实现了二次保护集成系统、电力主回路监测控制系统、通信调度控制系统、故障录波系统、行波测距系统、电网实时监测系统（PMU），已基本实现了主设备的单系统智能化，但对电气主设备运行环境中的油、气监测还尚未完全实施，而电气主设备中的主变压器在线监测、500千伏GIS设备局部放电传感器、设备SF6气体泄漏、气体压力传感器、SF6分解气体和GIS设备开关状态传感器等的监测是智能电网实施中的主要采集系统设备，是实现智能电网的前提和基础条件，它也是实现状态检修的基本依据。2013年，云南电网公司在500千伏建塘变电所工程500千伏GIS设备配置了由日本三菱电机生产的智能采集终端（在线监测系统），为500千伏智能化变电站的建设迈出了重要的一步。

1 500千伏GIS设备智能化配置情况

云南500千伏建塘变电站位于迪庆州香格里拉市，海拔高度约3500m，500千伏系统采用户内式GIS，500kV建塘变500kV配电装置系统采用3/2接线，本期一线一变组成一个完整串。在集中控制室配置了一套集成后台，通过共同IEC61850协议方式，集成了变压器油色谱系统、GIS在线监测系统、500千伏及220千伏室内配电室环境监测系统。

图1 500千伏建塘变电所工程监测系统传感器元件配置图

智能化系统由局部放电传感器、SF6气体泄漏、气体压力传感器、分解气体和开关状态传感器通过A/D转换器变成数字信号送到就地的监测IED（三菱电机型号ARMS-I），开关状态监视装置的信号也送到对应的监测IED。通过以太网将各监测IED的数据送到主IED（三菱电机型号ARMS-II），并接入变电站总线，监测的数据实现共享，进行设备的远程诊断。复合型传感器将气体压力传感器和分解气体传感器设置在同一个外壳内，监视SF6的气体状态。

图1为建塘变智能化构成，安装在GIS上的各种传感器通过监测智能电子设备（IED），将数据传递给主IED来诊断GIS的状态，诊断结果通过IEC61085向上级服务器发送。

智能化GIS将SF6气体密度及微水、断路器机械特性、局部放电等信息通过配置二次传感元件及智能电子装置（IED）实现了设备信息数字化，设备集成化，运维高效化（如图2所示）。

图2 500千伏建塘变电所工程监测系统配置图

2 500千伏主变压器设备智能化配置情况

通过采集变压器油中溶解气体H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6和H2O的含量，并经过处理和分析，监测主变绕组放电或过热以及变压器内部绝缘受潮等异常情况。

变压器油色谱装置在现场以485通信线与智能控制器进行通信，并对现场设备进行控制和数据采集；再将智能控制器与吉隆机电后台通过网络连接，以IEC61850通信协议方式将数据传输给吉隆机电后台，实现数据的上传（如图3所示）。

图3 变压器油色谱接入到后台系统结构示意图

3 500千伏后台集成系统设备智能化配置情况

变电站后台在线监测与故障诊断系统（简称集成后台系统），遵循IEC61850标准通信协议，实现对变压器、断路器、GIS、室内GIS环境等设备的综合实时在线监测，依据获得的电力设备综合状态信息，通过在线监测各种电力设备的状态参数，反映设备健康状况，实现变电站设备状态的在线监测，同时采用专家分析系统进行科学的诊断和分析，以及时发现设备运行中的异兆，发出报警，避免发生设备事故，并可为设备状态检修提供基础数据；系统投入实际运行后，可以延长预防性试验的周期，进而替代预防性试验，辅助实现变电站设备的故障诊断。

图4 后台集成系统设备智能化配置示意图

4 智能组件功能简介

4.1 开关合闸相位控制及状态监测智能终端（SSC）

根据断路器的电气、机械上的特性，确定最佳的合闸相位以降低对系统的冲击，减少开关触头的烧损。使用各种修正功能，正确预测断路器的动作时间、环境修正：应对控制电压、周围温度、驱动压力等环境条件进行修正、停止修正：应对上次动作的经过时间进行修正、动作履历修正：对反映过去的动作结果进行修正。利用VT和CT的频率、开闭状态、控制电压、温度、断路器的驱动压力、断路器的动作时间、动作行程曲线等条件，对断路器的状态进行综合性的监视（如表1所示）。

表1 开关状态监测装置管理的项目

建塘变中每相操作机构中安装一只开关状态传感器，共3只，经安装在LCP内的开关状态监测装置SSC将数据发送至主IED。由于数据量较少，可以与气体密度监视系统共用一台主IED。通过对检测数据的综合分析，可以判断开关的状态以便制定相应的运行检修对策。

4.2 监测功能组

SF6气体是一种温室气体，要限制排放到大气中。按DL/T593.2006以及GB7674-2008，规定GIS/HGIS的年泄漏率不大于（小于）0.5%。该传感器具有应对此管理规格的检测能力，通过在线监视系统对该传感器的信息进行监视，尽早检测出SF6气体的缓慢泄漏。建塘变500kV GIS采用每个气室安装一只气体密度传感器，共9只，通过就地监测IED将数据发送到主IED，气体密度监视系统与开关状态监视系统共用一台主IED。

同时，GIS/HGIS长年受使用环境（天气，气温）的影响，会发生O形密封圈的劣化，法兰面的生锈等逐渐劣化现象，法兰面会因此产生微小的缝隙，GIS/HGIS内部装入的高压SF6气体从该缝隙中将以非常缓慢的速度泄漏到大气中。为防止上述问题的发生，系统配置了SF6气体缓慢泄漏监视系统，能灵敏的检测出日常巡视检查所发现不到的微小泄漏。

若事故发生时，该气室内部气压将上升。通过高灵敏度的压力传感器可以检测到各个气室压力的微小变化，判断事故发生的气室，并立即输出相关信息。发生接地事故后，约在10秒以内就能获知事故位置的标定结果，实时在线监测，为运行人员准确判断提供依据。

4.3 局部放电传感器

局部放电对设备的危害依次为表面异物>针状电极>浮游金属异物>裂缝>气泡>中间电极，通过对局部放电的分析，可以区分不同类型的放电，按照不同放电类型对设备的危害程度来评估设备的状态。

国家标准的要求：《额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》（GB 7674-2008）中对绝缘试验做出如下要求：推荐252kV及以上GIS现场绝缘试验程序B为：1min工频耐压+局放试验。由于现场环境的影响，符合GB/T 7354的传统方法往往因为背景噪音过大而无法进行，因此推荐采用UHF法作为现场测试局放的方法之一。

局部放电测量分为在线式和离线式两种，采用在线局部放电测量，无论哪种放电都可以成功检测；而采用离线式测量，金属异物和表面异物导致的局部放电由于其不稳定性，可能检测不出来。因此500kV建塘变GIS采用在线局部放电测量方式（如图5）。

图5 内置式局部放电传感器

建塘变500kV GIS采用局部放电传感器分别安装在进线分支母线、中断路器和变压器分支母线处，共9只。各处的传感器通过就地监测IED将数据发送到主控室的主IED进行数据分析。由于局部放电的数据量很大，每台监测IED只能带3个传感器，1台主IED可以带96台监测IED。

因UHF传感器具有最高能检测0.1pC的微小放电性能，CIGRE等国际上推荐的UHF传感器，500kV建塘变采用最多可同时在线监视此类UHF传感器288个，可以应对规模较大的GIS设备。通过装有自动辨别局部放电原因的人工智能，实现对设备的局部放电进行诊断。

运行中，考虑到GIS/HGIS内部由于内部螺栓的松动、绝缘物的逐渐劣化等各种因素，引发内部局部放电。通过该系统实施不间断连续监视，尽早检测出局部放电，及时采取措施，防止绝缘击穿导致停电的事故。

4.4 分解气体检测

传感器是由检测电极、固体电解质、对向电极组成的。在检测电极与对向电极之间利用测定量装置外加电压后，检测电极侧分离出的氟离子（F-）从固体电解质中通过流向对向电极。测定该离子移动时产生的电流，就可以换算出检测电极表面的SF6分解气体（HF）的浓度。（如图6所示）

图6 传感器外形、安装位置

由于导体置于GIS/HGIS内部，运行中难以检测出内部的接触状态。特别是接触不良会降低通电性能，再由于接触电阻的发热，导体温度的上升（如图7所示），导体的局部融解，发弧，会分解出SO2和HF气体，只要能有效地监测这两种气体就可以判断内部导体的接触状况。由于断路器正常分、合闸操作过程中的电弧也会分解出SO2和HF气体，HF很快就会被吸附剂吸收，而SO2会存在很长一段时间，这会影响测量的准确性（见图8所示）。

为了防止类似接触不良所引起的接地事故，SF6分解气体传感器是很有效的。采用测量HF气体浓度的方法来判断内部导体的接触状况，测量的原理见图9 。当HF气体产生时，F负离子会通过分解气体监测单元中的固体电解质而产生一个泄露电流，通过测量泄露电流的大小可以换算出HF气体的浓度。

建塘变500kV GIS每个气室安装一只分解气体传感器，共9只，分解气体的产生是一个累积过程，通过分解气体传感器能够对GIS/HGIS通电状态下难以检测出的接触不良进行诊断，实际运用中，该项检测采用离线定期监测的方式完全可以准确地判断设备接触状况，其中分解气体传感器检测界线为0.2ppm（体积比）。

图7 导体接触不良导致故障的发展过程

图8 SO2和HF分解气体的产生和被吸收过程

图9 HF分解气体检测原理

5 全智能化变电站发展的思考

全智能化变电站是集各单系统智能化为统一平台，实现全智能化，现阶段的单一智能化为变电站检修运行提供了一些依据，距离作为变电站运行检修辅助决策仍有差距，本次建塘变智能化配置由一次设备厂家配套提供监测单元及后台分析系统是一种全新的尝试，这样可以更好地对设备进行监测管理，通过建塘变的实践，积累更多的经验，同时该系统功能还需要在实际使用过程中不断完善，尤其是220千伏GIS的在线监测系统的完善，传感器间的接口以及信息在高场强系统中的传输需要在接下来的运行中不断的观测和检查，各电压等级的避雷器、电压互感器等设备的监测仍需在变电站运行中不断进行接入完善，最终终实现全站智能控制管理，以便对智能化500千伏变电站设备配置技术进行深入的经总结，为今后做好类似工程设备配置打下基础。