变电站智能监控系统研究

【摘要】研究了常规变电站的智能监控系统，该系统由数据层、分析层和应用层构成。通过对数据层采集的系统实时电压/电流值、断路器的实时开关状态、保护及自动化装置动作报文、故障录波数据、电力设备参数及缺陷数据等信息进行综合分析，完成电力设备状态监测及系统故障诊断。友好人机界面能够提供设备异常及故障诊断的标准化报文，这些报文可以通过远传接口上传至远方终端。系统完成变电站智能监控，为实现无人值班变电站奠定基础。

【关键词】 智能; 状态监测; 诊断;监控

中图分类号： TM411 文献标识码： A 文章编号：

1 智能监控系统总体设计

本系统基于综合自动化监控系统，采用分层结构，主要由数据层、分析层和应用层构成。系统总体结构如图 1 所示。

数据层负责采集系统运行的实时电压/电流值、开关状态等信息，获取各种保护及自动化装置和录波器的信息，并筛选出系统分析所需数据，按照规定的格式存储到数据库中。分析层是系统的核心，负责对数据层采集的数据信息进行综合分析，完成电气设备状态监测和故障诊断功能。应用层完成人机界面和通信接口功能，本地和远方终端均可以获取系统产生的各项分析结果。当变电站内出现设备异常或发生故障时，智能监控系统的数据层向分析层提供数据的同时，完成数据存储以供历史数据查询。分析层对数据进行判断，将分析结果上传至应用层，由应用层完成音响告警、界面显示及信息远传等功能。变电站综合自动化系统按系统结构可划分为站控层、网络层和间隔层。网络层以 100 M/10 M以太网为基础，包括数据 A 网、数据 B 网。通过以太网实现站控层设备和间隔层间设备的高速连接，是综合自动化系统数据通讯功能实现的基础。监控主站布置在站控层内，通过网络层实现对站内设备的监控。智能监控系统作为监控系统的辅助系统，在变电站站控层中实现。系统采用双机结构，一台供数据层数据库专用，另一台用于实现分析层和应用层功能。系统网络拓扑如图 2 所示。

2 数据层功能模块

数据层是整个系统的基础，分析层完成的各种分析功能均是建立在对数据库数据进行操作的基础上的。数据库可采用 ORACLE、SQL-SERVER、DB2Universal Database 5. 2 等大型远程数据库。数据层的主要功能包括数据获取、数据筛选和数据存储。数据获取的任务是从各种保护及自动装置、测控装置以及传感器中获取数据信息; 数据筛选的任务是对采集到的各种数据进行综合分析，去除冗余信息，得到关于设备运行状态及故障的关键信息; 数据存储的任务是将各种数据进行分类存储，以供历史数据查询使用。数据层所获取的数据主要包括: ①系统实时电压、电流值; ②断路器及隔离开关的实时开关状态;③保护及自动化装置的动作报文; ④故障录波器的录波数据; ⑤电力设备的参数及缺陷信息。数据筛选应包括对模拟量输入信号数据的有效性、正确性判断，越限判断、数字滤波、误差补偿、工程单位变换等; 对开关量输入信号的防抖动处理、硬软件滤波、基准时间补偿、数据有效性、正确性判别等; 对数字量输入信号数据有效性、正确性判断等等。数据存储应记录设备历史运行数据，并按照不同设备单元、不同数据源进行分类存储，并添加统一时标以便查询，为设备的运行情况积累资料和数据，构建设备运行的历史档案。

3 分析层功能模块

分析层是系统的核心，负责对数据层采集的数据信息进行综合分析，完成电气设备状态监测和故障诊断。

3. 1 设备运行状态监测

所谓状态监测即在故障发生前，通过对表征电力设备运行状态的数据进行分析、判断，来确定设备的状态，并判别和指出设备状态发展的趋势，从而确定是否需要安排维护作业，起到防患于未然的作用，并为有计划的维护提供信息。状态监测的主要任务包括: ①根据历史档案、运行状态和设备缺陷情况，判断设备运行状态处于正常还是异常。②对设备的运行状态进行评估，为状态检修提供依据。电力系统状态监测的对象主要是电力系统的重要电力设备，如变压器、断路器、电缆、电容器等。对于不同的监测对象，所采取的方法不尽相同。对于不同的电力设备，已经提出了众多状态监测方法，其中有许多是通用的，如振动分析法、

油中气体分析法、局部放电检测法、绝缘恢复电压法等。现有的状态监测方法更强调对设备故障的预报和定位，但在现有条件下很难达到预期效果。

3. 2 故障诊断

电力系统发生故障后，要求运行人员迅速、准确地掌握保护动作情况、开关变位情况，判断故障元件，以便及时、准确的向调度报告，尽快恢复电力系统正常运行。当系统发生故障时，保护装置和故障录波器会产生大量数据，其中有很大一部分是由于电磁干扰等原因产生的干扰信号。例如，一条 35kV 线路发生相间短路时，与其同母线的另外几条线路同时发出“加热器回路及二次回路故障”信号。虽然在开关跳闸，故障隔离后，这些信号均自动复归了，但是运行人员在进行事故处理过程中，仍需要花费时间去查看、分析这些信号，这势必会延缓事故处理的速度，甚至造成误判断。因而，实现电网故障的自动诊断，对提高故障正确判断率、缩短停电时间、降低停电损失都是非常有意义的。

当系统发生故障时，首先是故障元件的电流和电压等电气量发生变化，然后由此引起保护动作，最后由保护跳开相应开关。目前，运行人员对故障的判断还主要是针对开关跳闸和保护及自动化装置动作情况进行分析判断。但是，保护、开关在某些情况下存在误、拒动以及因信道干扰发生信息丢失等诸多不确定因素，会造成人员的误判断。在这种情况下，基于故障元件电压、电流等电气量的分析判断就更加准确了。从原理上讲，根据故障时录波器所记录的波形可以诊断出绝大部分不同类型的故障。本系统具有自学习能力的波形分析诊断模块，通过对系统典型故障波形知识进行学习，实现对故障波形的自动分析。

智能监控系统故障诊断功能主要分析开关变位信息、保护及自动化装置动作报文以及故障录波数据三类信息，当产生这三类信息时均会启动故障诊断。值得一提的是，对于通过监控后台操作使开关分闸等情况不应该启动故障诊断。对于保护装置动作情况分析时，应综合分析主保护及后备保护的动作情况，采用“三取二”模式进行判断，即三套保护中至少有两套保护动作时才判定有故障发生。对于只有两套保护投入的情况，则只要有一套保护动作则判定为故障。故障录波数据是一组实时数据，是按 COMTRADE 文本格式存储的数据文件。一般情况下，故障录波器可以提供故障发生前一个周波和故障发生后两个周波的数据信息，数据窗长。根据故障录波器记录的波形信息作进一步分析，能够确定故障类型、故障相别和故障地点等。例如: 如果保护未动作、故障录波器未启动而开关跳闸可以判断为开关偷跳; 如果故障录波器启动，且线路保护动作出口跳闸，故障隔离，可以判断为线路故障，通过录波波形分析可以进一步获得故障相别、故障测距等详细故障信息。

5 结论

现有综合自动化监控系统在运行过程中暴露出运行数据信息庞大且相对孤立、信息冗余严重等不足。随着无人值班变电站管理模式的推广，集控中心需要处理的各种信息剧增。建立智能监控系统，以计算机“监盘”代替值班员“监盘”，将更好的适应“大运行”的发展要求。本文提出的智能监控系统采用数据层、分析层和应用层的分层结构。通过对数据层采集的系统实时电压/电流值、开关的实时位置状态、保护及自动化装置动作情况、故障录波数据、电力设备参数及缺陷数据等信息进行综合分析，完成电力设备状态监测及系统故障诊断功能。通过人机友好界面及远传接口给出设备异常及故障分析的标准化报文，为实现无人值班变电站奠定基础。