智能变压器关键测控技术研究与应用

摘 要针对智能一次设备要求具备测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化五大特征，对智能变压器测控关键技术进行研究与应用：给出新投产变压器与旧变压器局部放电传感器布点方案区别，介绍了高速率RS485与录波文件在局部放电数据处理中的应用，并提出了油中溶解气体分析装置的IEC 61850处理，通过共享过程层信息优化冷却器控制策略。

【关键词】智能变压器 测控技术 局部放电 冷却器

从数字化变电站到智能变电站，智能电网技术不断向前发展。作为统一坚强智能电网的重要支撑节点，智能变电站将实现专业设计向整体集成设计的转变，也要求一次设备智能化向智能一次设备转变。

智能一次设备又名智能化高压设备，由高压设备本体和智能组件组成，是具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化特征的高压设备。智能变电站要实现全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，需要智能一次设备在变电站的应用。

智能变压器是智能变电站的核心部件。在无锡220kV西泾变电站等智能化站中都采用了主变本体+传感器+智能组件的方式实现变压器智能化。传感器包括油中溶解气体、局部放电、油温、绕组温度、铁芯接地电流。智能组件包括本体智能终端、非电量保护、状态监测IED。传感器与主变本体实现一体化设计安装，智能组件就地布置于智能控制柜。

本文选择变压器作为研究对象，结合工程实践，对智能变压器的关键测控技术进行研究。

1 局部放电

1.1 传感器布点方案

变压器上安装各种内置式传感器是一件非常慎重的事情，尤其是局部放电超高频（UHF）传感器，必须对要安装变压器的结构足够了解，才能确保安全、有效和可靠。

对新投产变压器，将UHF传感器分别安装到变压器油箱壁的上下位置，可对变压器本体进行全方位监测。这种安装方式不仅监测范围宽，灵敏度高，而且安全。

对旧变压器，由于油箱不能改造，UHF传感器仅能安装在维修、手孔或闲置法兰上。这种安装方式可以不用改造变压器油箱壁，直接在手孔盖板上开孔焊接安装法兰即可。

1.2 局部放电数据处理

局部放电在线监测装置通过采集单元高速采集UHF传感器信号并进行数据处理。采集单元不具备IEC 61850功能，可通过RS485高速串口与变压器主IED进行通讯，传输局部放电数据。三维谱图信息是局部放电在线监测的重点内容。可按相位P划分为60份、幅值Q划分为50份，PQ交叉点上打点表示放电次数N，谱图共有3000个格子。按照放电次数2Byte计，一次数据超过6000Byte，因发生局部放电时，数据需要实时监测，不能缺失，如果不做特殊处理，连续传输的数据量势必会影响CPU运行效率，出现丢帧丢数据现象。可通过下述两种方法处理：

（1）局部放电一般发生在工频电压峰值附近，不会全相位出现。这就意味着谱图中很多格子是空格子，放电次数为0，即某些相位的全部幅值范围无放电现象发生。对于该数据，无须在RS485帧中传送，只需将有次数值对应的谱图格子索引号及放电次数传输出去即可。结合可变帧机制，将发送谱图的帧长度在报文中体现出来，便于后端解析；

（2）限定报文长度。受RS485串口波特率限制，当数据长度超过可发送一帧报文长度上限时，分帧发送。主IED根据帧信息，决定要不要继续请求数据。

局部放电需要存放谱图数据文件，参考《基于DL/T860标准的变电设备在线监测装置应用规范》，可按如下方式进行处理：

（1）参考comtrade文件格式，配置文件采用XML格式；

（2）录波文件名称定义：IED名_逻辑设备名_录波时间，其中录波时间格式为年月日_时分秒_毫秒，取装置时间；

（3）不同传感器在录波配置文件中进行区分，如Crv1代表1号传感器；

（4）一帧数据按照相位P划分为60份，幅值Q和放电次数N作为60份对应的传输值；

（5）应在被监测设备可能发生局部放电的情况下生成文件。

根据上述方法，形成如图1所示局部放电配置文件：

图1所描述的内容为：1号传感器，3维，共600组数据，Z轴显示10个时间间隔的数据，为第一基准轴；X轴显示相位φ，共60等份，为第二基准轴；Y轴显示幅值Q和放电次数N，其中放电次数N用点的密度来表示。需要说明的是，录波文件生成时间间隔以10分钟左右较好，图1中10个时间间隔对应时间窗较短。

按照局部放电配置文件约定格式，可形成对应数据文件。配置文件和数据文件组成录波文件。主IED通过基于DL/T860标准的录波控制块发送录波文件，后台监控系统进行解析后以谱图方式进行显示。

2 油中溶解气体装置IEC 61850处理

变压器油中溶解气体分析和判断技术虽然已很成熟，但该类型装置因不具备61850功能而不满足智能变电站要求。区别于变压器局部放电，油中溶解气体在线监测装置仅有气体组分及载气压力等少量数据，采集周期长，装置中可以内置61850通讯模块，直接与主IED通信，省去规约转换麻烦，节省装置，符合智能变电站装置功能一体化需求。另外，气体组分采集期间，无有用信息上传，可以置采集模块进入休眠模式，减少装置功耗，延长使用寿命。为防止通信断链，通讯模块必须一直保持正常工作状态。

3 冷却器控制系统

常规变电站冷却器控制由断路器和交流接触器搭建风机及油泵电源回路，由控制单元进行控制。可充分利用智能变电站过程层设备信息共享特点，设计智能变电站冷却控制系统，支持MMS服务，GOOSE服务，SV服务，深度融合冷却器控制回路，优化控制策略。

（1）与变压器电源侧开关接点联锁。当变压器电源侧开关投入时，工作冷却器自动投入运行；当变压器解列后，所有冷却器自动退出。变压器电源侧开关投入节点通过过程层GOOSE网络获取；

（2）根据负载启动冷却器。根据主变电源侧SV值判断变压器负载状态。当空载或负载较轻时，投入2组风扇，控制对角线方式投入可以使油快速转起来。设定75%-80%额定负载时投入较多的风扇。负载减轻，退出风扇。为防止在某一临界点来回启停风扇，启动门槛设定值与停止门槛设定值在一足够分辨的数值上交叉。超过100%额定负载时启动油泵。对于某一重载线路，当开关闭合时，可直接启动对应风扇，开关断开，停止风扇。重载线路开关节点通过过程层GOOSE网络获取，主变电源侧SV值通过过程层SV网路获取；

（3）对于两组或多组风扇时，设定自动分组、延时启动功能。区分工作组、辅助组、备用组，各组工作时间均衡，循环工作，有利于提高风扇寿命、减少主变停电检修几率；

（4）根据GB/T 15164-94《油浸式变压器负载导则》，建立变压器负载模型、发热模型、散热模型，建立负载、温度更散热之间的关系，优化风机转速及投切控制策略。

除了共享过程层信息外，还可以从间隔层共享部分有用信息。以上优化控制策略在智能变电站很容易实现。

4 结语

本文从状态监测和控制角度阐述了智能变压器应用过程中的主要关键技术。从系统分层角度而言，它们隶属于过程层智能组件。对于系统层监控主机而言，通过综合分析各智能组件状态监测信号，可以对变压器设备实行集中监测和诊断，形成一套完整的综合在线监测系统。同时系统层监控主机汇总智能组件测量信号，实时调整变压器控制策略，与在线监测一起形成变压器综合监控系统。本文对局部放电、油中气体分析、冷却器控制等关键技术进行阐述，为变压器智能化应用提供一定的参考。

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作者单位

1.国电南京自动化股份有限公司 江苏省南京市 210003

2.东南大学 江苏省南京市 210096

3.南京磐能电力科技股份有限公司 江苏省南京市 210032