智能化变电站在线监测原理与实施方案

【摘 要】智能化变电站的重要技术特征之一就是设备实现广泛在线监测，使得设备状态检修更加科学可行。通过在线监测系统，可以有效地获取设备运行状态数据、并能自动对其进行诊断，使设备检修策略可以从常规变电站设备的“定期检修”变成“状态检修”，这将大大提高系统的可用性。本文作者试图通过介绍苏正220kV智能化变电站的在线监测系统，使大家对智能化变电站的在线监测系统原理及实施有进一步的了解。

【关键词】变电站；在线监测系统；原理；实施

1.前言

电力行业有别于其它行业，在设备维护时不能随意中断电力供应，这就要求在事故发生前做好充分的预测——在事故发生前解决故障，重点是变电站设备的预防性巡检工作。变电系统负担着电力配送工作，高电压大电流设备长期工作，即使是优良的绝缘介质也会出现不可预期的问题而导致事故。通常情况下，检修人员日常需要做的检修工作包括油色谱监测、微水密度监测、设备温度监测等。这些工作都需要检修人员携带仪器到每个站内对设备进行逐一检测，工作量大、任务繁重，而且不能达到24小时全天候监测的效果，不能发现在较短周期内设备健康情况恶化而造成安全隐患，智能化变电站的在线监测和智能报警技术为解决以上问题提供了良好的方案，下面以苏正220kV智能化变电站为例进行介绍，苏正220kV变电站在线监测系统主要包括变压器油色谱在线监测、SF6气体在线监测、光栅测温、开关柜测温、状态监测等部分。

2.变压器油色谱在线监测子系统

2.1 变压器油色谱工作原理

为了提高设备可用率，实施电力变压器在线故障诊断是非常必要的，变压器在线监测的有效途径是监视变压器油组份的变化。变压器存在局部过热或局部放电时，故障部位的绝缘油或固体绝缘物将会分解出小分子烃类气体（如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等）和其他气体（如H2、CO、CO2等）。上述每种气体在油中的浓度和油中可燃气体的总浓度（TCG）均可作为变压器设备内部故障诊断的指标。

变压器油色谱在线监测系统从本质上改变了传统的变压器油监测方式，可以有效的监测变压器的油中溶解气体的含量，通过数据分析平台告知生产管理人员变压器油中气体组份的变化趋势，依据监测数据，及时判断变压器故障类型。

其基本原理是溶解于变压器油中的故障特性气体经脱气装置脱气后，在载气的推动下通过色谱柱，由于色谱柱对不同的气体具备不同的亲和作用，导致故障特性气体被逐一分离出来，传感器对故障气体（H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2）按出峰顺序分别进行检测，并将气体的浓度特性转换成电信号。数据处理器对电信号进行处理转化成数字信号，并存储在数据处理器内嵌的大容量存储器上。主控计算机经RS485模块通过现场通讯总线获取日常监测数据，实现变压器故障的在线监测功能。

根据上述在线监测系统的工作原理，其监测参数为：H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，技术指标如表1所示：

因此，变压器油色谱数据处理子系统需要对日常的监测数据进行分析处理，把故障气体各组份和总烃的含量抽取出来，对变压器故障进行综合分析诊断，并结合相关技术规程、导则、技术监督和检修人员的实践经验，对抽取数据的展现形式、关联数据、生命周期、历史保留深度等属性进行标准化管理。从而及时捕捉到变压器故障信息，科学地指导设备运行检修。

系统由就地部分和主控部分组成，就地现场部分有主机、气瓶、油管组成；主控部分由主控计算机、系统控制分析软件构成，如图1所示。

2.2 变压器油色谱功能实现

油气分离。变压器油色谱在线监测系统的色谱分析仪利用内部的油气自动分离装置，将取来的油样完成油气分离过程。油、气分离采用了世界上最先进的真空完全脱气方式，脱气效率>95%，实现分析油样中油、气的完全分离，为下一步的气体测量工作奠定了坚实的基础，有效地保证了测量重复性，在测量的源头上将不完全脱气带来的测量重复性误差消除，避免了靠软件修正消除由于不完全脱气形成的重复性误差所带来的不确定性。

混合气体分离。变压器油色谱在线监测系统的色谱分析仪通过内部的气相色谱柱，可以将混合气体分离成单组份的气体。分析油样经过油、气分离装置后，油、气被完全分离开来，分离后的混合气体在载气的推动下进入气相色谱分离系统，混合气体经过与实验室相同分离原理的气相色谱系统，气体被分离成单组分的气体。

气体检测。经过分离的气体浓度在分析仪器内部经过气体检测传感器，气体浓度信号被转变成电压并被换算成数字量值，通过RS485通讯电缆传输到工作站，由监测软件完成分析并转换为相应油中的浓度。

系统自诊断。对系统内部出现概率最大的故障点进行检测报警及自动处理报警功能，对不可恢复性故障将采取掉电记忆报警锁定的方式保护系统直到人为干预消除报警。

过油保护。当脱出的气体中含有油的成份时系统将停止当前的工作，进行油、气重新分离工作，保护后续工作的顺利进行，增强设备的工作可靠性直到脱出符合要求的气体。

3.SF6气体在线监测子系统

在电力工业中，GIS（气体绝缘全封闭组合电器）设备采用具有一定压力的SF6气体作为灭弧和绝缘气体，因此监测设备的SF6气体压力是监视设备运行状态的必须手段。

SF6气体在线监测系统对各气室SF6气体的湿度、压力、相对湿度、密度和温度等数据进行实时监测，并可以通过其变化趋势及时发现设备的隐蔽性缺陷，相应提高了GIS设备的状态监测水平。

为了实现在生产过程中对上述参数进行实时、远程监测以及历史数据分析，加强监测手段，更好地保证设备安全、稳定运行，SF6气体微水综合检测器主要用于在线监测SF6气体的微水及其变化趋势，并将采集到的数据进行统计和汇总，传输到远方集中控制中心。当相应的指标达到报警状态时，系统自动报警或启动报警装置。当相应的指标超标达到紧急报警级别时，自动报警或启动闭锁装置，来保障电力设备和供电系统的安全。变送器将数据通过信号采样模块和信号中继模块传给前置机，经由计算、分析、汇总、筛选后进行显示数值，供现场监控和调试使用。该子系统还提供在线修改下限报警值，当超过下限报警值时，可在系统上发出报警。

4.光栅测温子系统

光纤光栅探测器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器。光纤光栅是20世纪90年展起来的一种新型全光纤无源器件，利用光纤光栅制成多种传感器如温度、应变、应力、加速度、压强等传感器。不同的光纤光栅传感器可具有不同的工作波长，因此可以利用波分复用技术，在一根光纤级联多个光纤光栅传感器作分布式测量。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃，易爆，和强电磁等恶劣环境下使用。

光纤光栅在线测温系统的基本原理是：当由于各种不同的因素导致电缆上光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率产生变化，从而产生光栅布喇格信号的波长位移Δλ，通过监测布喇格波长的变化情况，即可获得油罐上光纤光栅周围温度的变化状况。光纤光栅在线测温系统采用最新生产工艺，长期稳定性好，使用寿命长；光纤光栅感温火灾探测信号处理器采用国际最先进的数字化解调技术，具有大容量实时在线信号采集处理和自检功能；系统可以综合各种安全监控参数，进行分析，有利于及时发现事故苗头，及时安全控制，实现生产和安全的双重监控功能。

从感温火灾探测器到监控中心感温测量及信号传输全部采用光信号，实现无电检测，本质安全防爆。

5.开关柜测温在线监测子系统

高压开关柜是电力系统中重要的电气设备，现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对高压开关柜的可靠性也提出了更高的要求。而开关柜的内部过热现象已成为开关柜使用中的常见问题，由于开关柜体的密闭性，在一些负荷较重的地区，存在开关柜的温升超标问题。开关柜的温升超标，直接影响设备的安全稳定运行，而且，过热问题是一个不断发展的过程，如果不加以控制，过热程度会不断加剧，并对绝缘件的性能及设备寿命产生很大的影响。

开关柜温度监测系统通过连续监测高压开关柜内母线接头和刀闸开关等关键部位的温度，可确定触点接头处的过热程度，通过对异常发热的部位进行跟踪监测，有效解决了密封式开关柜多年来一直无法开展红外测温的难题，提高了设备的状态监测水平，保障了设备的健康运行，其技术指标如表2。

当发生超温时，仪器发出报警指示，温度传感器被安装到开关柜内的带电触头上，监测仪主机的数字面板表显示出每个带电触头的温度值，并可将温度值通过通讯接口传到上位计算机作进一步处理，实现开关柜温度的集中监测，同时将采集到的重要的数据准实时的传送给开关柜温度数据处理子系统，并以web的形式方便工作人员对每一级的情况进行掌控，供企业内部参考使用。

该子系统具有：①将采集到的温度数据按所属变电站、开关柜进行分别显示准实时温度数据和最高温度数据的功能，也可查询某个时间段的历史数据。②设有温度报警阀值。若采集到的温度数据高于此报警阀值，则在客户端发出报警，提示工作人员采取必要措施。

6.状态监测综合系统

系统主要功能实现上述四个子系统的监测功能，并把四个子系统的数据进行综合横向分析，完成对设备的在线监测分析。针对各类信息和数据，系统实现相关的查询和统计，并实现相关业务报表的生成主要包括：（1）综合信息查询；（2）各类信息统计；（3）业务报表生成；（4）报表数据库管理。

系统管理员可对系统进行日常的维护和管理，并为不同的使用者分配不同的权限，保证系统数据的安全操作和处理。

从功能模块来看，各个子系统既可以单独工作，又能够密切配合，无缝链接成一个完整的变电站在线监测综合与数据库管理系统，从一定程度上解决了在线监测“信息孤岛”的弊端，为所有在线监测系统提供了一个智能化的监测平台，实现了对监测数据的智能化管理，有效提高了监测人员分析、判断能力。这对于提高在线检测技术应用水平、推进在线监测数据标准化，具有长远的技术价值和广泛的应用前景。

7.结束语

以上是对苏正220kV智能化变电站的在线监测系统的介绍。当然在线监测是一个系统工程，要真正实现全部监测、智能分析的功能，还有许多技术问题需要攻关解决，但作者相信在不远的将来变电站在线监测系统，将有一个蓬勃的发展期。

参考文献：

[1]刘振亚.智能电网知识问答[M].中国电力出版社，2010.9.

[2]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

作者简介：

李猛（1974-），男，工程硕士，高级工程师，主要从事电网施工技术管理工作。

张贵贤（1979-），男，助理工程师，主要从事变电站绝缘油、SF6试验工作。

卢鹏飞（1979-），男，助理工程师，主要从事电网施工技术管理工作。