智能变电站设备在线监测系统

高明华 ，王 冬 ，王学峰 ，张 勇

（1.山东胜利油田电力管理总公司，山东 东营 257000；2.中煤能源山东有限公司，山东 日照 276826；3.山东省招远市供电公司，山东 招远 265400；4.山东省禹城市电力总公司，山东 禹城 251200）

0 引言

智能电网是对电网未来发展的一种愿景［1］，涵盖发电、输电、变电、配电、储能和用电各个环节，以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为基础、以电网设备间的信息交流为手段，实现从发电到用电所有环节信息的双向交流,具有自愈、安全、交互、协调、兼容、高效、优质、集成的核心特点。

变电站作为电网的重要一环，设备的安全运行是实现坚强智能电网的关键。变电站设备检修策略大致经历了三个阶段,即事故检修、计划检修和状态检修。事故检修是一种被动检修,即只在故障发生时才进行检修更新或管理工作;计划检修作为一种预防性检修,在很大程度上降低了设备故障几率,然而,计划检修耗时、耗资,在大多数设备没有任何异常表现时,对设备进行检修、维护,确保设备处在正常状态,该方法并不能保证设备在下次维修之前不恶化和失效。状态检修 （CBM,Condition Based Maintenance）是指根据状态监测和诊断技术提供的设备状态信息,评估设备的状况,在故障发生前进行检修的方式［2］。

进入80年代以来，电力设备在线监测技术发展很快，绝大多数变电站设备及发电机、电缆、线路绝缘子等都有在线监测项目。随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术等的发展和向各领域的渗透，系统监控技术中广泛应用了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶段［3］。

但是也存在一些问题：变电站自动化系统信息共享程度较低,综合利用效能还未充分发挥;甚至于出现了一种监控“孤岛”现象，主控室里有各种计算机和服务器监测各种设备的运行，如避雷器在线监测、SF6在线监测、高压接点测温监测、智能接地线管理、智能安全工、器具柜管理、电缆温度在线监测、环境在线监测、图像监控、门禁系统等，但是这些系统各自独立运行，这种情况不仅浪费了空间资源和计算机资源，同时也增加了值班人员的工作量，必须在不同的计算机之间进行大量的操作［7-10］。

目前,我国智能变电站建设正处于第二批试点工程重点推广应用的关键阶段［2］,一、二次设备作为变电站的重要资产,及时、全面掌握设备的运行状态、健康状况及其所处环境等要素对于变电站乃至整个电网的安全稳定运行至关重要,实现变电站设备的状态检修对于提高设备运行可靠性、降低运行维护费用等意义重大。

1 智能变电站

智能变电站作为智能电网的重要组成部分,根据智能变电站技术导则［4］，其定义为：智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。这个概念使得更加可靠、高效的实时监测和控制设备节点装设在变电站。

根据导则，智能设备也被增加到变电站设备之中，其定义为：一次设备和智能组件的有机结合体，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动特征的高压设备，是高压设备智能化的简称，能够实现智能功能并能提供整个系统的监测、控制及管理的普遍IT技术。

由于更多自动化、网络化设备的应用，智能变电站尤其应加强自动装置、网络交换机等设备的在线监视,将设备的自检诊断信息、运行工况信息等通过标准协议,送达变电站监控系统进行可视化展示,并通过远传装置发送到上级调度/集控系统为电网实现基于状态监测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据的支撑［2］。

3 智能变电站在线监测

智能变电站中设备主要包括过程层设备（包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备）、间隔层设备（继电保护装置、系统测控装置、监测功能组主IED等二次设备）、站控层设备（包括自动化站级监视控制系统、站域控制、通信系统、对时系统）。

站控层设备中有些已经具有相关参数的量测，在这种情况下可仅进行数据采集即可，对于站控层设备没有提供的参数另外加装传感器测量。

3.1 过程层设备监测

过程层设备在线监测的主要项目有：变压器、断路器、电容器、MOA避雷器以及气体绝缘组合电器（GIS，Gas Insulated Substation）等。

目前国内外对变压器、容性设备、高压断路器等电力设备的在线监测都做了大量深入研究,监测量的范围也越来越广泛。智能开关设备（包括断路器和刀闸）是过程层数字化的重要组成部分。开关设备配有电子设备、数字通讯接口、传感器和执行器,不但具有分合闸基本功能,而且在监测和诊断方面具有附加功能。GIS等SF6电气设备的绝缘性能是确保其安全运行的重要条件。设备内部中的金属微粒、粉末和水分等导电性杂质是引发 GIS等设备故障的原因。设备存在导电性杂质时，因局部放电而发出不正常声音、振动、产生放电电荷、发光、产生分解气体等异常现象。因此局部放电是 GIS设备状态监测重要对象之一。

过程层设备主要监测参数如表1所示。

表1 过程层电力设备在线监测项目

对于以上的参数监测及分析,现阶段建立了基于动量因子的标准BP算法,Bold Driver算法、superSAB算法和RPROP算法的算法模型。

变电设备在线监测系统包括在线监测数据集成平台、容性设备在线监测系统、断路器在线监测系统等几部分组成。通过对以上设备的在线监测，来实时监测其绝缘性能和运行状态，并在出现异常时能及时报警。

3.2 变电站运行环境监测

无人值班变电站运行环境远程监测系统,应包括视频和安防功能,实现运行情况监视、入侵探测、防盗报警、出入口控制、火灾报警、安全检查等;还能够实现室内环境温湿度监测,以及室外环境温湿度、雨量风速监测等主要功能。利用单片机技术、紫外线、红外线、离子感烟等技术，对智能变电站现场的烟雾、明火、绝缘放电、环境温度、环境湿度、瓷套表面污秽泄漏电流、非法入室、小动物侵入、电缆沟进水等情况进行实时监测和记录，并通过通讯网络传输到预警系统主站，作为设备运行工作状况的辅助评估。

变电站运行环境远程监测系统中的视频和安防信号传至集控中心,视频监视和安防功能宜紧密集成。

变电站运行环境远程监测系统要成为智能输电网环境监测信息上送的重要节点。当发生报警时,远程视频监控终端能自动切换至相应摄像机,同时传送报警信息和相关图像,并自动在地理图上提示报警位置及类型;联动现场照明、警笛相关设备;支持一点报警多个摄像机联动和多点设备联动。视频处理单元应能对站内摄像机进行自检和故障报警,实现联动并及时准确跟踪事故点,同时远传到集控中心,从远端实现及时掌控。

3.3 电缆、开关柜测温

电力系统的一次电气设备一般由断路器、变压器、电缆、母线、开关柜等电气设备组成，其相互之间由母线、引线、电缆等连接,由于电流流过产生热量，所以几乎所有的电气故障都会导致故障点温度的变化。如：开关柜内部触头接触不良、插接偏心不正等原因导致过热，以致起弧烧坏设备；高压电缆接头、连接器导体部分接触不良引起异常过热，加速绝缘老化导致击穿，这是高压开关柜的主要故障形式，电缆连接处、高压开关柜的动静触头及其他连接处等位置过热是大型事故的征兆，所以电缆接头、高压开关柜的在线实时温度监控，是电缆和开关柜安全的重要保障。

目前，国内电力测温主要应用红外点测仪和红外成像仪，但都无法实现开关柜内如断路器、刀闸联接点和触头测温，对全封闭金属铠装柜更是无法触及，所以高压开关的触点等空间有限的电气设备基本上都是处于无监控的状态下运行。

系统采用基于光纤布拉格（FBG）原理的准分布式光纤光栅测温，具有良好的绝缘耐压性能和稳定的工作特点，采用星型拓扑结构布置测温点，如图1所示，避免了光纤在开关柜内部的迂回布线，解决防污闪问题。

图1 电缆、开关柜测温系统结构图

3.4 在线监测系统整体结构

智能变电站在线监测系统包括智能设备监测终端、通信网络以及综合监测分析系统。系统拓扑结构如图2所示。

基于单片机和总线技术的智能型监测终端安装在设备运行现场，其主要功能是对各智能设备（如在线检测设备、SF6气体泄流监测设备、变压器色谱分析仪、蓄电池监测系统、直流绝缘检测、智能直流屏等）采集的数据采用透明转发技术，通过100M以太网接入光纤网或辅以其他传输网络（如GPRS）实现实时信息的可靠传送。监测数据通过通讯网络传输到预警系统主站，作为设备运行工作状况的辅助评估。

为了避免因远距离传输微安、毫安级小电流信号而引入大量电磁干扰，淹没原始信号，系统选用分层分布式系统，电气参数就地采集。同时系统采用数字信号处理技术作为硬件平台；将智能型监测终端的RS485串行通讯口驳接多种智能通讯终端设备，构成了RS485通讯总线。

图2 智能变电站在线监测系统结构

为了提高设备通讯的可靠性，考虑到设备之间信号的隔离和抗干扰，以及抗雷击等大信号的冲击，前向放大部分采用零点漂移小、精度高的运算放大器以及精密的电阻，保证模拟放大通道的稳定性好；在每个设备接入总线的端口增加光电信号隔离装置，解决不同设备通讯信号地电位不同的问题；同时对于从户外经过的RS485通讯线路加装雷击保护电路，减少大信号冲击对通讯线路的损坏。

位于数据信息中心的远程服务器数据采集平台具有向现场采集仪发送通讯命令、接收和处理信息数据、对电力设备的运行状况进行评价和分析，故障报警、故障诊断和WEB发布等功能，并负责将处理后的设备信息数据送入开放式实时数据库，等待设备运行状态信息查询，或供其它系统调用，如与有关数据进行融合，建立电力设备运行与检修管理数据中心，分析处理结果可作为变电站设备状态检修的依据。

远程服务器数据采集平台采用B/S结构，与安全生产管理信息系统、企业资源计划系统（ERP）、SCADA和在线监测等实时/历史数据管理系统有效集成，以达到数据共享。在数据库运行维护上使用多线程查询技术和Database Pooling技术，使每个查询有独立的线程管理，可以实现并列的多个查询，提高查询效率。实现了查询内存模块的重复使用，减少了内存占用、释放的开销。采用三层结构模式，数据库与Web服务隔离，用户只与Web交互，提高了数据库的安全性。

4 结论

智能变电站的发展和成熟对建立坚强智能电网有重要意义。智能变电站在线监测系统运用当前国内外最先进的通信和检测技术，实现对变电站设备各项性能参数的实时监测，达到对变电站设备健康状况及运行环境的智能化实时采集、分析变电站主设备的各项数据，实时对运行设备的状态进行跟踪和监测，及时发布故障告警及检修信息，使智能变电站有效成为智能电网变电环节的重要组成部分。