智能换流变压器在线监测系统的设计与建模

牟龙华，石 林，许旭锋，刘晓明

（同济大学电子与信息工程学院，上海 201804）

智能电网是当前电力工业界的研究热点之一。换流站作为高压直流输电系统中实现交流电和直流电相互变换的技术装置，其智能化建设是智能电网建设的重要组成部分[1-3]。换流变压器作为换流站中最重要的设备之一，其可靠性对整个直流输电系统的正常运行起着至关重要的作用，变压器一旦发生故障，对输电系统的影响很大，且检修强度大[4]。因此，换流变压器的智能化有着重要的工程价值。

换流变压器的智能化主要目的之一在于实现状态信息的数字化采集和网络化传输，并可参照IEC 61850建立统一的信息模型和通信平台，进行实时监测与故障分析，为变压器的状态检修提供依据[5]。状态的监测与测量、保护等系统不同，特征量选取难度大，种类繁多，目前国内外基于IEC 61850的在线监测系统研发尚处于起步阶段，要对智能换流变压器直接进行设计和制造还存在很大难度，可行的方案是参照IEC 61850信息模型配置在线监测IED对换流变压器进行智能化改造[6，7]。

本文对换流变压器在线监测项目的配置策略进行研究，提出智能换流变压器在线监测系统的总体结构，并结合最新发布的IEC 61850第2版设计智能换流变压器在线监测系统的完整信息模型。

1 在线监测系统配置策略分析

目前变压器的在线监测技术主要包括油中溶解气体及微水、局部放电、套管绝缘、SF6气体、铁心接地电流、绕组变形、变压器振动频谱等状态量的在线监测[8]。本节将对换流变压器在线监测系统配置进行探讨分析。鉴于换流变压器已具有较高的智能化程度，绕组热点温度、油温、油位等监测设备已经在换流变压器的生产制造中加以配置，故不再赘述。

1.1 油中溶解气体及微水在线监测

油中溶解气体分析技术是发展最为成熟，工程运用较多的一项监测技术，通过对换流变压器油中气体成分和含量分析，就可以得出相应变压器绝缘老化程度或故障类型。对变压器油中微水的监测可以防止变压器绝缘强度的降低并对变压器整体绝缘状况进行评估。

综上所述，变压器油中溶解气体及微水在线监测模块可以对变压器整体状态进行诊断和预测，能够全面反映变压器内部存在的潜伏性故障，对变压器运行的可靠性做出判断同时进行寿命预测，对变压器的检修具有指导作用。所以应为换流变压器配置油中溶解气体及微水在线监测装置。

1.2 局部放电在线监测

局部放电能有效反映变压器内部的绝缘状况，在线监测变压器内部局部放电信号能及时反映其绝缘状况和发展趋势，是预防变压器绝缘发生突发性事故的有效手段之一。但由于变压器油中气体在线监测装置具备监测局部放电的能力，所以对于换流变压器，局部放电监测可以作为油中气体在线监测装置的辅助，预留供日常检测使用的超高频传感器及测试接口，以满足运行中开展局部放电带电检测的需要；对于局部放电带电检测异常的，再根据需要配置局部放电在线监测装置进行连续或周期性跟踪监视。

1.3 套管绝缘在线监测

据文献[4]显示，换流变压器的套管是其故障率最高的部件，严重时还会引起起火甚至爆炸事故。我国目前采用的换流变压器阀侧套管主要是环氧树脂浇注干式套管，而网侧套管则主要采用油纸电容式套管。前者是通过SF6气体绝缘，后者则通过变压器油绝缘，所以换流变压器套管绝缘监测不仅包括介质损耗、末屏等效电容和末屏泄露电流的监测，阀侧套管还应包括SF6气体状态监测。

由于换流变压器套管故障率较高，仅靠变压器油中溶解气体及微水在线监测装置尚无法实现对故障的快速识别和准确定位，所以应为套管加装在线监测装置。

1.4 铁心接地电流在线监测

变压器铁心接地电流可以通过传感器感应出信号经放大后被及时监测出来，当电流值出现异常情况时，能够及时采取调控措施进行处理，避免变压器因铁心多点接地造成铁心局部短路过热甚至局部烧损。目前换流变压器发生铁心多点接地故障的情况不多，但考虑到元件的关键性和可能引发的严重危害，应为换流变压器配置铁心接地电流在线监测装置。

1.5 振动信号在线监测

国内外理论研究结果和实际运行经验表明，变压器器身表面的振动与其绕组及铁心的压紧状况、绕组的位移及变形密切相关[9]。根据国家电网发布的《国网状态检修试验规程及主设备评价检修导则》及《智能变电站技术导则》，基于振动信号分析的变压器在线监测方法能够实时采集、分析和处理变压器油箱表面振动信号，分析、判断绕组及铁心的工作状况，为变压器状态评估和状态检修提供重要依据。所以应为换流变压器配置振动信号在线监测装置。

1.6 绕组变形在线监测

监测绕组变形的方法包括低压脉冲法和频率响应法，但这两种方法目前普遍作为离线检测手段。鉴于绕组变形的在线监测方法实际运用尚不成熟，通过变压器振动信号的监测能够对绕组和铁心整体工作状况进行分析和判断，所以建议暂不配置绕组变形在线监测，沿用绕组变形离线检测手段。

综上所述，换流变压器在线监测系统应配置油中溶解气体及微水在线监测，套管绝缘、振动信号、铁心接地电流在线监测，同时预留供日常检测使用的超高频传感器及测试接口，以满足实际运行中开展局部放电带电检测的需要。

2 在线监测系统总体结构

目前，国内外相继研制了不同类型的在线监测装置，但多数监测装置的功能单一，仅能对单一参数进行监测，难以满足智能换流站对多功能、多参数的集中监测要求。同时，各类在线监测装置的通信协议不兼容、通信接口不统一，无法进行设备间的互操作和数据共享，不能达到智能换流站对通信平台网络化、信息共享标准化的要求[10]。

IEC 61850是迄今为止最完善的变电站自动化系统通信标准，是一个开放的、可扩充的标准[11]。目前换流站自动化系统的结构分为运行人员控制层、控制层及现场层[1]，大致对应于IEC 61850标准的变电站层、间隔层及过程层，虽然与IEC 61850标准并不完全吻合，同时IEC 61850标准还并未涉及直流输电设备，但其建模的基本思想适用于换流站[12]，为解决上述在线监测系统多参数集中监测和信息共享等问题提供了有效途径，所以换流变压器在线监测系统的总体结构可以IEC 61850通信协议为基础进行设计。

本文提出一种基于IEC 61850的智能换流变压器在线监测系统，其总体结构如图1所示。

图1 换流变压器在线监测系统的总体结构Fig.1 Architecture of on-line monitoring system for converter transformer

在线监测装置需要通过传感器采集换流变压器的状态信息，故将传感器和换流变压器共同分布在过程层。换流变压器的智能化应该先对常规设备进行数字化，即通过在线监测IED提供网络数字接口，故为每个监测项目设置一个子IED，根据IEC 61850功能自由分布和就近原则，同样将各监测子IED下放在过程层。由于换流变压器监测项目较多，不应使所有在线监测子IED都与换流站层监控系统进行通信，所以在间隔层设置换流变压器在线监测主IED，作为代理或网关，负责各监测项目子IED监测结果的综合分析、数据过滤以及与换流站层的通信，实现多参量综合监测。

换流站层接收来自间隔层的数据并对其进行处理，记录在生产管理系统中，并下发相应指令给间隔层监测主IED，同时将换流变压器的检修数据录入生产管理系统并下发给换流变压器监测主IED进行状态分析，并能通过在线监测培训系统对站内操作和检修人员进行相关培训。各层设备可参照IEC 61850技术体系进行设计和开发，并采用IEC 61850进行网络化通信，实现智能换流变压器在线监测系统的通信网络化和数据共享。

3 换流变压器在线监测系统建模

基于IEC 61850标准对换流变压器在线监测IED进行建模，可以实现统一的接口标准和信息标准，是IEC 61850应用的关键。要对换流变压器在线监测IED进行建模，首先要将IED抽象成逻辑设备（logical device，LD）；再根据功能把 LD分解为若干逻辑节点（logical node，LN），其中LN是IEC 61850中能实现某一具体功能的最小抽象单位。

3.1 换流变压器在线监测系统的功能模型

针对换流变压器的特性，实际应采用的监测方法主要包括油中溶解气体及微水、振动信号、铁心接地电流、SF6气体、油温、绕组热点温度以及套管介损和电容值监测等，局放监测可预留接口。针对上述监测量，依据IEC 61850第2版[13]，采用气体介质绝缘监测（SIMG）、液体介质绝缘监测（SIML）、温度监测（STMP）、局放监测（SPDC）、振动监测（SVBR）、变压器（YPTR）、套管（ZBSH）、温度传感器（TTMP）等逻辑节点及其数据与数据属性，基本能够反映换流变压器的运行状态。换流变压器在线监测系统逻辑节点模型如图2所示。

由于换流变压器也属于电力变压器，所以可用电力变压器YPTR节点代替，同时监测对象还包括套管ZBSH节点，其中ZBSH1节点代表网侧套管，ZBSH2节点代表阀侧套管。传感器主要包括振动TVBR、电流TCTR、温度TTMP、压力TPRS以及湿度THUM等节点，用以将反映设备状态的各种物理量转换为电信号。其中电流传感器用以检测铁心接地电流，温度、压力，湿度传感器主要用于阀侧套管SF6气体微水监测。传感器与设备逻辑节点共同部署在过程层。

图2 换流变压器在线监测系统逻辑节点模型Fig.2 Logical node model of on-line monitoring for converter transformer

监测类逻辑节点包括液体介质绝缘监测SIML、局放监测SPDC、振动监测SVBR、铁心接地电流监测SCGA以及气体介质绝缘监测SIMG等。其中铁心接地电流监测节点SCGA是根据IEC 61850的逻辑节点扩展规范扩展出的新的逻辑节点，确定的相关数据和服务如表1所示。

在现有的气体介质绝缘监测SIMG逻辑节点中缺少微水（micro water）的监测数据，所以需要通过组合形成新的数据名称，采用MV类型，对SIMG扩展新的可选数据对象MicroWtr，如表2所示。

表1 SCGA类数据和服务描述Tab.1 SCGA attribute and server list

表2 SIMG类部分数据和服务描述Tab.2 SIMG attribute and server list

远方监测接口ITMI、操作员接口IHMI以及存档IARC等逻辑节点分布在换流站层。ITMI提供与网省监测中心的监测与维护接口，IHMI用于换流站层和间隔层的配置及控制，IARC用于长期历史数据的存档和查询。

3.2 换流变压器在线监测系统的设备模型

换流变压器在线监测系统的设备模型如图3所示。监测主IED通过建立LD0表示自身信息，LLN0表示LD0的信息，而LPHD则表示换流变压器在线监测主IED的物理设备信息。

由于YPTR和ZBSH节点在IEC 61850第2版中已经包含了变压器绕组热点温度、老化率、套管电容量、介损等监测量，故不需要额外设置监测类逻辑节点，可直接建立逻辑设备LD1、LD6、LD7，由LLN0，LPHD和相应设备逻辑节点构成。

换流变压器其他在线监测子IED包括液体介质绝缘监测子IED、局部放电监测子IED、振动监测子IED、铁心接地电流监测子IED以及气体介质绝缘监测子IED等。其中局部放电监测子IED可以选择配置。各监测子IED监测量如图2所示。对于上述监测子IED，分别建立逻辑设备LD2、LD3、LD4、LD5和LD8，其中LD2表示液体绝缘介质监测子 IED，由 LLN0，LPHD，SIML 构成；LD3表示局部放电监测子IED，由 LLN0，LPHD，SPDC 构成，其余逻辑设备结构类似，故不再赘述。

同时，将逻辑设备LD1-LD8分别映射到换流变压器在线监测主IED中，使主IED能综合分析各监测设备的监测结果，对换流变压器的运行状态进行综合分析评价。主IED中逻辑设备存在与之对应的IED，所以其LPHD代表与之对应的IED，将其LPHD.Proxy.stVal属性设置为TRUE。

图3 换流变压器在线监测系统设备模型Fig.3 Device model of on-line monitoring system for converter transformer

3.3 换流变压器在线监测系统的通信服务

在线监测系统主要通信功能包括监测数据的告警、召唤及周期上传等，它们可分别采用Report，GetBRCBValues，SetBRCBValues，GetURCBValues，SetURCBValues等服务实现。其中，模拟量采用非缓存报告控制块（Unbuffered Report Control Block，URCB），告警等状态量可采用缓存报告控制块（Buffered Report Control Block，BRCB），如此即可保证数据不会因通信中断或受到干扰甚至丢失。

由于换流变压器在线监测系统主要完成对变压器运行状态的监测，实时性要求不高，制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）完全能够满足在线监测系统中低速报文的性能要求，所以在线监测主IED和子IED之间、主IED和站层监控系统之间可采用MMS通信协议。

4 结语

本文结合IEC 61850对智能换流变压器在线监测系统进行总体结构搭建，给出换流变压器在线监测IED的完整信息模型，新建了IEC 61850中没有定义的铁心接地电流监测逻辑节点SCGA以及SIMG节点中没有定义的微水监测数据。对智能换流变压器的改造或新建具有重要参考价值。

方案中在线监测IED仍然采用功能独立与分散布置，随着技术发展，在线监测IED功能的集成化以及与测控、保护等功能的一体化将逐步实现，并完成换流变压器与智能组件的最终融合，实现换流变压器的智能化。

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