油田变电运行数据与设备状态在线监控技术

刘 军 靖 伟 彭代君 聂万庆

1.胜利石油管理局有限公司 经营管理部 山东东营 257000 2.胜利石油管理局有限公司 电力分公司 山东东营 257000 3.胜利油田分公司 安全环保质量管理部 山东东营 257000

胜利油田通过变电站综合自动化技术建设电网,全面实现运行数据的在线采集和无人值守。随着自动化和环境采集技术的发展、光通信网络的完善、数据传输稳定性的提升,对电力设备运行环境及运行状态中各种参数进行采集成为可能。由此,在完成对电网潮流进行实时监控的同时,可以对设备的运行可靠性进行评估。笔者介绍胜利油田变电运行数据与设备状态在线监控技术。

1 电网运行在线监控

通过变电站综合自动化系统,实现电网运行中正常状态下数据的实时采集。油田电网运行中,数据主要分为运行数据和电量数据。通过微机保护装置或测控装置实现对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等运行数据实时在线采集,通过各种线路出口电表对电量数据进行采集,各种自动化装置的应用实现了电网数据的精准采集。

1.1 运行数据

以胜利油田某110 kV变电站为例,站内有两台主变压器,容量均为31 500 kVA。共有110 kV室外电气设备40组、35 kV室内电气设备12组、6 kV室内电气设备30组,具有各种辅助电气设备等。除变压器、站用变、消弧线圈、6 kV电压互感器为充油设备外,其余均为SF6充气设备或干式设备。该变电站为综合自动化变电站,后台系统共采集710个模拟量、7 011个遥信量。模拟量主要包括:① 电流互感器采集的经过开关设备的电流;② 各段母线电压互感器采集的电压;③ 部分设备采集的零序电压、零序电流、频率等;④ 直流设备的电压、电流,蓄电池组中每块蓄电池的电压;⑤ 通过计算获得的有功功率、无功功率、功率因数等。遥信量主要包括保护事件、遥信采集量、遥控点采集量等几类。

通过各种数据量的采集,实现对变电站正常运行过程中各种设备运行状态、线路负荷情况、变压器负荷等的实时监控。故障状态下保护事件、设备状态的变化可以为运行人员提供电网运行情况,检修人员根据故障状态下的各种数据判断电网事故原因。

1.2 电量数据

电能表是电网中的常见计量设备,在变电站各类出口均配备计量表计。随着技术的发展,需要采集的数据量种类不断增多,可以应用专用的通信通道进行传递。三相多功能电表采集的数据见表1。

表1 三相多功能电表采集的数据

2 设备在线监控

随着各种电力设备运行状态传感器的完善,不同的设备采取不同的采集方式。目前在变电站中,避雷器在线监控、断路器机械特性监控、环境温湿度监控、设备温度监控等系统分别对设备的运行环境、自身状态进行在线监控。通过对各种参数的实时采集,实现对电力设备运行的安全可靠性进行评估。

2.1 避雷器在线监控

避雷器是电力关键设备,流经避雷器上的阻性电流是衡量避雷器绝缘程度的一项重要指标。通过对避雷器的全电流、阻性电流、容性电流、阻容比、雷击次数、雷击时刻进行实时在线监测[1],可以实现对高压电气设备绝缘状况的实时监测。通过分析监测数据,可以及时发现避雷器潜在的故障,并为状态检修提供重要的数据依据,为运行检修人员提供可靠的设备绝缘信息。

2.2 断路器机械特性监控

高压断路器依靠机械部件的正确动作来实现功能,每个组成部件的机械牢固性极为重要。高压断路器事故统计分析表明,80%高压断路器故障由机械原因引起[2],且大多数故障由操作机构问题引起,如拒分、拒合、不能开断等。随着电力系统朝高电压、大容量的方向发展,停电事故给生产、生活带来的影响和损失越来越大,保证电力设备的安全运行越来越重要。因此,对高压断路器实现状态诊断或实时在线监测,及时了解其运行状况,掌握其运行特性及变化趋势,对于提高电力系统运行可靠性而言极为重要[3]。断路器机械特性状态在线评估遥信点见表2。

表2 断路器机械特性状态在线评估遥信点

2.3 环境温湿度监控

变电站内环境温湿度和各种柜体内部温湿度情况会影响一次设备的安全运行,对中高压开关柜、端子箱、环网柜、箱式变压器等设备的内部温度和湿度进行调节控制,可以有效防止因低温、高温造成的设备故障,以及受潮或结露引起的爬电、闪络事故。DL/T 5149—2001《220～500 kV变电所计算机监控系统设计技术规程》明确规定,主控制室和计算机室温度宜控制在18～25 ℃范围内,且温度变化不超过±5 ℃,继电小室的温度变化范围为5～30 ℃,且温度变化不超过±5 ℃[4]。因此,在变电站设备投运前,必须严格按照变电站各相设备、控制系统对环境温度的规程要求进行检查,以保证变电站系统安全可靠运行。新型开关柜封闭性较强,柜内的湿度、温度过高会造成设备损坏,部分电气接点容易产生过热和放电现象,严重时会发生燃烧,威胁变电站的安全运行。通过在线监测变电站开关柜内的温湿度,管理人员能够在第一时间准确了解掌握产生安全隐患的变电站开关柜的具体信息,及时前往现场进行处理。无人值守变电站需要对站内的温度、湿度进行自动调节。环境温湿度监控装置采集控制点见表3。

表3 环境温湿度监控装置采集控制点

2.4 设备温度监控

一次设备不同位置有各种连接点,随着运行电流的变化,会产生发热现象。特别是断路器、刀开关、穿墙套环、主变压器接头等位置,需要重点关注。对各种一次设备的接头温度进行监控,了解不同负荷、环境温湿度情况下设备接头温度变化情况,是在线评估设备接头接触情况的一种方式,可以为设备接头打磨、紧固等检修工作提供准确数据,实现有选择性的设备接头检修,在提高检修质量的同时,降低工作强度。目前应用的一次设备温度监控方式主要分为红外测温和接触式测温两种。

红外测温采用红外成像技术,测量电力设备辐射出的红外能量,将其转换为温度信息,同时对温度信息进行处理,以图像视频信号将被测设备温度信息直观显现出来,通过电力设备监测判据实时快速判断设备的运行状态。利用红外测温在线监测电力设备运行状态,具有测量精确、监测效率高、可在夜间诊断等优点[5-7]。以变压器为例,变压器正常工作温度为40 ℃左右,在运行时会产生热量,温度升高。当温度升高严重时,会导致变压器绝缘受损,使线圈发生短路,甚至烧毁变压器。设置红外线摄像头,保持50 m内测温精度,可进行接头、套管、本体测温。一般设置十个温度观测点,进行循环测温。

变电站接触式测温系统总体设计分为数据采集模块、无线传感网络支撑模块、远程信息管理模块三部分。接触式测温使用无线通信方式,主要适用于手车式动触头、电缆与母排搭接处、隔离刀开关搭接处等电气搭接点的温度测量,适用于室内外高压设备测量点较多的情况。在设备的接头处安装温度传感器,对温度传感器感知的数据进行网络中继传输,在监控中心设计温度监控系统,进行接头的实时数据展示与分析[8]。

3 综合诊断技术

电力设备在运行中,对可靠性起重要影响的是设备的耐受能力,也就是使用寿命。如果把电力设备投入使用时的初始状态看作健康状态,那么由于电力设备在使用过程中受到环境、操作、切除故障等因素的影响,各部分将发生不同程度的磨损和劣化,导致耐受能力和运行性能降低。这些磨损和劣化主要包括三个方面,分别为电磨损、机械磨损、绝缘磨损[9]。对电力设备在运行中的正常状态和故障状态所承受的电压、电流对电力设备造成的损害,以及电力设备运行过程中各种机械特性、物理属性的变化进行综合分析,基于数据积累,实现电力设备使用寿命的预测,减少电力设备故障的发生。

3.1 传统综合诊断

利用各种物理、化学原理和手段,通过伴随故障现象出现的各种物理和化学现象,直接检测故障。例如,可以利用振动、声、光、热、电、磁、射线、化学等多种手段,观测变化规律和特征,用以直接检测和诊断故障。这种方法快速有效,但只能检测部分故障。利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常用、最成熟的方法。以输电线路为例,电压、电流显著变化的征兆最能反映故障的特点,最有利于进行故障诊断。为此,要深入研究各种故障的机理,分析各种故障所对应的征兆。在诊断过程中,分析系统在运行中的信号,提取信号的各种特征信息,获取与故障相关的征兆,利用征兆进行故障诊断。由于故障与各种征兆间并不是简单的一一对应关系,因此利用征兆进行故障诊断往往是一个反复探索和求解的过程。这一方法虽然能较好地检测出电力设备的故障,但是属于传统的离线预防性检验方法,缺点是脱离实际运行条件,不能有效及时检测出电力设备的潜伏性故障。这一方法可以对已经发生故障的电力设备进行故障原因分析,消除故障,恢复系统运行,但是无法预测评估电力设备的使用寿命。

3.2 新型智能诊断

在上述传统综合诊断方法的基础上,全面采集电力设备的运行数据和状态参数,并对数据进行积累分析,将运行数据作为电力设备各种磨损的因素,将电力设备各种状态参数的发展趋势作为电力设备使用寿命预测的重要依据。

将人工智能理论和方法应用于故障诊断,发展智能化诊断方法,是故障诊断的一个全新途径。虽然智能诊断在很多领域已经得到了应用,但是技术还不是很成熟,需要各种实际运行数据的长期积累。当然,智能诊断作为一种故障诊断方法,其优越性在预测方面是其它故障诊断方法所无法比拟的。电力设备安全运行的实质是消除故障停电,预测事故发生。在智能诊断过程中,起主导作用的是人类专家知识。智能诊断技术不再是少数专业人员才能掌握的技术,而是一般人员能够使用的工具。智能诊断技术的特点在于充分利用各种先进传感技术,获取大量电力设备故障信息、智能数据发展趋势,对信息、数据进行集中采集、处理,并应用人工智能技术提高人类专家的参与能力。

4 在线监控技术展望

只有对电力设备进行在线监控,才能实现电力设备的状态维修,这也是保证电力设备安全可靠运行的关键。通过对电力设备在线数据进行分析,实现对电力设备故障进行预测,这是对传统离线预防性试验的重要补充。对变配电系统设备和运行环境进行在线监控,可以有效评估设备的运行状况,为设备的状态检修提供数据支撑。为确保电力设备的安全运行,长期以来采用计划检修,投入大量人力、物力和财力,同时也造成了停电损失,甚至会导致电力设备寿命缩短。在无法实现对电力设备状态进行准确评估的情况下,计划性停电检修工作是保障电力设备安全运行的必要条件[10]。随着传感器技术、通信技术、计算机技术的不断发展,对设备、环境各种参数进行采集成为可能,先进的无线通信传输技术打破了常规有线通信技术的限制,通过对现场采集数据的综合积累分析,逐步实现设备运行状态的预估。未来,在线监控技术将应用于各种电力设备,为保障检修工作的精准性提供数据支撑。