（广州电力设计院 510610）
摘要：本文研究了基于变压器和GIS智能组件的状态监测体系，并以工控机的数据采集控制系统为基础，设计了变压器和GIS的IED激励源模拟装置。IED激励源模拟装置可以模拟高压设备的各种运行状态及典型故障。
关键词：智能组件；状态监测体系；IED激励源模拟装置
1 背景
智能电网是未来电力系统的发展方向。智能变电站作为智能电网的核心组成部分获得了越来越多的关注。保证设备的正常工作，特别是一次设备的正常工作并预估设备的损耗以建立合理的检修计划是实现智能变电站的基础。因此，状态监测技术成为了实现智能变电站的核心技术之一，该技术近年来获得越来越多的重视。
状态监测可定义为：一种监测设备运行特性的过程或技术，通过提取故障特征信号及被监测特性的变化或趋势，评估机器的“健康”状况，或者在严重故障发生前预知维护的需要。
现有的关于高压设备状态监测的设计、检测、调试、验收均未能考虑基于智能组件的现实应用，基于智能组件的高压设备状态监测系统的突出特点是高压设备及其监控现场较之以往的任何时候都更为简洁、紧凑，其涉及统一状态监测平台缺失、多状态监测单元之间相互影响以及与高压设备更为接近的现场应用的复杂电磁兼容环境干扰等的多重问题。本文将建立基于智能组件的变压器、GIS状态监测设备的设计、检测、调试技术体系，有利于全面解决这些伴随智能电网建设、高压设备智能化所带来的这些突出的问题。
2 电力设备在线监测系统的组成
对电力设备进行在线监测，进而达到对设备进行状态维修的目的，是基于这样一个事实[1]：某种设备在出现故障，需要进行维护之前，总是存在一个无故障工作期间，该时间期间符合统计规律，是一个和时间相关的函数。随着时间的推移，总会有一些表征整个设备或者某些重要部件寿命的参数发生变化，如果采集这些参数信号，并加以分析，根据其数值的大小及变化趋势，就可以对设备的可靠性做出判断，对其剩余寿命做出预测。这也是对设备进行在线监测的依据所在。
在线状态监测系统，是指利用现代传感技术、信息技术、计算机技术以及各相关领域的成果，综合构成的辅助运行系统。一个在线状态监测系统一般需要经过三个步骤：采集设备数据信号；对数据进行传输；分析处理数据及诊断。具体应包括以下基本功能单元：信号变送；数据采集；信号传输；数据处理；状态诊断。由上述几个单元构成的集中型监测系统的框图如图1所示。
图1 在线监测系统组成框图
信号变送单元通过传感器，从设备上监测出反映设备状态的物理量和化学量，并转化为电信号；数据采集单元把电信号经过滤波、放大等电路，变换成标准信号以便传输；信号传输单元采用数字信号或光信号传输，使监测信号传输到主控室的数据处理单元；数据处理和诊断单元把监测信号进行处理和分析，对设备的状态做出诊断和判定[2]。
3 IEC61850标准的发布对变电设备在线监测的影响
随着新的传感技术的应用、计算机技术、通讯网络技术、人工智能技术等的发展进步，高压变电设备的状态监测和诊断有了长足的进步。越来越多的在线监测系统被应用于现场，但是由于没有统一的相关标准或者技术条件为依据，造成各个生产厂家的设备不能互联互通，难以进行系统集成，无法让各个在线监测系统在变电站内实现信息共享，也就无法进行变电设备综合状态评估和诊断。
针对上述问题，国际电工委员会发布了IEC61850系列标准。该标准是关于变电站自动化系统的通信网络和系统的最新国际标准。其重要目的之一就是为了使不同厂商的产品具有互操作性。依据IEC61850关于变电站功能、变电站通讯网络以及整体系统建模的分层设定，变电站系统可分为三层结构――过程层、间隔层、站控层。
国家电网公司于2010年2月发布了《高压设备智能化技术导则》，明确提出了智能化高压设备的概念。采用 IEC61850 标准的数字化、信息化接口，融合在线监测和测控保护技术于一体的智能化高压设备可实现信息共享。
智能化高压设备通过先进的状态监测手段、可靠的评价手段和寿命的预测手段来判断一次设备的运行状态，并且在一次设备运行状态异常时对设备进行故障分析，对故障的部位、严重程度和发展趋势做出的判断，可识别故障的早期征兆，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修。通过传统型一次设备智能化建设，可以实时掌握变压器、GIS 开关等一次设备的运行状态，为科学调度提供依据；可以对一次设备故障类型及寿命评估做出快速有效的判断，以指导运行和检修，降低运行管理成本，减小新生隐患产生几率，增强运行可靠性。
4 变压器和GIS智能组件状态监测体系
4.1 介绍
智能电子装置 Intelligent Electronic Device（IED）是一种带有处理器、具有以下全部或部分功能的装置[3]：（a）采集或处理数据；（b）接收或发送数据；（c）接收或发送控制指令；（d）执行控制指令。例如具有智能控制功能的变压器“有载分接开关控制器”、具有自诊断功能的“局部放电监测装置”等。
IED激励源通过各状态模拟装置产生激励信号，模拟智能高压设备的各种运行状态及典型故障，实现在实验室环境下的整体联合检测。IED激励源的实现按照智能高压设备类型分为变压器IED激励源研究和GIS IED激励源研究。
4.2 状态监测量概述
4.2.1 变压器状态监测量概述
这里针对的是有载开关油绝缘电力变压器，根据其运行的特点，研究涵盖的监测量有：油中溶解气体、局部放电、铁芯接地电流、有载分接开关状态、油中微水、绕组温度、变压器套管等。上述量能较全面地反映电力变压器的运行状态。
1）油中溶解气体分析：变压器油中固有的有机绝缘材料在运行电压的作用下，因热、氧化和局部电弧等多种因素的作用，裂解出包含H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO2 的混合气体。通过分析油中气体的含量，可以有效地分析变压器的运行状况、运行寿命和绝缘老化情况。
2）局部放电：局部放电是造成设备绝缘老化的一个重要原因。局部放电信号的变化能反映变压器绝缘性能的劣化程度。典型的状态监测量包括局部放电噪声水平、放电强度峰值、放电强度峰值相位等。
3）绕组温度：监测绕组温度能及时有效地反映变压器运行状况，保护变压器安全可靠运行，并能有效延长变压器的使用寿命。测量绕组热点温度一般使用光纤测温的方法。
4）油中微水：油中微水含量与绝缘油本身的老化、设备绝缘老化及金属部件的腐蚀密切相关。
5）有载分接开关状态：对于有载调压分接开关的监测主要对其电机的驱动电流进行监测，以便较早发现故障、排除故障，避免重大事故的发生。
6）变压器套管：变压器套管是将变压器内部高、低压引线引至油箱外部与电网连接的重要部件，其绝缘状态决定了变压器运行水平。套管监测主要是测量介质损耗角正切值、电容量、全电流和阻性电流。
7）铁芯接地电流：监测铁芯接地电流能及时反映铁芯多点接地等故障，避免故障后长时运行对电网安全运行造成的危害。
4.2.2 GIS 状态监测量概述
根据 GIS 自身运行的特点，研究涉及的监测量有：断路器机械行程、SF6气体密度和压力、SF6 气体微水、断路器分合闸状态、局部放电等。上述量包括了机械量、电气量、状态量，能比较全面地反映 GIS 的运行状态。
1）机械行程：断路器动触头的行程一时间特性是表征断路器机械特性的重要参数，据此可计算分/合操作时间、分/合操作速度等参数，用来诊断断路器机械磨损、疲劳老化、缓慢动作等故障，是断路器机械特性监测的一项重要内容。
2）SF6 气体密度、压力和微水：SF6 断路器是以具有一定压力的SF6 气体作为绝缘、灭弧介质，所以监测SF6 密度和压力是监测SF6 断路器运行状态的必须手段。而气室中微水含量对断路器的绝缘和灭弧性能也有至关重要的作用。
3）断路器分合闸状态：是断路器在线监测的基本功能之一。
4）局部放电：局部放电是GIS绝缘劣化的最主要的征兆和原因之一，所有的绝缘劣化都会产生局部放电，而局部放电又会加速绝缘劣化。所以必须对GIS气室进行局部放电在线监测。
4.3 IED激励源的构成
基于工控机的数据采集系统开发并设计变压器IED激励源和GIS IED激励源。
4.3.1工控机的基本组成及特点
工控机（IPC）由计算机基本系统和过程 I/O 系统组成[4]。计算机基本系统由系统总线、主机模板存储器板、人机接口板与CRT、磁盘机、打印机等通用外围设备组成。过程 I/O 系统由输入信号调理板和 A/D 转换器将现场传感器测量的物理信号转变为电信。模拟量经模数转换（A/D 转换器），变成数字量输入计算机。计算机输出信号经数模（D/A）转换和输出调理（隔离放大）变成执行机构的功率驱动信号控制执行机构。工控机是一种具备特殊性能的计算机。如图2所示，它能够在苛刻的外界环境下连续长时间的稳定运行，并能承受环境中的高低温、冲击、振动、电磁干扰、潮湿、粉尘等不利因素。它产生于传统工业中过程控制与制造自动化对计算机高适应性和高可靠性的特殊需求。
图3 PCI-1710
4.3.3软件系统
该系统采用 C++Builder 开发的基于工控机的数据采集系统[5，6]。设计程序时，可将测量的数据保存在一个 Access 数据库中。通过 ADO（Active Data Object）控件访问数据库，进行删除，更新，刷新等操作。通过 TureGrid，还可以方便的调用系统打印属性窗口进行打印设置，并生成打印预览图。对于数据库的查询，我们可以针对数据库的某一个字段，或者多个字段进行复杂查询。这一切都是通过 ADO Data Control 的三种 Recordset 对象实现的。这样，用户可以在记录与记录之间浏览、显示和操纵数据。
4.4.4 IED 激励源的系统结构
测控对象为变压器或GIS的状态监测量，通过传感器/测量装置采集信息；经信号调节器处理，转换成可被数据采集卡接受的信号；采集卡把接收到的数据传送给工控机；通过软件开发处理，反馈给驱动电路；由执行机构动作完成控制指令。如图4所示。
图4 IED激励源系统结构图
4.4 变压器和GIS智能组件状态监测基本结构
在一个监测功能组里面，设立一个监测主IED 和多个监测子 IED。监测子 IED 只担当服务器的角色，只接入过程层通信网络，并通过过程层网络与组内的监测主 IED 通信；监测主 IED 既接入过程层网络与各个监测子 IED 通信（此时担当客户角色），也接入站控层网络与站控层计算机通信（此时担当服务器角色）。变压器和 GIS 智能组件状态监测 IED 组成分别如图5、图6所示。
智能高压设备是由高压设备本体、传感器及智能组件（IED激励源）组成的一种高压设备。其中传感器与高压设备为一体化设计。智能组件集合了测量、监测、控制等IED，安装在宿主设备近旁。智能组件通过电缆或光纤与宿主设备中的传感器和执行器相连接，连接可以是模拟信号，也可以是数字信号。智能组件内各IED 均接入过程层网络，各IED与监测主IED 之间的通信采用MMS 服务，其他IED 之间的通信采用GOOSE 服务。通过站控层网络，监测主IED 自主向远动装置、站监控主机及监测信息子站报送宿主设备运行状态信息、结果信息和格式化信息。
图6 GIS智能组件状态监测结构图
5 智能变压器的现场检验系统
智能变压器现场检验工作通过对智能变压器的一次 试验和二次调试，证实智能变压器具备投入运行的技术条件。智能变压器现场检验工作包括变压器本体及其传感器试验、过程层、间隔层、站控层通信调试，现场检验系统如图7所示。
5.1 一般试验条件
1）智能变压器检验过程中，智能组件应接通工作电源，并处于正常工作状态，在站控层系统应能刷新数据、读取文件，智能组件的控制功能正常。
图7 智能变压器现场检验系统图
2）智能变压器检验过程中，防雷接地措施应保持与运行状态一致。
3）与现场检验相关的传感器应安装完毕，处于工作状态或工作位置，传感器外壳完好，无渗漏，有明确标识。
4）智能变压器一次、二次部分检验工作应联合开展，在一次检验工作中具备考核二次设备条件时，应考核相应的二次设备。
5）对于现场不具备直接检测条件的传感器，可通过特定条件下的横向对比、纵向对比核实其工作稳定性。
5.2 运行维护中检验
智能变压器运行维护中应检查的内容包括：
a）就地安装装置是否有装置告警信号
b）装置是否有监测数据诊断告警
c）站控层数据是否正常刷新
d）就地安装装置的耗材（如载气、干燥剂等）是否需要更换
e）就地户外柜是否有积水，柜内温度是否超标
f）户外安装的传感器是否有破损、锈蚀，安装环境有振动的传感器是否有松动
6 小结
本文研究了基于智能组件的变压器和GIS状态监测体系，并以工控机的数据采集控制系统为基础，设计了变压器和GIS的IED激励源模拟装置。并且研究了智能变压器的现场检验系统。IED激励源模拟装置可以模拟高压设备的各种运行状态及典型故障。将IED激励源模拟装置用于智能高压设备实验室整体联合检测，对于保证电气设备和电力系统的正常运行具有重要意义。
论文作者:孙旭,霍艳萍
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/20
标签：变压器论文; 设备论文; 状态论文; 智能论文; 在线论文; 高压论文; 信号论文; 《电力设备》2016年第22期论文;