總線式變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

1　概述

目前我國對(duì)高壓設(shè)備的絕緣監(jiān)督依據(jù)《電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》定期進(jìn)行試驗(yàn)和維護(hù)。由于預(yù)防性試驗(yàn)通常不考慮設(shè)備的運(yùn)行狀況，到期必修，有效性和靈敏度低，不能完全適應(yīng)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行需求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1985～1990年間全國有80%的變壓器事故是在預(yù)防性試驗(yàn)合格的情況下發(fā)生的。因此，迫切需要維修方式從傳統(tǒng)的以時(shí)間為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)變到以狀態(tài)為基準(zhǔn)的狀態(tài)檢修方式。目前電氣設(shè)備的狀態(tài)維修(CBM)在電力系統(tǒng)中已愈來愈受到重視，電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)作為實(shí)行狀態(tài)維修的前提，已成為近年來國內(nèi)外高壓領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1～4]。實(shí)踐表明，在線監(jiān)測(cè)高壓設(shè)備的絕緣參數(shù)，既可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛伏性故障、防止重大絕緣事故、提高供電可靠性，又可減少設(shè)備停電試驗(yàn)和維護(hù)的盲目性。 　

以往的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多數(shù)采用集中處理方式，即通過屏蔽電纜將被測(cè)信號(hào)引入系統(tǒng)主機(jī)，然后由主機(jī)進(jìn)行集中循環(huán)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。由于一次信號(hào)很小，經(jīng)傳感器耦合后被測(cè)參數(shù)受模擬量傳輸過程中引入的干擾影響很大，測(cè)量結(jié)果的有效性和穩(wěn)定度不能保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，可采用總線式結(jié)構(gòu)的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元除了具備信號(hào)提取，還具備信號(hào)的預(yù)處理、數(shù)字化和處理功能，真正實(shí)現(xiàn)絕緣參數(shù)的分散式測(cè)量，本文將對(duì)此進(jìn)行研究。

2　測(cè)量原理

2.1　變壓器 　

理論分析表明，氫氣是反映變壓器故障的特征氣體[5]。變壓器在運(yùn)行過程中所發(fā)生的許多絕緣故障，如：鐵芯多點(diǎn)接地、局部短路、接觸不良等過熱型故障和放電型或受潮型故障，均有氫氣產(chǎn)生，通過在線監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解的氫氣，便可有效地發(fā)現(xiàn)變壓器的潛伏性故障;另外，通過對(duì)鐵芯接地電流的在線監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯的多點(diǎn)接地故障。

2.2　電容型設(shè)備

對(duì)于變壓器套管、電流互感器(CT)、電容式電壓互感器(CVT)以及耦合電容器等電容型設(shè)備，通過測(cè)量介質(zhì)損耗(tanδ)及電容量，可較為靈敏地發(fā)現(xiàn)設(shè)備的絕緣缺陷。實(shí)現(xiàn)電容型設(shè)備介質(zhì)損耗參數(shù)在線檢測(cè)的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲得并求取電流信號(hào)和電壓信號(hào)基波的相位差。由于傳統(tǒng)的過零比較法硬件電路復(fù)雜，抗干擾性能差，本文采用以快速傅里葉變換(FFT)為核心的純數(shù)字方法，利用兩個(gè)高精度電流傳感器耦合被監(jiān)測(cè)設(shè)備的電壓和電流信號(hào)，然后由數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期采樣(A/D)及快速傅立葉變換，以獲得這兩個(gè)信號(hào)的基波矢量及其相位差，從而計(jì)算出介質(zhì)損耗值。該方法不需要復(fù)雜的模擬信號(hào)處理電路，且能有效地抑制諧波干擾。

2.3　避雷器

在運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)氧化鋅避雷器(MOA)阻性電流分量的變化是判定閥片劣化或受潮程度的更為有效和靈敏的方法。對(duì)氧化鋅避雷器阻性電流分量的監(jiān)測(cè)，本文采用了與電容型設(shè)備類似的方法，通過對(duì)母線電壓信號(hào)和MOA泄漏電流信號(hào)的FFT分析，可求得阻性電流的基波分量。

2.4　表面泄漏電流及環(huán)境溫濕度的測(cè)量 　環(huán)境溫濕度是影響絕緣參數(shù)的重要外部因素，通過對(duì)環(huán)境溫度、濕度等常規(guī)氣候參數(shù)的監(jiān)測(cè)，結(jié)合設(shè)備瓷套表面泄漏電流的監(jiān)測(cè)可以判斷設(shè)備外部絕緣的污穢程度，有助于提高在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)診斷結(jié)果的可靠性。

3　總線式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1　結(jié)構(gòu) 　

圖1為總線式絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)由3部分組成：本地監(jiān)測(cè)單元(LC)、變電站通信控制器(SC)和絕緣診斷系統(tǒng)(IDS)。

3.2　本地監(jiān)測(cè)單元

所有的本地監(jiān)測(cè)單元均由取樣傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理及A/D采樣模塊、嵌入式微機(jī)模塊和RS485通信及電源管理模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。信號(hào)經(jīng)傳感器耦合后直接進(jìn)行預(yù)處理和采集，數(shù)字信號(hào)的分析和處理以及通信功能均由本地監(jiān)測(cè)單元在現(xiàn)場(chǎng)完成。

3.2.1信號(hào)傳感器 　

傳感器直接影響絕緣參數(shù)的測(cè)量精度，對(duì)電容型設(shè)備設(shè)計(jì)了補(bǔ)償型零磁通電流傳感器來提高小電流檢測(cè)的精度。選用起始導(dǎo)磁率高、損耗小的坡莫合金作鐵芯，并采用深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)對(duì)鐵芯的激磁磁勢(shì)進(jìn)行全自動(dòng)補(bǔ)償，使鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態(tài)，同時(shí)對(duì)線圈進(jìn)行了良好的雙層屏蔽，從而有效地提高了傳感器角差和比差的穩(wěn)定性，并使傳感器具有良好的溫度特性。

3.2.2　嵌入式微機(jī)模塊 　

嵌入式微機(jī)模塊是本地監(jiān)測(cè)單元的核心。采用新一代32位微處理，它包含個(gè)人計(jì)算機(jī)的絕大部分外設(shè)并增添了單片機(jī)的特征，能夠完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算非常適合于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)以32位CPU為核心，設(shè)計(jì)了嵌入式微機(jī)系統(tǒng)，既適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，又具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及端口控制功能，使得信號(hào)的處理功能非常簡(jiǎn)單，從而使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的就地化得以實(shí)現(xiàn)。 　

值得說明的是，傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過屏蔽電纜將被測(cè)信號(hào)引入系統(tǒng)主機(jī)，然后進(jìn)行檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理。由于一次信號(hào)很小，經(jīng)傳感器耦合后，模擬量傳輸過程中引入的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，這是造成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量分散性大的根本原因之一。本地監(jiān)測(cè)單元中傳感器的輸出信號(hào)不需要遠(yuǎn)距離傳輸，采用就地采集和處理，極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測(cè)量的穩(wěn)定性。

3.3　變電站通信控制器 　

變電站通信控制器通過RS485總線控制LC工作狀態(tài)和讀取LC的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過公用通信網(wǎng)絡(luò)與絕緣診斷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 　RS485總線是一種通用的現(xiàn)場(chǎng)通信總線，它是一種雙向、多點(diǎn)、數(shù)字化的通信模式，具有良好的抗干擾性能和遠(yuǎn)距離傳輸功能，能適合變電站范圍的通信需求。圖3為絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

變電站通信控制器只需通過一對(duì)485通信總線(通常用雙絞線)就可掛載所有本地測(cè)量單元。雖然LC均具有獨(dú)立的采集、信號(hào)處理、測(cè)量功能，但它的測(cè)量又受到SC的控制。SC按照一定的時(shí)間和任務(wù)序列與LC通信，啟動(dòng)LC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)絕緣參數(shù)同步測(cè)量的要求，讀取各個(gè)LC的測(cè)量數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息。如果其中某臺(tái)LC故障，SC可將它從網(wǎng)絡(luò)中卸載，增加或減少1個(gè)本地測(cè)量單元均不會(huì)影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。這樣就可真正實(shí)現(xiàn)絕緣參數(shù)的分散式就地測(cè)量和整個(gè)系統(tǒng)的總線式通信。

3.4絕緣在線診斷系統(tǒng)(IDS) 　基于NT平臺(tái)的絕緣在線診斷系統(tǒng)通過公用通信網(wǎng)自動(dòng)獲得變電站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以SQLServer作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，分析各參數(shù)的變化趨勢(shì)及其相關(guān)性，對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行和絕緣狀況進(jìn)行綜合診斷，指導(dǎo)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)。

4現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果 　

由于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)受到如PT電壓基準(zhǔn)、環(huán)境、運(yùn)行方式、電壓波動(dòng)等多種因素的影響，假定設(shè)備的絕緣狀況是良好的，對(duì)于電容型設(shè)備的電容量和MOA的泄露電流等參數(shù)在線監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)是非常穩(wěn)定的，而對(duì)于電容型設(shè)備的介損和MOA的阻性電流在線監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。 　

從如圖4、圖5所示的測(cè)量結(jié)果可見，電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗和避雷器的阻性電流等監(jiān)測(cè)參數(shù)在每天都發(fā)生周期性變化。通過分析可知，數(shù)據(jù)的變化是由于環(huán)境溫濕度變化的影響造成的，環(huán)境溫濕度每天有周期性的波動(dòng)(見圖6)。監(jiān)測(cè)參數(shù)與環(huán)境溫濕度顯示了很強(qiáng)的相關(guān)性，可以通過分析二者之間的相關(guān)性來分析設(shè)備的絕緣狀況。另外，對(duì)于同類型的高壓設(shè)備，由于被監(jiān)測(cè)參數(shù)與環(huán)境溫濕度的相關(guān)性是一致的，可根據(jù)這個(gè)原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

環(huán)境濕度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響主要是通過瓷套表面的泄漏電流反映的(見圖7)。例如，由于避雷器瓷套外表面的泄漏電流會(huì)進(jìn)入到檢測(cè)回路，當(dāng)瓷套表面污穢且環(huán)境潮濕或淋雨時(shí)，瓷套表面流過的電流會(huì)導(dǎo)致阻性電流監(jiān)測(cè)結(jié)果明顯偏大;同樣，瓷套表面電流也會(huì)對(duì)部分容性設(shè)備的介損監(jiān)測(cè)結(jié)果造成一定的影響。 　

從以上的分析可知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的在線數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的，數(shù)據(jù)雖然有一定的波動(dòng)，但有其內(nèi)在的原因，并不是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身造成的。這也反映了在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，說明有必要建立在線專家診斷系統(tǒng)，對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以判斷運(yùn)行中設(shè)備的絕緣狀況。

5 結(jié)語 　

提出了基于嵌入式微機(jī)系統(tǒng)的RS485總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。信號(hào)的提取、采集處理和分析計(jì)算都由現(xiàn)場(chǎng)微機(jī)單元獨(dú)立完成，實(shí)現(xiàn)了絕緣監(jiān)測(cè)的就地化。 　研究結(jié)果表明，由于對(duì)絕緣參數(shù)實(shí)現(xiàn)了就地測(cè)量，避免了小信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，解決了在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分散性問題，使系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性和抗干擾能力明顯提高。