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1、第 31 卷 增刊 1 电网技术Vol.31 Supplement 1 2007 年 6 月Power System Technology Jun. 2007 文章编号： 1000-3673（2007）S1-0137-04 中图分类号： TM63 文献标识码： A 学科代码： 470? 4017 数字化变电站状态检修技术林 松，王庆红，刘 然 （广西电力工业勘察设计研究院，广西壮族自治区南宁市 530023 ）Condition Based Maintenance Technology of Digitized SubstationLIN Song ，WANG Qing-hong ，LIU R
2、an (Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute ，Nanning 530023，Guangxi Zhuang Autonomous Region ，China) 摘要 ： 状态检修是以设备在线状态为依据、根据设备自身需要而进行的检修方式，是基于IEC61850 标准的数字化变电站的技术目标之一。作者分析了IEC61850 标准的特点，提出了数字化变电站状态检修系统的整体框架，并对变电站主要设备的在线监测技术进行了重点介绍。关键词 ：状态检修；数字化变电站；在线监测0 引言现阶段我国变
3、电站的电气设备检修方式主要是定期预防性检修，即以时间周期为特征的经验性计划检修，检修的项目、周期、工期均按照电力主管部门统一制订的规程执行。该检修方式存在以下缺点：某些不需要检修的设备检修过剩，真正需要检修的设备检修不足，造成了不少原本健康的设备在检修中被损坏，而存在安全隐患的设备又不能及时被发现；设备的状态信息需要通过停电进行试验来获取， 增加了停电几率， 降低了供电可靠性；停电后设备状态(如工作电压、温度等)和运行中有差异，影响了设备状态评估的准确性；定期检修需要投入大量的人力、物力，难以满足电力系统减员增效的改革要求。近年来相关部门及专家学者纷纷开始了变电站数字化技术的研究。数字化变电站
4、的主要特征是智能化一次设备、网络化二次设备、自动化管理系统1。状态检修是以设备在线状态为依据，根据设备自身的需要进行检修的方式，是数字化变电站的一个重要内容和目标。目前国内的状态检修系统还处于分散监测与诊断阶段，且与计算机监控系统相互独立，无法对变电站各设备的运行状况进行统筹分析，不能作出有效、经济的检修决策。本文将对IEC61850 的特点进行分析，结合数字化变电站的主要特征，进行状态检修系统的框架设计，并对在线监测技术进行重点介绍。1 IEC61850标准简介IEC61850是迄今为止最完善的变电站自动化系统通信标准，它适应了变电站自动化功能的分布式实现和组合应用的需要，真正支持相关设备的
5、互操作性。该标准有2 个显著特点：采用分层分布式结构；面向对象统一建模及数据自我描述。IEC 61850 标准从逻辑上将系统分为3 层，即站控层、间隔层和过程层，并定义了3 层间的 9 种逻辑接口，如图1 所示。过程层主要完成开关量、模拟量采样和控制命令的执行等与一次设备相关的功能，通过逻辑接口、与间隔层通信。间隔层主要完成对一次设备进行测量、控制、保护的功能，逻辑接口用于间隔层内部通信，逻辑接口用于间隔层之间的通信。间隔层与远方控制中心、站控层工程师站的通信通过逻辑接口、完成2。各层之间通过高速以太网进行信息交互。图1 所示的变电站自动化系统模型为状态检修系统的框架设计提供了指导。测量 控制
6、 保护技术服务远控中心站控层间隔层过程层一次设备传感器 执行器传感器 执行器测量 控制 保护功能 A 功能 B图 1 变电站自动化系统接口模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 138 林松等：数字化变电站状态检修技术Vol.31 Supplement 1 IEC 61850标准为变电站自动化系统定义了统一的对象模型和信息交换模型。采用面向对象的建模方法，数据自我描述，接收方不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换
7、等工作3，简化了数据的管理和维护，这正符合状态检修系统对大量数据进行筛选和分析的需要。2 数字化变电站状态检修系统的设计数字化变电站状态检修系统包括通信系统、在线监测系统、状态信号分析系统、状态诊断专家系统、状态检修管理系统，具体框架见图2。公司管理应用层各种智能一次设备的在线监测单元过程层间隔层站控层MIS 系统状态诊断专家系统状态检修管理系统监控子系统状态信号分析系统监控主系统各种智能一次设备的在线监测单元10M/100M 以太网监控子系统状态信号分析系统10M/100M/ 1000M 以太网间隔 1间隔 N图 2数字化变电站状态检修系统框架图（1）通信系统。状态检修系统与监控主系统共用通
8、信网络。数字化变电站采用交换式以太网通信，但过程层和间隔层设备数量多，需要传输的信息量大，为避免数据冲突，采用按照电气间隔分段组网的方式，选用 1000Mbps 以太网。（2）在线监测系统。监测系统利用各种传感器和测量手段实时获取设备状态信息，为设备的运行积累资料和数据。数字化变电站中一次设备为智能化设备，可对自身的状态量进行采集，并转换为数字信号， 直接上传。（3）状态信号分析系统。状态信号分析包括数据处理、特征提取。数据处理包括数据选取、消除噪声等前期处理过程。特征提取指采用数理统计、信号处理(快速傅立叶变换、 小波分析、分形和混沌 )等方法提取信号的特征4。（4）状态诊断专家系统。该系统
9、根据相关规程、标准、导则等，对在线数据的时间序列作趋势分析(包括设备的横向比较及与自身历史数据纵向比较)，采用神经网络法、 模糊数学理论， 综合在线、 离线数据及一些运行参数、运行记录等，对设备状态进行全面分析5，并给出设备运行状态报告。（5）状态检修管理系统。该系统包括检修计划决策和管理应用2 部分。检修计划决策即利用专家系统给出的设备状态，运用多信息融合技术综合考虑设备历史数据、运行状况以及检修的工期、费用、风险等多方面因素，进行经济性比较，最后给出一个最优的检修方案。管理应用是与电力公司的生产管理信息系统建立联系，实现远程监测，按权限给各级领导及相关技术人员及时提供变电站设备的运行状况信
10、息，给公司的生产运行管理提供更好的决策支持。系统采用浏览器 /服务器模式来构架，用户通过 WWW 浏览器实现信息的交互。目前已在运行的在线监测系统多以表格和文本形式来反映监测信息，人机界面比较单一，这给运行人员实时掌握设备的情况带来了不便。管理系统可引入三维可视化技术，构建变电站三维仿真系统，通过接收状态诊断专家系统提供的信息，在三维场景中采用动态着色、报警、推图等模式，使运行人员直观得到设备的当前健康状况。3 变电站设备的在线监测技术3.1 变压器的在线监测变压器在线监测的常用方法有：油气相色谱分析法、频率响应法和局部放电法等。其中油气相色谱分析法的准确性已被国内外所认可，成为各国的研究热点
11、。油气相色谱分析法的原理为：变压器出现异常或故障时，其内部绝缘油在热和电的作用下逐渐分解出氢气 (H2)、一氧化碳(CO)、甲烷 (CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯 (C2H4)、乙炔 (C2H2)等气体，通过分析各种气体浓度及变化趋势，可以判断变压器可能存在的故障类型。其分析过程是从油样中取出混合气体，再将混合气体分离为要求的气体成分，通过各种气敏传感器将各种气体的含量转换为电信号，经 A/D转换后将信息上传。其中，油中取出气体是一个重要环节， 英国中央发电局(CEGB) 认为产生测量误差的原因多半是在脱气阶段，IEC 标准要求油中脱气效率应达到97%以上。3.2 电子式互感器的在线监测电子
12、式互感器分为有源式和无源式2 种。有源式电子互感器根据电磁感应原理采用Rogowski 线圈和串行感应分压器将一次电流、电压转变为小信号，再由采集器转换为数字信号，用光纤传输给二次设备；无源式电子式互感器利用磁光和电光原理(即磁场和电场影响光线的偏振角、相位)实现电流名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 31 卷 增刊 1 电网技术 139 电压信号的传变。目前有源式电子互感器的技术比较成熟，大都由传感头和信号柱2
13、 部分组成，采用绝缘脂真空灌封。电子式互感器绝缘监测可采用局部放电方式，通过局放电流的大小判断其绝缘老化的程度。用带铁氧体磁芯的宽频带Rogowski 线圈型电流传感器来测量泄漏电流。传感器采用穿心式结构，直接套装在被测设备的接地线处，取得局部放电电流后，送入就地信号采集装置转换为数字信号，然后上传。由于局部放电信号比较微弱，波形复杂多变，很容易被外界的电磁干扰淹灭，因此局部放电在线监测装置需具备较强的抗干扰能力。此外，电子式互感器具有自检功能，在发生通讯或其他故障时，因收不到校样码正确的数据，会发出故障报警信号。通过对互感器的绝缘进行在线监测，再加上其内部的自检功能，可对其健康状况进行有效的
14、判断。3.3 断路器的在线监测根据国际大电网会议对断路器可靠性所做的2次世界范围的调查，以及美国电力科学研究院对断路器事故的统计分析可知， 80% 的高压断路器故障是由于机械特性不良所造成的，且大多数是操作机构故障，如拒分、拒合等，灭弧、绝缘故障占有比例较小。断路器机械特性的在线监测内容包括：（1）断路器的行程时间。断路器触头的运动特性包括合闸特性和分闸特性。合闸和分闸的运动速度是满足断路器灭弧室的电气性能的保证。通过行程- 时间特性曲线可以间接得到断路器合、分闸速度曲线，从而可知断路器动作过程中有无机械卡滞或缓冲不良等现象，并由这些参数来判断断路器当前的状态是否正常。（2）分、合闸线圈电流。
15、线圈工作电流反映了铁芯运动状态。根据电流波形的特征参数可以计算出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间，能够发现是否有铁芯卡滞现象以及铁芯行程和铁芯吸力等参数的变化情况。（3）分、合闸线圈工作电压。DL/T596 1996电力设备预防性试验规程规定：直流或交流的分闸电磁铁，在其线圈端钮处测得的电压大于额定值的65%时，断路器应可靠分闸；当此电压小于额定值的30%时，不应分闸。对线圈工作电压的监测能够得知操作回路电压的高低，操作回路电压的高低也是操动机构状态评估的重要依据。（4）分、合闸回路状态。分合闸回路完好是分合闸线圈顺利动作的基本保证。对此监测可预防断路器因控制回路断线故障而拒动，减少“拒动
16、”现象发生的几率。（5）断路器开断电流和开断次数。断路器的累计开断电流是表征其电气寿命的重要参数，对此监测可以计算出触头电磨损情况，据电寿命计算公式可以对断路器的电寿命作诊断。（6）断路器的储能系统。通过传感器对储能电机的运行电流进行采集，并由此得到电机的运行时间，通过对比正常情况下的相应数据，就可以判断储能系统是否存在电机空转、卡转等情况。3.4 氧化锌避雷器的在线监测在正常情况下，氧化锌避雷器内部有阻性和容性电流通过，其中容性电流为主。当避雷器在工频电压、冲击电压及内部受潮等因素的长期作用下而趋于老化，绝缘特性遭到破坏，表现为阻性电流增加，并可能引起热崩溃，致使避雷器发生爆炸。因此，关键是
17、监测其阻性泄漏电流。采用双输入法方式监测，即同时输入电压和电流信号，通过所取电压、电流信号的相互关系求得阻性电流，根据其峰值的大小判断避雷器的绝缘状况。3.5 高压电缆的在线监测高压电缆的绝缘主要采用局部放电监测的方式，可采用超声波技术。超声波技术是在现场条件下较早应用成功的技术之一，通过测量局部放电过程中伴随着电荷转移和电能损耗产生的各种非电(如声波、发光、发热以及出现新的生成物等)气量，来获取局部放电信息，通常采用压电晶体作为传感器6。3.6 SF6气体的在线监测（ 1）气体密度监测。当高压设备的气室充有SF6气体后，常常用气体密度来判定其是否满足绝缘或灭弧的要求。可分别用压力和温度传感器
18、采集SF6气体的压力和温度值，通过温度补偿法进行运算并获取密度值。（ 2）气体泄漏监测。采用反向散射吸收的激光成像法进行SF6气体泄漏在线监测。由于SF6气体对红外光线具有强烈吸收作用, 如果被监测的设备气体存在泄漏，红外光线能量会急剧减弱，由此可以判断泄漏是否存在。（3）气体微水含量监测。设备内 SF6气体中微水含量超过规定标准时，在电弧作用下，微量H2O与 SF6、金属发生水解反应，将产生剧毒和腐蚀性气体，损坏绝缘，危及安全运行。目前主要是采用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -
19、- - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 140 林松等：数字化变电站状态检修技术Vol.31 Supplement 1 高分子薄膜电容式湿度传感器对SF6气体中的微水含量实行监测7。该传感器的敏感特性为物理吸附特性，介电常数r为 27，感湿材料随周围环境相对湿度的大小成比例地吸附。水分被吸附后,材料介电常数会大大提高，能在1%100%相对湿度范围内进行测量，具有长期稳定性好、反映速度快、测量精度高、可靠性强等特点。3.7 绝缘子的在线监测绝缘子污秽程度可以通过以下指标来衡量:等值附盐密度、污秽表面电导率、泄漏电流和闪络场强等。其中泄漏电流是由瞬时爬电比距、天气和污秽
20、程度决定的动态指标，它包含了绝缘子运行状态的足够信息。在线监测泄漏电流，通过波形分析其出现闪络前的高频放电电流，可判断污闪电流临界值，从而判断出绝缘子的污秽程度。绝缘子类型一般分悬式和支柱式2 种，对于悬式绝缘子，可在最靠近杆塔或门型构架的绝缘子片与球形挂板的连接处串联电流传感器获取信号8。对于支柱式绝缘子，可在接地引线上串联电流传感器来以获取信号。4 结束语状态检修不仅可以节约大量的费用，减少风险，而且能够有效地提高设备运行的安全性、可靠性，因此状态检修替代定期检修已成为必然。目前国内状态检修系统还不够完善，符合IEC61850 标准的状态检修系统还未出现。本文以IEC61850 标准系统模
21、型为基础构建了数字化变电站状态检修系统的整体框架9-10，对各设备在线监测的关键内容和主要方法进行了介绍。数字化变电站状态检修是一个复杂的系统工程，涉及到通信、在线监测、数据分析、专家系统、三维可视化等技术领域，为此还需做更深入的探索和研究。参考文献1 丁书文数字化变电站自动化系统的网络选型J继电器， 2003，31(7)：37-402 任雁铭，秦立军，杨奇逊IEC61850 通信协议体系介绍和分析J 电力系统自动化， 2000，24(8)：62-643 吴在军，胡敏强基于IEC61850 标准的变电站自动化系统研究J电网技术， 2003，27(10)：61-654 苏鹏声，王欢电力系统设备状
22、态监测与故障诊断技术分析J电力系统自动化， 2003，27(1)：61-655 周云波电力设备状态检修管理系统的建设与实践J电力设备，2003，4(6)：50-536 李华春电缆局部放电在线检测方法的分析比较J电力设备，2005，6(5)：29-337 陈书欣，陈荣柱，周海峰一种 SF6 气体微水含量在线监测装置J电力设备， 2006，7(6)：66-688 肖登明，潘龙，李晓东，等 变电站污秽泄漏电流在线监测J高电压技术， 1998，24(1)：28-299 张沛超，高翔数字化变电站系统结构J电网技术，2006， 30(24)：73-7710 高翔，张沛超数字化变电站的主要特征和关键技术J电
23、网技术，2006，30(23)：67-71收稿日期： 2007-02-16。作者简介：林 松(1979)， 男，助理工程师，主要从事变电站电气设计，E-mail: gwpdi_；王庆红 (1976)，男，博士，高级工程师，主要从事电力系统电压稳定分析与分岔控制、电力系统可视化规划与分析、变电站理论及设计方面的研究；刘 然(1978)，男，硕士，工程师，主要从事变电站自动化系统研究工作。(实习编辑 李兰欣 ) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -