黄新波-智能变电站在线监测课件

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1、智能变电站在线监测与故智能变电站在线监测与故障诊断系统障诊断系统黄新波黄新波 博士博士 教授教授西西 安安 工工 程程 大大 学学华华 南南 理理 工工 大大 学学一、一、 智能变电站在线监测的背景意义智能变电站在线监测的背景意义据国外变电站的统计发现，高压电力设备的事故率比低压来的更高，如德国的统计。1980-93德国产设备的事故率（每年、每100台）设备名称110kV220kV380kV断路器0.2381.1792.359有载分接开关0.167隔离开关0.0430.0890.156接地刀闸0.0290.0460.027变压器0.3651.5372.069PT0.0350.0680.113C

2、T0.0200.0470.147组合互感器0.0490.1160.095避雷器0.1490.3290.3911.1 智能变电站在线监测的背景智能变电站在线监测的背景 国内的统计也相似，断路器的事故率最高，但引起的非计划停运时间却以变压器最高。变压器、断路器、架空线路非计划停运情况 这些促使各国更加重视从多方面解决，如：设计制造、运行、维护、试验、检修等。 智能变电站在线监测系统旨在为智能化变电站提供一种可靠、安全的在线监测、故障诊断与设备维护手段，实时了解变电设备的运行状况及故障信息，确保设备安全稳定的运行。本系统的设计能对变电设备进行全程科学的、智能的状态在线监测，并将运行信息汇总到站控层控

3、制中心，可为变电站节省大量的人力和财力。系统的设计符合国家电网对智能电网、智能变电站的建设、改造要求，能有效推动国网计划的实施。1.2 智能变电站在线监测的意义智能变电站在线监测的意义1.3 智能变电站及智能设备的构成智能变电站及智能设备的构成 智能组件：简单讲是原来二次设备的统称，其功能由15个功能单元完成。智能组件的表现形式可以是：测控装置、保护装置、测控保护装置、状态监测装置、智能终端、MU等，也可以是几个装置的集合，如：GIS汇控柜、屏柜等。智能组件的概念是灵活的。可以只完成一个功能，比如测控，这时其就是一个测控装置；可以完成保护与测控功能，这时就是一个四合一装置。它可以外置，符合现有

4、设备的状况，也可以内嵌于高压设备，这时就是一个智能一次设备的概念。智能设备：一次设备+智能组件目前设备组成高压设备保护单元检测单元计量单元控制单元测量单元过渡阶段高压设备（监测单元可内置）保护单元检测单元计量单元控制单元测量单元未来设备智能设备二、变电站在线监测与故障诊断系统介绍二、变电站在线监测与故障诊断系统介绍 站控层由主机、操作员站、远动通信装置、保护故障信息子站和其他各种功能站构成，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，形成全站监控、管理中心，并与远方监控/ /调度中心通信。 间隔层由保护、测控、计量、录波、相量测量等若干个二次子系统组成，在站控层及网络失效

5、的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。 过程层由互感器、合并单元、智能终端等构成，完成与一次设备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。局部放电监局部放电监测传感器测传感器油色谱监测油色谱监测传感器传感器SF6气体监气体监测传感器测传感器断路器机械断路器机械特性监测传特性监测传感器感器容性设备监容性设备监测传感器测传感器MOA监测监测传感器传感器现场处理单现场处理单元元现场处理单现场处理单元元现场处理单现场处理单元元现场处理单现场处理单元元现场处理单现场处理单元元现场处理单现场处理单元元局部放电局部放电IED油色谱油色谱IEDSF6气体气体IED断

6、路器断路器IED容性设备容性设备IEDMOA监测监测IED主主IEDIEC61850一个断路器IED应可监测多个现场监测单元过程层（智能终端）间隔层（IED）站控层（主IED）智能设备三、三、 系统分层介绍系统分层介绍 系统过程层包括变电站高压设备、传感器和现场处理单元。根据变电站内部电气设备的不同，监测系统的过程层可分为变压器监测终端、断路器GIS监测终端以及容性设备和避雷器监测终端三个部分。3.1 3.1 过程层过程层3.1.1.3.1.1.变压器监测监测单元变压器监测监测单元1局部放电2油中气体3油中水分4套管绝缘性能5铁芯接地电流6运行电压/电流7油温及环温8绕阻热点温度9有载调压开关

7、10- 冷却器状态11- 绕组变形1011智能主变压器功能结构示意图 1. 1. 油色谱监测单元油色谱监测单元 油色谱在线监测装置利用气相色谱原理，在线监测充油变压器油中溶解的故障气体的含量和变化趋势。油色谱在线监测单元一般由油气分离装置、混合气体分离检测装置和数据现场处理单元组成。 油气分离装置与变压器之间通过一根取油管，一根回油管相连，用自动控制油循环的方法循环取油。采用真空脱气的方式，利用真空将油样中溶解的特征气体分离开来。 局部放电监测单元是利用超声传感器将局部放电信号转换成电信号，并经现场处理单元的A/D转换等，最终以数字信号的形式通过CAN总线发送到局部放电IED进行处理。2. 2

8、. 局部放电监测单元局部放电监测单元 变压器的设备层还包括风冷控制监测单元、绝缘特性监测单元、局部放电监测单元和有载调压开关监测单元。 1）风冷控制监测单元是通过原有变压器高压套管电流互感器的输出线上连接电流互感器和温度传感器采集负荷电流和油温，并连同环境温度等信息一并转换成电信号，并经现场处理单元的A/D转换等，最终以数字信号的形式通过CAN总线发送到风冷控制IED进行处理。 2）绝缘特性监测单元是用电流传感器测量套管泄漏电流和铁芯接地电流等，将绝缘特性转换成电信号，并通过电缆/光缆将信号进行转换、整理，最终以数值信号的形式发送到绝缘特性IED等待进一步处理。3. 3. 其它监测单元其它监测

9、单元3.3 传感技术传感技术 局部放电传感器采用KEMA超高频(UHF)局部放电检测仪 通过专用阀门插入安装在变压器油箱底部1.1.局部放电传感器局部放电传感器q传感器置于变压器油箱内部有效提高测量的信噪比和灵敏度q监测频带采用超高频段(UHF)有效躲开干扰信号，提高灵敏度q测量局部放电的灵敏度为20pC，最小值达10pC，甚至可达5pCq可获得放电量q 、放电次数n与放电相位之间的谱图分布q可识别四种不同类型的局部放电（绝缘纸板表面的放电、绝缘纸的放电、悬浮金属体引起的放电与高电位下的金属尖端放电等） 超声法 1.GIS超声局部放电在线监测系统 1.1 GIS局部放电在线监测系统的配置 AE

10、-PD-XX型GIS局部放电在线监测系统，GIS断路器安装XX个通道局部放电在线监测系统，其中每只断路器两端盘式绝缘子上各安装1个传感器。 1.2 技术指标 通道数XX个 超声脉冲特性：5s 频率特性：40kHz200kHz 最小在线超声法可测局部放电量：不大于10pC，可探测大于3mm的异物 为了监视GIS耐压过程中的放电情况和确定放电位置，通常在GIS外壳上要设置810个超声传感器，同步记录信号时差和幅值，进行综合分析判断。通过几个测点求出的S1、S2Sn便可初步确定放电点的位置。 最强抗干扰能力：大于可测放电量的100倍（10万pC） 测量依据：GB/T73542003局部放电测量2.2

11、.油中气体传感器油中气体传感器 H2 C2H2 C2H4 CO CH4 C2H6 O2 CO2 进油管安装在变压器油箱上部，回油管安装在油箱下部 ABCu0Ruaubuc套管末屏q 采用穿芯式有源电 流传感器q 监测流过三相套管 末屏泄漏电流和三 相套管不平衡电压q 分析套管故障征兆3. 套管绝缘性能监测套管绝缘性能监测4.4.铁芯接地电流监测铁芯接地电流监测 两个不同量程的环型铁芯绕制的CT分别套装在铁芯接地线上，可根据电流的幅值大小进行有选择测量 监测变压器在运行中是否发生铁心多点接地5.5.运行电压运行电压/ /负荷电流监测负荷电流监测 通过在电压互感器(PT)和电流互感器(CT)的二次

12、绕组出线端子上安装穿芯有源电流传感器，分别测量运行电压与负荷电流6.6.油温和环温监测油温和环温监测q 顶层油温采用金属铂(Pt)电阻(420mA变送输出)传感器q 底层油温由油中水分传感器给出q 环境温度(工控机机柜内)采用AD590晶体传感器7.7.绕组热点温度监测绕组热点温度监测 由数字油面温度计测得顶层油温 由电流互感器(CT)测得各相负荷电流 参考变压器设计单，通过软件分析出任意负荷下最热点温度其中：h绕组热点温度； a顶层油温；H热点对绕组顶部油的温升；K负载系数，负荷电流与额定电流之比； y绕组温度指数。 考察变压器实际可能的工作寿命h= a+HKy8.8.有载调压开关监测有载调

13、压开关监测 开关档位采用MR公司BCD编码器 配合I/O采集板输入计算机显示 监测触点的磨损状况 记录开关转换动作 测量完成一次开关转换所需的能量 分析温度和有载调压开关电机的数据 监测开关位置和开关变化历史过程9.9.冷却器开通状态冷却器开通状态(On-Off)(On-Off)显示显示继电器辅助触点输入信号，配合I/O采集卡输入 10.10.绕组变形监测绕组变形监测（采用短路阻抗法在线计算绕组阻抗变化值）变压器阻抗值发生变化变压器绕组发生变形 3.1.2.3.1.2.断路器断路器GISGIS监测监测单元监测监测单元1. 1. 机械特性监测装置机械特性监测装置 断路器机械特性监测单元首先通过转

14、角位移传感器和交、直流互感器采集断路器的行程以及三相电流、分合闸线圈电流的模拟量，通过电缆这些模拟信号传送到现场处理单元，等待处理。位移传感器直流电流互感器交流电流互感器 现场处理单元接收到模拟信号之后，经过滤波、放大、数字化之后，进行信息判断，并将数字信息和判断后的结果一并上传到系统间隔层，等待进一步的处理。断路器监测装置柜体 数字式密度监测单元直接安装于开关设备上，采用电子式压力和温度传感器，直接测得气体压力、温度值的数字量，可直接通过运算求出气体标压值。这样，不仅得到实时密度的数字量，还能随时监控到SF6气体的压力、温度值，有利于更全面地了解设备的工作状况。 2. SF62. SF6气体

15、监测单元气体监测单元开关柜温度在线监测单元是采用红外传感器测温并转换传送的方法。红外测温的工作原理是通过红外测温仪特殊的光学系统汇聚其视场内的目标物体红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经现场处理单元换算转变为被测目标的温度值，并被上传到现场开关柜温度IED。3.3.开关柜温度监测单元开关柜温度监测单元 1）带目视瞄准且指示目标大小，高距离系数使对准目标更准确，可调焦； 2）特殊光学设计，抗烟雾及抗水蒸气能力强； 3）可选实时值、最大值、平均值测温方式，辐射率连续可调； 4）功能强大，扩展范围大； 5）性价比极高。 红外测温的特点：3.1.3.3.1.3.容性设

16、备及避雷器监测单元容性设备及避雷器监测单元 容性设备监测终端现场处理单元的电路设计采用可编程逻辑技术，以FPGA为主要硬件载体，采样率自动跟踪工频值。监测终端以Nios软核为控制核心对设备的工作过程进行控制，在完成前端电流信号测频和高速同步采样的同时对温湿度进行检测，并完成与485总线的通信1. 1. 容性设备在线检测单元容性设备在线检测单元 穿心电流互感器实时监测容性设备的全电流，经由继电器构成的切换电路进行选择后分为两路，一路在自检及跟踪、测量工频值时使用；另一路经自适应放大处理后由16位高精度A/D转换器转换为数字量，同温湿度、设备类型、设备编号、采样间隔、采样时间、自适应放大倍数、电流

17、频率等信息组合成数据帧，由RS485传输到容性设备监测IED。 避雷器泄漏电流的监测原理与容性设备类似2. 2. 避雷器监测单元避雷器监测单元3.2 3.2 间隔层间隔层 系统间隔层主要由主IED和各个监测IED组成，一个汇控柜内可同时安装多个IED，并通过一个主IED与站控层控制中心通讯。主IED可采用工控机代替。本系统中IED的设计是以TMS320C6713B DSP和LPC2468 ARM双CPU为核心,双口RAM通信等硬件组成的智能IED。该系统利用DSP对采集的大容量数据进行频谱和包络谱等数学模型分析计算, 得到设备运行状态和故障类型、故障严重程度等诊断信息。ARM接收到DSP上传的

18、数据和诊断结果后, 配置成支持IEC61850的通用网关，进行数据通信。DSP与ARM之间的数据通信采用双口RAM实现。由于整个系统的IED设计类似，下面仅以风冷控制IED做详细说明。3.3 3.3 站控层站控层 站控层部署在线监控主站系统，并为主IED推送实时数据。主站通过图表、一次主接线图、监测设备在线信图、实时预报警等多种形式展示采集数据，根据国家电网发布输变电设备状态检修试验规程的七项公司技术以及输变电设备状态检修辅助决策系统建设技术原则等系列标准，完成被监控设备的决策分析。 站控层同时可实现防火、防盗、视频图像监控、环境监测等辅助决策措施以及排气、灯光、门禁等辅助控制决策。站控层功能

19、站控层功能站控层系统规划站控层系统规划站控层系统站控层系统站控层系统站控层系统站控层系统站控层系统智能断路器GIS类部分智能容性设备/避雷器部分智能油浸式变压器类部分系统有可能会涉及的位置为变电站、地市局、省网级。地市局完成对下属智能变电站信息收集任务，并集中显示各变电站设备的运行情况，此处也可对变电站内部相关设备进行控制，辅助地市局对下属各变电站的监控管理。将运行数据进行本地备份，并通过标准化数据接口将所属电站数据输送给网省侧，及时上报地区输变电的运行概况。网省侧收集到来自各地区的输变电站设备状况后，建立状态监测数据库，将各个地区数据进行统一存储，并通过汇总数据进行适当的数据加工，输送给网省

20、侧部署的生产管理系统，完成监测数据部分的高级应用，为省网生技部日常管理工作提供参考。在此处部署决策辅助系统可以完成对省网下属的各级变电站以及各种被监控设备的运行状况预估，根据不同的重要等级和评分状况得出设备需要安排检修工作的先后顺序，提高网省侧安排运行检修工作效率。并将关键信息通过数据服务中心发送至国家电网总部，完成网省所属地区输变电的工作状况上报。状态监测数据库通过企业服务总线完成与其他应用系统的数据共享，发挥在线监测数据最大作用，协助网省侧不同种类信息的整合。国网总部通过数据中心得到来自下属跨区省网公司的输变电监测信息，并输送至国网侧PMS系统，实现跨区高级应用。 站控层框架组成站控层框架

21、组成智能油浸式变压器部分智能断路器GIS类部分智能容性设备/避雷器部分站控层站控层站控层系统软件可分为四层: 数据层完成对本地实时与历史数据库的存取访问。业务逻辑层完成对展示层各种业务处理封装、告警信息输出处理、数据计算模型分析等。业务服务层完成对外的数据交互工作，并实时接收来自展示层的控制指令完成对过程层系统的下发控制。信息展示层主要针对各种类型的综合展示以及参数设置，在此处对下位机系统控制，并根据技术导则对监测设备进行故障诊断。站控层站控层变压器综合数据状态油色谱分析3.4 一体化信息平台一体化信息平台 平台包括多个子单元和一个核心单元，子单元中集中处理各自的数据采集、数据加工、数据容错、

22、数据算法计算、预报警处理，建立各自业务范围内的数据提供源，最终将各子单元熟数据汇总至核心单元，核心单元完成整体数据的整合、判别与评估,形成变电站的全景数据，提供给一体化信息平台各功能模块进行数据应用，可对外进行数据共享。 平台的保护与监控单元以图形的方式显示设备运行状态，并通过建立继电保护功能的模型算法，并结合故障录波装置提供的最新录波数据，推断出当前保护装置的动作模型。 状态在线监测单元提供一次设备运行在线监测数据，包含设备在线监测实时基础参数数据与数据状态，并通过在线监测项目专属的数据分析算法，推断设备当前的故障结论 另外平台功能还包括视频监控、环境监测、安全防护、火灾报警、辅助设备控制以

23、及联动系统管理等。3.5 故障诊断算法故障诊断算法2.2.数据处理技术之二数据处理技术之二 基于自学习功能的诊断阈值求取基于自学习功能的诊断阈值求取故障分为阶跃增长模式与平稳增长模式两种 阶跃增长故障反映快速变化的故障 平稳增长故障反映缓慢增长的故障和潜在性的故障当前值及日的特征量反映变压器短期的运行状况月的特征量反映变压器长期的运行状况数据库数据预处理滑动窗得日、月滑动平均值滑动窗得日、月滑动变化率统计日、月平均值和变化率的分布日、月平均值和变化率一级、二级阈值诊断分析系统正式投运之前，在系统内部预置初始的诊断阈值q 正式运行后，系统的自学习功能启动，对在线数据进行数理统计，求解各诊断参数的概率分布，利用置信区间-k, +k，求出相应的阈值(指定时间段内数据的平均值，指定时间段内数据的方差，k一常数因子)2.2.诊断阀值求取方法诊断阀值求取方法 8. 8.故障诊断技术之四故障诊断技术之四 基于基于BPBP神经网络的色谱数据诊断方法神经网络的色谱数据诊断方法正常过热受潮C2H2C2H4C2H6CH4CO.输入层输出层隐层放电H2WijWjk 9. 9.故障诊断技术之五故障诊断技术之五基于范例推理的色谱数据诊断方法基于范例推理的色谱数据诊断方法范例检索检索方法择优标准源范例库范例保存对源范例进行排序结论解释目标范例检索指标源范例集最佳源范例新范例谢谢！谢谢！