变压器绝缘综合在线监测与状态评估系统设计

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摘要：对变压器的运行状态进行在线监测对于保障其安全、减少维修、提高管理化水平有着重要的意义。研制了一套多参数的变压器绝缘综合在线监测系统，能够获取反映变压器绝缘状态的局部放电、铁芯接地电流和介质损耗三种重要参数，进行分析和处理。开发出的设备状态评估系统能够对变压器的设计和运行等参数进行管理，并易于扩展其他参数的监测数据管理，有助于对变电设备的状态进行评估，适应智能电网发展的需要。

关键词：变压器；局部放电；铁芯接地、介质损耗；在线监测；状态评估

中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）29-0117-03

大型输变电设备的故障不仅会因自身维修而带来经济损失，而且会造成停电等事故，引起更大的损失。以往一直采用定期预防性试验、故障后维修策略，[1]存在着不能及时准确发现故障等缺点，而状态检测、预测性维修可弥补这些缺点，状态检修的维修时间是根据设备的历史状态和在线监测数据而加以确定的，[2]所以它是建立在大型电力设备的在线监测基础之上的。美国、日本等国外许多电力公司从20世纪70年代就开始研究并推广应用变电设备绝缘在线监测技术，并将在线监测数据作为评判设备状态的重要依据，为状态检修提供指导。[3]例如美国电力科学研究院（EPRI）开展的一些状态检修工作中有统一的软件监测平台进行设备的运行状态管理。国内从20世纪80年代开始，一些高校和研究机构开始进行在线监测技术的研究，并得到了迅速发展。[4]在近几年召开的国际高电压技术学会（ISH）及亚洲绝缘诊断会（ACEID）上，有关电气设备绝缘在线监测与状态检修方面的论文占有相当大比例。[5]

从国内外进行在线监测、开展状态检修的情况来看，今后的技术发展趋势是：多功能和多参数的综合监测与诊断，变电站设备的集中监测，提高监测系统的灵敏度和可靠性，建立专家系统以实现绝缘诊断的自动化。[1]另外，设备采用统一的数据格式和接口，诊断结果可以方便地被上位机系统或者信通中心调度系统读取，以适应智能电网技术发展的需要。

因此，为了推动在线监测和状态维修技术的发展，又考虑到变压器是电力系统中非常重要的电力设备，本项目基于变压器的局部放电、铁芯接地电流和套管介质损耗的测量，建立了一套设备状态监测和评估系统。

一、系统总体设计

随着信息和计算机网络技术的发展，在以往单机监测诊断系统和分布式监测与故障诊断系统基础上，设备远程监测与分析系统的研究受到了国内外研究者的密切关注和重视，[6]国家电网公司相关导则也就此提出了建议性通讯规约方案。[7]因此本系统建立了基于网络通讯的电力设备远程监测分析及状态检修管理系统。总体架构分为两个部分，即变压器绝缘综合在线监测系统和设备状态评估系统，如图1所示。变压器绝缘综合在线监测系统安装在变电站内，通过数据同步把数据上传到信通中心的WEB服务器上（采用I2数据接口），设备状态评估系统也安装在WEB服务器中，内部用户可以上网查询变压器的相关监测数据和诊断结果。

二、变压器综合在线监测系统简介

变压器综合在线监测系统包括其局部放电、铁芯接地电流和套管介质损耗的测量，总体结构如图2所示。

局部放电测试采用脉冲电流法或者超高频法，前者从变压器高压侧套管末屏接地线与高压套管底部用罗高夫斯基线圈耦合局部放电信号，同时采取极性鉴别、开相位等方法滤除各种不同类型的干扰信号，获得真实有效的变压器内部局部放电信息；后者采用法兰安装的内置式UHF传感器（频带范围300MHz～1.5GHz）。UHF传感器与变压器本体进行一体化设计，由变压器厂家在变压器本体上选择适当位置安装（一般采用一个或者三个传感器，安装在放油阀处、人孔手孔处）。传感器采集到变压器内部局放信息后传输至信号调理单元中，经过选通放大后由高速数据采集单元采集，再计算处理，生成各类局放谱图、报表。

套管介质损耗测试采用的是高灵敏度电流传感器线圈，其穿心套装在高压套管的末屏接地线上获取电流信号；另一方面用高灵敏度的电压互感器将PT（变电站的电压互感器）输入的大电压信号转变为5V的小电压信号，实现输入输出地线的隔离，并获取电压信号。输入的电压电流信号经多路开关后，进行放大和滤波，最后由采集芯片进行A/D转换和数据采集。相比一般的过零相位差比较法，本系统的核心之一为tanδ的相关分析计算算法。当采样频率与电网信号频率不同步时，用有限时间离散相关法计算电容型设备的tanδ会产生较大的误差，其主要原因是未能在整周期区间内准确积分。因此本项目采用了插值的方法修正积分区间，用梯形积分方法代替矩形积分，采用优化的采样频率和采样点数来提高计算精度。仿真实验表明经过修正的方法对电网频率波动有较强的抑制能力，能明显减少计算误差。

铁芯接地电流选择具有较高磁导率的硅钢片做电流传感器的磁芯，其具有较低的损耗和矫顽力，可使传感器二次侧输出电流信号波形不发生畸变，也可使信号中的相位误差较小，其测得的信号经放大和滤波后由采集卡进行采集。在系统工作站中对信号处理计算，生成发展趋势图。

整个系统利用虚拟仪器技术，采用PC-DAQ（微机数据采集）结构，用Labview编程实现各种功能。通过软件设置能按时进行自动监测，也可由人工实时启动或关闭，实现采集控制和数据传输。

二、设备状态评估系统

1.总体结构

设备状态评估系统的总体架构见示意图3。

现场监测设备指的是在线监测子系统，如变压器套管介质损耗和电容量在线监测系统等。现场数据通讯管理服务器负责将各个在线监测子系统的数据实时同步到中心数据库。该服务器运行数据集成同步服务程序。数据库服务器是在线数据管理平台的数据中心，负责存储从各在线监测子系统集成同步的数据及其他管理中用到的数据，也是Web服务器的后台数据中心。Web服务器是基于广域网的变电站远程分析管理系统的网站服务器，负责处理用户的请求，实现用户需要的业务逻辑。用户通过局域网或Internet访问Web服务器，完成录入数据、查询数据、查询趋势图、谱图、设置参数等管理任务。

2.组成部分简介

（1）系统数据和用户权限。为了达到集中统一管理的目的，本系统对所有涉及的监测对象进行统一管理。逻辑设备的管理就是对系统中的被检测对象实现集中和统一管理，记录被检测对象的以下信息：所属的公司、变电站、名称、编号、状态、是否是某个具体的设备、逻辑设备的电压等级、相序、监测项目等。

本系统对用户采取了基于角色的权限管理机制，应用windows组管理模式，用户属于不同的组（角色）。只有经过角色授权的用户才能够使用本系统，不同的用户具有不同的权限。

（2）测试数据管理。这部分可以设置整个系统正常运行需要的参数，例如电压等级、相序、监测项目、数据同步时间等，还可以设置实时报警信息等参数。

变压器综合监测得到的局部放电数据、套管介损数据、变压器铁芯电流可以用报表、趋势图或谱图三种方式进行查询。报表查询方式见图4。用户通过此页面可以按公司、变电站、设备、时间等任意查询全部符合要求的监测数据。

同报表的查询方式一样，用户可以按设备名称、时间等查询数据在一段时间内的变化趋势。图5是项目变电站1#主变的局部放电在一段时间内的变化趋势图，这种方式观察数据更为直观。

局部放电等数据、谱图查询和分析方式见图6，用户可以查询某次局部放电的谱图，即三维（N-Q-φ）图、二维（Q-Φ、N-Φ、N-Q）图，借助谱图对局部放电进行分析。

（3）模块管理。本系统具有无限扩展功能，利用模块管理可以方便添加新模块、禁用某个模块等。这意味着不仅仅是变压器局部放电、套管介损的在线监测的数据可以被处理，进而系统自动评估变压器的绝缘健康状况，原有变压器油中溶解气体监测数据、绕组热点温度等监测数据也可以通过数据接口或I/O接口被采集到该系统中，从而由专家系统进行全面分析和诊断变压器的健康状况。另外，变电站中新增其他设备或其他参数的监测数据，如避雷器监测等。本系统也可以方便地扩展其应用，把原有和新增的一些参数统一纳入本系统的管理，方便用户进行集中管理在线监测数据的工作。

（4）数据同步和其他。如果在电厂、变电站中有其他设备制造商提供的状态监测数据，数据格式可能会不一致，则需要将各个厂家数据集中到中心数据库中，由后台服务程序实时或按照用户的设定的时间间隔自动完成。本系统可定期对数据进行备份，也可手动在web页面远程操作。

除此之外，系统还有日志记录和在线帮助等，给用户提供查询和操作帮助。

3.软件特点

软件系统采用基于微软.NET平台面向对象的多层分布式技术，采用基于Web的B/S程序体系结构。在多层架构下，应用程序可以分布在不同的系统平台上，通过分布式技术实现异构平台之间对象的相互通信，可以极大提高系统的扩充性，方便系统的开发和维护升级。编程语言采用微软新推出的专门用于.NET Framework的编程语言C#，其具有适应性强、与微软数据库产品SQL server集成度高、发展前景好等特点。

后台数据库采用的是Microsoft SQL Server 2005，它具有与Windows操作系统兼用型好、使用简单的特点，并且可以和.NET框架无缝结合。编程中很好地应用了函数、视图、存储过程、触发器等技术，实现了大批量数据的导入和导出。另外，本系统利用Teechart图表控件完美地生成了趋势图和谱图等动态图表，运用了XHTML、JavaSc ript、CSS和AJAX等构建现代大型商业网站的常用技术，构建出了美观、灵活、响应速度快的应用程序。

三、结语

该变压器绝缘综合在线监测和设备评估系统已安装于某220kV变电站，目前系统运行状况良好。该系统能把变压器测得的局部放电量、套管介质损耗因数、铁芯接地电流三方面的测量值分别做成趋势图，进行综合分析，为设备状态检修等提供基本数据，为诊断绝缘缺陷和设备故障提供可靠的依据，做到早期预警。系统还可以扩展其他监测参数，为提高变电站自动化控制水平和运行管理水平、保障电网的安全稳定运行起到促进作用。通过近一年时间的运行，系统稳定性已经得到了检验，并且积累了监测数据。随着智能电网技术的发展，用户对变电设备在线监测技术提出了更高的要求，以后还需进一步提高和完善智能在线诊断设备的采集精度、可靠行、通讯能力以及专家诊断系统等相关技术，以便为将来能够真正实现状态维修、服务智能电网的发展打下基础。

参考文献：

[1]王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京：清华大学出版社，2006：291.

[2]成永红，陈玉，孟永鹏，等.变电站电力设备绝缘综合在线监测系统的开发[J].高电压技术，2007，（8）：61-65.

[3]梁甲文.电气设备的绝缘在线监测与状态检修[D].济南：山东大学，2005.

[4]高运昌.国内外电力设备状态检修发展概述[J].黑龙江科技信息，2011，（20）：135.

[5]关根志，贺景亮.电气设备的绝缘在线监测与状态维修[J].中国电力，2000，33（3）：46-50.

[6]白维，曾成碧，王涛.高压电气设备绝缘在线监测的研究[J].中国测试技术，2006，32（1）：64-66，122.

[7]变电设备在线监测系统技术导则[S].北京：中国电力出版社，