电气设备在线监测系统的组成及案例-王永强

华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统变电站设备绝缘在线监测系统组成及案例华北电力大学王永强1.电气设备状态维修的必要性及在线监测的应用情况2.电容型设备绝缘在线监测与故障诊断系统简介3.变压器铁芯接地电流在线监测与故障限流报警系统主要内容变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统电力工程系华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统一、电气设备状态维修的必要性及在线监测的应用情况背景与意义存在问题研究现状华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统1.1背景与意义定期维修（TBM）状态维修（CBM）以可靠性为中心，辅之预防性试验的维修方式。维修的时间间隔是根据设备的历史监测信息，分析其趋势加以预测诊断确定的。事后维修（FBM）二战后七十年代后实现状态维修的前提条件是在线监测技术的应用，在线监测量会受到环境因素的影响，研究其影响情况并进行合理修正是在线监测与诊断技术实用化的基础。华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统停电检测与带电检测条件对比停电检测带电检测环境要求温度15~25ºC，湿度小于65％全天候检测电压10kV运行电压现场干扰带电设备邻相设备、其它带电设备、操作设备状况冷状态热状态检测标准试验规程尚无1.1背景与意义华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统1.2研究现状电容型设备绝缘在线测量方法研究介质损耗因数（tanδ）计算方法研究电容型设备绝缘状况诊断方法华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统1.2研究现状电容型设备绝缘在线测量方法研究（1）绝对测量方法。（2）相对测量方法。（3）两者结合。电流传感器电流传感器检测装置华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统1.2研究现状介质损耗因数（tanδ）计算方法研究（1）过零比较法。该方法通过检测电流、电压信号过零点的时间差计算介损，该方法对过零点的测量准确性要求很高，易受到干扰。（2）相关函数法。该方法首先提取基波信号，再计算其自相关函数与互相关函数得到tanδ。（3）高阶正弦拟合法。该方法采用最小二乘法拟合信号，使实际信号与拟合信号的误差平方和最小，可以计算出信号的参数，从而得到介损值。（4）谐波分析法。将谐波分析的思想用于设备绝缘tanδ的数字化测量，该方法首先提取电压电流基波信号，然后比较其相角。总之，对于tanδ的数值计算方法，现有文献研究较多，取得了不错的计算精度，基本满足了工程计算的要求。华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统1.2研究现状绝缘状况诊断方法（1）从当前测量值的纵比（主要指历史比较）、横比（主要指相间同类设备）来判断设备状态。（2）根据系统正常状态下的数据建立相应的自回归滑动模型，将测量数据与模型计算数据的残差作为故障的征兆。（3）末屏全电流的幅值与相位变化进行诊断的方法。（4）基于介损在线监测数据规律性挖掘方法的诊断方法。华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统1.3存在的问题目前已实际投运的系统运行效果并不理想，没有取得预期的经济效益和社会效益。反映出来的技术问题主要有：1）缺乏对电容型设备介质损耗因数的数据修正方法研究，因此，在线监测数据和离线监测数据的等效性难以确立，从而难以将已经成熟的基于离线测试数据的状态诊断方法移植到在线监测上来。2）监测装置的开发水平不高，系统抗电磁干扰与环境影响能力差，上位机软件的数据处理功能不完全，电容型设备分布比较分散，分布式采样的同步性难以保证。华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统二、电容型设备绝缘在线监测与故障诊断系统简介系统结构硬件设计软件设计现场应用情况华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统Ethernet监测主机防火墙/代理服务器Web服务器数据服务器Internet/Intranet远程监测远程监测Modem远程维护485现场总线SUIPUTAnSUIPUIPUIPUSUSU温湿度TV监测层控制层信息层TA12.1系统结构①系统根据功能的需要划分了层次②只需一对通信总线就能进行数据传输与控制③采用RS485总线方式实现分布式采样④采用B/S模式实现远程监控⑤就地完成模拟信号的数字化处理系统结构特点华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统主站系统全站设备状态采集和集成设备变电智能监测装置站A站站站自动化信息监测装置站内通信网络与全站设备状态采集和集成设备通信协议电力通信专网与主站通信协议传感器全站设备状态采集和集成设备输电智能监测装置站B自动化信息监测装置站内通信网络与全站设备状态采集和集成设备通信协议传感器站站站站站站站站电力通信专网与主站通信协议华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统2.1系统结构电容型设备绝缘在线监测系统现场设计华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统基于电容分压测量的原理接线图CxRxC1U1IXUU1UXIXXICXXIR2.2硬件设计-10-50510116314661电压/V曲线1为SU测量电压波形，曲线2为母线电压波形监测系统采样的波形12电流传感器容型设备母线i(t)U(t)基于电流传感器测量的原理接线图华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统2.2硬件设计-10-50510116314661电压/V曲线1为SU测量电压波形，曲线2为母线电压波形监测系统采样的波形12本系统共设计了两种接口:穿心式电流互感器分压电容华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统2.2硬件设计（硬件环境要求）服务器软件环境Window2000Professional，IIS5.0，数据库软件为SQLServer2000。服务器硬件环境PⅢ550/256M，10G硬盘以上客户机软件环境Windows95、98、NT或2000+IE5.0客户机硬件环境PII200/32M，6G硬盘以上华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统硬件采集系统总线上级监测中心信息查询局域网/拨号数据采集计算分析初始化参数设备信息记录监测画面监测系统图形系统信息查询系统绝缘在线监测系统软件设计框图2.3软件设计华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统图6-2多下位机同步采样原理图华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统采用调度自动化SCADA界面动态前景显示设备状态建立先进的数据库管理系统3-1图形系统操作界面2.3软件设计华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统2.3软件设计电容型设备绝缘在线监测系统软件处理华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统2.3软件设计（1）数据查询查询方便、灵活，可选择鼠标点击监测设备、主菜单查询或右键菜单方式，查询设备的今日记录、历史记录和试验记录。可方便的对记录内容进行分析与打印。（2）系统设定为更好的提高系统的运行效率，操作管理员可以进行修改采样时间间隔、修改PT的角差与通道、修改测量单元误差与通道、设定设备警界值、更换基准设备等操作。以上的所有操作均是对专门的数据库进行，可靠且维护方便。（3）系统报警从监测数据和系统运行两个角度，尽可能考虑会出现的问题与故障，故设置三类报警信息，当实时监测中经判断发现异常后，会进行报警。包括：设备绝缘状况报警；测量通道故障；系统资源报警。华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统系统的测量精度如下：泄漏电流：±1.0%等值电容：±1.0%tanδ：±0.1%（绝对误差）系统电压：±0.5%温度：±1.0℃（绝对误差）湿度：±3.0%（绝对误差）华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统两台主变套管在线监测数据分析变压器相别末屏接地电流/mA等效电容值/pFtanδ/%均值均方差最大偏差均值均方差最大偏差预试值均值均方差最大偏差预试值1＃A相4.062.03×10－30.03191.70.4592.361890.518.29×10－70.030.45B相4.071.97×10－30.03193.50.6633.011910.489.24×10－70.030.47C相4.072.11×10－30.03190.30.7722.531920.477.98×10－70.020.432＃A相7.101.52×10－30.02333.20.3421.973350.413.87×10－70.020.33B相7.121.41×10－30.02331.90.3852.263320.354.09×10－70.020.33C相7.111.36×10－30.02335.40.2571.843360.383.42×10－70.020.342.4现场应用状况华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统系统采用分层分布式结构，根据功能的需要来划分应用层次，保持了各层功能的相对独立性。提出了多下位机同步采样方法。采用电容分压方式设计了信号采集单元（SU）。采用模块化的思想设计了在线监测系统的软件。对实际运行的监测系统检测分析发现，系统测量结果准确性高、稳定性好。小结华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统三、变压器铁芯接地电流在线监测与故障限流报警系统应用背景基本原理应用现状华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统变压器铁芯多点接地是一种常见的故障，统计资料表明，铁芯多点接地在变压器总事故中占第3位。产生的主要原因有：现场装配及施工中不慎遗落金属异物，造成多点接地或铁轭与夹件短路，芯柱与夹件相碰；运行时间长，各种导电杂物堆积而造成铁芯多点短路等等。及时准确地诊断与处理变压器铁芯多点接地故障，对保证变压器的安全运行具有重要意义。华北电力大学高电压与绝缘技术研究所在此方面进行了深入的基础研究，开发研制的变压器铁芯接地电流在线监测仪与现场便携式故障处理装置，已在河北、山东电网的厂站实际应用，运行效果良好。应用背景华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统基本原理CT铁芯电流在线监测系统华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统铁芯接地线铁芯引出线套管限流电阻网络电流传感器信号预处理、采集、存储、显示和控制电路变压器铁芯RS232变压器监控装置本体接口PXI工控机基本原理华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统程控放大、滤波A/D转换单片机开关量输出RS232接口FLASH存储器实时时钟LCD、LED显示键盘限流电阻投/切远程通信模块开关量输入信号隔离铁芯电流、限流电阻两端电压输入基本原理华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统R1R2R3R4J1J2J3支路1支路2支路3支路4支路5ACi(t)等效阻抗Z回路感应电动势J4保护元件铁芯内部等效电路限流电路华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监测与故障诊断系统用自行研制的单匝穿芯传感器。传感器采用高导磁超微晶材料，配合准确的变换电路，在大范围内的电流变化和温度变化情况下，能确保变换的准确度，测量误差小于1％。纵向比较铁芯接地电流的变化趋势，判断铁芯接地是否正常。变压器停运时可以进一步检测是否多点接地故障，并判断故障性质。故障发生后，能够初步判断故障点的位置。基本原理华北电力大学电力工程系高压研究所——变电站设备绝缘在线监