变电设备综合在线监测系统技术方案.docx

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变电设备综合在线监测系统技术方案

艾湖220kV变电站变电设备在线监测

可行性分析

江西省电力科学研究院

南昌供电公司

武汉慧测电力科技有限公司

2013年3月

1工程概述

1.1编制依据

结合变电站设备实际运行情况，主要依据以下规程及文件：

✧Q/GDW168-2008《输变电设备状态检修试验规程》

✧Q/GDW240-2008《输变电设备在线监测系统技术导则》

✧GB1208电流互感器

✧GB311.1高压输变电设备的绝缘配合

✧GB50150电气装置安装工程电气设备交接试验标准

✧GB/T4109高压套管技术条件

✧DL727互感器运行检修导则

✧GB50150电气装置安装工程电气设备交接试验标准

✧GB/T11022高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求

✧GB11032－2000交流无间隙金属氧化物避雷器

✧DL/T727-2000互感器运行检修导则

✧DL/T486-1996交流高压隔离开关和接地开关订货技术条件

✧DL/T804－2002交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则

✧DL/T402高压交流断路器订货技术条件

✧DL/T593高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求

✧国家电网公司[2008]269号《输变电设备状态检修管理规定》

✧国家电网公司《110（66）kV～500kV互感器检修规范》

✧国家电网公司《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》

✧国家电网公司[2006]512号《变电站运行管理规范》

✧国家电网公司电力安全工作规程（试行）及编制说明

✧国家电网公司《交流高压断路器检修规范》

✧国家电网公司《交流高压隔离开关检修规范》

1.2工程现状

1.2.1江西电网在线监测概况

近年来在推广状态检修的大背景下，国内的输变电设备在线监测技术发展势头有增无减，无论是在线监测应用的规模还是在线监测技术水平，与国外相比都不逊色，但目前江西省电网变电设备在线监测系统主要还是以单一监测类型为主，没有形成统一的站级状态监测系统，具体情况如下：

1）主变油色谱监测

江西省电力公司从2002年前后开始摸索主变油色谱在线监测装置的使用，到目前为止陆续已经安装了36套主变油色谱在线监测装置。

2）开关柜红外在线温度监测

在2009年底江西省电力公司开始摸索使用开关柜红外在线测温装置。

上饶供电公司110kV城中变电站在901、902开关柜安装了在线测温装置，110kV鸡头山变电站在8台高负荷开关柜内安装了在线测温装置，景德镇供电公司的110kV银坑坞变电站安装了在线测温装置，宜春供电公司的110kV东山变电站中安装使用10kV开关柜红外在线测温装置，

3）SF6在线监测

江西省电力公司从2002年前后开始摸索SF6在线监测装置的使用，到目前为止陆续已经安装了11套主变油色谱在线监测装置，用于开关SF6气体密度、压力、温度在线监测。

4）避雷器绝缘在线监测

江西省电力公司从2002年前后开始摸索避雷器绝缘在线监测装置的使用，到目前为止陆续已经安装了45套主变油色谱在线监测装置。

从上述现状可以看到，由于目前各变电站设备在线监测以单一监测类型为主，造成变电站在线监测装置往往出现以下情况：

1）多厂家并存，导致各类型监测质量良莠不齐

各厂家的监测装置生产工艺水平往往有较大差异，引用的标准及技术也各不相同，各厂家在内部通讯方面也经常出现问题，并存在相互干扰问题。

2）重复投资，加大成本

各厂家的监测后台系统往往都是相互独立的，每一个监测类型就需要采购、安装一个独立的后台监控系统，资源没有得到有效的整合，存在巨大的资源浪费现象。

3）对数据的有效性维护工作量巨大

各厂家系统过多，不利于标准化、规范化，安装调试都很繁琐，费工费时，检修维护很不方便，一旦有故障，必须由不同生产厂家来处理，造成成本过高，投资过大，不经济实用。

1.2.2艾湖变在线监测概况

艾湖220kV变电站除安装有避雷器动作次数及泄漏电流表外（不具备数据远传功能），其它设备未安装在线监测装置。

1.2.3项目必要性

江西省电力公司变电设备在线监测工作开展较早，但资金投入有限，且较为分散，没有形成集输变电设备一体化的在线监测系统，电气、油气测试分析与可视监测系统也未能进行整合，难以适应全面开展设备状态检修和智能化状态评价工作的需要，主要问题在于缺乏统一的在线监测平台，没有形成完整、系统的在线监测系统，缺乏有效的管理，现有在线监测装置难以得到有效的维护、应用，不能及时补充完善各类有效的在线监测装置。

为此，需要在国家电网公司试点单位的经验基础上，结合江西电网特点和电力公司输变电设备具体情况和发展规划，抓紧建设站级设备状态监测系统，切实发挥其作用，为全面实施设备状态检修和全寿命周期管理奠定基础。

艾湖变投运于2004年9月，至今已运行8.5年，2012年设备定期评价达到注意状态的设备情况如下：

1）#1主变本体调压开关已到检修年限（生产日期：

2003-12-01，投运时间：

2004-09-08，厂家ABB，调档次数19323次）。

2）220kV昌艾线212断路器A相断路器有轻微漏气（年漏气量不超过1%）。

3）110kV艾高线1172隔离开关分合闸不到位，存在卡涩现象早期GW4型隔离开关，隔离开关传动部分固定不合理。

4）220kV昌艾线212断路器，#1主变220kV侧201断路器，型号HPL245B1，投运日期2004-09-08，生产厂家：

北京ABB高压开关设备有限公司，配C3-A30型时间继电器，按照省公司要求列为隐患变压器。

因此，有必要对#1主变及其相关联主设备加装在线监测装置，实时掌握其运行状态。

1.3预期目标

通过建设变电站级设备状态监测系统，增强前端装置的智能化程度和后台系统的处理分析能力，实现系统中间接入和存储环节的轻量化和简约化，方便上层应用对数据的使用，并最大限度保障整个系统结构的统一性和稳定性，并提高状态信息的利用效率和方便性。

状态监测装置的智能化集成程度越高，其本身的变动对后续系统的干扰性就越小，因此该设计思想可有效保障整个系统结构的统一性和稳定性。

有效采集、加工变电设备状态监测数据，以标准服务的方式上传给状态监测主站系统及其它应用系统，以实现数据共享。

总结目前输变电设备在线监测系统在应用和管理上的不足，突破目前在线监测技术应用的传统模式，建立一套最直接、最有效率、最有创新意义切实可行的输变电设备在线监测及其数字化信息网络系统，初步建立**电网输变电设备在线监测的实施方法和技术导则，以便规范引导在线监测技术的应用和发展，为江西省乃至国家电网公司状态检修的试点树立应用典范。

该变电站智能一体化改造方案：

采用变电站一次设备状态监测系统、自动化设备状态监测系统、智能辅助监测系统集成，三套系统共用一套管理平台，即构成变电站状态监测及智能辅助控制系统。

在该项目初步设计方案中对电气一次设备安排实施以下在线监测的建设方案：

1）建设容性设备绝缘在线监测

容性设备绝缘在线监测系统通过监测110kV及以上变电站内电气一次设备（即对电流互感器、电压互感器、变压器套管、变压器铁芯、耦合电容器及CVT等高压设备）的末屏泄漏电流，经分析计算后获取设备运行状态下的等值电容及其变化率、介质损耗。

系统由两个部分组成，即由传感器和监测终端构成数据采集、测量和计算单元组成。

任一个监测终端出现问题不会影响其它终端的运行。

各个终端将数据上传至服务器进行分析处理保存，并可以实现上传。

2）建设避雷器在线监测

避雷器在线监测系统通过利用基波法测量110kV及以上变电站内氧化锌避雷器的泄漏电流和阻性电流来实现动态监测避雷器的工作状况。

基波法是采用数字滤波技术及模拟滤波技术从采集到的避雷器末屏泄漏总电流中找出阻性电流的基波部分，并根据阻性电流判断避雷器的绝缘状况。

这种方法的最大特点就是能有效抑止电网的谐波干扰，能更真实的反映实际情况。

3）建设变压器油色谱、超声局放、铁心接地电流在线监测

变压器油色谱在线监测系统的气体监测采用气相色谱原理。

气体检测器按气体出峰循序分别将七组分气体（H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4）变换成与浓度成正比例的模拟信号，经模数转换，将数据传输到状态监测服务器，计算出总烃的含量以及各自的增长率，再由故障诊断专家系统对变压器故障进行诊断，从而实现变压器故障的在线监测。

整套系统集成有色谱分析、专家诊断系统、自动控制、通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握设备的运行状况。

弥补了试验室色谱分析监测周期长的不足。

4）建设SF6气体密度及微水在线监测

SF6气体密度及微水在线监测系统主要用于实时监测断路器内部的SF6气体的微水、密度、温度及其变化趋势。

当SF6气体有关指标出现变化时，给出变化曲线；有关指标达到报警状态时，报警或自动启动报警装置；系统的每个监控单元配有RS-485通讯接口，可将监测数据实时上传至变电站后台以及监测主站系统。

5）建设10kV开关柜无线测温系统

无线测温系统是采用基于Zigbee技术的高电磁干扰环境中可靠工作的无线测温，符合IEEE802.15.4通信标准，系统包括无线温度传感器和无线接收基站构成。

实现无线网络化的温度测量，支持无线传感器数量超过65535个。

对高压母线及开关的运行温度实现非接触温度测量。

2项目技术方案

2.1基本情况

2.1.1公司简介

武汉慧测电力科技有限公司是一家专业从事电气设备状态监测的高科技产业公司，公司成立于2008年5月，公司生产研发基地位于华中科技大学文华学院实验大楼三楼，销售中心位于东湖开发区光谷软件园。

专业从事电气设备绝缘在线监测及故障诊断技术的研究，致力于为电气设备提供技术先进、性能可靠的在线监测全面解决方案，进行系统、装置的开发、生产、销售和服务。

公司研发实力雄厚，人力资源丰富，拥有雄厚的技术基础和人才优势，以工程院院士为学术带头人，华中科技大学电气与电子工程学院技术团队全力支持，90%以上具有工学硕士以上学历。

公司“输变电设备在线监测系统”曾获国家电网科技推广项目和湖北省科技进步奖，以及多项国家多项技术发明。

公司拥有丰富的智能变电站系统设计、集成经验，已具有国家电网公司110kV以上电压等级的各类智能变电站试点工程经验。

公司已与国电南自、南瑞、平高等国内优秀厂家合作并提供智能装置，用于智能变电站项目的建设与改造。

●提供智能变电站一次设备状态监测全面技术解决方案；

●提供具有自主知识产权的各种在线监测装置；

●提供与自动化系统一体化集成的软件平台。

2.1.2科学技术鉴定结论

2.1.3技术成果情况

*入选国网公司科技推广目录，成果编号：

A06（5）-2008-2-16

*获华中电网有限公司科技进步二等奖

*获二项专利：

a.ZL200720083988.8

b.ZL200820065281.9

*部分最新用户报告

2.2系统简介

2.2.1系统概述

智能电网建设已列入国家“十二五”规划，变电设备实现状态检修是智能电网建设的组成部份。

在线监测作为状态检修的基础，将得到全面的推广和应用。

输变电设备的在线监测就是利用各种传感器和测量手段对反映设备运行状态的物理、化学量进行在线检测，以便判断设备是否处于正常状态。

而故障诊断的含义是：

专家根据状态监测所得到各测量量及运算结果的处理信息，采用人类自身所掌握的有关设备故障特征的知识和经验，就设备的运行状态进行理性的分析和判断，判明设备的工作是否正常或找出设备故障的类型、部位及严重程度，最后提出对该设备的维护或修理建议的过程。

输变电设备在线监测系统容性设备在线监测、避雷器在线监测、变压器铁芯电流在线监测、主变油色谱在线监测、断路器机械特性监测、SF6气体监测、电气接点温度监测等几部分组成，如下图：

输变电在线监测系统内容

HC系列变电设备设备在线监测系统采用全无线数字化智能技术。

在线监测系统具有信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，系统可扩展性、改造性、维护性满足工业化应用要求，整套系统结构应网络拓扑的结构形式，结构分为两部分：

站控层和设备过程层，层与层之间应相对独立。

采用分层、分布、开放式网络系统实现各设备间连接，设备过程层由安装在现场的无线同步电流电压传感器、无线智能组件和采集单元组成，完成各种在线监测信号的传感、采集、预处理（转为数字信号）和对上层无线通信的任务。

通过无线数据采集IED装置将数据送至就地智能采集柜，智能采集柜将采集的各类在线监测信息采用IEC61850规约上传过程层设备，并将信息传送给数据服务器，数据服务器进行在线分析计算。

局域网内用户通过TCP/IP网络实施远程监控查询，具备数据远传功能，满足与电力系统其他专用网络连接及容量扩充等要求，其系统结构图如下：

输变电在线监测系统结构图

系统特点

●国内首创将无线传感技术运用到输变电设备在线监测系统，现场无需敷设任何电缆；

●部分采用太阳能电池供电，完全浮地测量技术最大限度抑制现场干扰，系统运行可靠性和抗干扰能力得到最大的提高；

●无线同步传感技术的运用，对于容性设备、避雷器设备的在线监测是一次技术上的突破，它很好的解决了目前阻碍容性设备在线监测技术应用的几个根本问题，如现场对测量信号的干扰，现场干扰对信号传输回路的破坏，施工安装以及维护维修的方便等等；

●SF6气体密度及微水在线监测单元、断路器动作特性在线监测单元数据通讯采用无线传输方式，避免现场干扰对信号传输回路的破坏；

●软件系统基于IEC61850平台开发，采用B/S结构，与其他数据平台采用IEC61850规约进行数据通信和信息互动，串口通讯网络平台共享；

2.2.2容性设备、避雷器在线监测

容性设备在线监测系统由无线电流、电压传感器、同步管理单元以及无线采集装置组成，通过同步管理单元同步启动无线电流、电压传感器，并将测量信息信息传送无线采集装置，由无线采集装置对信息进行分析、计算后通过无线传输至上位管理计算机。

*系统原理图

*无线同步传感器

无线同步传感器是容性在线监测系统的核心部分，它从被测信号中提取相位和幅值信息，并通过无线上传至同步管理单元。

原理图见下图。

●无线同步传感器采用最新技术将有源零磁通传感器，付立叶变换以及无线同步技术融合在一起，完成对被测信号的测量。

装置的高集成度使测量准确度高，可靠性高，抗干扰能力强。

●传感器由I/V变换电路，激磁电流补偿电路，CPU管理单元以及无线模块几部分构成。

●I/V变换以及激磁电流补偿电路完成被测信号在零磁通状态下的转换。

●DSP信号处理电路带有12位高速A/D转换，完成对信号的付立叶变换，取得被测信号的相位和幅值信息。

●CPU管理单元完成所有的控制和管理功能。

●无线模块通过无线传输的方式完成同步以及数据传输的功能。

*同步管理单元

同步管理单元由CPU管理单元和无线模块组成，控制传感器之间的测量同步，以取得被测信号之间的相位，同时将所控制的传感器信息无线上传至采集装置。

*无线采集装置

无线采集装置通过无线传输的方式将同步管理单元接收的传感器信息采集上来，经过整理后将采集到的信息上传至上位管理计算机。

*电源系统

用于无线同步传感器、同步管理单元的工作供电，电源系统由高性能太阳能充电板和蓄电池组成供电，满足系统装置正常工作。

✧电源由太阳能板、充电控制单元、电池以及电源控制几部分组成。

太阳能板提供充电能量，功率大小为3瓦。

✧充电控制单元对电池进行充电控制，防止过充。

电池采用蓄电池，电源控制单元一方面只有接收到同步信号后才打开相关供电回路，达到节省电能的目的，另一方面电池电压下降到一定水平时，断开供电回路，对电池起保护作用。

技术指标：

序号

功能单元名称

监测参数

测量范围

测量精度

1

容性设备监测单元

母线电压

35kV-550kV

0.5%

系统频率

45Hz～55Hz

0.01Hz

末屏电流

1mA～700mA

±0.5%

介质损耗

-10%～+10%

±0.2%

等值电容

30pF～0.3μF

±0.5%

2

环境监测单元

环境温度

-40℃～70℃

±0.5℃

环境湿度

0～98%RH

±2%

2.2.3HC系列金属氧化物避雷器在线监测

HCDL-III避雷器设备在线监测单元避雷器在运行电压作用下产生泄漏电流，包括容性电流和阻性电流，阻性电流则是造成金属氧化物电阻片发热的真正原因，避雷器在线监测装置就是由许多集传感与同步控制能力、计算能力、通信能力于一体无线同步传感器，嵌入式节点传感器通过2.4GHz无线通讯方式互连起来的网络，每个电压、电流传感器与通讯回路都是通过无线联系，系统将同时比对当前时刻的阻性电流，以及当前的环境湿度，给出避雷器内部阀片的真实状态,而且户外运行时采用单独太阳能供电装置，任何一个传感器的故障不会导致整个监测网络的崩溃，也不会将雷电流引入控制室，所以不会给变电站监测系统带来任何额外的风险，具有高度的系统可靠性，并将测量数据信息采用无线方式传送至避雷器智能终端处理单元，然后通过就地智能控制柜上传至站控层数据平台。

避雷器设备在在线监测系统由无线电流、电压传感器、同步管理单元以及智能终端IED装置组成，通过同步管理单元同步启动无线电流、电压传感器，并将测量信息传送至智能终端IED装置，由智能终端IED装置对信息进行分析、计算后传输至上位管理计算机。

序号

功能单元名称

监测参数

测量范围

测量精度

1

避雷器监测单元

泄漏电流

35μA～650mA

±1

阻性电流

10μA～650mA

±1

阻容比

0～100%

±0.5

2.2.4变压器油中溶解气体在线监测

*系统组成及工作原理

HC801B/C变压器油色谱在线监测系统由在线色谱监测柜（预配2瓶8升载气）、后台监控主机、油色谱在线分析及故障诊断专家系统软件、变压器阀门接口组件以及不锈钢油管几部分组成。

HC801B/C系统由气体采集模块、气体分离模块、气体检测及数据采集模块、谱图分析模块等几部分构成。

气体采集模块实现变压器油气的分离功能。

在气体分离模块中，气体流经色谱柱后实现多种气体的分离，分离后的气体在色谱检测系统中，实现由化学信号到电信号的转变。

气体信号由数据采集模块采集后通过通讯口上传给后台监控系统，该系统能进行谱图的分析计算，并根据气体标定数据自动计算出每种气体的浓度值。

故障诊断系统根据气体浓度值，用软件系统内的变压器故障诊断算法自动诊断出变压器运行状态,如发现异常系统能诊断出变压器内部故障类型并给出维修建议。

技术特点

取油方式：

油泵强制循环，检测及时，无死区油样

脱气方式：

真空脱气

检测原理：

进口可燃气体传感器

测量种类：

H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6七种

分离方式：

进口色谱柱

进样方式：

电磁六通阀进样

温度控制：

二级智能温控系统；温控精度±0.1℃

数据通讯：

RS485/GPRS有线/无线通讯可选

通讯协议：

与变电站综自系统及调度自动化系统兼容，可方便实现信息远传

网络协议：

支持TCP/IP网络协议，支持远程监测与远程维护

报警方式：

现场装置亮灯报警；后台软件二级声/光报警，手机信号报警等

故障诊断：

IEC60599、国标三比值法、两比值法、大卫三角形法、立方图示法等

微水测量：

选配功能,可增加测量油中水含量（ppm）和水活性（aw）。

*技术参数

电源：

220V50Hz交流电源（10A以上）

钢瓶载气：

高纯空气99.999%，可在当地配置

载气更换：

三年左右（正常使用条件下）

脱气模块寿命：

八年以上

油气分离时间：

10分钟

分析周期：

最短1小时，可任意设定

标定周期：

大于2年

色谱柱寿命：

采用定期自活化技术，使用寿命大于8年

检测器寿命：

五年以上

数据存储周期：

20年

工作环境温度：

变压器油温度范围：

15℃～80℃

工作环境温度范围：

－40℃～＋70℃

工作相对湿度：

5％～95％，无冷凝

软件安装：

Win2000/XP平台上运行

面板指示：

工作状态：

箱体面板上有四色指示灯：

黄色－电源，绿色－运行，红色－变压器故障报警，兰色－装置故障

柜体尺寸：

700（长）×600（宽）×1600（高）mm

柜体重量：

150KG

防护等级：

IP65以上

2.2.5HC系列铁芯接地电流在线监测

通过挂装在铁芯接地引线上的穿芯式无线同步电流传感器，监测运行中铁芯接地电流的大小，自动判断变压器铁芯接地状态。

实现对铁芯接地电流的智能监测功能。

采用穿心式CT，安装于铁芯接地线上，不改变铁芯接地线连续一致的通流能力。

铁芯接地电流最小可测量不大于1mA，最大可测量不小于10A，测量不确定度不大于2%。

最小监测周期不大于30秒，每30秒报送测量结果一次，监测周期可调。

设备名称

监测参数

测量范围

测量精度

变压器铁芯/夹件接地电流在线监测装置

铁芯接地电流

1mA～10A

±2%

夹件接地电流

1mA～10A

±2%

2.2.6无线断路器在线监测

*系统组成及工作原理

断路器在线监测系统由断路器监测单元、区域控制单元以及采集装置组成，采集装置通过区域控制单元将断路器监测单元的信息采集上来，经过整理分析后上传至上位管理计算机。

原理图如下：

机械特性监测应包括分、合闸线圈电流波形、动作时间、次数。

分、合闸线圈电流波形由小电流传感器以穿心方式从分、合闸控制回路取样，传感器应紧固于合适的位置；储能状态的监测包括储能电机的电流和电压，其中电流由小电流传感器以穿心方式从储能电机电源回路取样，电压可由分压器取样，确保电流和电压传感器不影响储能电机的安全运行。

*技术内容

◆实时记录断路器在正常开断、空载开断、故障开断的动作日期；

◆累计记录断路器在正常开断、空载开断、故障开断的动作次数；

◆实时记录断路器开断时分闸线圈电流波形及动作时间；

◆实时记录断路器合闸时合闸线圈电流波形及动作时间；

◆监督断路器偷跳及断路器拒动。

*断路器机械特性监测指标

监测参数

获取参数

技术要求

分、合闸电流波形

分、合闸电流幅值、时间曲线

完整记录分合闸全过程，

幅值误差：

≤5%

动作

动作时间、次数

分合闸动作时间的测量不确定度为1ms

2.2.7HC系列数字型SF6气体在线监测

数字式SF6气体微水与密度在线监测器属于光机电一体化领域中基于PC机的工业生产过程控制系统，主要应用于电力行业的主设备之一SF6高压断路器SF6气体的在线监测与控制，该系统对SF6气体的含水量、密度和温度进行实时数据采集显示、数据远传、故障报警与闭锁机构启动、后台数据显示与分析，为电力系统生产管理与设备状态检修提供信息与依据。

产品采用先进的传感技术、单片机技术、现代物理分析理论、控制理论和通讯技术成果，并有多项具有自主知识产权的创新技术，如气体在密封压力容器内变化环境温度和变化压力下的微量水分和密度的连续检测技术等。

产品分微水综合监测（监测微水、密度和温度）和密度监测（监测密度和温度）两个种类，由不同的监测器和主机构成。

监测器与SF6气体气室连接，主机为监测器供电、现场显示和通讯转接，并通过RS-485总线传输至后台综自系统。

用户也可以选配本公司专用后台及监测软件，并可转换至各类有线或无线网。

系统对SF6气体的含水量