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广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监测系统应用与研究 电力系统变电设备在线监测系统 应用与研究 摘要：本文分析了在线监测系统在国内外研究现状及其目前所存在的不足， 结合实际应用分析了局部放电、介损、油色谱等在线监测的原理和实现的方式、 手段，提出广西在线监测系统的总体结构、框架以及网络结构和相关软件，解 决了组建在线监测系统的平台、通讯和各监测系统的数据兼容问题。对应用的 实测数据进行分析和结果进行验证表明，本课题项目所实施的在线监测系统性 能稳定，数据准确，有广阔的应用前景，为实现变电设备的状态检修打下良好 的基础。 关键字：电力系统变电设备在线监测系统组网； 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监测系统应用与研究 a p p l i a n c ea n dr e s e a r c ho nt h eo n j l i n e m o n i t o i u n gs y s t e mo fs u b s t a t i o n a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，i t a n a l y s e s t h es t a t eo fr e s e a r c ho f o n l i n e m o n i t o r s y s t e ma n dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h a t a c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i te x p l a i n st h ep r i n c i p l eo fp a r t i a l d i s c h a r g e t a n6 o i lc h r o m a t o g r a ma n dt h er e l a t i v es o l u t i o n s i ta l s op r e s e n t st h em a i ns t r u c t u r e ，f r a m e w o r ka n dn e t w o r k s t r u c t u r eo fo n l i n e - m o n i t o r - s y s t e m i n g u a n g x ia n d s o m e r e l a t i v e s o f t w a r e ， s e t t l e st h e p r o b l e m o f e s t a b l i s h i n g o n l i n e m o n i t o r s y s t e mp l a t f o r m ， c o m m u n i c a t i o na n dt h e c o m p a t i b l e n e s so f d a t af r o me v e r ym o n i t o r - s y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s u b s t a t i o ne q u i p m e n t ，o n l i n e m o n i t o rs y s t e m ，s y s t e ms t r u c t u r e ； 2 广西大学礤士毕业论文电力系统变电设鲁在蛀监舅熏统应用与研兜 第一章绪论 1 1 课置研究的背景 多年来，电力系统设备绝缘性能的诊断，主要依靠每年计划停电的预防性试 验进行。随着电网发供电设备的增多以及用户对供电可靠性的要求提高，常规的 预防性试验已不能满足需要。另一方面，由于电力系统运行的要求，有时设备无 法停电，造成设备的超期试验或不能试验。即便是进行定期的停电检修，也需要 大量的人力物力。在目前电力紧缺的情况下，停电定检的安排就变得更加困难。 因此，为了满足电力系统运行安全的需要，开展电力设备运行状态下在线监测的 研究非常有必要。 设备的状态在线监测就是通过现场的数据采集器将要监测的电力设备的相 关数据收集，并发送到指定的服务器和工作站中，利用在线监测软件对数据进行 汇总和分析，从而得出该设备的状态是否符合继续安全运行的要求。 如果能实现在线监测，当前电网的很多定期试验就可以不做或不用每年都 做，这样就可以在保证设备安全运行的情况下，节省大量的人力物力，保障电网 的安全稳定运行，大大提高电网的运行经济效益。 1 2 在线监测系统的研究现状综述 目前，国外的在线监测已由原来的低水平、局部的在线监测阶段，进入由计 算机管理的具有监测、诊断、告警功能的专家系统的高级阶段。实现了对供电设 备状态的适时、全面、准确的评价，实现了全面的状态检修。 状态监测应用较普遍的地区主要是北美和欧洲。美国等发达国家从2 0 世纪 8 0 年代起，就在电力系统各领域开展了设备状态监测的研究和应用。美国电力 科学院( e p r i ) 是国际电力工业科学研究的权威机构，它的监测与诊断中心( m d ) 在状态监测方面作了大量工作。它所作的主要工作包括诊断系统实施与改进、综 合监测诊断系统、计算机监测诊断网络、预知性维修程序研究和诊断技术的传授。 m & d 非常重视对现场技术人员的技术培训和技术服务，在美国实现了变电站无人 值班和在线监测管理。加拿大的电力工业也相当发达，电能消费需要已趋于饱和， 因此加拿大电力部门更注重现有电力设备的充分使用，致力于提高可靠性和延长 这些设备的使用寿命，而不是增添新设备，以期达到降低电力成本，提高经济效 第1 页 广西大学硬士毕业论文电力系统变电设鲁在线监舅系统应用与研究 益的目的。德国采用在线监测提高了检修效率。最近几年，德国对发电厂的检修 工作进行了探讨。他们的看法是：目前应在发电厂开发设备监控与诊断技术的基 础上，推行在线监测，或在检修工作中尽量增加在线监测项目。 与国内相比，国外状态监测所采用的传感器在性能和可靠性上都达到了较高 的水平，其产品监测范围覆盖了温度、压力、振动和绝缘状态等各种物理量，以 及变压器、断路器和发电机组等主要设备。 在国外由于在线监测的应用，取得了良好的经济效益。据介绍，美国目前已 有7 0 的电厂、电网应用了在线监测技术。美国电力研究监测中心在1 9 个火电 厂进行在线监测后，取得相当于建一个新厂的经济效益。据日本一些工厂统计， 事故率减少了7 5 ，维修费用降低了2 5 5 0 。英国经过对2 0 0 0 个大型工厂的 调查表明，采用状态监测技术后，每年节约维修费用3 亿英镑，而监测系统的成 本为o 5 亿英镑，经济效益可观。 国家有关部门对在线监测高度重视，1 9 9 2 年国务院在八五后三年企业设 备管理工作要点中提出“要继续破除单纯的时间为基础的设备维修制度，建立 以状态监测为基础的设备维修制度”。中国电力企业联合会2 0 0 2 年经济形势与企 业改革分析预测会上已将“研究发电厂监控和优化运行技术，状态检修技术，提 高电厂的生产自动化水平和管理现代化水平，重点研究机电炉一体化控制技术和 厂级自动化系统，大力推广新型节能节油技术，研究实施发电设备最佳运行方式 和优化检修方式”作为”十五”期间，我国电力工业将重点开展的技术领域的研究 项目。 国内在电力系统状态监测科研工作和试点工作起步并不晚。很多高校和研究 院所在积极研究在线监测和故障诊断技术，已经开发出了一系列产品，并投入了 使用。比如武汉水利电力大学研制的z j 0 1 型多功能微机在线监测系统，西安交 通大学开发研制的绝缘诊断系统，清华大学和地方单位联合开发的水电机组状态 监测分析诊断系统等。电力企业也在积极开展试点工作，如大连电业局在6 6k v 及以下配电网上、山东电力集团公司在2 2 0k g 主网上都开展了不少试点工作， 并取得了一定的成绩和经验。很多发电厂和变电站已经采用了在线监测技术，加 强了对设备进行实时监测和管理的手段。 目前在线监测已大范围铺开，如湖北、广东、浙江，福建、甘肃、安徽等省 都在积极推广在线监测。电力系统的有关部门也在现有的经验基础上积极制定在 第2 页 广西大学磺士单业论文 电力薰羡变龟设备在缱监一系统应用与研究 线监测导则，来稳妥地推进输变电设备的检修工作。 随着技术的不断进步，近两年来我国的在线监测研究也发展得很快，已经有 很多的厂家推出了各种项目的在线监测，而且都投入了批量生产。但都存在着一 些不足，比如各个厂家的设备没有数据接口，各自为战，不成体系；远程通讯方 面欠缺，一般只能在就地进行相关的监测，不方便相关人员进行监测；另外，由 于各厂家之间的数据不兼容，因此想形成将各监测项目合并在一起的在线监测系 统，就变得相当困难。因此，我们所提出的在线监测系统项目，就是要将各种不 同的在线监测项目合并在一起，各项目之间的数据有一定的兼容性，可以统一将 数据放入同一个数据库中，用同一个软件进行一些数据和相关曲线图表的浏览。 当然，目前的在线监测设备都存在着一些不足之处，比如只能对电容型的电 力设备进行在线监测，如变压器，c t 等，而如果不是电容型的设备，现有的在 线监测就无能为力了。另外，相关的在线监测国家标准也并未出台，这就使得市 场上的在线监测设备鱼目混杂，有很多在线监测设备的精度和稳定性都未能达到 要求，又由于没有相关的国家标准，因此也很难评判它是否能投入正常运行。 1 3 课题研究目的和意义 目前，美国等西方发达国家均已经不实行一年一次的定检，取而代之的是状 态检修，即对运行设备进行状态监测，如果其状态能符合长期运行的要求，就不 用对其进行检修。只有在设备状态已经不符合要求的情况下，才对设备进行检修。 这样做的好处是显而易见的，因为它大大减少了检修的工作量，也减少了为检修 而停电带来的经济损失，而且并不影响系统的安全稳定性运行。这就对如何正确 的评估设备的状态提出了很高的要求。因此对设备进行在线监测就显得尤为必 要。 根据我国目前的情况，对每一个电厂和变电站都进行全面的状态监测和检修 不是很现实，但对大型发电厂和重要变电站应该进行全面的在线监测。因为大型 发电厂和重要变电站对整个电力系统有很大的影响，停一次电所带来的经济损失 巨大，如果在这些电厂和变电站上能够进行在线监测就给状态检修打下了很好基 础。因此在大型电厂和重要变电站中实现在线监测，不但能提高设备的运行稳定 性和安全性，还能提高其经济效益。 第3 页 广西大学硬士毕业论文电力系统变电设备在线监涮系统应用与研究 1 4 课题研究的内容 本人先后阅读了本课题领域大量国内外文献资料，并经过多次现场调研，了 解用户需求后，组织了系统的总体设计研究工作。 1 4 1 研究的主要内容 一要研究如何在广西建立一个在线监测系统。在这个在线监测系统中，不但 能进行现场的设备监测，还能通过远程通讯，实现远方在线监测。如相关设备在 柳州某变电站，但我们只要在南宁通过相关的软件和远程通讯就能够监测到我们 所需要的数据。 二要研究这个监测系统所监测的项目不是单一的，而是多样的。每一个监测 项目，既能有自己的分析软件，又能在数据上具有一定的兼容性，可以用同一个 软件对不同的监测项目的数据进行上传，并存放在同一个数据库中，为数据的汇 总和下一步对数据的分析开发打下良好的基础。 以上就是我们所要重点研究的两个方面。因为目前在国内，或者说甚至在国 外，都没有哪个在线监测系统能够同时做到以上的两点。如果该项目能顺利完成， 就能填补国内的空白。 1 4 2 采取的研究方法及技术路线 在引进美国的a v o 在线监测系统时，我们不能单纯的进口一安装一调试就可以 了，我们在整个系统的设计初期就参与进去，并在安装、调试和运行中，全程进 行了参与，力求每一个环节都可以掌握在我们自己的手中。因此我们在设计初期 就提出了以上的两点要求，美国的a v o 公司也根据我方的要求，并在我方的协助 下进行了整体规划和设计，重新开发了新的在线监测的系统软件和数据库。 这就使我们的研究从一开始就站在了比较高的起点上。另外，在单项的在线 监测项目上，我们从安装到调试自始终亲自参与，外方人员则负责对我们的相关 人员进行培训和主要技术难点的解决。 到最后整个系统建立和调试完全后，则完全移交我方进行试运行。经过长时 间的试运行检测，验证了这套在线监测系统的可靠性后，就可以投入正式的运行 了。 1 5 本文的组织 第4 页 广西大学磺士毕业论文 电力系统变电设鲁在缱监系统应用与研究 本论文各章内容组织如下： 第一章详细介绍了课题研究的背景，在线监测系统在国内外研究现状及其目 前所存在的不足，并提出了本课题研究的目的和意义、研究的难点及本人主要工 作。 第二章简单介绍了电气设备在线状态监测的基本原理和一些方法。 第三章详细介绍了广西在线监测系统的总体结构和框架。 第四章详细介绍了广西在线监测系统的网络结构和相关软件。 第五章结合岩滩电厂局部放电在线监测系统详细介绍了广西在线监测系统 在线局放系统的相关原理和实际运行情况。 第六章详细结合林村变电站介损在线监测系统介绍了广西在线监测系统在 线介损监测的相关原理和实际运行情况。 第七章详细介绍了广西在线监测系统在柳州沙塘变电站的实际应用和运行 情况。 第八章详细介绍了广西在线监测系统变压器油色谱监测的相关原理和实际 应用情况。 第九章是对全文工作的总结以及对在线监测系统设计工作的全面总结，并对 以后的工作进行了展望。 第5 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监鞠系统应用与研究 第二章电气设备在线状态监测与故障诊断系统技术原理 2 1 状态监测相关概念定义 状态监测( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，c m ) 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、化学量进行检测，其目的是为了判明设备是否处于 正常状态”1 。也有的定义为：一种利用设备在需要维护之前存在一个使用寿命的 特点的测量方法，充分利用整个设备或设备某些重要部件的寿命特征，开发应用 一些具有特殊用途的设备，并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态发展的 趋势。其实这一定义已把故障诊断的一些内容包括进去了。状态监测主要通过 在线方式进行，以离线方式为辅。状态监测包括保护性监测和维护性监测。保护 性监测是通过对常规运行参数的监测，来了解设备的工况，即在故障敏感部件处 设置一些专用的监测器，以便及时反映设备状态，避免严重事故发生；维护性检 测通过在线或离线检查和试验，发现缺陷，避免严重事故发生。 故障诊断含义为：专家根据状态监测所得到的各测量值及其运算处理结果所 提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经验，进行推理判断，从而提出对 设备的维修处理建议。即通过状态监测来收集特征量，用故障诊断来分析判断特 征量。依据分析结果，进行纵向( 和历史数据) 和横向( 和同类设备) 比较，制 定维修方案，实施状态维护。 2 2 状态检测与故障诊断系统的组成及功能 监测与诊断包括以下基本过程：信号检测、数据采集、数据处理、诊断。基 本过程如下：通过各种传感器( 如光、电、温度、振动、流量、化学等) 检测出 设备的状态信号，并使其可被传输，转换，采集，处理。然后由数据采集单元采 集并存储于存储器中。传送载体可以是电缆或光缆，为了其提高抗干扰能力，多 采用光缆或采用数字信号传输。数据采集可以采用三种方式：采集信号波形，采 集信号峰值或记录峰值超过阈值的脉冲。进行数据处理时，主要为抑制干扰，保 留或增强有用信号，提炼信号特征。依据所得的特征信号，采用各种诊断方法， 如模糊逻辑，人工神经网络，专家系统等得出诊断结果“1 。 目前国内运行的变电站电气设备在线监测装置大体可分为两大类：集中式微 第6 页 广西大学磺士毕业论文电力系统变电设备在线苴一系统应用与研究 机在线监测系统和分散式在线监测系统。集中式系统是将被测信号通过电缆引入 设在中央控制室的微机在线监测屏，进行集中监测，并迅速完成对监测数据的处 理和分析。其突出优点是可以对所有被监测设备实施定时或巡回自动监测，运行 方式灵活、易于扩展、监测容量大、便于建立专家诊断系统，实现发电厂、变电 站的综合自动化。分散式系统是利用专用的测试仪器，从固定安装在电气设备附 近的专用传感器上取得信号，就地进行测量。其优点是结构简单、价格较低、便 于推广；缺点是测试工作仍需人工操作，不能纳入发电厂和变电站的整个自动化 系统。 对监测与诊断系统来说，传感器和诊断技术是其关键。目前，国产传感器装 置的生产和国内状态监测的应用情况还落后于国外先进水平。 2 3 常用的在线监测技术 2 3 1 局部放电监测技术 2 3 1 1 局部放电的特征 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，p d ) 是一种脉冲放电，它会在电力设备内部 和周围空间产生一系列的物理和化学变化。局部放电所产生的电磁效应包括：使 周围介质压力骤增，产生声波和超声波，并能传播到设备外壳上。局部放电还会 产生光效应、热效应、使绝缘介质分解等。总之，从开始出现局部放电到发生内 部绝缘故障，需经历一个或长或短的过程，在此过程中出现的各种物理变化和化 学变化都是可作为局放检测的信号传感对象【”。 局部放电，能及时反映内部绝缘的情况。局部放电检测方法有声学检测、光 学检测、化学检测、电气测量等方法。常用的是声学检测法，其传感器对暂态声 音信号非常敏感，而对振动和一般噪声不敏感。采用时间间隔定位法来确定具体 的放电位置。但由于外界干扰，去噪是一大难题。目前现场采用方法，如干扰平 衡法、“直线插入定位法”加数字滤波技术，来获得p d 量。但所测数据的稳定性 和重复性都较差。考虑到干扰信号的频率范围，超高频法的应用研究有望解决在 线监测现场干扰问题。 2 3 1 2 发电机局部放电特征及在线监测方法 发生局部放电的部位一般为： a ) 定子线棒槽部防晕层与铁芯之间的气隙中的局部放电； 第7 页 广西大学硕士毕业论文电力系缎电设备在缱监舅系统应用与研究 b ) 表面防晕层的放电，放电过程比槽部放电缓慢，到后期也常发展为槽部 放电； c ) 绝缘层内部的局部放电。 发电机局部放电的在线监测方法主要有： a ) 中性点耦合监测法 由于电机内任何部位的电弧放电都会在中性点接地线内产生相应的射频电 流，因而局部放电的监测点可以选择在中性点接地线上。工作原理是由定子绕组 的中性点引出放电信号，通过一带通滤波器送入示波器，在示波器荧光屏上显示 出信号的时域波形。实际应用中噪声信号和放电信号要由有经验的操作人员来识 别，因此难以推广使用。 b ) 电容器耦合监测法 监测放电信号时，将3 个电容( 每个3 7 5 p f , 2 5 k v ) 搭接在发电机3 相出线 上，通过( 3 0 k h z 至1 m h z ) 引入示波器，并显示出放电信号的时域波形。这种 方法在加拿大的一些电厂得到应用，并取得了较好的效果。它的缺点仍然是依靠 有经验的操作人员来区分外部干扰信号和内部放电信号，致使这种监测方法的推 广受到了一定的限制。 c ) 槽耦合器监测法 由于汽轮发电机定子绕组的结构不同于水轮发电机，p d a 试验不能满意地 应用于汽轮发电机的在线监测。加拿大o n t a i o h y d r o 公司和i r i s p o w e r e n g i n m i n g 公司于1 9 9 1 年将t g a ( t u r b i n eg e n e r a t o ra n a l y z e r ) 用于汽轮发电机局部放电 信号的在线监测。这种方法代价较高，要求在定子每槽的槽楔下面埋有一特制器 件一定子槽耦合器( s t a t o r s l o tc o u p l e r 简称s s c ) ，利用s s c 探测每槽的放电 脉冲。对于已投入运行的发电机则必须改造定子绕组方可实施，而这往往是令发 电厂难以接受的。 d ) 电阻式测温元件监测法 利用预先埋置在定子某些槽里的电阻式测温元件导线作为放电传感器测量 局放脉冲，对电机一次回路不会带来任何影响。这种局放传感器频率特性很宽 ( 3 3 0 m h z ) ，便于将局放脉冲与噪声区别开来。但由于采用双传感器比值法 比较区分信号和噪声，将无法区分电机内的某些部位的局放信号和噪声。 第8 页 广西大学颈士毕业论文电力熏毂电设鲁在螅监系统应用与研究 在排除干扰的条件下，测得发电机的正常局部放电放电量一般在1 0 4 p c 以 下，当放电量达到1 0 5 以上时，就应引起注意【1 1 。 2 。3 1 3 变压曩局部放电特征及在线监测方法 变压器绝缘中的平均工作场强虽不算高，但由于结构复杂，电场分布很不均 匀，局部场强可能较高，再加上工艺处理不当或运行条件恶劣等，可能由个别地 方先出现局部放电而逐渐发展到严重事故。许多学者认为，局部放电是有机绝缘 逐渐老化并最终击穿的主要原因。变压器油纸绝缘中含有气隙的地方容易发生局 部放电。 变压器局部放电的在线监测方法主要有： a ) 中性点耦合监测法； b ) 电容器耦合监测法； c ) 超声波监测法 超声波法是通过检测变压器局放产生的超声波信号来测量局放的大小和位 置。超声传感器的频带约为7 0 1 5 0 千赫兹( 或3 0 0 千赫兹) ，以避开铁芯的铁 磁噪声和变压器的机械振动噪声。由于超声波法受电气干扰小以及可以在线测量 和定位，因而人们对超声波法的研究较深入。但目前该方法存在着很大的问题： 其一超声传感器灵敏度很低，无法在现场有效地测到信号；其二传感器的抗电磁 干扰能力较差。因此，超声检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合 脉冲电流法或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和 在线检测中，它是主要的辅助测量手段。 d ) 电、超声波联合监测法 电、超声波联合监测法依据电力变压器内部发生局部放电时所产生的高频电 脉冲信号和超声波信号，分为物理征兆识别与故障部位定位两部分，通过安装在 变压器高压套管末屏及铁心接地线上的两个电脉冲传感器和安装在变压器油箱 外壳的五个超声波传感器，检测出路脉冲电信号和超声波信号，从电声信号提取 波型特征，幅频特性等特征量计算出变压器的一次放电量，并确定局部放电点的 空间位置。由于超声波法受电气干扰小以及可以在线测量和定位，因而人们对超 声波法的研究较深入。但目前该方法存在着很大的问题：目前的超声传感器灵敏 度很低，无法在现场有效地测到信号；传感器的抗电磁干扰能力较差。因此，超 第9 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监嗣系统应用与研究 声检测主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲电流法或直接利用超 声信号对局放源进行物理定位。在电力变压器的离线和在线检测中，它是主要的 辅助测量手段。 在排除干扰的条件下，测得变压器的正常局部放电放电量一般在1 0 3 d c 左 右，当放电量达到1 0 4 p c 以上时，就应引起注意。 2 3 2 介损监测技术 2 3 2 1 介损监测特征 介损监测监测技术主要应用于电容型的设备上。电容性设备是指全部或部分 绝缘采用电容式绝缘结构的设备，它括：电容式电流互感器、电容式电压互感器、 高压电容式套管及耦合电容器等。主要监测其介电特性( 介损t a n 6 ，电容c ，泄 漏电流i ) 。一般可以依靠相对测量方法来克服，即将某一容性设备的绝缘状况 与安装在同一个变电站中的其它容性设备进行比较，通过对足够数量的容性设备 进行比较，可发现发生变化较大的容性设备。 2 3 ，2 2 相对介损的测量 该系统采用相对测量的方法来监测设备的绝缘状况，其原理就是q s l 电桥的 工作原理，见图2 一l 。 i n i h 。、怨 图2 1 介损测量相量图 f i g u r e2 - 1 ：t h ev e c t o rp i c t u r eo fm e a s u r et g6 在图2 - 1 中，i ；表示流经被测设备的电流，i 。表示流经标准电容器的电流， 若以辔t 表示被测设备的介损实际值，留瓯表示标准电容器的介损，留民表示 介损测量值( 即显示出来的读数) 。 则当q s l 电桥平衡时，有 第l o 页 广西大学硕士毕业论文电力摹羡变电设鲁在螭监系统应用与研究 喀6 。= ( t 9 6 x t g s ) ( 1 + 喀疋t g s ) 因馆万。 1 ，t g s , 1 ，故姆l 2 t g s , 一t g s , 因为标准电容器的介损可视为0 ，故有姆繇。t g s x ，即可将介损测试值视 为被试品的介损值。 采用相对测量法时，将与被试品同相的另一电容型设备代替标准电容器，设 该设备的介损为t g s , ，则此时辔6 。一喀疋一留t ，即介损测量值为被试品介损 实际值与参考设备介损实际值之差。而不是试品本身的介损值。因为喀正、t g a ， 很小，所以有喀瓯t t ，喀t 。艿，故有喀屯。瓯一6 ，。即相对介损值为两 个设备的电压相角差“。 在实际运用中，由于s o st a n d 系统本身并不装有一个西林电桥，因而，相 对介损的测量值是通过测量两个设备间电压波形的相角差来实现的，电压信号的 采样过程见图2 - 2 ： t t 图2 2 被测设备电压信号采样原理图 f i g u r e 2 2 ：t h ev o l t a g es i g n a lo fm o n i t o r e dd e v i c e 在图2 2 中，c 。代表被测设备，它可由一理想电容c 。和一电阻r 来等效，m t u 和c d u ( 电容分压器) 用c 。来表示，由于r 的存在，使被测设备产生了介损，流 经设备的电流i ；与线路电压u 不再是9 0 。的关系，相应地，c 。上的电压u 。跟u 之 间就有了一个角差6 ，这个角差就是介质损失角，见图2 3 ： 第1 i 页 广西大学硕士毕业论文电力熏皴电设备在战监舅系统应用与研究 i c u 图2 - 3 被测设备电压信号与线路电压关系图 f i g u r e2 - 3 ：t h er e l a t i o n s h i po ft h em o n i t o r e dd e v i c e v o t a g es i g n a la n dt h el i n ev o l t a g e 对于不同的设备，它们与线路电压u 的角差万各不相同，假设设备1 与u 的角差为4 ，设备2 与u 的角差为毋，则设备1 相对于设备2 的介损为就是 矗，本系统就是通过对u 。进行采集，再经过计算机处理，算出各个设备的 相角差，从而得出相对介损值。 由于相对测量法无须从p t 二次侧取基准电压，因而回避了介损绝对值测量 时，电压基准不稳的不利因素，使其结果更为稳定。 当采用测量同相电容型设备之间的介损值和电容量比值，并根据其介损差值 的变化量判断设备的绝缘状态时，由于外部环境( 如温度等) 、运行情况( 如负 载容量等) 变化而导致的测量结果波动会同时作用在参考设备和被试设备上，它 们之间的相对测量值能保持稳定，能真实反映设备本身的绝缘状况。 2 3 3 油色谱监测监测技术 油中气体分析法( d g a ) 是现有设备绝缘监测最为常用的方法之一，也是比较 成熟的分析方法。正常情况下，充油电气设备的绝缘油及有机绝缘材料，在电和 热的作用下，会逐渐发生老化和分解，产生少量的各种低分子烃类气体、氢气、 一氧化碳、二氧化碳等气体，这些气体称为特征气体，大部分溶解在油中。当设 备内部存在潜伏性故障或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度，设备内部 故障的类型及严重程度与这些气体的组成以及产气速率有着密切的关系( 见表 2 - i ) 。因此分析监测这些特征气体，利用这一关系可以判断充油电气设备内部故 第1 2 页 广西大学磺士毕业论文 电力系统变电设鲁在战监舅系统应用与研究 障及绝缘状况。 表2 - 1不同故障类型所产生的气体 故障类型主要的气体成份次要的气体成份 油过热c h 4 ，c 2 h 4h 2 ，c 2 h 6 油及纸过热 c h 4 ，c 2 h 4 ，c o ，c 0 2h 2 ，c 2 h 6 油纸中局部放电h e ，c h 4 ，c 2 h 2 ，c oc 2 h 6 ，c 0 2 油中火花放电c 2 h 2 ，h 2 油中电弧 h 2 ，c 2 h 2c h 4 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 油纸中电弧 h 2 ，c 2 h 2 ，c o ，c 0 2 c h 4 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 受潮或油有气泡h e 由于设备内部不同的故障会产生不同的气体，通过分析油中气体的成分、含 量和相对百分比，可达到诊断的目的。通常采用h 2 ，c o ，c 0 z ，c h 4 ，c z h 4 ，c 2 h 6 和c 2 h 2 为特征气体，采用特征气体法和部颁导则采用国际电工委员会( i e c ) 提出的特征气体比值的三比值法作为判断变压器等充油电气设备故障类型。此方 法中每种故障对应的一组比值都是典型的，对多种故障的联合作用，可能找不到 相应的比值组合，此时应对这种不典型的比值组合进行分析，从中可以得到故障 复杂性和多重性的启【1 3 】。 2 4诊断技术 2 4 1 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一，它是一个智能计 算机程序系统，其内部具有大量专家水平的某个领域知识与经验，应用人工智能 技术，根据某个领域一个或多个人类专家提供的知识和经验进行推理和判断，模 拟人类专家的决策过程，以解决那些需要专家决定的复杂问题。诊断专家系统的 任务就是根据观察到的情况( 数据) 来推断出某个对象机能失常( 即故障) 的原 因。专家系统在解决难以建立数学模型，较多依赖专家经验知识的问题有独特的 优势。在信息不完整或不确定的情况下仍能给出较为合理的结论。 专家系统由知识库，数据库，解释机制，推理机和人机接口5 部分组成。知 识库是专家系统的核心，它不但在初次建库时广泛搜集专家经验，而且在使用过 程中还要在必要时进行修改、补充和完善。现在专家系统的数据管理较多是按设 备进行管理的，如按电容型试品、色谱型试品及电阻型试品三大类来编制专家系 统。虽然专家系统能够有效的模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程，但是在实 第1 3 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监翱系统应用与研究 际应用中仍存在一定缺陷，其主要问题是知识获取的瓶颈问题、知识难以维护， 以及不能有效的解决故障诊断中许多不确定因素，这些问题大大影响了故障诊断 的准确性。 2 4 2 人工神经网络( a r t j f i c a ln e r v en e t w o r k ，a n n ) 人工神经网络是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息处理系统，具有强 大的自学能力和数据处理功能，能映射高度非线性的输入、输出关系。自1 9 4 3 年首次提出以来，已迅速发展成为与专家系统并列的人工智能技术的另一个重要 分支。它以其诸多优点，如并行分布处理、自适应、联想记忆等，在智能故障诊 断中受到越来越广泛的重视，而且己显示出巨大的潜力，并为智能故障诊断的研 究开辟了一条新途径。应用a n n 技术实现故障诊断不同于e s 诊断方法。a n n 方法通过现场大量的标准样本学习与训练，不断调整a n n 中的连接权和阈值， 使获取的知识隐式分布在整个网络上，并实现a n n 的模式记忆。因此a n n 具 有强大的知识获取能力，并能有效的处理含噪声数据，弥# b te s 方法的不足【1 5 】。 2 4 3 模糊理论( f z ) 模糊理论主要模仿人脑的逻辑思维，具有较强的结构性知识表达能力，能将 不确定性知识或定性知识转化为定量表示。在故障诊断中，故障与征兆之间的关 系往往是模糊的，这种模糊性即来自故障与征兆之间关系的不确定性，又来自故 障与征兆在概念描述上的不精确性，因而诊断结果也必然是模糊的，解决模糊诊 断问题的传统方法，一般是根据专家经验在故障征兆空间与故障原因空间之间建 立模糊关系矩阵。常用的方法是将各条模糊推理规则产生的模糊关系矩阵进行组 合，或与或并。 随着模糊理论的发展及完善，模糊理论的一些优点逐步被重视，如模糊理论 可适应不确定性问题：其模糊知识库使用语言变量来表述专家的经验，更接近人 的表达习惯：模糊理论能够得到问题的多个可能的解决方案，并可以根据这些方 案的模糊度的高低进行优先程度排序等。 很多人在作模糊理论用于诊断的研究，有的单独使用其进行分析诊断，有的 与专家系统、神经网络进行联合使用，或构造模糊评价模型，以评分的方式反映 故障的危害性。他们均收到了较好的效果，总的看来研究方向趋向于与其它分析 诊断方法相结合。 2 4 4 遗传算法( g e n e r a t i o na l g o r i t h m ，g a ) 第1 4 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设鲁在线监一系统应用与研究 遗传算法是基于自然选择和遗传机制，在计算机上模拟生物进化机制的寻优 搜索算法。它能在复杂而庞大的搜索空间中自适应的搜索，寻找出最优或准最优 解，且算法简单，实用。遗传算法对待求解问题几乎没有什么限制，也不涉及常 规优化问题求解的复杂数学过程，并能够得到全局最优解或局部最优解集，这是 它优于传统优化技术之处。 遗传算法从优化的角度出发基本上可以解决故障诊断问题，能够给出全局最 优或局部最优的多个可能的诊断结果。但是如何建立合理的故障诊断模型是使用 遗传算法的主要“瓶颈”。如果能够建立合理的数学模型，那么不仅可以使用遗 传算法解决故障诊断问题，还可以使用其他类似的启发式优化算法解决故障诊断 问题，如蚂蚁系统算法、t a b u 搜索算法等。从不同的交叉和变异算法的应用比 较可以看出，不同的交叉和变异算子对结果的影响比较大，如何确定最优的交叉 和变异算子及相应的参数也有待进一步研究。 2 4 5 几种智能方法的综合 基于以上诊断方法，充分考虑其优缺点，出现了多种人工智能集成方法，它 们综合了各自单独使用时的优点，收到了良好的效果。集成的基本思路是：根据 被求解问题的需要把系统分为若干个模块，每个模块，分别用e s 、a n n 、g a 、f z 技术实现，在以某种方式集成来形成主体系统结构，也可采用串接、嵌入或变换 模块的方法来取长补短，构造功能完善的应用系统。 人工神经网络与模糊理论可以用2 种方式结合：第1 种方式是先模糊化神经 网络的输入，进而得到的输出也是一个模糊数。第2 种方式是根据神经网络的特 点设计的。因为人工神经网络的输出本身就是一个介于0 1 时间的数，所以可 把神经网络的输出作为模糊系统的输入，用模糊系统去解释神经网络的输出。最 终提供给运行人员一个语言化的结论，便于运行人员理解。这在一定程度上弥补 了神经网络不具备解释能力的弱点。 将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统是智能化故障诊断研究的 一个发展趋势。主要结合的技术有基于规则专家系统和a n n 的结合，模糊逻辑、 a n n 与专家系统的结合等等。其中，模糊逻辑、a n n 与专家系统结合的诊断模型 是最具发展前景的也是目前人工智能领域的研究热点之一。 2 4 6 其他方法 最近，还出现了基于对象重构的专家系统，即通过诊断对象的对象定义、对 第1 5 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监舅系统应用与研究 象属性、对象间关系等，构造出整个诊断对象类系；将诊断规则如具体诊断知识、 计算公式等，附着于相应对象上，实现基于对象划分的知识划分。它能大大提高 知识的复用性和规则、知识库及推理机的相对独立性，有利于知识结构的优化， 它特别适用于构件诊断对象多样同时又具有很多共性的专家系统。除此之外还有 阈值诊断法( 所得特征值和规定的阈值比较) 、时域波形诊断法、指纹诊断法等。 广西大学磺士毕业论文电力系统变电设鲁在线监一系境应用与研究 第三章广西在线监测系统的总体结构 3 1 在线监测系统的总体规划 首先建立在线监测中心站，然后选取几个重要的变电站和大型发电厂配置相 应的在线监测设备并建立监测子站。在监测子站中，每个所要监测的设备都有相 应的就地数据采集器对相关的监测设备进行不问断的数据采集。然后通过数据线 或光纤或数模转换卡将采集来的数据定期传送到监测子站中，存入统一的数据 库。然后由中心站统一定时( 可自设) 将各子站的数据再通过远程通讯采集到中 心站上，并存入统一的数据库中。 广西在线监测系统的中心站设在南宁广西电力试验研究院十四楼的监测中 心，选取了沙塘5 0 0 k v 变电站、岩滩水电厂、南宁林村2 2 0 k v 变电站和平果5 0 0 k v 变电站作为监测子站。其具体结构见第三节。 3 2 在线监测系统的监测项目 广西在线监测系统的监测项目包括有以下几个： 1 、压互感器和电流互感器的介损监测装置( t a n g ) ： 2 、压器和发电机的局部放电监测装置； 3 、变压器的油色谱监测装置( t r u e g a s ) ； 其中沙塘5 0 0 k v 变电站安装介损和油色谱的在线监测装置；岩滩电厂安装变 压器和发电机的局部放电的在线监测装置；南宁林村2 0 0 k v 变电站安装介损在线 监测装置；平果5 0 0 k v 变电站则安装油色谱在线监测装置。 3 3 在线监测系统的结构 系统的结构：目前变电设备在线监测系统是由南宁监测中心站、南宁林村 2 2 0 k v 变电站( 子站) 、岩滩水电厂( 子站) 、柳州沙塘5 0 0 k v 变电站( 子站) 、 平果5 0 0 k v 变电站( 子站) 构成。整套监测系统网络采用电话拨号的方式进行连 接和通讯，各个子站均安装了监测专用的电话线。 监测过程：通过对各子站运行设备取出的有关信号，经电缆送到数据处理 器，利用微机软件综合处理，再通过电话通讯线路将监测数据传输到监测中心站 第1 7 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在线监嗣系统应用与研究 ( 监测中心站设在中试院1 4 楼) ，实现远程在线监控，可在中心站直接调出各监 测站运行中被监测设备的绝缘数据。变电设备在线监测系统网络结构见图3 1 。 m s - z 变电站设备状态在线监测系统结构图 f i g u r e3 - 1 ：s t r u c t u r ep i c t u r eo f d e v i c eo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mo f s u b s t a t i o n 3 3 1 南宁监测中心站 南宁监测中心站设在广西电力试验研究院的1 4 楼。其主要配置的设备有： 3 3 1 1 监测服务器 计算机一台：用于拨号用的m o d e m 及用于院内局域网的1 0 0 m 网卡； 集线器一台：用于以后添加计算机时共用局域网； 分屏器一台：用于大屏幕显示； u p s 不间断电源一台：用于突然停电时的备用电源。 3 3 1 2 电话两台；用于工作上的联系，其中一台专用于中心站与子站的网络通 讯； 3 3 1 34 1 寸大屏幕等离子监视器一台：用于监视在线图像和数据等； 3 3 1 4e p s o n 彩色喷墨打印机一台：用于有关在线监测图像和数据打印； 3 3 2 林村2 2 0 k v 变电站 3 3 2 1 监测的设备及监测点 林村2 2 0 k v 变电站在线监测的设备共2 4 台，主要监测的设备为：2 2 0 k v # 1 、 第1 8 页 广西大学硕士毕业论文电力系统变电设备在翁监嗣系统应用与研究 2 变压器套管介损监测装置，2 2 0 k v 电流互感器介损监测装置，1 l o k v 电流互感 器介损监测装置。共3 0 个介损监测点。 3 3 2 2 主要配置的设备 计算机两台：一台为s o s 系统，用于设备监测及数据保存；另一台为 s u p e r v i s o r 系统，用于子站与中心站的通讯。 光纤集线器( h u b ) 一台：用于s u p e r v i s o r 子站与s o s 系统的通讯。 3 3 3 岩滩电厂 3 3 3 1 监测的设备及监测点 岩滩电厂的在线监测的设备共4 台，主要监测的设备为：# 3 、4 发电机( 6 个测点) 和# 3 、4 主变( 6 个测点) 局放量监测装置。共设1 2 个局放监测点。 3 3 3 2 主要配置的设备 计算机一台：安装有s u p e r v i s o r 系统，专用于收集监测数据及与中心站通 讯。 光纤集线器( h u b ) 一台：用于计算机和局放监测设备之间的通讯。 3 3 4 沙塘5 k v 变电站 3 3 4 1 监测的设备及监测点 柳州沙塘5 0 0 k v 变电站在线监测的设备共5 5 台，主要监测的设备为：# 1 、 2 变压器( 5 0 0 k v 侧、2 2 0 k v 侧、3 5 k v 侧) 套管介损监测装置( 其中# 2 主变c 相装一色普监测点，主要监测变压器油色普含量) ，5 0 0 k v 电流互感器介损监测 装置，2 2 0 k v 电流互感器介损监测装置，共设6 4 个监测点。 3 3 4 2 主要配置的设备 计算机两台：一台为s u p e r v i s o r 系统，用于子站与中心站通讯；另一台为 s o s 介损监测系统用于介损测量及数据存储。 光纤集线器( h u b ) 一台：用于s u p e r v i s o r 子站与s o s 系统、断路器监测系 统之间的通讯。 3 3 5 平果5 k v 变电站 3 3 5 1 监测的设备及监测点 平果5 0 0 k v 电站只设1 个监测点。在线监测的设备1 台，主要监测的设备 为：# 2 变压器a 相装一套油色谱监测装置，主要监测变压器油中气体含量。 第1 9 页 广西大学碗士毕业论文 电力系统变电设鲁在线监冀系统应用与研究 33 5 2 主要配置的设备 计算机1 台：装有s u p e r v i s o r 系统，用于子站与中心站的通讯。 第2 0 页 广西大学硕士单业论文电力系统变电设鲁在蠛监嗣系统应用与研究 第四章广西在线监测系统的网络结构及数据库 本章主要研究了广西在线监测系统的网络结构及数据库，以及相关的监测软 件。 4 1 广西在线监测系统的网络结构 在线监测系统网络结构：由在线监测中心站( 设在广西电力试验研究院) 及南宁林村2 2 0 k v 变电站子站，岩滩电厂子站和柳州沙塘5 0 0 k v 变电站子站构成。 从2 0 0 2 年5 月开始进行调试到2 0 0 2 年6 月投入试运