华中科技大学硕士学位论文变压器在线状态监测系统研究.doc

华中科技大学硕士学位论文变压器在线状态监测系统研究姓名：李岩申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：尹项根20050401摘 要 随着国民经济和电力系统的发展对电力系统安全可靠运行的要求不断提高电力系统在线状态监测已经成为重要的科学研究和工程应用方向电力设备在线状态监测可以实时监测电力设备在实际运行状况下的健康状况为系统的安全稳定运行提供保证它作为综合自动化的补充和发展能够使变电站实现真正意义上的无人值守同时它还可为电力设备的状态检修提供依据是实现状态检修的前提和重要组成部分本文从更高层次的变电站自动化技术发展背景出发论述电力设备重点是变压器在线状态监测系统的研究开发工作根据变电站电力设备在线状态监测的要求和目标在总结了近年来该领域现状和发展趋势的基础上本文研究提出了一种针对中小型变电站的集中式在线状态监测方案并阐述了能够对变电站中变压器断路器避雷器以及容性绝缘设备等进行综合在线状态监测的系统结构 变压器是变电站中重要的电力设备其运行状况直接影响电网稳定性本文重点工作是设计并研制一种集中式变压器在线状态监测装置具有以下特点 在监测功能方面采用非电量和电量相结合对变压器进行综合监测可有效改善状态评估的准确性具体内容包括变压器油中溶解气体含量监测油中微水含量监测局部放电监测以及运行电气参数监测等对于油中气体含量监测当特征气体含量或产气速率超过注意值时通过改良三比值法和无比值法来进行故障诊断油中微水含量监测通过薄膜电容传感器实现局部放电的监测使用扩大差动平衡法电气运行参数监测通过PTCT获得变压器的运行状态 在故障诊断方面提出了一种三维诊断模式即将设备状态监测数据同规范和定检测试数据比较同自身历史数据的纵向比较同其他同型号设备运行特性横向比较的思想以达到诊断更全面结果更准确的目标 在装置的设计与研制方面硬件上采用分层多结构核心模板采用模式对前端输入信号采用统一接口模式软件结构上采用了模块化设计在提高装置性能的同时还易于进一步扩展成为分布式状态监测系统使装置具有较好的通用性适用性和可扩展性 关键词在线状态监测 变电站 变压器 集中式结构 溶解气体 局部放电AbstractWith the development of national economy and power system, the demand on the reliability and safe of power system have been improved. On-line condition monitoring for power system can monitor the health status of the electric equipment in real time under the real state. It provides safeguard for the safe and steady running of power system. As the supplement and development of the integrative power system automation, substation with nobody on duty in the real meaning will be realized. At the same time, it is the precondition and an important part for the electric equipment condition maintenance and offers the basis for the condition maintenance. Under the background of developing the more high-level automation technology in substation, this paper describes the research and development work in on-line condition monitoring for electric equipment, specially transformer.According to the demand and target of on-line condition monitoring for electric equipment, a centralized on-line condition monitoring system for medium-small scale substation has been put forward in this paper based on the actuality and development trend in this field. It is expounded that the configuration of the system can monitor transformer, breaker, arrester and capacitative equipments in substation synthetically.As an important equipment in substation, the running state of transformer influences the stability of power system directly. The key job of this paper is to design and develop a kind of centralized on-line monitoring device for transformer. The device has the characteristic below :In the respect of the monitoring function, synthetical means are adopted to monitor transformer with combining non-electricity signals and electricity signals which can improve the accuracy of the state assessing effectively. It includes dissolved gas analysis, partial discharge detection, water content monitoring in transformer oil, monitoring of the electric parameter etc. . In terms of dissolved gas analysis, the system diagnoses the trouble by using the improved three-ratio method and the no-ratio method when the gas content or the produce speed of the gas exceeds the notice value. The differential balance method is used in partial discharge detection and the content of little water in transformer oil is monitored thought the capacitance sensor made of membrane. PT/CT will be used for monitoring the electric parameter in order to gain the running state of transformer.In the respect of the trouble diagnosing, a kind of three-dimension mode is proposed, i.e. making a comparison between the monitoring data and criterion, ones own data and the data with another same-type equipment. The result will be more general and accurate underthis mode. In the respect of designing and developing for the device, the configuration of the hardware adopts the multi CPU structure and the key templates adopt the DSP+CPLD mode. Furthermore, the unified interface mode is adopted to deal with the front signals. Modular programming is used for the software design. It can be easier to expanding the distributed system while improving the device capability and make the device have better generality, suitability and expansibility.Keywords: on-line condition monitoring substation transformer Centralized configuration gas dissolved partial discharge 1 绪 论 本章简要介绍电力设备在线状态监测技术的研究及应用现状，重点论述了变压器在线状态监测技术在国际国内的发展，最后介绍了本论文的主要工作和全文的章节安排。1.1 电力设备状态监测及故障诊断 1.1.1 状态监测和故障诊断的概念 所谓状态监测(Condition Monitoring，CM)是一种利用设备在需要维护之前存在一个使用寿命的预测方法，充分利用整个设备或者设备的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1,2。其任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视分析和判别方法结合历史和现状考虑环境因素对设备运行状态进行评估判断设备处于正常还是异常状态并对状态进行显示和记录对异常状态作出报警状态监测分离线状态监测在线状态监测两种方式离线状态监测就是通过定期对运行中设备或停止运行的设备进行规定项目的检查发现设备的问题和隐患传统的设备管理方法如预防性试验设备点检制度属于离线状态监测其优势在于投资小监测面宽检测设备相对简单方便易实现但反应相对迟缓采集信息有限必须另外配备分析系统因此不能适应当前广泛推广的变电站自动化的要求在线状态监测是以计算机技术为基础利用现代传感器技术以及信息技术等对正在运行的设备进行实时监测这种方式监测信息量大能够及时反映设备的状态和发展趋势比较适合应用于变电站自动化故障诊断就是主动发现故障的过程所谓故障就是使系统不能按给定要求工作的一种不允许的性能偏离3故障诊断包括故障报警故障定位故障程度估计设备的故障诊断实际上指在设备不解体的情况下根据人类积累的经验和数据采用一定的技术手段对设备所处的状态进行判断对设备的故障及发展变化进行诊断和估计的技术故障诊断的任务就是要确定设备的故障性质程度类别和部位明确故障征召并指明故障发展趋势 状态监测与故障诊断是一个有机的整体状态监测是故障诊断的基础先决条件及必要手段而故障诊断则是综合利用监测数据和信息的决策部分状态监测及故障诊断分析系统主要是指利用现代传感器技术信息技术计算机技术以及各类领域技术综合构成的辅助运行系统状态监测分析及故障诊断系统的基本结构如图1-1图-状态监测分析及故障诊断系统1.1.2 电力系统进行状态监测和故障诊断的必要性电力系统是一个由众多发电输电变电配电用电设备连接而成的大系统这些电力设备的故障不仅会造成供电系统意外停电而导致电力企业经济效益减少且可能造成用户的重大经济损失和抱怨因此这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全也决定了电力企业的经济效益及供电质量和可靠性电力系统状态监测及故障诊断能够反映电力设备的健康状况为电力系统的安全稳定运行提供了依据检修是保证电力设备健康运行的必要手段几十年来我国高压电气设备的技术管理一直采用的是设备预防性试验设备计划性大修的维护方式这种检修方式既有利更有弊其优点是1能够发现和处理设备缺陷减少设备运行中的损坏保证电力生产的安全2能够减少设备事故或者障碍造成的非计划性停电保证供电的质量和可靠性但这种维修方式不能事先掌握设备的状态而且采用一刀切的方式到期必修实践表明其中相当量的检修是没有实际意义的多余的由此造成了设备的过度检修,结果是1浪费了大量人力和检修费用2增加检修停电时间和停电次数造成频繁的运行操作增加了误操作的事故率3过度检修造成设备频繁拆装难免在检修过程中产生新的设备隐患4检修后按要求对设备应进行的耐压等试验也会对设备造成不可逆损伤使设备总体寿命下降由此可以看出过去的设备计划性检修方式已与现在的电力生产不相适应有必要采用新的设备维修方式因此产生了设备状态检修的新思路5。设备状态检修是从预防性检修发展来的更高层次的检修体制它是由美国杜邦公司I. D. Quinn在1970年首先倡议的6它根据设备的日常检查定期重点检查在线状态监测和故障诊断所提供的信息经过分析处理判断设备的健康和设备劣化状况及发展趋势并在设备故障前和性能降低到不允许极限前有计划安排检修这种方式有很强的针对性能够有效提高设备的可用率并能降低检修费用在电力系统中推行状态检修是电气设备检修制度发展的必然选择其直接效益有节省大量维修费用延长设备使用寿命提高供电可靠性减少检修风险电力设备状态监测和故障诊断是状态检修的基础和重要组成部分。变电站是输配电系统中重要的环节它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用变电站综合自动化是实现无人值守变电站的重要手段它将变电站的二次设备(包括测量仪表信号系统继电保护自动装置和远动装置)经过功能的组合和优化设计利用先进的计算机技术现代电子技术通信技术和信号处理技术实现对全站的主要设备和输配电线路的自动监视测量自动控制和微机保护以及与调度通信等综合性的自动化功能并要求具备电力设备自动管理功能以实现无人值守状态的设备管理8我国变电站自动化技术经过十几年的发展已经达到一定水平目前的变电站自动化技术虽然已经包括了基本的运行监控测量故障保护功能但是缺少了电力设备状态监测环节因此不能对电力设备的安全状况做出评估和判断不能实现真正意义上的无人值守变电站电力设备的在线状态监测是进行设备管理的必要手段而且由于设备运行和设备管理上的实时性要求不同对于运行监控系统要求较高的实时性而设备状态监测诊断实时性要求相对较低把实时状态监测诊断纳入运行监控系统中是不合适的因此有必要建立变电站状态监测诊断系统实现对变电站变压器断路器电容性设备避雷器等电力设备的实时在线状态监测并且系统能通过网络通信和变电站自动化系统接口被纳入变电站自动化系统范畴 综上所述电力设备的状态监测和故障诊断是电力系统安全运行的需要是实现状态检修的前提也是实现无人值守变电站的重要组成部分1.2 电力设备在线状态监测研究现状 传统预防性试验由于试验电压低而且是在离线停电状态下进行的无法真实反映运行电压下的绝缘性能和整个设备工作情况所以最终检测结果的可信度大大降低这就是即使整体预防性试验合格仍然时有故障发生的原因据不完全统计19851990年间全国有80%的变压器事故是在预防性试验合格的情况下发生的福建省19841988年电力设备事故中近90%的设备历年来的预试数据结果是合格的贵阳电力局1998年站街变206开关CT在高压试验中合格但却发生了爆炸的事故9针对上述情况改变现行的预防性维修制度是大势所趋其发展方向必然是采用在线监测及故障诊断技术并探索以在线监测为基础的状态检修目前国内外对变压器容性设备高压断路器等电力设备的在线监测都做了大量深入研究监测量的范围也越来越广泛在线监测的主要项目有发电机变压器断路器互感器电容器电力电缆MOA以及GIS等。对于发电机主要在线监测其发电转子绕组接地匝间短路温度及绝缘等对于变压器在线监测项目主要有油中气体分析局部放电微水含量等10 对于断路器的在线监测断路器的监测内容有操作回路的完整性绝缘特性开断能力机械特性 对于容性设备(包括氧化锌避雷器)的在线监测主要测量容性设备的电容电容电流介质损耗不平衡电压等参量和氧化锌避雷器(MOA)的全电流阻性电流功耗等参量 对于GIS主要监测其局部放电以及机械振动特性。国内外出现了很多种类的在线监测装置如澳大利亚公用电力公司Energex研发并由厦门红相电力设备公司协作的DRMCC 变压器在线监测控制系统可通过可持续的在线变压器的工作状况经过变压器的专家诊断系统综合分析各类数据得出的结果能比较全面地反映变压器的现行工作状态和科学地预测它的使用极限宁波理工监测设备有限公司研制的WDJC系列断路器在线监测装置可监测6KV500KV高压断路器的机械动作特性和开断电流通过分析判断断路器的电气和机械特性是否正常武汉高压所研制的HSJ-I型变电站一次设备绝缘在线监测系统可对主变压器电抗器局部放电监测及定位对容性电气设备包括CTCVTOY主变电抗器套管的介质损耗电流电容量的监测对主变铁芯接地电流避雷器泄漏电流及其有功分量电压互感器一次电流及一次和二次间泄漏电流母线电压及谐波的监测11该装置已安装应用于在吉林陕西贵州四川江苏湖南河南等省12个大中型变电站500kV220kV中 这些装置的出现对于在我国电力系统推广电气设备在线监测起到了积极的作用但是据中国电力科学研究院1998年对国内部分省市电力部门安装的57套集中型在线监测系统的调查结果 属于正常或比较正常的监测系统仅占30%而确定不能正常运行或处于闲置状态的约占35%由于有些开发单位开发技术上的缺陷以及产品的功能完善工作不力这些结构形式的在线监测装置都存在着不同程度的缺陷给在线监测工作造成了被动局面并且目前越来越多的电力设备被纳入在线监测的范畴而开发的产品大多是针对设备某一或者几个方面性能的监测通用和兼容性都很差监测量的局限性使得监测装置不能完整而准确得反映设备的状态并且每套装置都有独立的平台操作复杂通信能力差造成变电站监测装置过多使得维护管理复杂不符合现在大力推广的变电站自动化的趋势随着传感器技术的发展可以监测的状态量将越来越多而计算机技术的发展使允许处理的数据量越来越大因此研发多功能能监测多状态参量的实时在线监测系统将得成为可能由于可获得的数据量的增大常规的数据处理方法会遇到更大的困难因此智能在线监测系统将得到进一步研究和应用尤其是神经网络技术知识系统模糊逻辑等会得到更广泛的应用一些新的数学工具如小波变换将得到进一步研究 1.3 变压器在线监测研究现状电力变压器是电网中最重要的设备之一它的可靠性级直接关系到电网能否正常高效经济的运行据2001年底统计的数据全国220kV330kV500kV电压等级的电力变压器容量分别为33043万kVA1548万kVA11822万kVA配电变压器总容量为245233MVA220kV及以上的发电厂变电站全停运和局部电网解列事故发生的次数较多其中变压器故障造成的电网故障所占比例较大12减少变压器故障意味着提高电网的经济效益因此变压器在线监测研究成为电力设备在线监测体系中的重要组成部分 目前的变压器类型有充油式变压器SF6气体绝缘蒸发冷却式变压器干式变压器交联聚乙烯电缆绕组变压器等目前国内外高电压大容量的变压器普遍采用充油式变压器因此目前的变压器在线监测主要对象充油式变压器这种变压器主要由一次绕组二次绕组铁芯油箱底座高低压套管引线冷却器净油器储油柜气体继电器分接开关等组件或附件组成变压器在运行中常见故障有1绕组故障包括绕组变形故障匝间短路故障相间短路故障绕组股间短路故障等2铁芯故障包括铁芯多点接地故障铁芯过热故障等3放电故障包括局部放电故障火花放电故障电弧放电故障等4油和油纸绝缘故障5分接开关故障6油流带静电故障等12目前国内外变压器在线监测的范围很广包括 1监测油中可燃气体总量可分析H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO27中特征气体含量2在线监测局部放电包括电气局部放电声音局部放电超高频局部放电静态局部放电 3在线监测套管功率因数和电容 4利用光纤传感器进行热点监测 5在线监测冷却装置的功能例如风扇油泵的转换状态等 6在线监测油中湿度温度酸度 7在线监测负载电流 8在线监测绝缘纸的湿度和迁移情况 9在线监测绕组顶部和底部油温 10在线监测介电和动力系统的缺陷 11在线监测结构件的夹紧力 12在线监测铁芯接地故障和绕组缺陷 13在线监测储油柜的油位提供油渗漏信息9 在众多的变压器在线监测项目最重要的两项是油中气体含量监测和局部放电监测这两项项目的监测对于发现变压器的过热故障和放电故障有很好的效果 油中气体含量在线监测是气相色谱分析技术的补充和发展其原理是当变压器出现过热故障或放电故障时绝缘油和固体绝缘等有机绝缘材料会在电气热氧和水的作用下裂解出大量的H2同时伴随一定含量的甲烷乙烷乙烯乙炔CO和CO2等可燃性气体而多数故障类型都存在特征气体组分通过在线监测这些气体组分的含量以及产气速度可以确定变压器的故障类型油中气体含量在线监测分色谱在线监测传感器监测及红外光谱监测在线分离气体的方法有薄膜渗透取气法抽真空取气法载气和空气循环取气法等13监测气体组分含量的传感器和检测器主要有1钯栅检测器2半导体传感器3催化燃烧型传感器4燃料电池型传感器5红外光谱传感器6光离子检测器14除此之外加拿大最近研制的增强型H2和水分的监测装置用传感器其气体探头是一个多股的特氟隆毛细管环当油中气体进入探头内由高稳定性和高精度的热导元件对气体进行检测 目前国内外开发的变压器油中气体在线监测装置有很多例如加拿大SYPPOTEC研制的HYDRAN201型油中溶解气体在线监测装置15通过分析变压器油中H2和CO气体含量捕捉到变压器的早期绝缘故障是目前应用最为广泛的在线监测装置之一我国中科院研制的DDG1000型油中溶解气体在线监测装置采用一种主要成分为聚芳杂环高分子的分离膜将油中H2氢气分子直接分离出来通过燃烧氢气改变电路中测量元件的电阻值在计算元件电压变化的基础上得出H2的含量以此分析变压器的故障 变压器的绝缘故障一般都会伴随有不同程度的局部放电一般情况下如果变压器油气分析中发现了特征气体则表明不变压器内部已经存在比较严重的局部放电变压器局部放电在线监测是通过变压器本体装设高精度的电流超声传感器来检测变压器内部局部放电的电流大小以及确定放电位置能够有效的反映变压器内部的绝缘状况目前的变压器在线监测方法主要采用脉冲电流法和超声检测法脉冲电流法理论上能够检测出小至几皮库的局部放电但易受外界电磁干扰超声波检测法是通过安装在变压器邮箱上的超声传感器检测局部放电造成的超声压力波其抗干扰性能好采用几个超声传感器还能够对放电进行定位但由于声波在变压器内部绝缘中的吸收和散射灵敏度不如脉冲电流法高并接机构振动也会造成干扰利用电脉冲和超声综合检测的方法可以获得较好的效果 关于国内研制的变压器局部放电在线监测装置有武汉高压研究所研制的变压器局部放电在线监测装置采用武高所专利技术变压器局部放电电气定位装置的原理方法加数字滤波有效的排除干扰实现了变压器局部放电在线定位并能够测量局部放电电量保定天威集团新域科技发展有限公司的OLMO401PD12/4多通道变压器局部放电在线监测装置它是一种集声光电传感器信号处理器计算机为一体的新一代高性能数字化局部放电在线监测系统能够利用超声和电脉冲综合检测的方法来确定变压器内部放电9 以上的产品开发都是面对变压器的某几个性能的在线监测装置未能全面反映变压器的状态目前的趋势是开发能监测多种电力设备并能完整准确反映设备状态信息的综合在线监测分析系统随着微机技术和通信技术的发展以及变压器在线状态监测研究的深入开发系统构成紧凑硬件结构合理监测理论完善的产品已经成为可能1.4 本文的主要工作和章节安排论文工作基于整个变电站电力设备在线状态监测大背景重点讨论了变压器在线状态监测分析系统在对现有的电力设备的在线状态监测技术和装置做简要阐述后重点讨论了变电站电力设备在线状态监测系统总体方案的设计并对其中的变压器在线监测分析系统实现做了重点的研究本文作者参与了变压器在线状态监测系统的整体方案设计硬件设计及软件方案设计和实现设计实现了一种集中结构形式的变压器在线状态监测分析装置 全文的章节安排如下 第一章绪论介绍了本课题背景及研究重点论述了电力设备状态监测的研究现状以及变压器在线监测技术的发展及在线监测装置的开发状况 第二章变电站电力设备在线状态监测系统设计介绍了变电站电力设备的在线状态监测原理讨论了集中式和分布式两种变电站在线监测的结构形式并结合中小型变电站的实际情况给出了基于集中式结构的变电站变压器断路器避雷器以及容性设备在线状态监测的总体方案 第三章变压器在线监测原理研究。介绍了变压器的机构、常见故障类型和常规检测方法，重点讨论了变压器在线监测的原理，包括：油中气体在线监测、局部放电在线监测以及油中微水含量在线监测 第四章变压器在线监测系统硬件实现研究。介绍了系统总体方案设计，从功能实现角度构成了系统的下层硬件，并详细介绍了硬件设计特色 第五章变压器在线监测系统软件实现研究。分析了系统的软件构成和相关算法，重点介绍了主控板的软件实现 第六章全文总结 2 变电站电力设备在线监测系统设计变电站是输配电系统中重要的环节它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用本章介绍了典型地区变电站接线图并对变电站中变压器断路器避雷器以及容性设备等电力设备的在线状态监测原理进行了详细的论述最后根据这些原理提出了一种变电站电力设备在线状态系统的总体设计方案 2.1 变电站电力设备在线状态监测系统设计思路 2.1.1典型地区变电站介绍 典型地区变电站接线图如图2-1地区变电站主要向一个地区供电 该变电站有个电压等级和高压侧由电网受电经台自耦变压器降压至和后分别向本地区下一级变电站供电侧母线和侧母线各接有一台变压器降压至供电给变电站自用电或附近用户接于的三绕组变压器起着和系统的联络作用和配电装置均采用双母线带旁路母线接线采用双母线接线侧配电装置采用的是断路器分段的单母线接线变电站有台自耦变压器台三绕组变压器台双绕组变压器配置断路器台2.1.2全站统一进行在线状态监测的思想 实现真正意义的无人值守变电站需要了解全站设备的健康状况但是目前的在线监测系统绝大多数都是针对某一设备的几个参数或者某几个设备的一种参数进行在线的测量如果需要了解全站设备的状态就需要装设很多这样的在线监测系统这样做的弊端是 1不利于集中监测全站设备状态 每套在线监测装置都有不同的通信协议和上层软件这就很难从同一台上层机了解到全站设备的状态不利于集中监控 2设备安装调试不方便 众多的监测设备接入会使得设备接口以及通信信号很多过多通信线路的铺设会造成安装上的不便而且设备调试会显得很乱不利于变电站的管理 3监测信息难以实现共享造成资源浪费 很多设备监测的量会有重复但是每个监测装置都需要单独监测这样会造成信息的浪费也给系统的二次部分增加更多的负担 4过多传感器的装设可能会产生新的安全隐患 监测装置安装的越多意味着需要安装的传感器就越多有些传感器是需要传入系统二次线路的或者是需要在设备本体上打洞安装的过多的装设传感器可能会给变电站设备的正常运行造成新的安全隐患 由此可见现有的在线监测系统并不能满足对变电站整体的监测功能为此本章将会提出了一种符合当前变电站自动化无人值守要求能够在线监测变电站各种电力设备的在线状态监测系统用一套统一的变电站在线状态监测系统实现对变电站变压器断路器电容性设备绝缘和避雷器的在线状态监测功能2.1.3全面分析监测数据的思想 故障诊断需要对监测到的数据进行分析为了更加客观准确的使用在线监测数据使分析诊断结果更加完整和接近实际情况我们应该具备以下分析思想 1与标准的对比相应量同国际国内标准量的比较与行业规范规程的技术指标的比较生产厂家的技术规范的比较 2纵向对比包括同一设备不同时期监测到的数据归算到同一条件下进行比较同一设备的当前与历史数据比较同一设备检修前后指纹比较同一设备当前运行数据和与离线试验参数比较中试结果比较同一设备随时间推移运行环境和气候变化的设备状态信息的比较若数据在时间上有一定的积累时可有效地反映设备状态的变化趋势16 横向对比与同期出厂的同类型设备运行特性对比分析2.1.4系统结构的选择 基于全站设备在线监测的思想结合目前的主流的在线监测系统结构形式我们设计了两种变电站实时在线状态监测分析系统 1集中式结构形式 完全的集中式方案是传感器取得设备的被测量后全部经过电缆传送到中央监控室后再由数字波形采集装置进行放大滤波和转换17这样做可能会使信号失真因为微小的模拟量在电缆中需要传送几十米的距离在这个过程中很容易受到外界强电磁干扰而产生衰减和变形而影响到最后的计算结果我们设计的集中式方案对此做了如下改进传感器将测得的模拟信号通过电缆传给就近装置的采集模块经过A/D采样处理后通过FIFO通信传给装置的管理CPU管理CPU对数据进行初步处理后再通过通信网络传给上层机每块管理板控制若干个采集模块如图22所示为集中式变电站在线状态监测分析系统结构示意图 这种方案不同于完全集中式方案因为它既有集中式的特点又克服了集中式的不足应当叫做相对集中式其优点是具有分布式可扩展性强的特点而且避免了完全集中式结构造成了传输电缆量大不可靠的缺点提高了系统的可靠性可对所有设备实施巡回监测便于建立诊断系统同时具有较高的性价比、2分布式CPU结构形式 在线监测最初采用的是分散式即利用便携专用的测试仪器从安装在设备附近的传感器上读取信号就地进行测量11其优点是投资小结构简单但需要人工操作不利于信息自动化的发展分布式系统是分散式系统的发展即信号采集与数据处理功能下放到被监测设备附近通过传输电缆或数据总线将监测到的信息上传到上位机具有地理上的分散和功能上的分布的特点其主要优点是可靠性高效率高可扩展性强资源共享图23为分布式变电站在线状态监测分析系统不同的采集模块通过网络通信交换数据并送给上层进行状态监测诊断故障处理并实现设备管理系统留有与传统的变电站自动化系统以及目前开发的变电站自动化系统的接口实现信息共享满足了无人值守变电站自动化的要求 设计以上两种结构形式的考虑为对于一个大型变电站要监测设备众多监测量大用相对集中体系结构的在线监测装置就难免增大设备台数而采用分布式体系结构能做到系统扩容方便能根据不同容量变电站的监测要求进行系统扩展对于中小变电站用一台这种相对集中式在线监测装置能满足监测要求相对性价比也很高这两种监测系统的不同点是分布式在线监测系统突出其高性能相对集中式的则有好的性价比 由于我们当前目标是建立对中小型变电站设备的在线状态监测系统对于一般的中小型变电站可能整个变电站只有12台变压器45台断路器使用一套集中式装置就能够对整个变电站进行在线状态监测因此最终确定选用集中式系统结构2.2 变电站电力设备在线监测原理及实现 2.2.1 变压器的在线监测 对于变压器的在线监测内容有以下几个方面：油中气体含量监测局部放电监测以及油中微水含量监测等将在本文的第三章进行详细讨论2.2.2 断路器的在线监测 断路器主要作用是在高压线路中开断大功率电流断路器开断负载电流或者短路电流时灭弧室的触头由于电弧燃烧造成磨损长期开断会降低触头电寿命使其开断能力下降另外从多年的统计数据来看断路器机械故障占其总故障率的因此断路器在线监测的主要内容是触头电寿命监测和机械特性监测由式可以看出和成线性关系图为给定某断路器电寿命曲线图通过在曲线上取两点不同的坐标值即可得直线的斜率进而求得如果用cI来表征断路器运行中某一次开断电流有效值为时的电磨损量，则可以采用式（）来计算运行中断路器累计的电磨损量：:2.3 变电站电力设备在线监测系统设计方案 对于如图21所示的典型的地区变电站用一套分布式在线监测系统或者23台集中的在线状态监测装置就能完成整个变电站电力设备的在线监测任务这样一种集监测多种电力设备多状态参量于一身的在线状态监测系统是未来变电站自动化的趋势 2.3.1 监测量的考虑 本论文讨论的在线监测装置具备多种功能可实现变电站电力设备变压器电容性设备绝缘和断路器以及避雷器的在线状态监测任务从功能对象上划分主要包括变压器断路器容性设备绝缘以及避雷器的在线状态监测实现 变压器是变电站中最重要最昂贵的设备它的运行状态好坏直接决定了能否正常的供电需要进行较为详细的监测监测量有变压器油中溶解气体H2 CH4C2H6C2H2C2H4CO微水含量和局部放电时变压器的首端套管末屏对地电流中性点接地线电流铁芯接地线电流每相绕组首端和末端电流等 由于断路器的种类繁多被监测的信息量又大不同类型的断路器对监测要求也不一样所以确定对少油断路器SF6断路器的机械状态触头电寿命进行在线监测监测断路器操作时机械振动波形在线记录断路器开断次数和开断电流断路器储能电机波形及断路器分合闸线圈电流波形 为了对电容性设备的绝缘性能进行状态评估确定对电容式电压互感器电流互感器避雷器耦合电容器变压器高压套管等设备的介质损耗泄漏电流进行在线监测 按照监测量的性质划分系统所要处理的监测量为以下几类 1非电量的采集 变压器油中H2 CH4C2H6C2H2C2H4CO的组分含量变压器油中微水含量 断路器SF6气体压力湿度 2直流量的采集断路器分合闸线圈电流电压储能电机电流 3交流量的采集 断路器三相开断电流变电站母线电压 电容型套管三相电流 耦合电容器三相电流 绝缘两端三相电压 避雷器全电流阻性电流 4振动量及脉冲量的采集 变压器局部放电时首端套管末屏对地电流中性点接地线电流铁芯接地线电流每相绕组首端和末端电流 断路器断路器机械振动信号时间行程曲线特性 4开关量的采集 断路器重合闸辅助节点继电保护节点手动2.3.2 传感器的选择 由于本在线监测系统监测设备较多监测的状态量种类复杂所以用于在线监测用的传感器类型也较为繁多针对不同性质的量选择传感器类型如下 1变压器在线监测用传感器 气敏传感器测量油中气体含量输出420mA电信号 脉冲电流传感器测量局部放电脉冲电流信号输出420mA电信号 聚酯薄膜电容传感器测量油中微水含量输出420mA电信号 2断路器在线监测涉及到的传感器 SF6气体湿度传感器输出420mA电信号 SF6气体压力传感器输出420mA电信号 压电式振动传感器输出420mA电信号 光电传感器位移传感器输出420mA电信号 直流采用用霍尔传感器输出420mA电信号 电流电压变换器监测开断电流和母线电压输出05V电压信号3绝缘在线监测用传感器 磁耦合电流传感器 电压传感器信号取自电压互感器2.3.3 集中式在线监测系统整体方案实现 设计定位了三个档次的产品规格: 低档: CPU只需要2XX系列的DSP芯片处理器对采样的同步要求不高不需要采样保持 中档: DSP处理器用2XX系列要求有采样保持但是在抗干扰性能上要加强 高档: 处理器芯片用DSP3X系列产品能够和故障录波兼容对采样同步要求很高要采样保持抗干扰能力要求特别好 本章讨论的变电站电力设备在线状态监测分析系统实现的主要功能 1变压器油中气体含量在线监测局部放电在线监测微水含量在线监测 2断路器机械特性在线监测电寿命预测SF6气体湿度压力在线监测与报警 3容性电气设备的介质损耗泄漏电流的在线监测 设计实现方案主要考虑在线监测具有较高性价比的低档的版本采用集中式的结构形式主要目的为实现变电站变压器较完备的在线状态监测功能并能实现断路器的在线监测如可能考虑纳入电容性设备绝缘的在线监测功能这样就能做到低成本实现高的性价比考虑以后产品升级来实现变电站电力设备完备的在线状态监测功能 DSP处理器选用TI公司的16位定点数字信号处理器TMS320F206它具有丰富的软