總線式變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

1　概述

目前我國對高壓設備的絕緣監(jiān)督依據(jù)《電氣設備預防性試驗規(guī)程》定期進行試驗和維護。由于預防性試驗通常不考慮設備的運行狀況，到期必修，有效性和靈敏度低，不能完全適應電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行需求。據(jù)不完全統(tǒng)計，1985～1990年間全國有80%的變壓器事故是在預防性試驗合格的情況下發(fā)生的。因此，迫切需要維修方式從傳統(tǒng)的以時間為基準轉(zhuǎn)變到以狀態(tài)為基準的狀態(tài)檢修方式。目前電氣設備的狀態(tài)維修(CBM)在電力系統(tǒng)中已愈來愈受到重視，電氣設備絕緣在線監(jiān)測技術作為實行狀態(tài)維修的前提，已成為近年來國內(nèi)外高壓領域的研究熱點[1～4]。實踐表明，在線監(jiān)測高壓設備的絕緣參數(shù)，既可及時發(fā)現(xiàn)潛伏性故障、防止重大絕緣事故、提高供電可靠性，又可減少設備停電試驗和維護的盲目性。 　

以往的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)采用集中處理方式，即通過屏蔽電纜將被測信號引入系統(tǒng)主機，然后由主機進行集中循環(huán)檢測和數(shù)據(jù)處理。由于一次信號很小，經(jīng)傳感器耦合后被測參數(shù)受模擬量傳輸過程中引入的干擾影響很大，測量結(jié)果的有效性和穩(wěn)定度不能保證。隨著計算機技術和通信技術的快速發(fā)展，可采用總線式結(jié)構(gòu)的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)場監(jiān)測單元除了具備信號提取，還具備信號的預處理、數(shù)字化和處理功能，真正實現(xiàn)絕緣參數(shù)的分散式測量，本文將對此進行研究。

2　測量原理

2.1　變壓器 　

理論分析表明，氫氣是反映變壓器故障的特征氣體[5]。變壓器在運行過程中所發(fā)生的許多絕緣故障，如：鐵芯多點接地、局部短路、接觸不良等過熱型故障和放電型或受潮型故障，均有氫氣產(chǎn)生，通過在線監(jiān)測變壓器油中溶解的氫氣，便可有效地發(fā)現(xiàn)變壓器的潛伏性故障;另外，通過對鐵芯接地電流的在線監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯的多點接地故障。

2.2　電容型設備

對于變壓器套管、電流互感器(CT)、電容式電壓互感器(CVT)以及耦合電容器等電容型設備，通過測量介質(zhì)損耗(tanδ)及電容量，可較為靈敏地發(fā)現(xiàn)設備的絕緣缺陷。實現(xiàn)電容型設備介質(zhì)損耗參數(shù)在線檢測的關鍵是如何準確獲得并求取電流信號和電壓信號基波的相位差。由于傳統(tǒng)的過零比較法硬件電路復雜，抗干擾性能差，本文采用以快速傅里葉變換(FFT)為核心的純數(shù)字方法，利用兩個高精度電流傳感器耦合被監(jiān)測設備的電壓和電流信號，然后由數(shù)字化測量系統(tǒng)對信號進行整周期采樣(A/D)及快速傅立葉變換，以獲得這兩個信號的基波矢量及其相位差，從而計算出介質(zhì)損耗值。該方法不需要復雜的模擬信號處理電路，且能有效地抑制諧波干擾。

2.3　避雷器

在運行狀態(tài)下監(jiān)測氧化鋅避雷器(MOA)阻性電流分量的變化是判定閥片劣化或受潮程度的更為有效和靈敏的方法。對氧化鋅避雷器阻性電流分量的監(jiān)測，本文采用了與電容型設備類似的方法，通過對母線電壓信號和MOA泄漏電流信號的FFT分析，可求得阻性電流的基波分量。

2.4　表面泄漏電流及環(huán)境溫濕度的測量 　環(huán)境溫濕度是影響絕緣參數(shù)的重要外部因素，通過對環(huán)境溫度、濕度等常規(guī)氣候參數(shù)的監(jiān)測，結(jié)合設備瓷套表面泄漏電流的監(jiān)測可以判斷設備外部絕緣的污穢程度，有助于提高在線監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷結(jié)果的可靠性。

3　總線式監(jiān)測系統(tǒng)

3.1　結(jié)構(gòu) 　

圖1為總線式絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)由3部分組成：本地監(jiān)測單元(LC)、變電站通信控制器(SC)和絕緣診斷系統(tǒng)(IDS)。

3.2　本地監(jiān)測單元

所有的本地監(jiān)測單元均由取樣傳感器模塊、信號調(diào)理及A/D采樣模塊、嵌入式微機模塊和RS485通信及電源管理模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。信號經(jīng)傳感器耦合后直接進行預處理和采集，數(shù)字信號的分析和處理以及通信功能均由本地監(jiān)測單元在現(xiàn)場完成。

3.2.1信號傳感器 　

傳感器直接影響絕緣參數(shù)的測量精度，對電容型設備設計了補償型零磁通電流傳感器來提高小電流檢測的精度。選用起始導磁率高、損耗小的坡莫合金作鐵芯，并采用深度負反饋補償技術對鐵芯的激磁磁勢進行全自動補償，使鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態(tài)，同時對線圈進行了良好的雙層屏蔽，從而有效地提高了傳感器角差和比差的穩(wěn)定性，并使傳感器具有良好的溫度特性。

3.2.2　嵌入式微機模塊 　

嵌入式微機模塊是本地監(jiān)測單元的核心。采用新一代32位微處理，它包含個人計算機的絕大部分外設并增添了單片機的特征，能夠完成復雜的數(shù)學運算非常適合于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)以32位CPU為核心，設計了嵌入式微機系統(tǒng)，既適合于現(xiàn)場測量，又具備強大的數(shù)據(jù)處理及端口控制功能，使得信號的處理功能非常簡單，從而使現(xiàn)場監(jiān)測的就地化得以實現(xiàn)。 　

值得說明的是，傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)通過屏蔽電纜將被測信號引入系統(tǒng)主機，然后進行檢測及數(shù)據(jù)處理。由于一次信號很小，經(jīng)傳感器耦合后，模擬量傳輸過程中引入的干擾對測量結(jié)果影響很大，這是造成在線監(jiān)測系統(tǒng)測量分散性大的根本原因之一。本地監(jiān)測單元中傳感器的輸出信號不需要遠距離傳輸，采用就地采集和處理，極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測量的穩(wěn)定性。

3.3　變電站通信控制器 　

變電站通信控制器通過RS485總線控制LC工作狀態(tài)和讀取LC的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過公用通信網(wǎng)絡與絕緣診斷系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。 　RS485總線是一種通用的現(xiàn)場通信總線，它是一種雙向、多點、數(shù)字化的通信模式，具有良好的抗干擾性能和遠距離傳輸功能，能適合變電站范圍的通信需求。圖3為絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖。

變電站通信控制器只需通過一對485通信總線(通常用雙絞線)就可掛載所有本地測量單元。雖然LC均具有獨立的采集、信號處理、測量功能，但它的測量又受到SC的控制。SC按照一定的時間和任務序列與LC通信，啟動LC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對絕緣參數(shù)同步測量的要求，讀取各個LC的測量數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息。如果其中某臺LC故障，SC可將它從網(wǎng)絡中卸載，增加或減少1個本地測量單元均不會影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。這樣就可真正實現(xiàn)絕緣參數(shù)的分散式就地測量和整個系統(tǒng)的總線式通信。

3.4絕緣在線診斷系統(tǒng)(IDS) 　基于NT平臺的絕緣在線診斷系統(tǒng)通過公用通信網(wǎng)自動獲得變電站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以SQLServer作為數(shù)據(jù)庫服務器，分析各參數(shù)的變化趨勢及其相關性，對各設備的運行和絕緣狀況進行綜合診斷，指導設備的運行和維護。

4現(xiàn)場運行結(jié)果 　

由于在線監(jiān)測數(shù)據(jù)會受到如PT電壓基準、環(huán)境、運行方式、電壓波動等多種因素的影響，假定設備的絕緣狀況是良好的，對于電容型設備的電容量和MOA的泄露電流等參數(shù)在線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)是非常穩(wěn)定的，而對于電容型設備的介損和MOA的阻性電流在線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)會在一定范圍內(nèi)波動。 　

從如圖4、圖5所示的測量結(jié)果可見，電容型設備的介質(zhì)損耗和避雷器的阻性電流等監(jiān)測參數(shù)在每天都發(fā)生周期性變化。通過分析可知，數(shù)據(jù)的變化是由于環(huán)境溫濕度變化的影響造成的，環(huán)境溫濕度每天有周期性的波動(見圖6)。監(jiān)測參數(shù)與環(huán)境溫濕度顯示了很強的相關性，可以通過分析二者之間的相關性來分析設備的絕緣狀況。另外，對于同類型的高壓設備，由于被監(jiān)測參數(shù)與環(huán)境溫濕度的相關性是一致的，可根據(jù)這個原則對數(shù)據(jù)進行進一步的分析和處理。

環(huán)境濕度對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響主要是通過瓷套表面的泄漏電流反映的(見圖7)。例如，由于避雷器瓷套外表面的泄漏電流會進入到檢測回路，當瓷套表面污穢且環(huán)境潮濕或淋雨時，瓷套表面流過的電流會導致阻性電流監(jiān)測結(jié)果明顯偏大;同樣，瓷套表面電流也會對部分容性設備的介損監(jiān)測結(jié)果造成一定的影響。 　

從以上的分析可知，監(jiān)測系統(tǒng)測得的在線數(shù)據(jù)是真實可靠的，數(shù)據(jù)雖然有一定的波動，但有其內(nèi)在的原因，并不是監(jiān)測系統(tǒng)本身造成的。這也反映了在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，說明有必要建立在線專家診斷系統(tǒng)，對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，以判斷運行中設備的絕緣狀況。

5 結(jié)語 　

提出了基于嵌入式微機系統(tǒng)的RS485總線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。信號的提取、采集處理和分析計算都由現(xiàn)場微機單元獨立完成，實現(xiàn)了絕緣監(jiān)測的就地化。 　研究結(jié)果表明，由于對絕緣參數(shù)實現(xiàn)了就地測量，避免了小信號的遠距離傳輸，解決了在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)分散性問題，使系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性和抗干擾能力明顯提高。