变电站在线监测方案.docx

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变电站在线监测方案

1概述

变电站在线监测系统实现了信息共享平台化、系统框架网络化、设备状态可视化、监测目标全景化、全站信息数字化、通讯协议标准化、监测功能构件化、信息展现一体化，实时采集站内设备的状态数据，进行综合的诊断分析和全寿命评估。

一方面，变电站在线监测系统内部是一个相对独立的内部互联配变设备网络，另一方面又是远方主站的一个节点，向主站发送变电站内部设备的监测诊断系统和自身状态信息。

图1.1总体架构图

变电站在线监测系统采用IEC61850通讯标准。

IEC61850以完整的分层通讯体系，采用面向对象的方法，使构建真正意义上的智能化变电站监测系统成为可能。

具体来说，智能变电站在线监测系统包括几个部分：

1）电气设备，变压器等；2）在线设备；3）集中的在线监测主机。

变电站在线监测系统的结构在逻辑结构上可分为三个层次，这三个层次分别称为"过程层"、"间隔层"、"站控层"，如图1.1。

其中过程层是一次设备和二次设备的结合面，其主要功能是：

进行输变电设备的特征参数的检测、状态参数的在线检测与统计、操作控制的执行等任务；间隔层的主要功能是：

进行本间隔过程层实时数据信息的汇总、数据处理、实施对一次设备实施保护控制功能，具有承上启下的作用；站控层主要任务是：

汇总全站的实时数据信息，对全站的运行状况进行质量评估，将有关数据信息送往调度或控制中心并接受调度或控制中心有关控制命令，向间隔层、过程层发送控制命令等功能。

2变电站主要设备的在线监测

2.1变压器智能监测模块

电力变压器是变电站最主要的设备，所以对其的监测是变电站监测系统最为关键的一环。

此模块对变压器进行全面监测及质量评估。

2.1.1简述

通过对反映变压器实时状况的状态参数（油中溶解气体、局部放电、套管介质损耗及电容量、铁芯接地电流、油中微水、油中温度等）的进行实时监测，对变压器的绝缘状况做出分析、诊断和预测。

针对各种特定状态参数采用专用智能传感器模块，围绕变压器的状态参数监测系统硬件框图如图2.1。

图2.1变压器智能监测模块硬件框图

图2.1中部分传感器模块也将应用于其他输变电设备，视具体监测体系而定。

2.1.2对油中溶解气体及微水的在线监测

监测机理

在电、热作用下，绝缘缺陷或运行故障会使绝缘油加快分解出故障特征气体，典型的油中气体如H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等，特征气体的含量、成分及增长率与故障的性质、类型、严重程度、发展趋势密切相关，实时获取特征气体进行分析，对变压器运行的可靠性做出判断同时进行寿命预测。

技术参数

对各组分特征气体和微水的浓度进行综合监测，具体参数如表2.1。

表2.1

序号

气体

分辨率

测量范围

1

氢气（H2）

1μL/L

1-25000μL/L

2

一氧化碳（CO）

1μL/L

5-25000μL/L

3

甲烷（CH4）

0.5μL/L

0.5-25000μL/L

4

乙烷（C2H6）

0.1μL/L

0.1-25000μL/L

5

乙炔（C2H2）

0.1μL/L

0.1-25000μL/L

6

乙烯（C2H4）

0.1μL/L

0.1-25000μL/L

7

二氧化碳（CO2）

10μL/L

20-4000μL/L

8

总烃

1μL/L

0.2-8000μL/L

9

微水（H2O）

1μL/L

1-800μL/L

2.1.3对局部放电的监测

局部放电概述

变压器局部放电是反映高压电气设备状态的一个重要标志。

因为很多故障均产生局部放电。

局部放电最能有效反映变压器内部的绝缘状况，在线监测变压器内部局部放电信号能及时反映其绝缘状况和发展趋势。

超高频（UHF）检测的特点

采用超高频天线检测及接收变压器局部放电产生的超高频（UHF）信号，可实现对变压器局部放电故障的在线监测。

应用数字滤波、相位开窗、动态阈值等多项抗干扰方法，有效消除或抑制干扰，保证采集数据准确可靠。

✓抗电磁干扰能力强，特别对空气中的电晕放电具有极强的免疫力；

✓装置采集速率高，实时检测局部放电信号；

✓采用了先进的聚类、诊断和统计算法，智能化程度高；

✓集成了重庆大学最新的研究成果，对不同类型的放电进行放电发展状况评估；

✓非接触测量方式，检测系统与一次设备没有任何电气上的连接，不影响一次设备运行，对使用者和检测设备更安全；

✓传感器根据按变压器实际情况定制。

技术参数

脉冲电流法的最小可测放电量：

500pC，测量频带：

40k-3MHz，脉冲时间分辨率：

10μs；

UHF法的最小可测放电量为50pC，频率范围：

300MHz-1500MHz，UHF放大器增益：

40dB，灵敏度：

最小可测幅值30mV。

2.1.4对套管的介损及电容量的监测

技术指标如下：

介质损耗因数：

0.1%-200.0%，测量精度：

±0.05%，电容量：

10pF-2μF，测量精度：

±0.5%；

套管接地电流：

500μA-500mA，测量精度：

±1%。

2.1.5对铁芯接地电流监测

通过铁心接地电流的监测来发现箱体内异物、内部绝缘受潮或损伤、油箱沉积油泥、铁心多点接地等类型的故障，从而及早发现潜伏隐患，提出预警，避免事故的发生，为设备实现定期检修向状态检修过渡提供技术保证。

技术指标如下：

接地电流：

1mA-5A；测量精度：

﹤2.5%。

2.1.6对顶层油温监测

技术指标如下：

温度范围：

0℃-125℃；测量精度：

±0.5℃。

2.2GIS/断路器智能监测模块

对断路器进行局部放电进行监测外，断路器的监测有自身的一些特点。

主要监测参数和功能：

①电寿命监测

分合闸过程电流波形，正常工作和分合闸过程电流幅值，分合闸动作次数、时间及日期，主触头累计电磨损（以I²T或IT表征）；

②机械系统监测

线圈分合闸时间，分合闸线圈电流波形，断路器动触头行程及超行程，断路器分/合状态；

③SF6气体分解物监测/SF6气体密度和微水监测。

2.3电抗器智能监测模块

电抗器局部放电、铁芯接地电流、油中气体及微水在线监测具体技术指标参见变压器在线监测部分。

2.3.1电抗器振动

实时监测变压器、电抗器的振动幅值，通过分析其振动状态的特征量（峰峰值、有效值、频率等）的异常，及时发现设备内部的电气、机械故障，为变压器、电抗器的状态监测提供可靠的辅助依据。

技术指标：

最多可支持16台信号采集分站，16*24路振动信号监测通道；

测量信号幅值范围：

1μm～1000μm；

测量精度：

0.1μm；

测量频带：

1Hz～1000Hz。

2.4互感器智能监测模块

参照变压器智能监测相关部分，对互感器的电容、介损和局部放电进行在线监测。

2.5避雷器智能监测模块

金属氧化物避雷器在运行过程中会逐渐产生老化和受潮，主要针对阀片老化和内部受潮故障进行监测。

技术指标：

泄漏电流检测范围：

10μA-100mA；精度：

±0.5%；

容性电流：

10μA-100mA；精度：

±0.5%；

阻性电流：

10μA-100mA；精度：

±0.5%。

2.6电力电缆智能监测模块

通过对电力电缆的绝缘电阻、介质损耗、接地电流、局部放电等的监测来判断电力电缆的运行状况和故障情况，从而对电力电缆的寿命进行评估。

2.7在线智能评估诊断模块

在以上所述的输变电设备都需加上在线智能评估诊断模块，在线智能评估诊断模块集数据分析处理、状态评估、输变电设备控制保护以及设备信息上传等功能于一体。

由于输变电设备差异，在线智能评估诊断模块具体的实现有所不同。

可以这么说，具有在线智能评估诊断模块是现代智能输变电设备的主要标志，也是与传统输变电设备的重要区别。

在线智能评估诊断模块的系统构成如图2.2。

图2.2智能评估模块的系统构成图

3变电站其它监测系统

3.1变电站电能质量监测及评估

✓电压和电流分析计算程序，可推算出母线电压和电流值及负载量；

✓综合数据分析可计算有功和无功功率值；

✓可实时显示电网功率因数、电压、电流、有功功率、无功功率、频率的平均值、谐波总畸变率、1－15次谐波含量和输出口投切状态等信息；

✓能捕捉瞬时干扰的波形；

✓数据可远传至数据服务器，实现存储数据、历史数据查看等；

3.2自然环境监测

温度、湿度、日照、风速、雨量、污秽物等环境参数的监测，及其对变电站电气设备运行、老化、评估等的影响。

4基于IEC61850标准的数据通讯方案

基于IEC61850标准的输变电设备的数据通讯采用如图4.1所示方式，这两种方式在站控层与间隔层之间采用10M/100M的以太网作为主通信的基础，通过以太网将站控层的上位机与间隔层的智能电子装置（IED）连接在一起，不同间隔IED之间可以通过以太网进行通信，上位机之间的通信也是通过以太网连接来实现的。

间隔层内的数据通信方式则比较灵活，主要采用CAN总线和Zigbee。

由于各个电压等级的变电站之间电气设备所处的实际工作环境不同，即使在某一变电站内部不同电气设备之间环境也不一致，因此有必要采用无线和有线两种通讯方式。

在满足变电站数据通讯要求下，让两种数据通讯方式相互配合，取长补短。

4.1基于IEC61850和CAN总线的数据通讯

4.1.1CAN总线概述

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

CAN总线通信主要具有如下所示的优势和特点。

✓CAN总线上任意节点均可在任意时刻主动的向其它节点发起通信，节点没有主从之分，但在同一时刻优先级高的节点能获得总线的使用权，在高优先级的节点释放总线后，任意节点都可使用总线；

✓CAN总线传输波特率为5Kbps~1Mbps，在5Kbps的通信波特率下最远传输距离可以达到10Km，即使在1Mbps的波特率下也能传输40m的距离。

在1Mbps波特率下节点发送一帧数据最多需要134μs；

✓CAN总线采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。

在节点需要发送信息时，节点先监听总线是否空闲，只有节点监听到总线空闲时才能够发送数据，即载波监听多路访问方式。

在总线出现两个以上的节点同时发送数据时，CAN协议规定，按位进行仲裁，按照显性位优先级大于隐性位优先级的规则进行仲裁，最后高优先级的节点数据毫无破坏的被发送，其它节点停止发送数据（即逐位仲裁无破坏的传输技术）。

这样能大大的提高总线的使用效率及实时性；

✓CAN总线所挂接的节点数量主要取决于CAN总线收发器或驱动器，目前的驱动器一般都可以使同一网络容量达到110个节点。

CAN报文分为两个标准即CAN2.0A标准帧和CAN2.0B扩展帧，两个标准最大的区别在于CAN2.0A只有11位标识符，CAN2.0B具有29位标识符；

✓CAN总线定义使用了硬件报文滤波，可实现点对点及点对多点的通信方式，不需要软件来控制。

数据采用短帧发送方式，每帧数据不超过8字节，抗干扰能力强，每帧接收的数据都进行CRC校验，使得数据出错机率极大限度的降低。

CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭的功能，避免了对总线上其它节点的干扰；

✓CAN总线通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤，选择极为灵活。

可大大节约组网成本。

4.1.2在智能监测中CAN总线的实现

按照IEC61850协议的结构和接口要求，实现了变电站自动化技术的互操作性。

CAN总线可以多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向总线上的其他节点发送信息；采用短帧结构，传输时间短，抗干扰能力强；当CAN总线上的某个节点出现严重错误时，具有自动关闭输出的功能，使总线上的其他节点及通信不受影响，从而提高系统的可靠性。

图4.1基于IEC61850标准和CAN总线的组网框图

采用CAN总线和以太网通信相结合的方式，如图4.1。

虚线框内表示一个完整的智能输变电设备，如变压器和智能监测系统的结合。

4.2基于IEC61850和Zigbee的数据通讯

4.2.1Zigbee概述

Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

Zigbee可工作在2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国）3个免费频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，Zigbee具有如下特点：

✓低功耗：

由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。

据估算，Zigbee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

✓成本低：

Zigbee协议是免专利费的。

低成本对于Zigbee也是一个关键的因素。

✓时延短：

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。

因此Zigbee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

✓网络容量大：

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络，而且网络组成灵活。

✓可靠性：

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

如果传输过程中出现问题可以进行重发。

✓安全性：

Zigbee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

4.2.2在智能监测中Zigbee的实现

Zigbee技术主要应用在变电站间隔层和过程层之间。

在过程层，Zigbee传感器终端节点附属在输变电设备上，采集现场数据信号并通过多跳技术将信号发送至间隔层IED，同时该节点还可以接收来自间隔层的控制信息。

在间隔层，Zigbee中心协调器节点附属在IED上，用来收集信号供IED对其做出分析和判断，并向下层发送数据。

采用Zigbee和以太网通信相结合的方式，如图4.1。

5小节

智能变电站中输变电设备的模块化、智能化是智能电网的基础，同样也是输变电设备物联网的前提条件。

输变电设备之间基于IEC61850标准的信息交互、共享，使智能变电站成为可能。