基于全景数据系统的特高压直流换流站监控方案

2019-08-23于惠鸣刘自超

通信电源技术 2019年7期

陆如，于惠鸣，刘自超

（1.上海电力大学，上海 200090；2.国网烟台供电公司，山东烟台 264000）

0 引言

随着特高压交、直流的飞速发展，全国电网步入特高压时代[1]。然而，目前胶东直流换流站内的高压电气设备的日常维护工作主要采用传统的定期检修和巡检方式，起到了一定的监督作用。但是，长期实践发现，定期停电存在明显局限性，如工作量较大、检测周期长等[2]。检测数据完全独立，没有根据其相关性汇总到一起，而通过单一装置的检测数据无法得出一个准确的评估结果信息，需要专业人员花费大量时间对照分析各项数据才能得出相对可靠的评估结果。因此，亟待研发一套完善的换流站设备监控方案，保证电力系统最核心的安全问题[3]。

本文提出了基于全景数据系统的特高压直流换流站设备监控方案。以基于全景数据系统的特高压直流换流站设备监控为研究方向，在满足直流换流站运行设备检修、维护要求的前提上，降低换流站工作人员的检修和运维工作的难度，减少日常维护的工作量，节约了换流站监护成本用三维全景界面，对全站重要设备和区域进行三维立体建模，实现了完全可视化，是一种高效、创新的监测方案[4]。

1 设备监控方案设计原则和依据

1.1 监控方案的设计原则

基于全景数据系统的特高压直流换流站设备监控方案，以可靠性、安全性以及经济性等为设计原则，同时兼顾技术先进性、可扩展性和兼容性，在引领未来直流换流站智能监控技术发展的同时，提高直流换流站设备监控的技术标准和工作效率。

监控方案的具体设计原则包括如下内容：

（1）在满足新一代智能变电站的技术要求上，对特高压直流换流站内的全部高压电气设备进行全天候、全方位以及全景数据的立体监控；

（2）为每一台设备定制专用的维护档案和检修方案，结合每一台设备固有的结构特性等参数综合评估运行状态，并形成科学、有效的评估结果；

（3）以云计算和大数据等数字化时代的先进运算工具为核心，建立直流换流站高压电气设备的故障数据库，并通过自学习算法进行维护和更新。

1.2 监控方案的设计依据

本方案的系统设计完全满足相关国家标准、电力行业标准和国家电网公司企业标准[5]，见表1。

2 换流站设备监控方案的架构和实施过程

2.1 监控方案的架构

全景数据是反映变电站电力系统运行的稳态、暂态以及动态数据的集合[6]，形成纵向贯通、横向导通的电网信息支撑平台。系统集合了全站视频监控，换流变压器、主变压器、GIS以及HGIS等重点设备，交流场、直流场以及阀厅等重要区域的针对性监测方案。监控系统图如图1所示。

表1 主要参考标准

图1 智能变电站监控系统分配图

监测装置的数据通过监测光纤主干网上传到监测数据中心服务器，对数据进行一致化管理，采用大数据技术，通过数据的整合共享，最终实现对全站高压电气设备的实时数据获取、综合分析、状态评估以及全景展示等功能。用户可在全景监控平台上直观了解全站各主要设备的外观、现场环境、绝缘状态、设备温度以及运行位置等信息，并综合诊断结果。

监测数据可长期本地存储、建立高压设备的运行和故障特征库，同时可通过以太网通信将监测数据发往远方监控中心、数据分析部门、配电管理系统及维护部门，并可接收控制指令，实现远程监控和运行状态分析。系统通信完全满足DL/T860和国网相关标准。

2.2 监控方案的实施过程

基于全景数据系统的换流站设备监控方案已经在胶东换流站分4个阶段实施，具体实施过程如下。

第一阶段：建设光纤主干网、监控中心，优先实施重点监测方案，如换流变压器、主变压器、避雷器以及部分GIS、HGIS的在线监测。

第二阶段：在每个区选择示范监测方案实施，如直流场、阀厅以及交流场的整体监测。

第三阶段：按照整体规划实施，完成全景数据智能监控系统的整体建设。

第四阶段：系统运行后积累数据，建立一套完善的分析、评估以及预警系统。

3 监控方案的具体实施

3.1 换流变压器监测

换流变压器由于运行状态和结构的特殊性，不仅要承受普通电力变压器要承受的电场、过热、电动力对其运行状态的影响，还受到自身运行因素的影响。因此，相对于普通电力变压器，它更容易出现各种缺陷和故障，需针对换流变运行工况和结构的特殊性制定相应的监测策略。检测体统设计图如图2所示。

图2 换流变压器的监测手段

针对绝缘系统问题，采用高频局部放电监测、高压套管超声局放监测、高压套管电容量和介损监测，可以清楚了解整体绝缘系统当前的健康状况。而直流偏磁问题采用振动和铁芯接地电流监测，可以有效监测对换流变内部结构件松动和多点接地情况，避免内部松动和多点接地现象的产生。针对高次谐波问题，采用监测冷却器效率，以有效避免冷却器效率不足带来的温升问题。

3.2 GIS（HGIS）监测

GIS所有元件都采用SF6气体绝缘，具有很高的应用价值[7]。但是，目前胶东直流换流站GIS（HGIS）运行状态监控主要采用人工巡视，运维任务繁重，且缺乏对HGIS内部开关类动作机械特性的监测，因此对原检测系统进行改进，结构如图3所示。

图3 GIS（HGIS）的监测手段

根据GIS的结构特点，采用特高频和超声综合在线监测模式。利用小波消噪技术、自适应滤波技术以及窄带消干扰技术消除现场监测的干扰信号，可以实现对单个放电脉冲的时域、频域及时频分析，提供PRPD、PRPS及指纹图谱等统计分析，根据神经网络算法等自动识别放电故障类型，然后根据放电类型的统计分析对出现的局放缺陷进行风险分析，提供相应的维修策略支持。

针对SF6气体的监控，安装了SF6微水密度在线监测。此类监测可以实时观察各间隔气体微水、温度值和压力值，在其泄漏的初始阶段发现并进行维修，并能实时上传GIS内部SF6气体湿度、温度等信息形成统计趋势，可以根据各项条件进行检索分析。

3.3 直流场、交流场和阀厅监测

直流场、交流场和阀厅均为多个高压设备组合形成的区域，主要包含避雷器、电抗器、电流互感器以及CVT等重要设备。根据这些设备的结构特点，多数故障发生在设备外部或能够通过外部反映出来。因此，对直流场、交流场和阀厅设备主要监测方案为外部绝缘和温度监测[8]，依次如图4、图5和图6所示。

图4 直流场监测手段

图5 交流场监测手段

图6 阀厅监测手段

避雷器、互感器等设备在长期运行中，当自身绝缘出现缺陷或受潮湿、表面污秽等外部因素影响时，会造成局部电场集中，并以电晕、爬电等形式表现出来。当绝缘进一步恶化时，甚至会发生闪络。闪络监测采用紫外光脉冲检测技术，通过传感器检测高压设备发生电晕和闪络时产生的紫外光脉冲信号，经光电转换单元转换为电流脉冲信号，由监测装置进行模数转换和分析诊断后，将监测结果通过光纤网络上传到监控平台。

3.4 穿墙套管监测

特高压直流穿墙套管作为换流站直流场和阀厅的连接设备，在整个直流输电工程中占据重要地位。一旦出现任何问题，会导致整个系统停运。国内外的统计数据显示，连接阀厅和直流场的穿墙套管，故障率占比较高。由于穿墙套管工作环境和安装方式比较特殊，同时易受高介电、热应力、污秽以及非均匀淋雨等影响，是整个换流站的薄弱环节之一，且发生故障损失也较严重。国内外统计数据显示，它的主要故障可分为内部绝缘击穿和外部闪络击穿两种。

对内部绝缘故障，需要根据套管具体结构和绝缘材料特性采用对应的检测方法，目前主要有油浸纸电容结构、环氧芯体结构以及纯SF6气体绝缘结构等。胶东换流站使用的是HSP套管，环氧体芯结构，外部采用硅橡胶绝缘材料。内部采用电容屏结构，应该与特高压交流套管基本类同。

套管外部绝缘问题主要是污闪和由于非均匀淋雨产生的闪络。胶东换流站距离海边较近，污物较内地含盐量高，更容易发生污闪。基于全景数据系统的换流站设备监控方案采用泄漏电流最大幅值和泄漏电流脉冲数表示绝缘子污秽度的参数，不仅易接近绝缘子污秽实况，而且可实现在线监测与报警。图7为套管泄漏电流检测适配器，图8为泄漏电流法监测污秽度的原理图。