智能变电站变电设备在线监测系统研究

2011-04-21耿宝宏

东北电力技术 2011年1期

韩月,耿宝宏,高强

（东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110006）

变电设备是电网的基本单元,变电设备智能化是智能电网的重要组成部分,也是区别传统电网的主要标志之一。智能变电站要求变电设备状态参数自动采集,在线分析,实现状态可视化,并根据设备的状态对设备进行评估、分析,采取相应的应对措施,实现变电站的智能化。上述工作基本上是由变电设备在线监测系统完成,因此对于智能变电站来说,在线监测技术的应用非常关键。

1 变电设备在线监测技术发展现状

在线监测技术是掌握变电设备运行状态的重要手段。如何研制能够真实、可靠地反映变电设备绝缘状态的在线监测系统,20余年来一直是我国电力行业努力追求的方向。变电设备在线监测系统组成如图1所示。

近年来,随着计算机技术为数字测量技术的不断发展,很多设备的在线监测技术已经逐渐走向成熟。目前,国内外变电设备在线监测系统在市场上包括具有单一监测功能的系统和具有综合在线监测功能的系统两类。单一功能的在线监测系统只能实现对一类设备单一或部分绝缘参数的监测功能,如专门用于监测变压器油的色谱装置或专门用于监测变压器的局放装置。随着技术的不断发展,各类单一功能的在线监测系统趋向集成,各种变电设备的监测单元通过现场总线与上位机主机相连,监测单元负责数据采集、初步分析,并将数据上传至监控上位机,主机对数据进一步处理,统一生成图形、报表,并将数据存入数据库。变电设备综合在线监测系统的形成实现了对变电站变压器、电抗器、断路器、GIS、高压套管、容性设备等变电设备的实时在线监测功能。分布式变电设备综合在线监测系统结构如图2所示。

图1 变电设备在线监测系统组成原理图

图2 一种分布式变电设备综合在线监测系统结构

2 智能化变电站对变电设备在线监测系统的要求

根据国网公司发布的《智能变电站技术导则》、《330～750 kV智能变电站设计技术规定》和《智能高压一次设备技术导则》等规范性文件要求,智能变电站的自动化系统必须遵循IEC61850规约,实现通信的网络化,信息的数字化。目前传统的变电设备在线监测系统已经实现了信息数字化的要求,但是各厂家生产的在线监测系统的通信网络还处在相对独立的状态,各自使用自己的网络体系,还是以传统的串行通信总线为主。因此,智能变电站变电设备在线监测系统在通信协议上必须遵循IEC61850规约。

同时,智能化变电站还要求在线监测系统能够整合预试信息、缺陷信息、家族信息等相关的设备状态信息,并对设备进行综合的状态分析和评估,实现状态可视化要求,使系统按照不同的设备状态采取相应的应对措施,最终实现变电站的智能化。

3 智能变电站变电设备在线监测系统设计探讨

依据智能变电站的相关要求以及状态检修的需要,结合在线监测技术的发展现状,对智能变电站中在线监测系统的一些关键因素进行初步的探讨,并分析相应的合理性和适用性。

3.1 主要功能

智能变电站变电设备在线监测系统应利用各种传感器,由就地的监测功能组获取相应一次设备的原始监测数据,就地进行分析处理,得到可用的状态数据;然后通过网络将各种状态数据和分析结果汇集到站内统一后台做进一步的分析和存储,后台机能够准确地向上级状态检修平台提供可靠的基础状态信息,为状态检修提供基础数据。按照智能化的要求,在站内就应该完成相应的状态评价功能,而考虑到状态检修工作的开展现状,许多的评价工作实际上不可能完全由自动化完成,仍然需要专业人员的参与,因此,站内在线监测系统的主要职责还是应该定位在状态信息收集和初步的分析整合上。

3.2 网络配置

依据智能变电站变电设备在线监测系统数据的分区原则,在线监测数据应处于安全Ⅲ区,不应和Ⅰ、Ⅱ区发生关联,因此,在线监测系统应独立组网,即在物理上是独立的,应独立配置交换机和各层装置。鉴于在线监测系统的特点,实时性要求不高,具有非易失性存储功能等,系统的稳定性和数据完整性比较容易保障,因此,只配置单星形以太网即可,所有装置和网络均单套配置,不做任何冗余。

图3、图4是一种智能变电站变电设备在线监测系统的总体网络布置图和变压器监测功能组推荐结构示意图。

3.3 系统分层

变电设备在线监测系统按照智能变电站通用的分层原则,分为站控层、间隔层和过程层。在线监测系统网络分为站控层和过程层两层,分别用于连接间隔层与站控层及间隔层与过程层。

站控层设备主要是在线监测的站内后台机（子站）,负责收集站内所有的在线监测数据并进行标准化模型的转换以及统计分析功能和数据存储、预警等功能。另外还应向上一级（主站）及时上传相应的数据,并接收远程控制和维护命令等。

间隔层设备一般为现场监测功能组的主IED,负责某一类或一批设备的在线监测数据收集和整合、分析及就地存储等。并向上一级后台机按照MMS协议上传数据、接收上级发来的控制和配置命令等。

过程层设备是相应的监测单元或传感器,主要完成原始数据的采集和数字化功能,并提供一定的就地存储功能;通过串行总线协议或IEC61850规约向主IED上送数据;响应主IED下发的控制和配置命令等。

3.4 传感器配置

传感器是在线监测系统的数据源头,其准确性和安全性、稳定性对于整个在线监测系统至关重要,因此,对于智能变电站,应合理选择在线监测传感器,并采用合理的配置方式,以确保整个系统的准确性和可靠性。

目前,传感器分为内置传感器和外置传感器两类。传感器的配置主要考虑以下几个方面。

a.内置传感器宜由高压设备制造厂在制造时植入,高压设备的所有出厂试验应在安装内置传感器后进行,内置传感器与外部自检测单元的联络通道应符合高压设备的密封要求。

b.与高压设备内部绝缘介质相通的外置传感器,其密封性能、机械杂质含量等应符合或高于高压设备的相应要求。

c.应按照智能化导则的要求选取传感器的精度。根据设备的重要情况确定应选取哪些传感器。

3.5 IED布置

按照智能变电站的需求以及所配置的在线监测系统的特点,如测点数、被测设备分布情况以及被测量的复杂程度等,合理布置IED,一方面使在线监测系统整体结构清晰,另一方面确保最大限度节约成本。

一般来说,系统监测后台应布置于二次设备室,应同综合数据网接入设备布置于同一个屏柜内,以方便二者的网络连接;主IED应布置于现场相应设备或间隔的智能控制柜内,或根据在线监测功能组的规模,单独设立在线监测汇控柜;子IED（一般为现场监测单元）按照形式的不同可能布置于智能控制柜,也有可能布置于设备本体上,而且子IED距主IED的距离应保证尽可能近,以方便集中布置和网络连接。

3.6 通信协议和接口

系统站控层网络采用IEC61850规定的MMS协议,过程层根据装置的支持程度,可以采用MMS或MODBUS中的一种,如果采用MODBUS协议,则应使用统一的寄存器配置规范。

系统子IED与主IED之间通过报告服务形式进行数据交换,子IED应支持多种报告触发模式（品质变化、数据更新、周期、总召唤）和文件传输服务;传感器和主IED/子IED之间应通过MODBUS的03H、04H、06H、10H进行数据交互或直接通过A/D进行数据采集。

系统间隔层各主IED和站控层后台之间以报告服务的形式进行数据交换,主IED应支持多种报告触发模式（品质变化、数据更新、周期、总召唤）和文件传输服务。站内后台与远方主站之间通过WebService形式依据相应接入通信规约进行数据交换。

3.7 在线监测后台软件设计

软件应采用模块化和分层设计,以方便更新和扩展。各模块可以灵活配置,模块内功能具有高内聚性。不同层次间接口应简洁明了,兼容性和可扩展性强,确保某一层次的技术改造不会影响其它层次。软件应具有信息收集功能、远程通信功能、分析预警功能、管理维护功能、数据存储功能、远程维护功能、安全认证功能、信息展示功能、数据导出功能和运行监视功能等。