变电站电力设备绝缘综合在线监测系统的开发.pdf

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1、变电站电力设备绝缘综合在线监测系统的开发成永红,陈 玉,孟永鹏,阴 玮,郭 亮,任 欢,季霖烈,李沛准,周 彬(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,西安710049)摘 要:变电站大型电力设备的可靠性水平对于保证电网的安全运行和提高供电质量极为重要,当设备发生故障导致大面积停电时会造成巨大的经济损失和社会影响。使用分立的在线监测系统来实现整个变电站的多设备在线监测,则存在系统构建功能的冗余,故对变电站关键电力设备绝缘进行综合在线监测意义重大。为此,介绍了基于NI2PXI测控总线的电力设备电气绝缘在线监测系统并描述了站内网络管理及站间通讯方案,基于NI Measure2ment Stud

2、io/NI2DAQ&VISA软件驱动数据采集卡和示波器进行信号采集,用于实现中低频和高频/超高频绝缘特征信号的检测。研究结果表明,变电站电力设备电气绝缘综合监测方案的设计与研究为实现电力设备状态监测专网专建及电力设备的安全运行提供了可靠保障。关键词:变电站;电力设备;综合;在线监测;PXI总线;即插即用中图分类号:TM29文献标志码:A文章编号:100326520(2007)0820061205基金资助项目:国家科技攻关计划(2003BA901A18);国家自然科学基金(50677052)。Project Supported by Key Technologies R&D Programme(

3、2003BA901A18),National Natural Science Foundation of China(50677052).Development of the Integrated Online2monitoring System for the Insulationof Power Equipment in the Transformer SubstationCHENG Yong2hong,CHEN Yu,MENG Yong2peng,YIN Wei,GUO Liang,REN Huan,J I Lin2lie,LI Pei2zhun,ZHOU Bin(State Key L

4、aboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:The online2monitoring of a whole transformer substation using separated systems will face the redundancyof the constructional functions and the difficulties of realization,so the integrated onl

5、ine2monitoring system of thekey power equipment is very important.This paper introduced an online2motoring system of the insulation of thepower equipments based on the NI2PXI measurement and control bus.It used the NI Measurement Studio/NI2DAQ&VISA to realize the signal acquisition with data acquisi

6、tion cards and oscilloscopes.This system can measurethe characteristic signals of the insulation in the low and high/ultrahigh frequency.This paper also describes ascheme of network management in the substation and the communication between substations.The design and re2search of the integrated syst

7、em ensure the specialized construction of the specialized network for the monitoring ofcondition of the power equipment and the safe operation of the power equipment.Key words:transformer substation;power equipments;integration;online2monitoring;PXI bus;plug and play0 引 言电力设备检测正从定期预防性检测、故障后维修向状态检测、预

8、测性维修过渡。状态检测、预测性维修建立在对大型电力设备连续监测的基础上,维修时间间隔根据设备的历史维修状态和连续监测数据并分析其趋势而加以确定1,2。电力设备检测技术的发展经历了基于单片机的检测装置到基于DSP技术的检测装置、再到基于计算机技术的检测系统阶段,目前正朝着基于新型总线技术和网络技术的综合检测系统发展。一些新的检测技术如光纤技术、信号采集与处理技术、PXI测控总线技术等已迅速在电力设备的检测中得到应用2,3。单台电力设备绝缘在线监测的技术及产品已有大量的研究和应用4215,但是电力设备在线检测与诊断设备已不再局限于对单一对象、单一模型具体化研究,而是从单台设备、单项参数的检测与诊断

9、阶段向多设备、多参数综合检测与诊断的高度集成方向发展,并可在网络平台上实现变电站内电力设备的综合在线检测与诊断,从而为电力系统自动化提供更高的技术平台。PXI总线发展了适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范,形成了一种高性价比的虚拟仪器测试平台。因此,本文基于PXI总线开发了变电站电力设备电气绝缘的综合在线监测系统。1 电力设备及绝缘监测特征参量变电站分立的电力设备通常有:电力变压器、电16第33卷 第8期2007年 8月高 电 压 技 术High Voltage EngineeringVol.33 No.8Aug.2007表1 典型电力设备绝缘监测特征参量Tab.1Insu

10、lation monitoring characteristic parameters for power equipment电力设备监测参量电力变压器局部放电(脉冲电流法,超声法,超高频法),油中溶解气体分析,油中微水电力电缆电缆主绝缘电阻和电缆外护套绝缘电阻(直流叠加法),局部放电,tan,直流分量高压断路器机械特性,温度特性,绝缘泄漏电流(外绝缘泄漏电流和绝缘拉杆交流泄漏及介损)电力电容器(并联电容器和耦合电容器)tan和C,绝缘电阻,三相不平衡信号绝缘子/套管户外绝缘泄漏电流避雷器全电流(容性电流和阻性电流),避雷器动作次数气体绝缘组合电器(GIS)局部放电,气体压力,气体水分含量,避

11、雷器泄漏电流,导体温度,断路器动作次数电厂发电机局部放电(中性点射频法,各相耦合电容法,高频天线法),温度,绝缘劣化化学分析(微粒,过热烟雾,气体成分)力电缆、断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、电抗器及隔离刀闸等。目前,气体绝缘组合电器(GIS)得到了越来越广泛的应用,其绝缘监测多为监测盘式绝缘子支撑绝缘状态。另外,电厂的发电机作为一个重要的发电设备,其绝缘状态监测亦异常重要。因此,本文提出的监测方案也包含了电厂的发电机及其升压变电站一次系统和气体绝缘电站绝缘的综合在线监测,表1为变电站典型电力设备的常用绝缘监测特征参量,在变电站电力设备绝缘状态在线监测中的每一台电力设备及其部件需安装多

12、种监测装置来采集设备多个绝缘参量的状态信号,GIS、变压器等大型电力设备主要通过在线监测局部放电来判断其绝缘状态,此外,变压器还可以通过油气分析进行在线监测。电力电缆经常用作变电站动力引入(或引出)线,通常在线监测它的局部放电、介质损耗、绝缘电阻等绝缘参量。对于断路器、电压互感器、电流互感器等变电站内数量较多的电力设备,主要通过在线监测其交流电压下的泄漏电流及介质损耗来发现其绝缘缺陷。2 监测系统整体方案设计目前,国内外推出了大量针对单一设备的在线监测装置。为了开发集成监测系统,本文对各电力设备的待监测信号进行了分类。图1为变电站电力设备电气绝缘综合在线监测系统示意图,对变压器、GIS和电力电

13、缆等电力设备的局部放电等绝缘参量进行在线监测时,需要较高的采样率来采集绝缘状态信号,因此这些设备可采用高速数据采集卡PXI25112和高速示波器TDS2014采集模拟信号。高频信号通过电缆传输给信号调理单元,设备与信号调理板卡一一对应,最后由PXI测控单元的PXI26508数字IO卡配合软件实现板卡类型识别及循检设备的切换,进而实现检测设备的即插即用。通过对电图1 综合在线监测系统示意图Fig.1Schematic of integrated online2monitoring system缆绝缘电阻以及其他电力设备泄漏电流值的在线监测,由于对传感器耦合的直流信号、交流工频信号或非电量信号的采

14、集不需要较高采样率,故这些设备可采用嵌入式前置智能节点采集。嵌入式智能单元在现场就地进行A/D转换并进行数据处理,最后通过RS2485总线接入PXI测控机箱中的PXI28440多串口卡,并通过串行通讯实现数据上传。变电站电力设备在线监测可以采用分级集成的方式,根据变电站中的实际情况,可将需要在线监测的电力设备按区域划分为多个单元(一般将一条出线上的所有电力设备分为一个单元),每个单元的电力设备可以通过一个PXI前置机系统,将进行绝缘状态监测的各个硬件系统集成起来。PXI的内嵌控制器由于带有以太网网卡接口,可以借助于交换机将所有PXI系统组成以太局域网,构成变电站内针对多个电力设备的多种绝缘参量

15、的综合在线监测系统网络,完成在线监测系统环境集成中的网络集成。整个变电站电力设备在线监测系统网络主要由基于PXI总线的前置机系统、综合监测主控机系统、数据库服务器系统3部分组成(见图2)。26Aug.2007HighVoltageEngineeringVol.33 No.82.1PXI总线前置机系统的构成和任务规划PXI前置机系统主要由PXI机箱、安装在PXI机箱插槽上的各种PXI接口模块以及通过PXI模块连接到PXI机箱上的硬件采集模块组成。每个PXI系统通过采集、计算得到电力设备绝缘参量的特征值后将这些数据存储到数据库,然后发送消息通知监控站系统获取最新的绝缘状态数据以此保证监控站系统中绝

16、缘数据的有效性和及时性。通过在PXI机箱插槽上安装相应的PXI接口模块,可很容易的将各硬件系统集成到PXI总线上。由于绝缘状态的模拟信号在长距离传输中容易受到干扰和衰减,故PXI系统放在现场以便就近监测对象。2.2 综合监测主控机系统的构成和任务规划综合监测主控机系统由工业控制计算机、GPS卫星时钟、交换机等其它辅助设备组成,主要对所有实施监测的电力设备绝缘状态参量的特征值进行实时展示和历史查询,并绘制相应的图形数据。监控站系统在获知PXI系统绝缘状态数据更新的消息后,通过查询数据库获取PXI系统更新的绝缘状态数据并和报警阈值进行比较来判断设备绝缘状态。如果某项参量数据高于报警阈值,监控站系统

17、将报警信提醒工作人员注意。监控站系统也可查询任意时间段内某个电力设备的某项绝缘参量的历史数据,并绘制趋势图形来展示该绝缘参数的发展趋势。此外监控站系统还可通过网络通信改变PXI系统信号采集的控制方式以及在局域网内进行GPS系统对时操作。2.3 数据库服务器系统的任务规划数据库服务器主要为整个在线监测系统中的各种数据提供数据存储和检索服务。数据库系统中存储的大量历史数据是评估和预测电力设备绝缘状况的根据,保证其正常、稳定非常重要,故数据库通过配备备份数据库服务器进行双机备份以防止主数据库服务器出现意外情况而带来损失。3 监测系统硬件构成前置机系统包括PXI总线前置单元和各设备的智能监测节点部分,

18、在变电站现场就近安放(见图3、4)。主控机处于变电站的集控室内,主要管理和查询前置机监测得到的数据并具有报警和打印等功能。若该主控机需要管理多台前置机时需接入交换机来实现以太网联网通讯。监测系统不应该脱离监测的设备且应在时间上与综自系统时钟同步,将监测数据与系统操作关联考虑进行分析,故需要接入GPS卫星时钟。还需在系统中设计常规的电源隔离变压器和UPS不间断供电电源,主控机见图5。图2 综合在线监测系统网络构成示意图Fig.2Schematic of integrated online2monitoringsystem network图3PXI总线前置单元Fig.3Fore unit base

19、don PXI bus图4 主控单元Fig.4Master control unit4 监测系统软件开发在基于PXI总线的变电站多设备多参量在线监测系统硬件集成框架下,以即插即用为主导思想实现了每种设备每个参数测量模块的软件集成技术。根据不同功能将监测软件系统划分为PXI前置机系统、主控机系统、数据库系统3部分,确定了软件系统在集成过程中应遵循结构化、扩展性、面向对象和操作简单的原则;分析抽象出电力设备对象模型和监测子系统对象模型并用XML格式来存储监测子系统的加载信息,实现了监测子系统的动态加载;采用基于树视图的监测子系统管理器的设计362007年8月高 电 压 技 术第33卷第8期图5 主

20、控机监测软件主界面Fig.5Main interface of the main controllermonitoring software中,使用MVC设计模式,通过配置或修改监测子系统的节点信息,完成监测子系统的即插即用功能;研究并解决了连续监测中的控制冲突问题,实现了对多个电力设备的多个特征参量的连续在线监测;设计出基于UDP的双机通信协议,实现了由一台监控站系统通过通信方式来管理多台PXI子系统,解决了系统集成中多机通信问题。最终在以PXI总线技术和以太网技术的硬件集成和网络集成的基础上,用NI Measurement Studio和NET软件开发平台实现了软件系统的环境集成,图6为前

21、置机软件主界面。根据集成系统即插即用的总体设计思想,采用图元方式设计开发了监控软件的主控制界面(见图7),协调了主控机和前置机采集管理和控制问题,实现了主控模块的即插即用;根据集成系统数据的访问频率和所占用的空间大小,将数据库分为静态系统信息库、动态实时数据库、历史数据库以及系统配置库,通过分析系统的数据模型设计出数据库集成的基本方案并用模板技术实现了数据库的访问框架,满足了频繁的实时数据信息交互的高实时性要求,完成了数据查询和报表制作功能;统一了各参量采集的控制界面和采集、分析数据的显示界面,保证了集成软件的风格统一;完成了数据分析各子模块的标准化、通用化定义和数据分析子模块的软件开发,集成

22、系统可以共享局部放电统计参量的指纹分析软件、超高频局部放电的单次波形分析软件、介损角正切计算软件、数字滤波软件、数据统计与历史查询软件等;针对大数据量管理和查询的问题开发了专门的历史数据查询、分析模块,使其具有良好的交图6 前置机软件主界面Fig.6Main interface of the fore unit softw are图7 主控机监测软件二级界面 变压器射频局部放电监测界面Fig.7Second2class interface of the master control unitsoftw are2transformer RF partial discharge monitorin

23、g互性并提供多种趋势分析方法。图7为主控机监测软件二级界面 变压器射频局部放电监测界面。5 结 论a)该系统分为包含智能监测节点的PXI总线监测前置机和综合监测主控机两大部分,也可扩展为一台监测主控机管理数个PXI前置机的网络结构。综合监测软件系统遵循结构化、扩展性、面向对象和操作简单的原则。根据不同功能可划分为PXI前置监测软件系统、综合监测主控监测软件系统、数据库系统软件3部分。b)设备的智能监测节点通过RS2485实现串行总线通讯,基于PXI的测控单元部分通过设备一一对应的信号调理卡配合软件实现了设备的即插即用。c)基于NI Measurement Studio和NET软件开发的监测软件

24、提取出各个在线监测系统软件所涉及的硬件控制驱动、数学分析和数据库存储模块。在硬件控制驱动模块中,将监测系统的数字采集卡、46Aug.2007HighVoltageEngineeringVol.33 No.8数字IO卡和串口的操作采用面向对象的思想进行封装。数学分析模块对进行原始信号滤波的FIR滤波器进行封装。d)监测系统采用定时巡检和手动检测相结合的方式,实现了对多个电力设备的多个绝缘参量的在线监测,并且解决了连续监测中的控制冲突问题。设计出基于UDP的双机通信协议,实现了由一台监控站系统通过通信方式来管理多台PXI子系统,解决了系统集成中多机通信问题。e)基于PXI总线开发的监测系统是一个变

25、电站各电力设备多参量监测的大集成,在电力系统设备安全监测领域的应用前景良好。参考文献1成永红.电力设备绝缘检测与诊断 M.北京:中国电力出版社,2001.2成永红.电力设备测量-传感与测控技术M.北京:中国电力出版社,2003.3成永红.传感与测控技术在电力设备测量中的应用 M.北京:中国电力出版社,2006.4成永红,陈 玉,张少锋,等.变电站电力设备外绝缘泄漏电流在线监测系统:中国,ZL 200310118941.7 P.2003210211.5成永红,陈 玉,谢小军,等.气体绝缘变电站高频宽带局部放电在线监测方法:中国,ZL 200310118942.1 P.2003210211.6成永

26、红,陈小林,张少锋,等.电容型电力设备介质损耗在线监测方法及装置:中国,ZL200410026133.2P.2004210202.7成永红,陈小林,张少锋,等.电力电缆局部放电在线监测方法及装置:中国,ZL200410026134.7 P.2004210202.8成永红,张少锋,石 山,等.高精密交流泄漏电流在线监测传感器:中国,ZL 200410025979.4 P.2004210202.9成永红,赵 勇,陈小林,等.交联聚乙烯电力电缆外护套绝缘在线检测装置:中国,ZL 200410025980.7P.2004210202.10 Cheng Yonghong,Chen Yu,Liu Tong

27、,et al.Study of on2linemonitoring method of partial discharge for power transformersbased on RFCT and microstrip antenna C.Electrical Insula2tion Conference and Electrical Manufacturing Conference.Indi2anapolis,USA,2005.11 Chen Yu,Xie Xiaojun,Liu Tong,et al.Development and ap2plication of a novel pa

28、rtial discharge on2line monitoring systemfor GIS C.Electrical Insulation Conference and ElectricalManufacturing Conference.Indianapolis,USA,2005.12 Chen Yu,Xu Xiaowei,Liu Tong,et al.A novel on2line moni2toring technique of partial discharge in oil2immersed powertransformersC.14th International Sympo

29、sium on High Volt2age Engineering.Beijing,2005.13陈 玉,屈 博,张少锋,等.基于虚拟仪器技术的变电站外绝缘泄漏电流在线监测系统J.中国电力,2003,36(3):37240.CHEN Yu,QU Bo,ZHANG Shao2feng,et al.On2line moni2toring system for leakage current of exterior insulation in pow2er substation based on technology of virtual instrument J.China Power,2003,

30、36(3):37240.14李 博,陈小林,成永红,等.基于多层分布式结构的电力设备远程监测系统J.高电压技术,2006,32(1):78280.LI Bo,CHEN Xiao2lin,CHENG Yong2hong,et al.Remotemonitoring system of power equipment based on Multi2layerdistributed architectureJ.High Voltage Engineering,2006,32(1):78280.15赵 勇,吕一航,成永红,等.基于嵌入式系统断路器综合在线监测平台的设计J.高压电器,2005,41(3)

31、:1992201.ZHAO Yong,LU Yi2hang,CHENG Yong2hong,et al.Re2search on the online monitoring system of circuit breakdownbased on embedded system J.High Voltage Apparatus,2005,41(3):1992201.成永红Ph.D.CHENG Yong2hong成永红 1965,男,博士,教授,从事电力设备绝缘在线监测与诊断技术及极端条件下电介质破坏机理 等 研 究。电 话:(029)82665178;E2mail:cyh 陈 玉 1977,男,

32、博士生,从事电力设备绝缘在线监测与诊断技术及极端条件下电介质破坏机理研究。电 话:(029)82665955;E2mail:chenyu 收稿日期 2007206218 编辑 任 明“云南电网雷电参数研究与雷电参数分析系统开发”项目交流会圆满完成2007年7月31日,国网武汉高压研究院雷电监测与防护技术研究所与云南电力试验研究院在武汉就云南电网雷电参数研究与雷电参数分析系统开发项目进行了交流。云南电力试验研究院专家,雷电监测与防护技术研究所专家和课题组成员参加了会议。双方就项目内容、技术关键与难点、注意事项、界面、管理、时间安排等各个方面进行了详细的讨论和充分的沟通,形成了一致意见。双方表示,在此前的多次项目合作中两方一直都合作愉快,将继续保持这种信任、友好的关系,进行技术交流,共促技术进步。(国网武汉高压研究院 雷电监测与防护技术研究所 供稿)562007年8月高 电 压 技 术第33卷第8期