总线式变电站绝缘在线监测系统的研究

1　概述

目前我国对高压设备的绝缘监督依据《电气设备预防性试验规程》定期进行试验和维护。由于预防性试验通常不考虑设备的运行状况，到期必修，有效性和灵敏度低，不能完全适应电网的安全、经济、稳定运行需求。据不完全统计，1985～1990年间全国有80%的变压器事故是在预防性试验合格的情况下发生的。因此，迫切需要维修方式从传统的以时间为基准转变到以状态为基准的状态检修方式。目前电气设备的状态维修(CBM)在电力系统中已愈来愈受到重视，电气设备绝缘在线监测技术作为实行状态维修的前提，已成为近年来国内外高压领域的研究热点[1～4]。实践表明，在线监测高压设备的绝缘参数，既可及时发现潜伏性故障、防止重大绝缘事故、提高供电可靠性，又可减少设备停电试验和维护的盲目性。 　

以往的绝缘在线监测系统多数采用集中处理方式，即通过屏蔽电缆将被测信号引入系统主机，然后由主机进行集中循环检测和数据处理。由于一次信号很小，经传感器耦合后被测参数受模拟量传输过程中引入的干扰影响很大，测量结果的有效性和稳定度不能保证。随着计算机技术和通信技术的快速发展，可采用总线式结构的绝缘在线监测系统，现场监测单元除了具备信号提取，还具备信号的预处理、数字化和处理功能，真正实现绝缘参数的分散式测量，本文将对此进行研究。

2　测量原理

2.1　变压器 　

理论分析表明，氢气是反映变压器故障的特征气体[5]。变压器在运行过程中所发生的许多绝缘故障，如：铁芯多点接地、局部短路、接触不良等过热型故障和放电型或受潮型故障，均有氢气产生，通过在线监测变压器油中溶解的氢气，便可有效地发现变压器的潜伏性故障;另外，通过对铁芯接地电流的在线监测可以发现变压器铁芯的多点接地故障。

2.2　电容型设备

对于变压器套管、电流互感器(CT)、电容式电压互感器(CVT)以及耦合电容器等电容型设备，通过测量介质损耗(tanδ)及电容量，可较为灵敏地发现设备的绝缘缺陷。实现电容型设备介质损耗参数在线检测的关键是如何准确获得并求取电流信号和电压信号基波的相位差。由于传统的过零比较法硬件电路复杂，抗干扰性能差，本文采用以快速傅里叶变换(FFT)为核心的纯数字方法，利用两个高精度电流传感器耦合被监测设备的电压和电流信号，然后由数字化测量系统对信号进行整周期采样(A/D)及快速傅立叶变换，以获得这两个信号的基波矢量及其相位差，从而计算出介质损耗值。该方法不需要复杂的模拟信号处理电路，且能有效地抑制谐波干扰。

2.3　避雷器

在运行状态下监测氧化锌避雷器(MOA)阻性电流分量的变化是判定阀片劣化或受潮程度的更为有效和灵敏的方法。对氧化锌避雷器阻性电流分量的监测，本文采用了与电容型设备类似的方法，通过对母线电压信号和MOA泄漏电流信号的FFT分析，可求得阻性电流的基波分量。

2.4　表面泄漏电流及环境温湿度的测量 　环境温湿度是影响绝缘参数的重要外部因素，通过对环境温度、湿度等常规气候参数的监测，结合设备瓷套表面泄漏电流的监测可以判断设备外部绝缘的污秽程度，有助于提高在线监测数据诊断结果的可靠性。

3　总线式监测系统

3.1　结构 　

图1为总线式绝缘在线监测系统的结构示意图。该系统由3部分组成：本地监测单元(LC)、变电站通信控制器(SC)和绝缘诊断系统(IDS)。

3.2　本地监测单元

所有的本地监测单元均由取样传感器模块、信号调理及A/D采样模块、嵌入式微机模块和RS485通信及电源管理模块构成，其结构示意图如图2所示。信号经传感器耦合后直接进行预处理和采集，数字信号的分析和处理以及通信功能均由本地监测单元在现场完成。

3.2.1信号传感器 　

传感器直接影响绝缘参数的测量精度，对电容型设备设计了补偿型零磁通电流传感器来提高小电流检测的精度。选用起始导磁率高、损耗小的坡莫合金作铁芯，并采用深度负反馈补偿技术对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿，使铁芯工作在接近理想的零磁通状态，同时对线圈进行了良好的双层屏蔽，从而有效地提高了传感器角差和比差的稳定性，并使传感器具有良好的温度特性。

3.2.2　嵌入式微机模块 　

嵌入式微机模块是本地监测单元的核心。采用新一代32位微处理，它包含个人计算机的绝大部分外设并增添了单片机的特征，能够完成复杂的数学运算非常适合于嵌入式系统。本系统以32位CPU为核心，设计了嵌入式微机系统，既适合于现场测量，又具备强大的数据处理及端口控制功能，使得信号的处理功能非常简单，从而使现场监测的就地化得以实现。 　

值得说明的是，传统的绝缘监测系统通过屏蔽电缆将被测信号引入系统主机，然后进行检测及数据处理。由于一次信号很小，经传感器耦合后，模拟量传输过程中引入的干扰对测量结果影响很大，这是造成在线监测系统测量分散性大的根本原因之一。本地监测单元中传感器的输出信号不需要远距离传输，采用就地采集和处理，极大地提高了系统的抗干扰能力和测量的稳定性。

3.3　变电站通信控制器 　

变电站通信控制器通过RS485总线控制LC工作状态和读取LC的监测数据，通过公用通信网络与绝缘诊断系统进行数据通信。 　RS485总线是一种通用的现场通信总线，它是一种双向、多点、数字化的通信模式，具有良好的抗干扰性能和远距离传输功能，能适合变电站范围的通信需求。图3为绝缘监测系统的通信网络结构示意图。

变电站通信控制器只需通过一对485通信总线(通常用双绞线)就可挂载所有本地测量单元。虽然LC均具有独立的采集、信号处理、测量功能，但它的测量又受到SC的控制。SC按照一定的时间和任务序列与LC通信，启动LC的数据采集系统，完成对绝缘参数同步测量的要求，读取各个LC的测量数据及状态信息。如果其中某台LC故障，SC可将它从网络中卸载，增加或减少1个本地测量单元均不会影响系统的工作状态。这样就可真正实现绝缘参数的分散式就地测量和整个系统的总线式通信。

3.4绝缘在线诊断系统(IDS) 　基于NT平台的绝缘在线诊断系统通过公用通信网自动获得变电站的监测数据，以SQLServer作为数据库服务器，分析各参数的变化趋势及其相关性，对各设备的运行和绝缘状况进行综合诊断，指导设备的运行和维护。

4现场运行结果 　

由于在线监测数据会受到如PT电压基准、环境、运行方式、电压波动等多种因素的影响，假定设备的绝缘状况是良好的，对于电容型设备的电容量和MOA的泄露电流等参数在线监测得到的数据是非常稳定的，而对于电容型设备的介损和MOA的阻性电流在线监测得到的数据会在一定范围内波动。 　

从如图4、图5所示的测量结果可见，电容型设备的介质损耗和避雷器的阻性电流等监测参数在每天都发生周期性变化。通过分析可知，数据的变化是由于环境温湿度变化的影响造成的，环境温湿度每天有周期性的波动(见图6)。监测参数与环境温湿度显示了很强的相关性，可以通过分析二者之间的相关性来分析设备的绝缘状况。另外，对于同类型的高压设备，由于被监测参数与环境温湿度的相关性是一致的，可根据这个原则对数据进行进一步的分析和处理。

环境湿度对监测数据的影响主要是通过瓷套表面的泄漏电流反映的(见图7)。例如，由于避雷器瓷套外表面的泄漏电流会进入到检测回路，当瓷套表面污秽且环境潮湿或淋雨时，瓷套表面流过的电流会导致阻性电流监测结果明显偏大;同样，瓷套表面电流也会对部分容性设备的介损监测结果造成一定的影响。 　

从以上的分析可知，监测系统测得的在线数据是真实可靠的，数据虽然有一定的波动，但有其内在的原因，并不是监测系统本身造成的。这也反映了在线监测数据的特点，说明有必要建立在线专家诊断系统，对在线监测数据进行综合分析，以判断运行中设备的绝缘状况。

5 结语 　

提出了基于嵌入式微机系统的RS485总线网络结构的绝缘在线监测系统。信号的提取、采集处理和分析计算都由现场微机单元独立完成，实现了绝缘监测的就地化。 　研究结果表明，由于对绝缘参数实现了就地测量，避免了小信号的远距离传输，解决了在线监测的数据分散性问题，使系统测量的稳定性和抗干扰能力明显提高。