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交流互感器一体化在线监测-泛在电力物联网建设实践【3】

发布时间:2020-01-03

泛在电力物联网实践之
              互感器一体化在线监测方案
1. 行业现状
1.1. 国家政策
(1) 国家电网政策
 1)2019.1.17日,国家电网提出建设“三型两网”建设目标,变电属于泛在电力物联网建设范畴,随后列出了泛在电力物联网建设大纲建设范围;
 2)2019.3.11日,国家电网设备管理部发文,要求开展变电专业新技术、新设备、新装备试点,变电站相关设备的在线监测明确列入了试点范围;
 3)2019.6月,国家电网设备管理部形成《输变电设备物联网建设方案》,一共18省市供电公司纳入输变电物联网建设试点范围,其中变电部分一共包含46座110kV、220kV变电站,核心主设备的在线监测纳入了试点建设省份的建设任务范围。

(2) 南方电网政策
1)2018年5月11日,南方电网正式印发的《智能技术在生产技术领域应用路线方案》,对新一代智能技术产业进行了全景式分析,规划了智能技术(包括云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等)在南方电网公司生产领域的智能装备、现场作业、状态监测、态势感知和智慧运行五个领域的应用前景。
2)2019年5月,出台《数字化转型和数字南网建设行动方案(2019年版)》,状态监测纳入数字南网建设范畴。

1.2. 行业痛点
油浸式交流互感器是变电站核心主设备,在各种电压等级的变电站有广泛的使用,电流互感器是电网控制回路的重要组成部分,扮演着测量和保护的重要角色。目前,很多地区一部分电流互感器由于内部放电或过热引起的油位、油压异常事故频发(如图-1所示),严重影响着电网的安全可靠运行。因此,为避免类似事故发生,急需开展电流互感器内部油的状态的监测,油位、油压、油温在线监测系统的开发,对电流互感器内部的油的状态进行实时准确监测,并对异常油位油压现象进行故障报警,保证电网的安全可靠运行。
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图-1 电流互感器内部油的膨胀造成爆炸故障

电流互感器油位油压在线监测系统所监测的状态量为电流互感器油位计内部波纹管的上表面位置,由于其位于高电位区域,为避免监测采集单元对高电位区域电场的影响,监测采集单元(包括无线发射器)应安装在油位计屏蔽罩内,同时考虑到监测系统在全国各地的实际运行环境,本次开发的电流互感器油位油压在线监测系统主要面临以下技术问题:
(1)油位计屏蔽罩内部空间有限,且内部波纹管为活动部件,需要在不改变原有屏蔽罩结构且不影响高电位区域电场的前提下,实现监测采集单元的布置安装和油位监测;
(2)由于监测采集单元安装于油位计屏蔽罩内,需采用无线通信,将内部监测的油位状态信息传输出来进行接收显示。屏蔽罩为铝制密封罩,表面只有一个有机玻璃材质的油位观察窗,需要保证无线通信的可靠性和准确性;
(3)油压在线监测取压口位于电流互感器的底部充油口,通过接入三通和内部油路实现导通,接入传感器实现压力的在线监测;
(4)由于中国区域分布广阔,夏季气温高,冬季又会出现极低温,且通常出现昼夜温差较大的现象。需要保证监测采集单元在高温、低温及大温差的条件下长期正常高效可靠运行。
综合考虑上述需解决的技术问题,提出了电流互感器内部充油状态的一体化在线监测系统设计方案。
2. 技术方案
2.1 总体技术方案
互感器油状态的一体化的在线监测主要是通过在互感器上安装不同的传感器,为了达到互感器油位和内部压力、温度的监测,且在不改变现有互感器结构的前提下,可针对互感器现有对外接口来开展油位和内部压力在线监测系统开发工作,通过油位油压组合的在线监测功能,能判定互感器的压力状态,实时预警互感器工作状态。
1)内部油位监测功能:在互感器的顶部防护罩内有一个波纹管,在罩子的顶部放置一个传感器,波纹管上方放置一个传感器的接收装置,通过测距得到实际的油位大小,判定油位是否在合理的范围内。
2)内部油压压力监测功能:由于互感器充油接口都与内部油腔相连,对充油口进行改造,增加传感器和数字电路,均可实现套管内部压力的监测。
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图-2 单机版互感器油状态一体化在线监测系统组成图
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图-3 网络版互感器油状态一体化在线监测系统组成图

系统特点:
   1)超宽温度环境适应范围,温度范围:-40℃~+80℃;
2)智能压力、油位及温度的补偿技术,自带补偿算法;
3)防护等级标准 IP65;
4)长期稳定性,高抗干扰性,IEC60529;
5)传感器直传或者中继连接本地或者云端软件系统,灵活配置;
6)整合现有各个监测装置发送上来的数据,进行统一编码和提供统一的模型参数服务; 
7)进行时间序列存盘,保存历史数据提供标准的历史数据服务; 
8)系统兼容IEC61850协议,实现高压设备故障诊断、在线数据集成和趋势分析等设备分析高级应用功能。
9)支持国网最新的《电力设备传感器微功率无线接入网通信协议(试行)》、《电力设备无线传感器网络节点组网协议(试行)》、《输变电设备物联网传感器数据规约(试行)》标准;
10)支持国网安全传输协议,支持安全接入;
2.2 系统组成及技术参数
互感器内部油一体化在线在线监测方案现场由4部分的设备组成,分别是:
1)油位监测触感器:安装在互感器罩内部,监测互感器油位的合理值范围,通过无线将采集到的数据发送到中继器中;
2)油压监测触感器:安装在互感器的底部,注油口处,通过三通将传感器、注油口导通,实现在线监测;
3)现场采集中继器:实现现场数据集中采集,集中上传,支持多种通讯方式,多种协议解析。
4)上位机监控系统:由安装在站房屏柜内的工控机,以及工控机上定制的通讯软件、管理软件组成,实现数据集中管理和挖掘。
2.2.1油位监测传感器

监测采集单元安装于原有电流互感器油位计屏蔽罩内(如图-4所示的互感器内部结构图),单元主要为测量传感器,即在不改变原有油位计结构的前提下,在罩子顶部放置传感器,通过监测触感器到波纹管的距离,便可实现油位的监测、采集及无线信息发送,测量原理如图-10所示。 

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图-4 互感器油位设备结构图

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 图-5互感器油位测量原理

2.2.2油压监测传感器
油压监测传感器是一个内置的温压一体无线或者有线的监测装置,该传感器通过测量孔直接和互感器油接触,获取互感器内部油的压力和温度,同时通过有线或者无线的方式出到现场的数据采集中继器中,实现集中和就地数据采集,产品的性能参数和实物照片见下图。                        
图-6 油压传感器实物图
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油位监测传感器的性能指标如表-1所示。
表1 互感器油压监测传感器性能指标
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2.2.3现场采集中继器

中继器的组成:指示灯、天线、电池、控制板、通讯板、RS232端口等几部分组成,大概的样子如下图,支持北斗卫星通讯、支持GPRS通讯、支持现场RS485通讯,实现数据采集的中继功能。



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图-7 中继器实物照片
中继器的主要性能指标
1)温度要求:-40度——+70度;
2)蓄电池要求:连续20天无日照供电;
3)防水、防尘、防风;
4)无网络的条件下,能够保存本地电塔6个月-1年的数据;
5)无线信号接收距离200米以上,能抵抗特高压电网的电磁干扰
6)和传感器是双向通讯,可以设置传感器的采集频率;
7)和云端是双向通讯,可以发送数据到云端,云端可以下载参数到中继器;
8)带有电源开关;
2.2.4上位机监控系统
中继器配置管理软件的主要是提供给现场安装服务人员使用的,当完成传感器和中继器的安装后,需要设置中继器的相关参数,由于中继器无按钮和屏幕,运维人员需要通过RS232的串口线接到中继器中,通过笔记本电脑上的配置管理软件实现对中继器的管理,配置软件包含的主要功能:
①服务器端配置:配置服务器的IP地址、端口、数据上传频率等;
②传感器的管理:传感器的注册、参数下载、数据的获取、数据的图形显示等;
③中继器的状态:剩余电量数据、中继器的经纬度等;
④中继器的日志:记录中继器和传感器、中继器和云端服务器的通讯日志等;

中继器支持两种使用模式,联网工作模式和单站工作模式,见图8所示。

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图-8 中继器工作模式

云端服务器将由数据库服务器、防火墙、应用服务器、接收服务器等组成,作为简化版本也可以将数据库、应用和接收放置在一个服务器中。
1)云端通讯管理软件(C/S)
通讯管理软件部署在电网专网中,主要负责和现场的中继器通讯,将支持GPRS、4G/5G通讯模式和北斗卫星通讯模式,两种通讯模式,
①和中继器端的通讯
②通额讯数据的数据库存储
③通讯日志的记录
2)云端在线监测管理软件(B/S)
云端在线监测管理软件是B/S模式,主要是供电塔的维护人员实时的感知站点内交流互感器的状态以及相关的操作。
①系统的配置管理
配置系统中所有的站点、传感器、中继器等相关信息(位置、参数、状态),设置采集的规则、报警的规则等;
②系统视图
通过地图、列表、清单等方式显示系统所有的站点、传感器、中继器等状态信息、数据参数信息、采集信息等;
③实时数据查看
实时查看系统每个采集点的数据,对于重点传感器实时监控;
④历史数据查看
通过图形、列表等方式查看传感器压力、温度、油位等数据的变化,预测传感器的相关性能;
⑤预警查看
对于参数变化大的采集点重点关注,查看趋势图,查看历史数据图等,对预警做出相应的处理。
3)手机端APP软件
手机端APP软件有安卓版和苹果版,可通过手机进行参数数据的读取、查看、处理。
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