220kV 变变电设备在线状态监测与故障诊断系统技术协议

1、福建和盛高科技产业有限公司 220kV碧里变SPM-2型变电站在线监测诊断系统技术协议 220kV碧里变SPM-2型变电设备在线监测与故障诊断系统 技 术 协 议 书（正本）福建省福州电业局福建和盛高科技产业有限公司2010年4月第 19 页 共 19 页需方：福州电业局供方：福建和盛高科技产业有限公司供方向需方提供220kV碧里变SPM-2型变电站电气设备在线监测及故障诊断系统（以下简称SPM-2型在线监测系统），具体技术协议内容如下：1 系统概述根据福州电业局提供的220kV碧里变电站现场设备具体情况及要求，供需双方进行了仔细的分析和协商，决定选用SPM-2型变电站电气设备在线监测及故障诊

2、断系统。SPM-2型变电站电气设备在线监测系统是一套针对110kV及以上电压等级的电气设备，实施绝缘状态在线监测及诊断的完整系统，适应于监测运行中电力变压器、互感器、耦合电容器、避雷器等高压电气设备的运行状况。该产品采用分层分布式结构，只需在被监测设备上安装智能化的现场监测单元，即可实现多路信号的同步高速采集和信号就地处理，并通过现场总线把监测数据传送到站端主机。监测数据采用WEB方式发布。用户（PC，用户端的计算机）利用局域网可随时获取监测数据和诊断结果。本方案系统由就地监测单元、通讯和控制单元及主站组成，系统结构图见图1。图1 SPM-2型在线监测系统结构图图2 SPM-2型在线监测系统分

3、层分布式结构示意图SPM-2型在线状态监测系统按分层分布式系统设计，积木式结构，具有灵活的可扩充性。其基本框架按三层体系结构设计：1.1就地监测单元1.1.1在现场每组设备处安装，安装在各设备的支架上,实现设备绝缘参数的就地监测。1.1.2现场各组设备的监测单元利用CAN/485工业现场总线联网，向站端主机传送已数字化的测量参数。1.2中央控制主机完成对全站现场监测单元的同步测量控制、通信管理、数据收集、数据处理；数据的查询显示；并将有关数据上传主机系统，承上启下，将变电站现场和主机后台软件联系起来。1.3监测诊断系统收集高压设备的状态信息和在线状态监测数据图形等，利用智能技术对运行设备情况进

4、行综合判断，为状态检修提供有力的决策支持。2 SPM-2型系统关键技术2.1采用分层分布式系统结构各监测单元按照变电站高压设备的分布而就地安装、布置，各监测单元之间通过CAN/485现场工业总线与站端主机进行通信。该结构采用现场总线技术，就地测量、数字传输，可彻底杜绝被测信号（微安、毫安级模拟小电流信号）的长距离传输问题以及地电位的冲击问题，保证数据的准确传输。数字工业总线的应用实现了全站所有设备绝缘参数的同时采集和测量，既保证了绝缘参数（介损、阻性电流）计算的准确性，又可以保证介损相对值不受PT角差变化的影响。克服了传统的集中式系统只能轮流采集，不能保证测量同时性及介损相对值准确性的弊端。此

5、外，采用这种网络结构、分散布置的方式，简化了现场接线，施工简单，智能监测单元分布安装于各设备支架上，与设备联接电缆短。2.2信号取样技术信号取样及测量是绝缘在线监测系统的关键技术，它将直接影响到使用的安全性和监测的有效性。为避免信号取样方式对被测电气设备的安全运行造成影响，通常采用穿心结构的电流传感器。无源电流传感器（简称小CT）具有结构简单、工作可靠等优点，早期曾被广泛应用，但由于被测电流信号通常为毫安级，且又必须采用穿心结构，检测精度难以满足介损测量的要求。采用硬件补偿或软件修正的方式，虽然可以调整传感器的误差，但却无法保证这种相对精度的稳定性，现场应用时将会明显受到环境温度变化的影响。采

6、用有源零磁通设计技术是提高小电流传感器检测精度的唯一途径。SPM2监测系统采用先进的自动补偿式电流传感器，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁芯外，还采用了独特的深度负反馈补偿技术，能够对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。长期使用经验表明，这种穿芯结构（穿芯孔径为25mm）的电流传感器在检测100A1000mA的工频电流信号时，相位变换误差均不大于±0.01°（相当于tg误差为0.02%以内），并且基本不受环境温度及电磁干扰的影响，可以从根本上解决对电容型设备末屏电流信号的精确取样问题。2.3介损的测量要实现电容型设备介质损耗参数的

7、在线监测，关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差。SPM-2系统采用全数字化的快速傅里叶变换方法（DFT）来求取信号相差，该方法的最大优点是不需使用复杂的模拟处理电路，长期工作的稳定性可得到保证，且能有效抑制谐波干扰的影响。SPM-2监测系统采用高精度（16Bit）并行采样技术，具备完善的程控增益及相位自校功能，测量基波信号的相位精度高达±0.002o以上，完全满足电容型设备介损测量的要求。电容型设备的介损测量通常需要选用母线电压作为相位测量的基准。传统的处理方式是把母线PT的二次侧电压信号直接提供给检测系统，其主要缺点是现场布线复杂，基准电压信号在长距离的传送过程

8、中易受电磁场干扰的影响，有可能导致介损测量结果失真，且取样的安全性也难以保证。借助于先进的现场总线控制技术和高精度的相位测量技术，SPM-2监测系统采用一种新颖的相位比较测量方式，较好地解决了基准电压信号的取样问题，可准确求取两个被测电流信号基波分量的相位差。图3：电容型设备介损及电容量参数监测原理具体测量原理如上图所示：母线PT的二次电压信号Un经过电阻R变换为电流信号In，由安装在PT下方的现场测量单元LC1进行检测，电容型设备Cx的末屏电流信号Ix则由现场测量单元LC2检测。在站端主机SC的控制下，两个现场测量单元LC1及LC2的信号采集系统同时启动，对传感器输出的模拟电压信号同步进行采

9、样及FFT变换处理，得到输入信号Un及Ux相对于220Vac工作电源Us的基波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。站端主机SC只需通过现场通讯总线读取LC1、LC2对应的相位测量结果，即可计算出电容型设备末屏电流信号Ix相对于母线电压Un的相位差Ph，从而获得其介质损耗Tan和电容量Cx等绝缘参数。2.4系统安全性采用在线状态监测系统的首要前提是该系统不能危及到主设备的安全运行，利用一匝穿芯式的传感器通过磁耦合的方式来采集信号，整个系统与高压设备没有直接的电气联接，这样可以确保对主设备的运行不会产生任何的影响。同时，系统的一系列过电压扰动对监测系统的安全运行也不会产生任何不利的影响。2.5诊断

10、技术SPM-2监测系统提供一套较为新颖的数据诊断功能，可根据国标变压器油中溶解气体分析和判断导则，采用基于油色谱的油中溶解气体分析方法对变压器故障先进行粗分，再逐层深入细化的策略。为提高数据分析的正确性，系统能够初步判断出故障的大致类型（过热、放电），并进一步结合气体的相关比值及变压器运行工况对故障性质、故障严重程度及故障点大致位置进行综合诊断。系统可根据绝缘参数特征值的相对变化量，结合设备运行工况的影响，特别温度、湿度的影响，采用设备三相之间、同工况之间设备监测数据趋势或折算到统一标准工况进行比较、分析诊断，筛选出绝缘异常的电气设备，自动生成包括绝缘参数变化趋势图在内的相关信息报告，供管理人

11、员作出分析和判断。此外，监测系统的上层软件还为设计专家系统的人员提供了访问数据库和显示结果（包括特征量、曲线、表格等）的工具，专业人员可利用这些接口开发出更为完善的诊断模块。与传统的绝对值判断法相比，采用相对值比较判断法能够明显削弱外部因素的影响，提高绝缘状态诊断结果的可信度，并且遵循DL/T596-1996电力设备预防性试验规程中提出的“试验结果应与该设备历次试验结果相比较，与同类设备试验结果相比较，参照相关的试验结果，根据变化规律和趋势，进行全面分析后做出判断”，例如：2.5.1对于同母线、同相别、同类型的两个电容型设备，母线PT的误差对介损及电容量监测数据的影响程度相同，其介损差值或电容

12、量比值基本与PT角差或比差的变化无关。2.5.2对于结构相同的两个电气设备，外部环境因素对监测数据的影响程度相似，其介损差值或电容量比值与环境温湿度的变化基本无关。2.5.3对于同一组电气设备，变电站运行方式的变化对三相监测数据的影响程度基本一致，其监测结果具有较为相似的变化趋势。2.6有源零磁通传感器采用有源零磁通设计技术是提高小电流传感器检测精度的唯一途径。SPM2监测系统采用先进的自动补偿式电流传感器，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁芯外，还采用了独特的深度负反馈补偿技术，能够对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。长期使用经验表明，这种穿芯结构

13、（穿芯孔径为25mm）的电流传感器在检测100A1000mA的工频电流信号时，相位变换误差均不大于±0.01°（相当于tg误差为0.02%以内），并且基本不受环境温度及电磁干扰的影响，从根本上解决了对电容型设备末屏电流信号的精确取样问题。2.7相对比较法要实现电容型设备介质损耗参数的在线监测，关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差。SPM-2采用全数字化的快速傅里叶变换方法（DFT）来求取信号相差，该方法的最大优点是不需使用复杂的模拟处理电路，长期工作的稳定性可得到保证，且能有效抑制谐波干扰的影响。3 在线监测软件站端主机中装有SPM-2型在线监测系统软件

14、，它是SPM-2型系统的“大脑”中枢。SPM-2型在线监测系统收集高压设备的状态参数信息，建立数据仓库，对信息进行加工和处理，应用智能技术对设备的潜伏性故障进行推理、诊断和决策，供管理人员使用。SPM-2型在线监测系统对信息采用分布式管理方式，通过局域网，多个用户终端可同时察看监测数据和诊断结果。3.1 分析软件主要功能分析软件的主要功能是对设备进行故障诊断分析处理,可根据上传的数据和设定的逻辑判断关系，分析出设备的运行状况，进行必要的处理，处理的结果写入实时数据库，同时通知客户端界面刷新分析结果。同时，诊断过程可以在操作系统中自动执行，并且不影响系统完成其功能。3.1.1 变压器数据分析诊断

15、变压器数据分析诊断处理软件必须能够接收前端通信软件发送的数据，并进行分析处理，对设备的运行与故障状况进行智能诊断，监测缺陷发展情况，揭示故障现象的本质，并提供措施建议。系统应采用分层诊断的模式及逐层深入细化的策略，实现较细致、准确的故障诊断。具体包括：对监测数据可以进行二级限值处理，一级为注意限值，一级为报警限值。使用变压器三比值判据，根据三比值法则，计算并显示变压器的三比值数据。使用多种油色谱诊断方式，判断有效率可达到96以上。使用自动智能诊断与人工干预诊断相验证的诊断方法，能对变压器故障大致位置做出定位。变压器的电容型套管末屏引出装置具有放电间隙保护、电子过压保护等多重保护措施，能将套管末

16、屏信号可靠地引入到监测装置中。对变压器油色谱的分析诊断，系统主要依据国标变压器油中溶解气体分析和判断导则，采用分层诊断、逐层深入及细化的策略，实现较细致、较准确的故障诊断，并具有一定的故障定位作用。具体的诊断步骤为：首先使用多种方法对变压器油中溶解气体数据进行综合判断，如采用了比值法、人工神经网络法和援例推理方法，先由此初步判断出故障所属的大致类型(过热、放电)：若故障初判为过热，则进一步判断区分出故障是位于导磁回路或导电回路；若故障初判为属于放电类型，则区分出故障是否已涉及固体绝缘或不涉及固体绝缘；然后在此分类的基础上，再利用粗糙集的方法，找出其最有可能的故障部位和原因，并尽可能给出相似案例

17、。由于充分利用了多方面的信息，又结合大量故障案例所积累的经验及多种智能方法来进行综合诊断，因此使诊断效果有了较大的提高。根据我公司所收集的上千个变压器历史故障案例数据，将其录入到系统中进行诊断测试，诊断结果与实际故障相符的比例高达96%以上。3.2.2 容性设备数据分析诊断容性数据分析诊断处理软件能够接收前端通信软件发送的数据，并进行分析处理和诊断。系统采用分层诊断的模式及逐层深入细化的策略，实现细致、准确的故障诊断。具体包括：对监测数据可以进行二级限值处理，一级为注意限值，一级为报警限值。计算电容型设备的电容量变化率和相对介损对于容性设备的绝缘诊断分析，系统考虑了设备运行工况的影响，特别是温

18、度、湿度的影响，采用设备三相之间、同工况之间设备监测数据趋势以及折算到统一标准工况等多种方法进行比较、分析诊断。3.2 软件结构说明SPM-2型在线状态监测诊断系统采用了先进的Windows 2000操作系统平台，并使用了和Windows 2000操作系统紧密集成的商用数据库MS SQL Server 2000，以及 MS Office 2000 提供的支持。系统应用软件采用MS VC+、MS C#和Dephi编写。SPM-2型在线监测诊断系统采用了C/S和B/S两种模式结构，数据库和系统处理功能分布在各个软件模块中。系统的各功能模块以系统数据库为核心分布于一台或多台计算机上，通过网络通信实现

19、各功能模块间的数据共享和信息交换，构成不同功能的子系统。在线监测诊断系统的应用软件采用分层次的体系结构。整套软件是由不同的软件模块所组成。这些软件功能模块根据其实现的功能，划分为数据接入层、数据分析服务层、应用层三个层次。3.3 系统主要特点3.3.1系统配置灵活方便：可选用Intel等多种机型。配合应用软件功能模块的“即装即用”，系统规模可从单机到多机、单种机型到混合机型任意选择。系统配置方案可根据用户实际需求灵活改变，完全满足用户的不同需求。3.3.2 标准的数据库管理系统：系统采用先进的MS SQL Server for Windows 2000商用关系数据库管理系统，可获得最好的存取性

20、能和更高的安全保障。开放、标准的数据库结构方便用户的二次开发和其它应用系统的访问。3.3.3 完全的Client/Server体系结构：针对服务器端的数据处理和客户端的数据、图形应用分别进行优化，可获得良好的性能价格比。全部数据库，包括实时数据库均采用Client/Server体系结构，在优化系统的同时，彻底解决了数据一致性和系统互联问题。3.3.4 面向电网变电站设备的数据库结构设计：系统数据库采用面向电网对象和系统配置的数据模型。3.3.5 模块化/部件化软件结构：应用软件模块以数据库为核心，根据需要灵活分布在网络的各个节点上，可随时扩充新的软件模块，增加系统功能，实现软件模块的“即装即用

21、”。3.3.6 完备的网络互联方案：系统可提供WEB服务方式，数据通讯方式等两种方案实现网络互联。WEB服务方式，即采用ASP.Net技术等通过建立WEB服务器向网外发布实时信息、诊断信息，网外节点机利用IE等浏览器软件即可获得监测数据图。数据通讯方式是与使用实时数据方定义通信规约，可通过网络等方式传送实时信息、诊断信息。3.3.7 开放的互联特性：支持TCP/IP通信协议，应用层可采用IEC60870-103有关协议、或用户指定的应用协议。3.3.8 远程维护、远程诊断：可实现异地的系统维护、软件模块升级更新、故障排除等工作。4 变电设备在线监测装置4.1电容型设备监测单元电容型设备包括；电

22、流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器等。穿心式传感器：通过监测设备电容电流，电容量及变化值和介损4.2铁心监测单元监测变压器铁心正常和发生多点接地时的电容电流，以判断铁心是否存在接地故障，防止故障扩大、避免烧损铁心。4.3系统电压监测单元系统电压的监测主要是为绝缘参数的计算提供电压数据。4.4环境监测单元主要监测的是环境的温度和湿度。通过对高压设备现场运行环境的监测有助于对绝缘状况的综合判断，提高状态诊断的准确性。4.5避雷器监测单元避雷器监测的数据包括三相的泄漏电流、阻性电流和容性电流。以判断避雷器受潮，劣化等缺陷。4.6色谱监测单元4.6.1工作原理SPM-2型变压器油色谱在线监测系统，

23、集色谱分析、专家诊断系统、自动控制、通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现了对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握设备的运行状况。弥补了试验室色谱分析监测周期长的不足，为保证变压器安全经济运行和状态检修提供了技术支持。系统应用实验室经典动态顶空（吹扫-捕集）脱气技术和高灵敏度微桥式检测器，实现对变压器油中七种故障组分的检测，具有检测灵敏度高、分析周期短，和实验室数据一致的特点，是真正意义上的色谱在线，主机接到开机指令后，首先进行自检，然后启动环境、柱箱、脱气温控系统，启动油路系统。整机稳定后，停泵对存储在脱气装置内的油进行脱气。经过载气的反

24、复萃取，样品组分被浓缩在捕集器中，用载气迅速吹扫到色谱柱中进行分离检测。各组分的浓度被检测器检测，转换成与浓度成正比例的模拟信号，经模数转换，送入计算机，并通过数据总线将数据传输到色谱在线监测工作站，在工作站软件上对色谱数据进行计算分析，可自动生成浓度变化趋势图，并通过专家智能诊断系统进行故障诊断。同时主机进入休眠状态，等待下次的开机指令。分析使用后的油直接排入储油桶，不再回流到变压器。4.6.2 系统的主要特点1)全组分分析能对变压器油中六种故障组分（H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）全分析。2)分析灵敏度高系统采用基于最新的微结构技术开发的固态检测器，利用热导电桥式原理，把

25、热敏元件和电路压缩到一个独特的硅芯片上，使样品体积达到最小，因此可大大提高检测灵敏度，已达到或超过试验室气相色谱水平，分析数据与试验室可比性可满足国标GB/T17623对试验室的要求；3)分析周期短15分钟仪器开机，油路循环和待机30分钟后完成脱气、色谱分析全过程。其最短的检测周期为1小时。基本上实现了连续监测；4)使用动态顶空脱气技术（吹扫捕集）油中各组分随载气经反复多次萃取，被收集到捕集器中进行浓缩，然后被迅速吹扫到色谱柱中进行分析。特别适用于低浓度的组分分析，具有脱气效率高、稳定性好的特点。5)安装简便现场色谱仪，通过8铜管与变压器的进、出口阀连接即可工作，主变无须停电，基座做好后半天即

26、可安装、调试完毕。控制柜置于主控室，与现场色谱仪用电缆相连、其安装亦很方便。6)具有自标定功能仪器可内置标准气体，随时自动校正仪器准确性。7)全方位的状态监控可以通过通信网络随时了解系统的运行状态和各种工况条件，并可进行参数调整，实现系统的状态维护，从而大大地提高了系统安全可靠性。8)空调恒温系统选用性能优良的军工产品，大大降低了环境的影响，保证了分析的重复性、稳定性。9)工作站软件功能强大客户端监控工作站具有收集数据和对监测设备故障诊断的功能，操作简便，功能强大。方便查询：工作站能很方便的查询设备名、历史数据、当前数据等各项记录；趋势图：可以为数据绘制趋势图，直观的观察各组分及总烃的变化趋势

27、，并可对趋势图进行放大查看；注意值设定：可以为每个组分设定报警注意值； 故障诊断：可以通过国标推荐的三比值法等多种方法进行故障判断； 设定试验周期：当变压器有异常或故障时，可随时设定试验周期，增加检测次数，最少检测周期为1小时，基本实现了连续监测。状态查询：可以查询系统的运行状态和各种工况条件，从而实现了状态维护。5 安装质量控制5.1选派有责任心和安全意识，并熟练地掌握所承担的检修项目和质量标准的人员作为工作负责人。工作负责人正确、安全地组织作业，做好全过程的监护；5.2工作票应提前一天送达碧里变值班人员审核；5.3现场工作严格遵守电力安全工作规程，严禁违章指挥，违章作业，违反劳动纪律；若发

28、现设备有异常缺陷和疑难问题时，应立即向相关领导汇报；5.4系统主机柜按照需方规定地点落位，柜体外观整洁无损，固定可靠不摇晃，接地可靠，符合GB50169-92电气装置安装工程接地装置施工及验收规范。5.5现场装置安装和电缆敷设按照安装图纸要求安装到位，没有误装间隔；装置外观整洁无损，固定可靠不摇晃，电缆标识清晰；使用的安全工器具及电动工器具应符合安规要求；5.6系统安装、调试完毕，办理工作终结手续前，工作负责人应对全部工作现场进行周密的检查，确保无遗留问题。5.7 接地线、连接线所用的线鼻子应进行搪锡处理。5.8 安装所用的螺栓、平垫片、弹簧垫圈和螺母应经热镀锌处理或不锈钢材质。6设备配置清单序号型号规格单位数量备注一变电设备在线监测与故障诊断系统1前端数据采集软件SPM-2-COM套12变压器数据分析诊断处理软件SPM-2-DDT套13变压器油温分析诊断处理软件SPM-2-DDO套14容性数据分析诊断处理软件SPM-2-DDC套15WEB浏览软件SPM-2-WEB套16