牟龍華，石 林，許旭鋒，劉曉明

（同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

智能電網(wǎng)是當(dāng)前電力工業(yè)界的研究熱點之一。換流站作為高壓直流輸電系統(tǒng)中實現(xiàn)交流電和直流電相互變換的技術(shù)裝置，其智能化建設(shè)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分[1-3]。換流變壓器作為換流站中最重要的設(shè)備之一，其可靠性對整個直流輸電系統(tǒng)的正常運行起著至關(guān)重要的作用，變壓器一旦發(fā)生故障，對輸電系統(tǒng)的影響很大，且檢修強度大[4]。因此，換流變壓器的智能化有著重要的工程價值。

換流變壓器的智能化主要目的之一在于實現(xiàn)狀態(tài)信息的數(shù)字化采集和網(wǎng)絡(luò)化傳輸，并可參照IEC 61850建立統(tǒng)一的信息模型和通信平臺，進行實時監(jiān)測與故障分析，為變壓器的狀態(tài)檢修提供依據(jù)[5]。狀態(tài)的監(jiān)測與測量、保護等系統(tǒng)不同，特征量選取難度大，種類繁多，目前國內(nèi)外基于IEC 61850的在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)尚處于起步階段，要對智能換流變壓器直接進行設(shè)計和制造還存在很大難度，可行的方案是參照IEC 61850信息模型配置在線監(jiān)測IED對換流變壓器進行智能化改造[6，7]。

本文對換流變壓器在線監(jiān)測項目的配置策略進行研究，提出智能換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合最新發(fā)布的IEC 61850第2版設(shè)計智能換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的完整信息模型。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)配置策略分析

目前變壓器的在線監(jiān)測技術(shù)主要包括油中溶解氣體及微水、局部放電、套管絕緣、SF6氣體、鐵心接地電流、繞組變形、變壓器振動頻譜等狀態(tài)量的在線監(jiān)測[8]。本節(jié)將對換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)配置進行探討分析。鑒于換流變壓器已具有較高的智能化程度，繞組熱點溫度、油溫、油位等監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)在換流變壓器的生產(chǎn)制造中加以配置，故不再贅述。

1.1 油中溶解氣體及微水在線監(jiān)測

油中溶解氣體分析技術(shù)是發(fā)展最為成熟，工程運用較多的一項監(jiān)測技術(shù)，通過對換流變壓器油中氣體成分和含量分析，就可以得出相應(yīng)變壓器絕緣老化程度或故障類型。對變壓器油中微水的監(jiān)測可以防止變壓器絕緣強度的降低并對變壓器整體絕緣狀況進行評估。

綜上所述，變壓器油中溶解氣體及微水在線監(jiān)測模塊可以對變壓器整體狀態(tài)進行診斷和預(yù)測，能夠全面反映變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障，對變壓器運行的可靠性做出判斷同時進行壽命預(yù)測，對變壓器的檢修具有指導(dǎo)作用。所以應(yīng)為換流變壓器配置油中溶解氣體及微水在線監(jiān)測裝置。

1.2 局部放電在線監(jiān)測

局部放電能有效反映變壓器內(nèi)部的絕緣狀況，在線監(jiān)測變壓器內(nèi)部局部放電信號能及時反映其絕緣狀況和發(fā)展趨勢，是預(yù)防變壓器絕緣發(fā)生突發(fā)性事故的有效手段之一。但由于變壓器油中氣體在線監(jiān)測裝置具備監(jiān)測局部放電的能力，所以對于換流變壓器，局部放電監(jiān)測可以作為油中氣體在線監(jiān)測裝置的輔助，預(yù)留供日常檢測使用的超高頻傳感器及測試接口，以滿足運行中開展局部放電帶電檢測的需要；對于局部放電帶電檢測異常的，再根據(jù)需要配置局部放電在線監(jiān)測裝置進行連續(xù)或周期性跟蹤監(jiān)視。

1.3 套管絕緣在線監(jiān)測

據(jù)文獻[4]顯示，換流變壓器的套管是其故障率最高的部件，嚴重時還會引起起火甚至爆炸事故。我國目前采用的換流變壓器閥側(cè)套管主要是環(huán)氧樹脂澆注干式套管，而網(wǎng)側(cè)套管則主要采用油紙電容式套管。前者是通過SF6氣體絕緣，后者則通過變壓器油絕緣，所以換流變壓器套管絕緣監(jiān)測不僅包括介質(zhì)損耗、末屏等效電容和末屏泄露電流的監(jiān)測，閥側(cè)套管還應(yīng)包括SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測。

由于換流變壓器套管故障率較高，僅靠變壓器油中溶解氣體及微水在線監(jiān)測裝置尚無法實現(xiàn)對故障的快速識別和準確定位，所以應(yīng)為套管加裝在線監(jiān)測裝置。

1.4 鐵心接地電流在線監(jiān)測

變壓器鐵心接地電流可以通過傳感器感應(yīng)出信號經(jīng)放大后被及時監(jiān)測出來，當(dāng)電流值出現(xiàn)異常情況時，能夠及時采取調(diào)控措施進行處理，避免變壓器因鐵心多點接地造成鐵心局部短路過熱甚至局部燒損。目前換流變壓器發(fā)生鐵心多點接地故障的情況不多，但考慮到元件的關(guān)鍵性和可能引發(fā)的嚴重危害，應(yīng)為換流變壓器配置鐵心接地電流在線監(jiān)測裝置。

1.5 振動信號在線監(jiān)測

國內(nèi)外理論研究結(jié)果和實際運行經(jīng)驗表明，變壓器器身表面的振動與其繞組及鐵心的壓緊狀況、繞組的位移及變形密切相關(guān)[9]。根據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)布的《國網(wǎng)狀態(tài)檢修試驗規(guī)程及主設(shè)備評價檢修導(dǎo)則》及《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，基于振動信號分析的變壓器在線監(jiān)測方法能夠?qū)崟r采集、分析和處理變壓器油箱表面振動信號，分析、判斷繞組及鐵心的工作狀況，為變壓器狀態(tài)評估和狀態(tài)檢修提供重要依據(jù)。所以應(yīng)為換流變壓器配置振動信號在線監(jiān)測裝置。

1.6 繞組變形在線監(jiān)測

監(jiān)測繞組變形的方法包括低壓脈沖法和頻率響應(yīng)法，但這兩種方法目前普遍作為離線檢測手段。鑒于繞組變形的在線監(jiān)測方法實際運用尚不成熟，通過變壓器振動信號的監(jiān)測能夠?qū)@組和鐵心整體工作狀況進行分析和判斷，所以建議暫不配置繞組變形在線監(jiān)測，沿用繞組變形離線檢測手段。

綜上所述，換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)配置油中溶解氣體及微水在線監(jiān)測，套管絕緣、振動信號、鐵心接地電流在線監(jiān)測，同時預(yù)留供日常檢測使用的超高頻傳感器及測試接口，以滿足實際運行中開展局部放電帶電檢測的需要。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)外相繼研制了不同類型的在線監(jiān)測裝置，但多數(shù)監(jiān)測裝置的功能單一，僅能對單一參數(shù)進行監(jiān)測，難以滿足智能換流站對多功能、多參數(shù)的集中監(jiān)測要求。同時，各類在線監(jiān)測裝置的通信協(xié)議不兼容、通信接口不統(tǒng)一，無法進行設(shè)備間的互操作和數(shù)據(jù)共享，不能達到智能換流站對通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化的要求[10]。

IEC 61850是迄今為止最完善的變電站自動化系統(tǒng)通信標準，是一個開放的、可擴充的標準[11]。目前換流站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為運行人員控制層、控制層及現(xiàn)場層[1]，大致對應(yīng)于IEC 61850標準的變電站層、間隔層及過程層，雖然與IEC 61850標準并不完全吻合，同時IEC 61850標準還并未涉及直流輸電設(shè)備，但其建模的基本思想適用于換流站[12]，為解決上述在線監(jiān)測系統(tǒng)多參數(shù)集中監(jiān)測和信息共享等問題提供了有效途徑，所以換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以IEC 61850通信協(xié)議為基礎(chǔ)進行設(shè)計。

本文提出一種基于IEC 61850的智能換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of on-line monitoring system for converter transformer

在線監(jiān)測裝置需要通過傳感器采集換流變壓器的狀態(tài)信息，故將傳感器和換流變壓器共同分布在過程層。換流變壓器的智能化應(yīng)該先對常規(guī)設(shè)備進行數(shù)字化，即通過在線監(jiān)測IED提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)字接口，故為每個監(jiān)測項目設(shè)置一個子IED，根據(jù)IEC 61850功能自由分布和就近原則，同樣將各監(jiān)測子IED下放在過程層。由于換流變壓器監(jiān)測項目較多，不應(yīng)使所有在線監(jiān)測子IED都與換流站層監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，所以在間隔層設(shè)置換流變壓器在線監(jiān)測主IED，作為代理或網(wǎng)關(guān)，負責(zé)各監(jiān)測項目子IED監(jiān)測結(jié)果的綜合分析、數(shù)據(jù)過濾以及與換流站層的通信，實現(xiàn)多參量綜合監(jiān)測。

換流站層接收來自間隔層的數(shù)據(jù)并對其進行處理，記錄在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，并下發(fā)相應(yīng)指令給間隔層監(jiān)測主IED，同時將換流變壓器的檢修數(shù)據(jù)錄入生產(chǎn)管理系統(tǒng)并下發(fā)給換流變壓器監(jiān)測主IED進行狀態(tài)分析，并能通過在線監(jiān)測培訓(xùn)系統(tǒng)對站內(nèi)操作和檢修人員進行相關(guān)培訓(xùn)。各層設(shè)備可參照IEC 61850技術(shù)體系進行設(shè)計和開發(fā)，并采用IEC 61850進行網(wǎng)絡(luò)化通信，實現(xiàn)智能換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)據(jù)共享。

3 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)建模

基于IEC 61850標準對換流變壓器在線監(jiān)測IED進行建模，可以實現(xiàn)統(tǒng)一的接口標準和信息標準，是IEC 61850應(yīng)用的關(guān)鍵。要對換流變壓器在線監(jiān)測IED進行建模，首先要將IED抽象成邏輯設(shè)備（logical device，LD）；再根據(jù)功能把 LD分解為若干邏輯節(jié)點（logical node，LN），其中LN是IEC 61850中能實現(xiàn)某一具體功能的最小抽象單位。

3.1 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能模型

針對換流變壓器的特性，實際應(yīng)采用的監(jiān)測方法主要包括油中溶解氣體及微水、振動信號、鐵心接地電流、SF6氣體、油溫、繞組熱點溫度以及套管介損和電容值監(jiān)測等，局放監(jiān)測可預(yù)留接口。針對上述監(jiān)測量，依據(jù)IEC 61850第2版[13]，采用氣體介質(zhì)絕緣監(jiān)測（SIMG）、液體介質(zhì)絕緣監(jiān)測（SIML）、溫度監(jiān)測（STMP）、局放監(jiān)測（SPDC）、振動監(jiān)測（SVBR）、變壓器（YPTR）、套管（ZBSH）、溫度傳感器（TTMP）等邏輯節(jié)點及其數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)屬性，基本能夠反映換流變壓器的運行狀態(tài)。換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)邏輯節(jié)點模型如圖2所示。

由于換流變壓器也屬于電力變壓器，所以可用電力變壓器YPTR節(jié)點代替，同時監(jiān)測對象還包括套管ZBSH節(jié)點，其中ZBSH1節(jié)點代表網(wǎng)側(cè)套管，ZBSH2節(jié)點代表閥側(cè)套管。傳感器主要包括振動TVBR、電流TCTR、溫度TTMP、壓力TPRS以及濕度THUM等節(jié)點，用以將反映設(shè)備狀態(tài)的各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號。其中電流傳感器用以檢測鐵心接地電流，溫度、壓力，濕度傳感器主要用于閥側(cè)套管SF6氣體微水監(jiān)測。傳感器與設(shè)備邏輯節(jié)點共同部署在過程層。

圖2 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)邏輯節(jié)點模型Fig.2 Logical node model of on-line monitoring for converter transformer

監(jiān)測類邏輯節(jié)點包括液體介質(zhì)絕緣監(jiān)測SIML、局放監(jiān)測SPDC、振動監(jiān)測SVBR、鐵心接地電流監(jiān)測SCGA以及氣體介質(zhì)絕緣監(jiān)測SIMG等。其中鐵心接地電流監(jiān)測節(jié)點SCGA是根據(jù)IEC 61850的邏輯節(jié)點擴展規(guī)范擴展出的新的邏輯節(jié)點，確定的相關(guān)數(shù)據(jù)和服務(wù)如表1所示。

在現(xiàn)有的氣體介質(zhì)絕緣監(jiān)測SIMG邏輯節(jié)點中缺少微水（micro water）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以需要通過組合形成新的數(shù)據(jù)名稱，采用MV類型，對SIMG擴展新的可選數(shù)據(jù)對象MicroWtr，如表2所示。

表1 SCGA類數(shù)據(jù)和服務(wù)描述Tab.1 SCGA attribute and server list

表2 SIMG類部分數(shù)據(jù)和服務(wù)描述Tab.2 SIMG attribute and server list

遠方監(jiān)測接口ITMI、操作員接口IHMI以及存檔IARC等邏輯節(jié)點分布在換流站層。ITMI提供與網(wǎng)省監(jiān)測中心的監(jiān)測與維護接口，IHMI用于換流站層和間隔層的配置及控制，IARC用于長期歷史數(shù)據(jù)的存檔和查詢。

3.2 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備模型

換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備模型如圖3所示。監(jiān)測主IED通過建立LD0表示自身信息，LLN0表示LD0的信息，而LPHD則表示換流變壓器在線監(jiān)測主IED的物理設(shè)備信息。

由于YPTR和ZBSH節(jié)點在IEC 61850第2版中已經(jīng)包含了變壓器繞組熱點溫度、老化率、套管電容量、介損等監(jiān)測量，故不需要額外設(shè)置監(jiān)測類邏輯節(jié)點，可直接建立邏輯設(shè)備LD1、LD6、LD7，由LLN0，LPHD和相應(yīng)設(shè)備邏輯節(jié)點構(gòu)成。

換流變壓器其他在線監(jiān)測子IED包括液體介質(zhì)絕緣監(jiān)測子IED、局部放電監(jiān)測子IED、振動監(jiān)測子IED、鐵心接地電流監(jiān)測子IED以及氣體介質(zhì)絕緣監(jiān)測子IED等。其中局部放電監(jiān)測子IED可以選擇配置。各監(jiān)測子IED監(jiān)測量如圖2所示。對于上述監(jiān)測子IED，分別建立邏輯設(shè)備LD2、LD3、LD4、LD5和LD8，其中LD2表示液體絕緣介質(zhì)監(jiān)測子 IED，由 LLN0，LPHD，SIML 構(gòu)成；LD3表示局部放電監(jiān)測子IED，由 LLN0，LPHD，SPDC 構(gòu)成，其余邏輯設(shè)備結(jié)構(gòu)類似，故不再贅述。

同時，將邏輯設(shè)備LD1-LD8分別映射到換流變壓器在線監(jiān)測主IED中，使主IED能綜合分析各監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果，對換流變壓器的運行狀態(tài)進行綜合分析評價。主IED中邏輯設(shè)備存在與之對應(yīng)的IED，所以其LPHD代表與之對應(yīng)的IED，將其LPHD.Proxy.stVal屬性設(shè)置為TRUE。

圖3 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備模型Fig.3 Device model of on-line monitoring system for converter transformer

3.3 換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信服務(wù)

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要通信功能包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的告警、召喚及周期上傳等，它們可分別采用Report，GetBRCBValues，SetBRCBValues，GetURCBValues，SetURCBValues等服務(wù)實現(xiàn)。其中，模擬量采用非緩存報告控制塊（Unbuffered Report Control Block，URCB），告警等狀態(tài)量可采用緩存報告控制塊（Buffered Report Control Block，BRCB），如此即可保證數(shù)據(jù)不會因通信中斷或受到干擾甚至丟失。

由于換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)主要完成對變壓器運行狀態(tài)的監(jiān)測，實時性要求不高，制造報文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）完全能夠滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)中低速報文的性能要求，所以在線監(jiān)測主IED和子IED之間、主IED和站層監(jiān)控系統(tǒng)之間可采用MMS通信協(xié)議。

4 結(jié)語

本文結(jié)合IEC 61850對智能換流變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)進行總體結(jié)構(gòu)搭建，給出換流變壓器在線監(jiān)測IED的完整信息模型，新建了IEC 61850中沒有定義的鐵心接地電流監(jiān)測邏輯節(jié)點SCGA以及SIMG節(jié)點中沒有定義的微水監(jiān)測數(shù)據(jù)。對智能換流變壓器的改造或新建具有重要參考價值。

方案中在線監(jiān)測IED仍然采用功能獨立與分散布置，隨著技術(shù)發(fā)展，在線監(jiān)測IED功能的集成化以及與測控、保護等功能的一體化將逐步實現(xiàn)，并完成換流變壓器與智能組件的最終融合，實現(xiàn)換流變壓器的智能化。

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