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综合在线监测系统技术方案

时间:2021-03-09 16:58 点击次数:
 
1. 在线监测系统技术简介
泛在电力物联网,就是围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统,包含感知层、网络层、平台层、应用层四层结构。所谓电网状态全面感知就是利用各种监测传感器将电网的实时状态检测到并通过各种通讯网络传给国网的大平台上,从而实现电力物联。状态感知层中最重要的就是电力设备绝缘状态监测和电力设备温升监测。我公司研发生产的高压设备局部放电在线监测系统和无源无线测温系统成为了泛在物联网的重要组成部分,下面分别对这两个系统做一下详细的介绍:
A.局放在线监测
脉冲电流法是当前普遍认可且广泛使用的一种局部放电量测试方法,其结果是以pC为单位的视在放电量,属于定量性质的测量,能客观反映电气设备的绝缘状态。每一次局部放电现象都伴随着正负电荷的中和,表现为一个具有极陡上升沿的电流脉冲,脉冲电流法即通过测量该脉冲电流的大小来计算局部放电量的大小。此技术在实验室内应用很广,但是实际运行设备现场由于存在各种形式的电磁干扰,使得此技术在高压开关柜在线监测领域应用很少。
我公司经过长期研究开发出基于三相同步脉冲电流法的开关柜局部放电在线监测系统,此系统通过硬件电路很巧妙的实现了电网中各种高频干扰的滤除,同时在局放监测终端也采用了FFT算法进一步滤除高频干扰,使得整套系统成熟稳定的监测高压开关柜的绝缘状态。
B. 无源无线测温
温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程都与温度有关,许多设备的故障是由异常温升而造成。在用电紧张、负荷增长迅速的情况下,10kV~35kV开关柜往往由于制造或使用上的原因,造成触头的温度异常上升;在配网领域,由于现场施工工人或则施工环境的影响,导致开关柜的电缆接头出现异常温升,如果不及时发现,不及时维护,有时会造成严重的设备事故。由这种原因造成的恶性事故在国内经常见诸于报刊。
比如高压断路器中正常的导电回路,在正常运行时,长期通过工作电流产生的能量转变为热能,使电器材料温度升高不会超出规定范围,但导电回路不正常时,会使电器材料温度升高超出规定范围,而使电器材料的机械强度、物理性能等下降,因此在国家标准中规定了不同电器材料允许长期工作温度。在高压断路器的结构中,静触头、动触头是一个基本元件,在静触头和动触头接触时,它们之间有一个接触电阻,当电流流过触头时,接触电阻的存在,要引起触头的发热,如果接触点的温度超过规定值,则会加速动、静触头接触处氧化,氧化结果又导致接触电阻上升,这样又促使发热、温度增加,因此国家标准规定了接触电阻数值,在这个范围内,不会造成氧化。对额定电压3kV及以上、频率50Hz长期工作电器,如断路器、隔离开关、封闭式组合电器、金属封闭开关设备、负荷开关等产品,必须进行发热试验,以保证长期通过额定工作电流下,电器各部的温度不超过标准允许的数值。高压开关柜内母线联结处的接触电阻有一定要求,在出厂前用“回路电阻测试仪”离线测试,其原理是在母线联结处通过100A直流电流,测出其两端电压,即可求得接触电阻。开关柜出厂后,由于运输、安装、碰击等致使接触恶化,接触电阻增加,特别如手车推入,在插接处接触不良造成事故,造成供电中断的事例发生。
目前对高压柜的接点温度监测手段仅局限于对接头、本体温度等部位进行人工巡检,而对开关柜断路器接点无较好监测手段;并且变电站设备类多量大,要求大量高素质维护人员进行设备管理。
针对在电网领域的泛在物联网示范需求,杭州泽沃电子科技有限公司提出了基于局部放电和温度在线监测系统方案。通过局放和温度数据综合分析,捕捉设备运行异常,及时发现设备事故的早期征兆并采取有效措施,预防严重事故的发生。采用该综合在线监测系统可以达到如下的目的:
1.实现全天24小时不间断在线监测,监测数据一越限即报警(声光报警);
2.逐步替代人工巡检,节约企业成本;
3.征兆式报警,将事故消灭在萌芽阶段,防止事态的升级、恶化;
4.对各节点局放、温度数据进行存储,以便随时查看及后期分析等。
 
2. 监测对象
开关柜可以在开关柜主要部位安装上无源无线测温传感器以达到温度在线监测;由于局部放电监测技术借助于开关柜已有的带电显示用的电容套管传感器,所以无需再另外增设传感器就可以达到局部放电信号采集的目的。 
3. 系统构成
开关柜综合在线监测系统主要包括局部放电在线监测系统和无源无线在线测温系统,二者相互配合,综合监测开关柜的运行状态,是电网监测领域的重要组成部分,为电力设备的安全可靠运行奠定了坚实的基础。

3.1 系统拓扑图
高压开关柜综合在线监测系统主要有三部分构成:局放传感器、无线测温传感器、单通道局部放电分析主机(可接收测温)、通讯管理机及后台;
效果结构图1如下所示:



图1 系统拓扑图
 
4. 在线监测系统单元介绍
4.1 局放在线监测单元
我公司局部放电在线监测系统基于三相同步脉冲电流技术,共用高压开关柜带电显示装置的绝缘子式电容传感器进行在线局部放电监测,检测方法和结果符合IEC60270-2000及GB/T 7354-2003标准。
该技术的优点如下:
(1) 高压开关柜普遍配置了带电显示器,通过一个绝缘子式电容传感器和LED灯串联实现对三相母线带电情况进行指示。该技术将该等效电容器作为脉冲电流法局部放电测试的耦合电容器,并通过集成了局放加强器的带电显示装置外接测试系统实现对局部放电的在线监测。该技术使用开关柜原有的绝缘子等效电容器来进行监测,无须再增设电容传感器,减少了安装成本及布线。
(2) 局部放电信号通过高压母线、同轴电缆传输,空间的无线干扰对局放监测丝毫没有影响。
(3) 该技术采用标准的PD信号发生器进行在线校准,这一技术在国内还没有,通过在线校准可以消除开关柜内部各种等效参数的影响,进而保证检测的精度,符合国家标准和国际标准。
局放在线监测单元技术原理如下:
 


图2 测量回路
当现场被监测高压开关柜C1产生一次局部放电时,脉冲电流经过耦合电容C2在检测阻抗Z两端产生一个瞬时的电压变化,即脉冲电压U,脉冲电压经传输、放大和显示等处理,可以测量局部放电的基本参量。
局部放电在线监测单元传感器是环网柜原有的耦合电容套管传感器,通过同轴电缆将耦合到的局放信号传输到单通道局放分析主机上,耦合电容传感器和单通道局放分析
主机如图3所示。

  

图 3 局放在线监测系统组成
 
一套在线监测系统可以监测1台环网柜的局放和最多12点测温,从而达到了很高的性价比。此主机同时也可以将收集到的局放和温度信号通过433MHz无线发送到通讯终端上,组网非常方便。由于此技术是三相同步采集,所以可以根据上位机相图软件进行图谱识别,很方便的判断出局部放电发生在某一面柜子的某一相上。
 
系统连接图如图4所示

  
图4 局放系统连接图
 
现场安装运行情况:
 2018年青岛上合峰会,100套局放在线监测系统安装运行在青岛的重要供电区域内,如主会场、领导人酒店及很多旅游景点,为青岛上合峰会顺利召开,提供了电力保障,具体效果如下:

   
图5 青岛现场安装图片
 
当时运行了100套局放在线监测系统,由于施工周期很短,工人在电缆头施工时,会存在各种问题,如:绝缘层损坏,在冷缩时里面遗留铁屑和汽包等,这样在线路通过高压时,就会有局部放电产生,当时发现了7例放电,我们的技术人员就建议青岛供电局着重观察这7台环网箱的放电趋势,这样就大大缩减了供电局运维的范围,不仅节省了运维成本,也非常准确,及时的发现了电网存在的绝缘问题。下面就其中一处案例来介绍一下:

图6 与英国EA的手持设备图谱对照
 
如上图6所示,此在线监测系统检测到的局部放电图谱与英国EA手持设备检测到的放电图谱基本一致,但是幅值明显高于英国EA的,所以此技术的检测灵敏度还是相当高的,青岛供电局对此技术做出了很高的评价。
 
4.2 无源无线测温在线监测单元
我公司的无线温度传感器是基于美国TI公司的无线数字通信技术及低功耗技术、EH技术而研制的高性能产品。
新一代无线温度传感器采用了多重抗干扰措施以及特有的软件算法,经过了国内西高所、开普实验室、浙江省中试所、浙江省质监局等多家权威机构测试认证,并且在国内许多工业现场得以成功应用。体积小巧,安装方式灵活多样,将开关柜温升监测提升到一个新的高度。
无线温度传感器参数如下表所示:
 
工作环境 -40~85℃, ≤95%RH  
工作频段 433MHz  
发射功率 <10dbm  
传输距离 ≥150m 视距,实际情况据现场条件而定
测温方式 接触式 体积轻小,优先安装动触头
测温范围 -45~+125℃  
测量精度 ±1℃  
测量间隔 5S  
发送间隔 20~60S 温度越高发送间隔越短
休眠功耗 <3.0uA  
发射功耗 <15mA  
供电方式 能量收集 启动电流≥5A
使用寿命 10年  
可维护性 后期基本免维护  
外形尺寸 27.28×22×9.8mm 传感器主体尺寸
安装方式 固定式 可安装环网柜电缆接头以及母排、电缆进出线
 

图 7 无线温度传感器 BD 27.28×22×9.8mm
 
现场安装运行情况:
  
  


图9 测温传感器现场安装图片
 
如上图所示,我公司生产的测温传感器也广泛的应用于配网领域,也为电力用户监测到了很多由于施工和设备绝缘老化导致的温升状况,为用户避免了很多事故。
 
4.3 单通道综合在线监测主机

图10 单通道综合在线监测主机图片
 
具体参数如下表所示:
局放数据处理部分
原理 三相同步脉冲电流法
通道数量 单通道
通讯方式 RS485/光纤
接口 USB-B
工作电压 AC 220V  50Hz
功耗 5W
工作温度 -40~70℃
额定测量范围 0~1000pC
监测覆盖范围 电容传感器前后5m,电缆1m
超限报警 门限可设
防护等级 IP55
海拔高度 ≤4000m
耦合电容 3PF~150PF 取决于设计
额定电压 5kV~36kV 取决于设计
温度接收部分
RF工作频段 433MHz
RF接收灵敏度 -110dbm
RF传输距离 <500m(空旷)
传感器采集点数 72(8组)
安装方式 导轨式、壁挂式
外形尺寸(长*宽*深) 200*120*60mm
后台部分
配置机型 根据用户需求选择知名品牌工控机(系统为WIN7及以上版本)
供电方式 AC220V或DC220V
硬件配置 内存≥8G、硬盘1T以上、酷睿I7以上CPU
显示要求 实时数据、历史曲线、二级超限报警设置、一次图、工程分组、浏览权限设置、数据导出
报警功能 具有告警短信通知功能
通讯功能 串口、以太网口、modbus协议、IEC61850协议
可访问性 可通过浏览器访问
数据容量 可接入不少于60000只无线测温传感器,并记录数据
软件系统 SPV2.0系统,BS结构
 
5. 安装服务
5.1  安装准备
用户购买我公司的产品后,请在下列条件满足的情况下,请提前一周通知我公司售后服务部门:
5.1.1基础设施建设完工、线夹或者开关柜及户外接点等部位固定就位、母排、进出线安装完毕。
5.1.2需要后台的用户,必须提供现场的平面图,包括线夹或者开关柜及户外接点等测温点布局、监控室与线夹或者开关柜及户外接点等测温点之间平面图,我们会根据这些资料准备现场所需的安装材料,譬如通讯电缆、光缆已经其他辅料。
5.1.3现场具备布线的条件,如RS485线光缆的走线槽、穿线孔等。
5.2  施工服务
5.2.1 施工计划
施工前明确安装进度时间,一般安装时间为2至5个工作日,如有后台调试则需与客户协商施工进度及时间;如施工安装由第三方负责,则我公司有义务负责培训第三方工程服务人员。
5.2.2 现场安全
我们的技术人员都经过专业培训,具备丰富的现场作业经验。尽管如此,还需请用户为我们提供1-2名现场服务人员,以保证施工安全和调试顺利。
5.2.3 用户培训
我们在安装调试完成后,会把整个系统交付给用户,请及时给我们的服务进行验收和评价,同时我们会安排专门的用户培训,指导用户操作我们的后台、进行简单的配置和维护.

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