DQZHAN技術(shù)訊：電氣知識(shí)|智能電網(wǎng)中的智能化變壓器

智能電網(wǎng)的發(fā)展和建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,涉及諸多學(xué)科和行業(yè),同時(shí),智能電網(wǎng)沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒,必須堅(jiān)持自主**。因此,智能電網(wǎng)將會(huì)極大地提高我國(guó)電力工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)諸如變壓器制造業(yè)的整體技術(shù)水平和**能力。

智能電網(wǎng)具有堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成和優(yōu)化等特征,同時(shí)具有信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化等技術(shù)特征。堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)基本架構(gòu)如圖 1 所示,其技術(shù)體系包含電網(wǎng)基礎(chǔ)體系、技術(shù)支撐體系、智能應(yīng)用體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。電網(wǎng)基礎(chǔ)體系是電網(wǎng)系統(tǒng)的物質(zhì)載體,是實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。技術(shù)支撐體系是指先進(jìn)的通信、信息和控制等應(yīng)用技術(shù),是實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。

智能應(yīng)用體系是保障電網(wǎng)**、經(jīng)濟(jì)和高效運(yùn)行,*大效率利用能源和社會(huì)資源,提供用戶增值服務(wù)的具體體現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是指技術(shù)、管理方面的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、試驗(yàn)、認(rèn)證和評(píng)估體系,是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的制度保障。

智能化變電站對(duì)變壓器的要求

智能化變電站以先進(jìn)的信息化、自動(dòng)化和分析技術(shù)為基礎(chǔ),靈活、高效且可靠地滿足發(fā)電、用電對(duì)電網(wǎng)提出的各種需求,實(shí)現(xiàn)提高電網(wǎng)**性、可靠性、靈活性和資源優(yōu)化配置水平的目標(biāo)。變電站又是電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)連接線路和輸送電能,擔(dān)負(fù)著變化電壓等級(jí),匯集電流,分配電能,控制電能流向和調(diào)整電壓等功能。變電站的智能化運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的*基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。

智能化變電站基本機(jī)構(gòu)如圖 2 所示,可分為站控層、間隔層和過(guò)程層。

站控層包括自動(dòng)化站級(jí)監(jiān)視控制系統(tǒng),站域控制、通信系統(tǒng)和對(duì)時(shí)系統(tǒng)等子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能。完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)、操作閉鎖以及同步矢量采集、電能量采集及保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。站控層功能高度集成,可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置實(shí)現(xiàn),也可分別在多臺(tái)計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置中。

間隔層包括繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)控裝置和監(jiān)測(cè)功能組主智能電子裝置IED(Intelligent ElectronicDevice)等二次設(shè)備,實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能,即與各種遠(yuǎn)方輸入、交互,使設(shè)備自診斷結(jié)果與調(diào)動(dòng)決策和設(shè)備運(yùn)行管輸出、傳感器和控制器通信。過(guò)程層包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置。

電力變壓器是過(guò)程層中*重要的高壓設(shè)備之一,由于其事故率高,故障影響大,對(duì)電網(wǎng)可靠性有較大影響。電力變壓器也是結(jié)構(gòu)*復(fù)雜,故障原因*復(fù)雜的電網(wǎng)設(shè)備。電力變壓器在運(yùn)行中有不少需要監(jiān)測(cè)的參數(shù),如負(fù)荷、油溫、油位、油中氣體和開(kāi)關(guān)分接位置等;也有一些需要控制的部件,如冷卻系統(tǒng)、有載調(diào)壓系統(tǒng)等。綜合這些因素可以看出,電力變壓器具有智能化價(jià)值,是高壓設(shè)備智能化重要設(shè)備之一。

智能化變電站主要對(duì)電力變壓器的測(cè)量、控制、計(jì)量、監(jiān)測(cè)和保護(hù)等部分的要求與常規(guī)變電站不同,智能化變電站對(duì)其智能化設(shè)備要求至少具有五項(xiàng)基本技術(shù)特征：

測(cè)量數(shù)字化 對(duì)相關(guān)參量就地?cái)?shù)字化測(cè)量,所屬參量包括變壓器油溫、有載分接開(kāi)關(guān)分接位置,開(kāi)關(guān)設(shè)備分、合閘位置等

控制網(wǎng)絡(luò)化 對(duì)有控制需求的部件實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)控制,如變壓器冷卻裝置、有載分接開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)等

狀態(tài)可視化 把設(shè)備狀態(tài)信息,通過(guò)智能組件的自診斷,以可辨識(shí)的方式,使設(shè)備狀態(tài)在電網(wǎng)中是可觀測(cè)的,所謂狀態(tài)可視,并非對(duì)運(yùn)行人員而是對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的,如設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)動(dòng)系統(tǒng)可基于智能組件狀態(tài)可視化功能,看到設(shè)備健康狀態(tài),自動(dòng)生成檢修方案,優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行

功能一體化 將相關(guān)測(cè)量、控制、計(jì)量、監(jiān)測(cè)和保護(hù)等一體化融合設(shè)計(jì),做到簡(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單,減少占用空間

信息互動(dòng)化 與調(diào)動(dòng)系統(tǒng)交互,與設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,可提供變壓器運(yùn)行自診斷結(jié)果。

智能化變壓器配置以及解決方案

智能化變壓器配置以及解決方案智能化變壓器的構(gòu)成包括變壓器本體,內(nèi)置或外置于變壓器本體的傳感器和控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器進(jìn)行測(cè)量、控制、計(jì)量、監(jiān)測(cè)和保護(hù)的智能組件。變壓器的冷卻器控制器和有載分接開(kāi)關(guān)控制器應(yīng)具有可連接智能組件的接口,并可以響應(yīng)智能組件的控制。變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括局部放電監(jiān)測(cè)、油中溶解氣體監(jiān)測(cè)、繞組光纖測(cè)溫、侵入波監(jiān)測(cè)、變壓器振動(dòng)波譜和噪聲等。

1. 智能變壓器的測(cè)量功能及解決方案

提供主油箱頂層和底部油溫度的測(cè)量,可判斷變壓器是否過(guò)熱,冷卻裝置運(yùn)行是否異常。采集來(lái)自氣體繼電器節(jié)點(diǎn)信息和壓力釋放閥狀態(tài)信號(hào),用于檢測(cè)是否由于內(nèi)部故障產(chǎn)生嚴(yán)重放電或短路。

根據(jù)主油箱油位和分接開(kāi)關(guān)油箱油位的測(cè)量,給出合理的油位上限、下限。測(cè)量風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)電流和電壓,觀察和分析風(fēng)扇及風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。根據(jù)油流繼電器提供的信號(hào),分析油泵是否異常。有載分接開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源電壓測(cè)量便于觀測(cè)操作電源狀態(tài),有載分接開(kāi)關(guān)切換次數(shù)測(cè)量便于分析機(jī)械壽命,有載分接開(kāi)關(guān)當(dāng)前分接位置測(cè)量可提供當(dāng)前工作的狀態(tài)量。

智能變壓器的測(cè)量功能還應(yīng)包括各側(cè)負(fù)荷電流及中性點(diǎn)電流測(cè)量,其主要作用應(yīng)用于保護(hù)和狀態(tài)量。智能變壓器的測(cè)量功能還應(yīng)包括各側(cè)負(fù)荷電流及中性點(diǎn)電流測(cè)量，其主要作用應(yīng)用于保護(hù)和狀態(tài)感知。

2.智能變壓器的控制功能及解決方案

對(duì)于冷卻控制系統(tǒng),主油箱油頂層溫度和底部油溫度以及繞組光纖測(cè)溫同樣用于判斷變壓器是否過(guò)熱,冷卻裝置運(yùn)行是否異常,冷卻裝置開(kāi)起組數(shù)參量用于控制冷卻裝置負(fù)荷匹配及運(yùn)行狀態(tài)。鐵心接地電流的主要作用在于監(jiān)控鐵心故障,如是否存在多點(diǎn)接地。

變壓器各側(cè)電流和環(huán)境溫度可對(duì)變壓器進(jìn)行發(fā)熱故障原因判斷和溫度預(yù)測(cè),變壓器各側(cè)電壓則用于監(jiān)控是否有過(guò)勵(lì)磁狀況發(fā)生。對(duì)于有載分接開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng),開(kāi)關(guān)分接位置、變壓器各側(cè)電流及變壓器各側(cè)電壓均用于控制參考量,分接開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)則用于智能控制。

智能化變壓器測(cè)控單元的配置基于變壓器本體測(cè)控參量,通過(guò)Modbus 通信協(xié)議將本體控制箱與智能控制柜中的測(cè)控單元IED進(jìn)行連接。智能化變壓器測(cè)控單元IED的主要功能是接受來(lái)自間隔層或站控層的命令,對(duì)PLC通過(guò)串口通信進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,不僅可以向間隔層或站控層發(fā)送數(shù)據(jù),還可以有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),圖3給出了智能化變壓器測(cè)控單元的基本結(jié)構(gòu)。

3、智能化變壓器的監(jiān)測(cè)功能及解決方案

智能化變壓器的局部放電在線監(jiān)測(cè)一般用于500kV級(jí)以上的變壓器，所采用的局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)具有良好的抗電暈干擾能力，可監(jiān)測(cè)的視在放電量一般可控制在500~5000pC。局部放電監(jiān)測(cè)原理基于特高頻的全頻帶動(dòng)態(tài)掃頻檢測(cè)技術(shù),使用特高頻傳感器可做到輸出阻抗自動(dòng)平衡,不需阻抗變換器,可以帶電檢修,同時(shí)采用四通道高速同步采樣、復(fù)合除噪技術(shù)和自動(dòng)閾值小波除噪技術(shù)等。

油中溶解氣體監(jiān)測(cè)一般選擇色譜柱法技術(shù),油氣分離采用負(fù)壓動(dòng)態(tài)真空脫氣技術(shù),使用靈敏度高,響應(yīng)速度快的納米晶半導(dǎo)體氣敏傳感器,整個(gè)裝置支持 IEC61850 通信協(xié)議(見(jiàn)圖4)。油中溶解氣體監(jiān)測(cè)滿足智能組件狀態(tài)可視化的基本要求,氫氣和乙炔監(jiān)測(cè)為必選,其他氣體及水分為可選。

繞組光纖在線測(cè)溫可有效地監(jiān)測(cè)繞組內(nèi)部*熱點(diǎn)溫升,對(duì)分析變壓器熱絕緣壽命衰減具有重大意義。繞組光纖測(cè)量不確定度≤2 °C,測(cè)量范圍一般控制在5~180 °C之間。繞組光纖測(cè)溫采用在繞組熱點(diǎn)處預(yù)埋光纖,以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量繞組*熱點(diǎn)溫升的目的。繞組內(nèi)部光纖通過(guò)安裝在油箱壁上的貫穿器與外部光纖相連接,外部光纖終端連接至光纖控制器,光纖控制器通過(guò)串口通信連接到主IED。

在線監(jiān)測(cè)鐵心接地電流的目的是通過(guò)對(duì)鐵心接地電流的監(jiān)測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)箱體內(nèi)異物、內(nèi)部絕緣受潮或損傷、油箱沉積油泥及鐵心多點(diǎn)接地等類型的故障,從而及早發(fā)現(xiàn)潛伏隱患,提出預(yù)警,避免事故的發(fā)生(見(jiàn)圖6)。利用高靈敏度電流傳感器,不失真地采集變壓器鐵心對(duì)地的泄漏電流信號(hào)。信息傳輸采用IEC61850 通信協(xié)議,通過(guò)對(duì)電流信號(hào)的運(yùn)算和處理,剔除雜波干擾信號(hào),得到實(shí)際接地泄漏電流信息,*終利用專家系統(tǒng)分析、判斷并預(yù)測(cè)鐵心絕緣的健康狀況。

智能變壓器的監(jiān)測(cè)功能還包括氣體聚集量(輕瓦斯)、主油箱底部油溫、電容式套管電容量、套管介質(zhì)損耗因數(shù)以及用于500kV變壓器的振動(dòng)波譜和噪聲的正常指紋等項(xiàng)目。其中,振動(dòng)波譜和噪聲應(yīng)提供變壓器故障或缺陷時(shí)的特征指紋,并提供相應(yīng)指紋分析技術(shù),傳感器位置、監(jiān)測(cè)頻率及靈敏度等應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)要求,監(jiān)測(cè)頻率大致在0.1~20kHz,*小可測(cè)量≤0.001 G。

4.智能化變壓器的保護(hù)功能及解決方案

110 kV 變壓器電量保護(hù)建議按雙套配置,采用主、后備保護(hù)一體化配置。220 kV 及以上變壓器電量保護(hù)按雙重化配置,每套保護(hù)包含完整的主、后備保護(hù)功能。

變壓器保護(hù)直接采樣,直接跳各側(cè)斷路器,非電量保護(hù)采用就地直接電纜跳閘方式,變壓器非電量保護(hù)量包括瓦斯信號(hào)、油溫信號(hào)、繞組信號(hào)、壓力釋放閥信號(hào)及冷卻設(shè)備全停信號(hào)。變壓器保護(hù)可采用分布式保護(hù),分布式保護(hù)由主單元和若干個(gè)子單元組成,子單元不應(yīng)跨電壓等級(jí)。集成繼電保護(hù)功能,滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的要求,提高保護(hù)的性能和智能化水平。

智能變電站分為站控層、間隔層和過(guò)程層,包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和電流互感器等在內(nèi)的一次設(shè)備及其所屬的智能組件均處于過(guò)程層,圖7給出了基于 IEC61850 通信協(xié)議,由過(guò)程層智能組件向間隔層或站控層信號(hào)傳遞的智能柜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

結(jié) 束 語(yǔ)

建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng),設(shè)備是關(guān)鍵。變壓器制造企業(yè)只有積極迎接智能電網(wǎng)帶來(lái)的變革,抓住機(jī)遇,接受挑戰(zhàn),在不斷發(fā)展的過(guò)程中不懈努力,不斷提高,才能在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用,實(shí)現(xiàn)新一輪智能化變壓器制造業(yè)的振興與崛起。隨著國(guó)家電網(wǎng)公司堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)計(jì)劃的實(shí)施,變電站將逐步向智能化變電站發(fā)展,傳統(tǒng)的變壓器也隨之要升級(jí)為智能化變壓器,這是變壓器制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。中國(guó)ABB電力變壓器制造公司已經(jīng)成立了智能化變壓器團(tuán)隊(duì),從設(shè)計(jì)、工藝及制造等各個(gè)領(lǐng)域積極應(yīng)對(duì)這一變革和挑戰(zhàn)。按照智能化變電站對(duì)電力變壓器的要求,從測(cè)量、控制、計(jì)量、監(jiān)測(cè)和保護(hù)五個(gè)方面給出智能化變壓器解決方案,特別考慮了代表智能化的在線監(jiān)測(cè)自診斷功能,以滿足智能化變電站對(duì)一次設(shè)備提出的測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化及信息互動(dòng)化等諸多要求。