摘要:文章在研究《高压设备智能化技术导则》等技术规范的基础上,概括论述了智能变电站设备状态检修的技术现状,并提出变压器、继电保护装置等设备状态检修的实现方案,提高变电站运行的安全性。
关键词:智能变电站;状态检修;IEC 61850;全寿命周期管理
中图分类号:TM733文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)21-0119-04
变电站设备检修策略大致经历了三个阶段,即事故检修、计划检修和状态检修。事故检修是一种被动检修,即只在故障发生时才进行检修更新或管理工作;计划检修作为一种预防性检修,在很大程度上降低了设备故障几率,然而,计划检修耗时、耗资,在大多数设备没有任何异常表现时,对设备进行检修、维护,确保设备处在正常状态,该方法并不能保证设备在下次维修之前不劣化和失效。状态检修(CBM,Condition Based Maintenance)是指根据状态监测和诊断技术提供的设备状态信息,评估设备的状况,在故障发生前进行检修的方式。
目前,我国智能变电站建设正处于第二批试点工程重点推广应用的关键阶段,一、二次设备作为变电站的重要资产,及时、全面掌握设备的运行状态、健康状况及其所处环境等要素对于变电站乃至整个电网的安全稳定运行至关重要,实现变电站设备的状态检修对于提高设备运行可靠性、降低运维费用等意义重大。
1变电站设备状态检修现状
状态监测技术是实现设备状态检修的基础。变电站设备状态监测技术至今已在国内外出现了大量的研究应用成果,并逐步为设备状态监测、故障诊断、状态检修发挥着积极的作用。然而,目前变电站设备的状态监测系统依然存在信息共享度差、不同厂家装置基本不能互操作及不具有可替换性、状态监测装置本身可靠性差等突出问题。
1.1一次设备状态检修技术
一次设备智能化是智能变电站的重要特征之一,IEC61850标准、《智能变电站技术导则》和《高压设备智能化技术导则》等标准的颁布实施对实现变电站一次设备状态监测具有重要指导意义。
在线监测、故障诊断、实施维修整个一系列过程构成了电气设备状态检修工作的内涵。因此,积极发展和应用变电站设备在线监测系统的最终目的就是为了以状态检修取代目前的定期维修,为其提供了分析诊断的依据,是状态维修策略不可或缺的组成部分。一次设备的状态监测主要包括变压器监测、GIS监测、断路器监测、容性设备监测、避雷器监测等。
状态可视化要求对一次设备的温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等各种数据信息进行采集,为电网实现基于状态监测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据的支撑。在线监测技术是实现智能设备状态可视化的必要手段,是状态维修的实现基础,为其提供了实时连续的监测数据和分析依据。有效的在线监测系统可以随时掌握设备的技术状况和劣化程度,避免突发性事故和控制渐发故障的发生,从而提高一次电气设备的利用率,有助于从周期性、预防性维修向状态检修的转变,改善资产管理和设备寿命评估,加强故障原因分析。
IEC61850标准定义了专门用于高压设备状态监测的模型,包括S组4个逻辑节点:液体介质绝缘SIML、气体介质绝缘SIMG、电弧SARC、局部放电SPDC。随着传感器技术的发展,这些逻辑节点及其包含的数据不能满足工程应用需求,需要按IEC61850的扩展原则来进行扩充。
1.2二次设备状态检修技术
变电站二次设备主要包括继电保护装置、监控和远动装置等。在运行中,二次设备故障时有发生,对一次设备的安全可靠运行造成潜在威胁。二次设备保护不正确动作的原因涉及到保护人员、运行人员、设计部门、产品质量等许多方面。随着一次设备状态检修的进一步推广,因检修设备而导致的停电时间必须越来越短。因此,二次设备的状态检修对变电站设备的健康运行显得尤为重要。
二次设备的状态监测是状态检修的基础。二次设备状态监测对象主要包括:交流测量采样系统、直流控制及信号系统、通信管理系统、微机继电保护装置的自检等。交流测量系统包括流变、压变的二次回路显示正确,绝缘良好,无短路开路现象发生;直流控制及信号系统包括直流操作回路正常、分合闸回路指示正常;微机继电保护装置的自检包括设备运行状况等。
二次设备的状态监测可以充分利用本身具有的测量手段,如断路器控制回路断线,TA、TV断线监测,直流回路绝缘监测,二次保险熔断报警等。微机保护和微机自动装置的自诊断技术的发展,变电站自动化故障诊断系统的完善为二次设备状态监测奠定了坚实的基础。微机保护装置各模块都具有自诊断功能,对装置的电源、CPU、I/O接口、A/D转换、存储器等插件进行巡回诊断,可以采用比较法、编码法、校验法、监视定时器法、特征字法等故障测试方法,对于保护装置可以加载诊断程序,自动测试各台设备和部件。
由于大量微电子元件、高集成电路在二次设备中的广泛应用,变电站二次设备对电磁干扰越来越敏感,极易受到电磁干扰。电磁波对二次设备干扰造成采样信号失真、自动装置异常、保护误动或拒动、甚至元件损坏。对二次设备进行电磁兼容性考核试验是二次设备状态检修的一项很重要的工作。对干扰源、敏感器件要进行监测管理。
2实现方案
采集变电站主要设备状态信息,一次设备包括变压器、断路器、电容器、避雷器等,二次设备包括各继电保护设备及安全自动装置、稳控装置等,智能变电站尤其应加强网络交换机等设备的在线监视,将设备的自检诊断信息、运行工况信息等通过标准协议,送达变电站监控系统进行可视化展示,并通过远传装置发送到上级调度/集控系统为电网实现基于状态监测的设备全寿命周期综合优化管理提供基础数据的支撑。
2.1一次设备状态检修实现方案
一次设备状态检修主要利用传感器、计算机、数字波形采集和处理等高新技术对高压设备的温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等各种数据信息进行采集,通过对设备的在线、离线、预试数据的录入和获取,由专家系统对设备的故障部位、故障程度、发展趋势进行判断和预测,根据诊断结果进行检修计划的制定和调整。
以变压器本体的状态检修为例,变压器在线监测系统主要包括变压器油色谱状态监测、局放状态监测、铁芯状态监测和绕组温度监测,具体实现方案如图1所示:
图1变压器在线监测实现方案
2.1.1变压器油色谱状态监测变压器油色谱状态监测通过变压器上适当位置的采油口和回油口,将变压器主油箱和在线检测装置的油路连接成一个封闭的油路整体,通过油路循环和气体溶解平衡,源源不断的从变压油中析出所溶解的各种故障气体组分,并在油气平衡时自动进行色谱分析,并能以数小时一次的频度连续不断的分析。通过变压器油中故障气体的含量变化确定变压器运行情况。监测参数:C2H2、C2H4、CO、H2、CH4和C2H6。
2.1.2变压器局放状态监测变压器局放状态监测通过四个声学(AE)传感器测量并析取局部放电信号,将所有的脉冲计数和平均振幅保存在内存中。通过局放信号的振幅和频率,监测发生在变压器上的局放信号。监测参数:局放超声波。
2.1.3变压器铁芯状态监测将电流传感器安装在变压器接地铁芯上,监测变压器铁芯电流。根据铁芯电流的变化情况确定变压器铁芯接地是否正常。监测参数:变压器铁芯电流。
2.1.4变压器绕组温度监测基于DFB激光器驱动电流与发出的激光信号的波长具有一定比例关系的特性。通过控制光源的电流,在一定范围内产生特定波长的激光信号,激光信号通过光纤传输到达高灵敏光纤光栅传感器,处理器对传感器的反射光信号进行运算分析,获得传感器反射波长,解调出传感器感应的物理量的变化。监测参数:变压器绕组温度。
2.2二次设备状态检修实现方案
对于二次设备的状态监测,由于采用电子式互感器采集变电站信息,进入保护装置的是光数字信号,二次电流、电压输入、AD采样不复存在,对数字采样部分实现状态监测更加容易。装置本身可以对接收的SMV采样值报文进行监视,如有接收中断、丢数据帧、接收数据帧CRC不正确等现象,立即告警SMV采样异常即可。
智能开关设备的使用,使二次控制系统的操作回路通过软件编程的方式实现智能化,本身具备在线监测功能,继电保护状态监测不存在常规站操作回路无法在线监测的瓶颈问题:保护的投退用软压板控制,不存在常规变电站连接片(压板)状态监测的困难;大量光纤取代铜缆,也不再需要回路绝缘状况监测(直流回路除外)。
对智能变电站继电保护装置的状态监测,可以包括以下几个方面:逆变电源的监测,包括电源工作环境(温/湿度)、负载情况、工作时间、开关次数、电容曲线等;以太网通讯口运行情况监测,包括接收的SMV报文、GOOSE报文速率、误码率统计、是否丢帧丢点、通讯是否中断等;液晶亮光时间统计;FLASH擦写次数统计、扇区健康状况监测;微机系统的自检,如RAM是否出错、看门狗是否动作、装置的重启次数等;装置上电次数统计。
在对继电保护装置的上述项目进行实时监测的基础上,各台继电保护装置的监测信息均汇集到状态监测中心,从而建立起一整套继电保护状态检修系统,使相关人员在监测中心就能够实时查询监控继电保护的运行状况,如设备的投停状态、工作环境温湿度情况、逆变电源的负荷、累计工作时间等,并在监测中心综合分析各项数据监测结果,评估设备健康状况。
设备自检及诊断信息、运行工况信息可以采用工业级的通用SNMP协议作为信息传输协议。当设备出现异常信息时候,智能告警决策系统以声光电等多媒体报警形式提示运行人员制定问题排查方案和设备检修预案。实现方案如图3所示:
图3设备状态可视化方案
一、二次设备状态监测系统应具备以下主要功能:支持IEC 61850标准的和非IEC61850标准的状态监测装置接入,并按统一IEC61850标准建模;IEC61850或透明转发方式将数据传输到中心级设备状态监测平台,以支持这些装置的远程维护;提供符合IEC61850的访问接口服务及WEB接口,与变电站当地诊断后台交互;支持在变电站采用跨物理隔离传送方案,建立与当地SCADA或者故障录波(DFR)等系统的接口。
2.3状态监测信息接入PMS系统
PMS生产管理系统总体结构图如下所示:
图4PMS总体结构图
智能变电站PMS系统在建立科学管理制度的基础上,建成一个涵盖变电站建设各个工程管理部门及设计、监理、施工等单位的工程管理信息系统,形成对工程的计划和进度、成本、质量、业主资金、工程技术和文件、材料设备采购、工程施工及合同管理等高效统一规范协调的管理和控制体系,形成一个从工程管理的实施层、管理层到决策层以及各种层次对外联系的信息体系,从而提高工程整体管理水平并为决策层提供分析决策所必须的准确及时的信息;同时结合现状,将设计、监理、施工等单位的各种信息统一起来,通过对这些信息的高效统一管理来实现工程管理全过程、全方位信息控制与管理的战略目标。
3全寿命周期管理
智能变电站支持设备信息和运行维护策略与调度中心实现全面互动,实现基于状态的全寿命周期管理。通过建立精益化的评估体系,从资产全寿命周期的安全、效能和成本角度,逐步建立全寿命周期综合优化管理体系,提供综合最优的资产投资、运行维护和资产处置方案,提高变电站运行的安全性,为规划、生产、管理等一系列工作提供智能辅助决策支持。
智能变电站应用技术可以减少变电站寿命周期内的初期建设成本和运行维护成本。整个寿命周期成本由以下几个环节组成:管理成本;设计和工程成本;购买设备成本;试验成本;建设成本;运行维护成本;退役成本。生命周期成本构成如下图所示:
图5生命周期成本构成图
对于变电站的投资可分为一次设备的投资与二次系统的投资两个部分,高压系统中一、二次系统投资所占比例约为4∶1,中低压系统其投资比例为1∶1。一次设备的投资主要集中在设备本身,而在二次系统的投资比例中硬件部分约占投资额的40%,工程和试验等费用约占60%。一次设备的使用生命周期一般为40～60年,二次系统的生命周期为10～15年。变电站二次系统整个生命周期中的费用如下所示。
图6生命周期中二次系统维护费用示意图
据测算,实施状态检修之后年度维修试验的工作量和停电时间至少可以压缩50%,一、二次设备状态检修技术具有极大的应用价值。
以智能变电站全寿命周期综合优化管理的总目标为指导,在项目的各个阶段通过对影响全寿命周期总体目标的各类风险因素进行识别、研究、量化和评估,提出应对方案,并制定和实施风险监测的风险管理支持系统。其核心工作就是从全寿命周期的视角,运用管理集成思想,在风险管理理念、目标、组织、方法及手段等各方面信息系统基础上,指导智能变电站的建设和运行,研制智能变电站全寿命周期综合优化管理系统,智能化实现全寿命周期控制,延长整个变电站的使用寿命、降低维护成本,使经济效益达到最优。
4结语
一、二次设备状态检修技术打破了传统的以设备使用时间为依据的做法,强调以设备当前的实际工作状况为依据,通过先进的状态监测手段、可靠性评价手段以及寿命预测手段,判断设备的状态,识别故障的早期征兆,对故障部位及其严重程度、故障发展趋势做出判断,并根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将发生之前进行维修。由于科学地提高了设备的可用率,明确了检修目标,这种检修体制耗费最低,它为设备安全、稳定、长周期、全性能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障。
参考文献
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作者简介:李峰(1981-),男,河南人,许继电气股份有限公司工程师,研究方向:智能变电站及工程应用。