摘要:文章在研究《高壓設備智能化技術導則》等技術規范的基礎上,概括論述了智能變電站設備狀態檢修的技術現狀,并提出變壓器、繼電保護裝置等設備狀態檢修的實現方案,提高變電站運行的安全性。
關鍵詞:智能變電站;狀態檢修;IEC 61850;全壽命周期管理
中圖分類號:TM733文獻標識碼:A
文章編號:1009-2374 (2010)21-0119-04
變電站設備檢修策略大致經歷了三個階段,即事故檢修、計劃檢修和狀態檢修。事故檢修是一種被動檢修,即只在故障發生時才進行檢修更新或管理工作;計劃檢修作為一種預防性檢修,在很大程度上降低了設備故障幾率,然而,計劃檢修耗時、耗資,在大多數設備沒有任何異常表現時,對設備進行檢修、維護,確保設備處在正常狀態,該方法并不能保證設備在下次維修之前不劣化和失效。狀態檢修(CBM,Condition Based Maintenance)是指根據狀態監測和診斷技術提供的設備狀態信息,評估設備的狀況,在故障發生前進行檢修的方式。
目前,我國智能變電站建設正處于第二批試點工程重點推廣應用的關鍵階段,一、二次設備作為變電站的重要資產,及時、全面掌握設備的運行狀態、健康狀況及其所處環境等要素對于變電站乃至整個電網的安全穩定運行至關重要,實現變電站設備的狀態檢修對于提高設備運行可靠性、降低運維費用等意義重大。
1變電站設備狀態檢修現狀
狀態監測技術是實現設備狀態檢修的基礎。變電站設備狀態監測技術至今已在國內外出現了大量的研究應用成果,并逐步為設備狀態監測、故障診斷、狀態檢修發揮著積極的作用。然而,目前變電站設備的狀態監測系統依然存在信息共享度差、不同廠家裝置基本不能互操作及不具有可替換性、狀態監測裝置本身可靠性差等突出問題。
1.1一次設備狀態檢修技術
一次設備智能化是智能變電站的重要特征之一,IEC61850標準、《智能變電站技術導則》和《高壓設備智能化技術導則》等標準的頒布實施對實現變電站一次設備狀態監測具有重要指導意義。
在線監測、故障診斷、實施維修整個一系列過程構成了電氣設備狀態檢修工作的內涵。因此,積極發展和應用變電站設備在線監測系統的最終目的就是為了以狀態檢修取代目前的定期維修,為其提供了分析診斷的依據,是狀態維修策略不可或缺的組成部分。一次設備的狀態監測主要包括變壓器監測、GIS監測、斷路器監測、容性設備監測、避雷器監測等。
狀態可視化要求對一次設備的溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態等各種數據信息進行采集,為電網實現基于狀態監測的設備全壽命周期綜合優化管理提供基礎數據的支撐。在線監測技術是實現智能設備狀態可視化的必要手段,是狀態維修的實現基礎,為其提供了實時連續的監測數據和分析依據。有效的在線監測系統可以隨時掌握設備的技術狀況和劣化程度,避免突發性事故和控制漸發故障的發生,從而提高一次電氣設備的利用率,有助于從周期性、預防性維修向狀態檢修的轉變,改善資產管理和設備壽命評估,加強故障原因分析。
IEC61850標準定義了專門用于高壓設備狀態監測的模型,包括S組4個邏輯節點:液體介質絕緣SIML、氣體介質絕緣SIMG、電弧SARC、局部放電SPDC。隨著傳感器技術的發展,這些邏輯節點及其包含的數據不能滿足工程應用需求,需要按IEC61850的擴展原則來進行擴充。
1.2二次設備狀態檢修技術
變電站二次設備主要包括繼電保護裝置、監控和遠動裝置等。在運行中,二次設備故障時有發生,對一次設備的安全可靠運行造成潛在威脅。二次設備保護不正確動作的原因涉及到保護人員、運行人員、設計部門、產品質量等許多方面。隨著一次設備狀態檢修的進一步推廣,因檢修設備而導致的停電時間必須越來越短。因此,二次設備的狀態檢修對變電站設備的健康運行顯得尤為重要。
二次設備的狀態監測是狀態檢修的基礎。二次設備狀態監測對象主要包括:交流測量采樣系統、直流控制及信號系統、通信管理系統、微機繼電保護裝置的自檢等。交流測量系統包括流變、壓變的二次回路顯示正確,絕緣良好,無短路開路現象發生;直流控制及信號系統包括直流操作回路正常、分合閘回路指示正常;微機繼電保護裝置的自檢包括設備運行狀況等。
二次設備的狀態監測可以充分利用本身具有的測量手段,如斷路器控制回路斷線,TA、TV斷線監測,直流回路絕緣監測,二次保險熔斷報警等。微機保護和微機自動裝置的自診斷技術的發展,變電站自動化故障診斷系統的完善為二次設備狀態監測奠定了堅實的基礎。微機保護裝置各模塊都具有自診斷功能,對裝置的電源、CPU、I/O接口、A/D轉換、存儲器等插件進行巡回診斷,可以采用比較法、編碼法、校驗法、監視定時器法、特征字法等故障測試方法,對于保護裝置可以加載診斷程序,自動測試各臺設備和部件。
由于大量微電子元件、高集成電路在二次設備中的廣泛應用,變電站二次設備對電磁干擾越來越敏感,極易受到電磁干擾。電磁波對二次設備干擾造成采樣信號失真、自動裝置異常、保護誤動或拒動、甚至元件損壞。對二次設備進行電磁兼容性考核試驗是二次設備狀態檢修的一項很重要的工作。對干擾源、敏感器件要進行監測管理。
2實現方案
采集變電站主要設備狀態信息,一次設備包括變壓器、斷路器、電容器、避雷器等,二次設備包括各繼電保護設備及安全自動裝置、穩控裝置等,智能變電站尤其應加強網絡交換機等設備的在線監視,將設備的自檢診斷信息、運行工況信息等通過標準協議,送達變電站監控系統進行可視化展示,并通過遠傳裝置發送到上級調度/集控系統為電網實現基于狀態監測的設備全壽命周期綜合優化管理提供基礎數據的支撐。
2.1一次設備狀態檢修實現方案
一次設備狀態檢修主要利用傳感器、計算機、數字波形采集和處理等高新技術對高壓設備的溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態等各種數據信息進行采集,通過對設備的在線、離線、預試數據的錄入和獲取,由專家系統對設備的故障部位、故障程度、發展趨勢進行判斷和預測,根據診斷結果進行檢修計劃的制定和調整。
以變壓器本體的狀態檢修為例,變壓器在線監測系統主要包括變壓器油色譜狀態監測、局放狀態監測、鐵芯狀態監測和繞組溫度監測,具體實現方案如圖1所示:
圖1變壓器在線監測實現方案
2.1.1變壓器油色譜狀態監測變壓器油色譜狀態監測通過變壓器上適當位置的采油口和回油口,將變壓器主油箱和在線檢測裝置的油路連接成一個封閉的油路整體,通過油路循環和氣體溶解平衡,源源不斷的從變壓油中析出所溶解的各種故障氣體組分,并在油氣平衡時自動進行色譜分析,并能以數小時一次的頻度連續不斷的分析。通過變壓器油中故障氣體的含量變化確定變壓器運行情況。監測參數:C2H2、C2H4、CO、H2、CH4和C2H6。
2.1.2變壓器局放狀態監測變壓器局放狀態監測通過四個聲學(AE)傳感器測量并析取局部放電信號,將所有的脈沖計數和平均振幅保存在內存中。通過局放信號的振幅和頻率,監測發生在變壓器上的局放信號。監測參數:局放超聲波。
2.1.3變壓器鐵芯狀態監測將電流傳感器安裝在變壓器接地鐵芯上,監測變壓器鐵芯電流。根據鐵芯電流的變化情況確定變壓器鐵芯接地是否正常。監測參數:變壓器鐵芯電流。
2.1.4變壓器繞組溫度監測基于DFB激光器驅動電流與發出的激光信號的波長具有一定比例關系的特性。通過控制光源的電流,在一定范圍內產生特定波長的激光信號,激光信號通過光纖傳輸到達高靈敏光纖光柵傳感器,處理器對傳感器的反射光信號進行運算分析,獲得傳感器反射波長,解調出傳感器感應的物理量的變化。監測參數:變壓器繞組溫度。
2.2二次設備狀態檢修實現方案
對于二次設備的狀態監測,由于采用電子式互感器采集變電站信息,進入保護裝置的是光數字信號,二次電流、電壓輸入、AD采樣不復存在,對數字采樣部分實現狀態監測更加容易。裝置本身可以對接收的SMV采樣值報文進行監視,如有接收中斷、丟數據幀、接收數據幀CRC不正確等現象,立即告警SMV采樣異常即可。
智能開關設備的使用,使二次控制系統的操作回路通過軟件編程的方式實現智能化,本身具備在線監測功能,繼電保護狀態監測不存在常規站操作回路無法在線監測的瓶頸問題:保護的投退用軟壓板控制,不存在常規變電站連接片(壓板)狀態監測的困難;大量光纖取代銅纜,也不再需要回路絕緣狀況監測(直流回路除外)。
對智能變電站繼電保護裝置的狀態監測,可以包括以下幾個方面:逆變電源的監測,包括電源工作環境(溫/濕度)、負載情況、工作時間、開關次數、電容曲線等;以太網通訊口運行情況監測,包括接收的SMV報文、GOOSE報文速率、誤碼率統計、是否丟幀丟點、通訊是否中斷等;液晶亮光時間統計;FLASH擦寫次數統計、扇區健康狀況監測;微機系統的自檢,如RAM是否出錯、看門狗是否動作、裝置的重啟次數等;裝置上電次數統計。
在對繼電保護裝置的上述項目進行實時監測的基礎上,各臺繼電保護裝置的監測信息均匯集到狀態監測中心,從而建立起一整套繼電保護狀態檢修系統,使相關人員在監測中心就能夠實時查詢監控繼電保護的運行狀況,如設備的投停狀態、工作環境溫濕度情況、逆變電源的負荷、累計工作時間等,并在監測中心綜合分析各項數據監測結果,評估設備健康狀況。
設備自檢及診斷信息、運行工況信息可以采用工業級的通用SNMP協議作為信息傳輸協議。當設備出現異常信息時候,智能告警決策系統以聲光電等多媒體報警形式提示運行人員制定問題排查方案和設備檢修預案。實現方案如圖3所示:
圖3設備狀態可視化方案
一、二次設備狀態監測系統應具備以下主要功能:支持IEC 61850標準的和非IEC61850標準的狀態監測裝置接入,并按統一IEC61850標準建模;IEC61850或透明轉發方式將數據傳輸到中心級設備狀態監測平臺,以支持這些裝置的遠程維護;提供符合IEC61850的訪問接口服務及WEB接口,與變電站當地診斷后臺交互;支持在變電站采用跨物理隔離傳送方案,建立與當地SCADA或者故障錄波(DFR)等系統的接口。
2.3狀態監測信息接入PMS系統
PMS生產管理系統總體結構圖如下所示:
圖4PMS總體結構圖
智能變電站PMS系統在建立科學管理制度的基礎上,建成一個涵蓋變電站建設各個工程管理部門及設計、監理、施工等單位的工程管理信息系統,形成對工程的計劃和進度、成本、質量、業主資金、工程技術和文件、材料設備采購、工程施工及合同管理等高效統一規范協調的管理和控制體系,形成一個從工程管理的實施層、管理層到決策層以及各種層次對外聯系的信息體系,從而提高工程整體管理水平并為決策層提供分析決策所必須的準確及時的信息;同時結合現狀,將設計、監理、施工等單位的各種信息統一起來,通過對這些信息的高效統一管理來實現工程管理全過程、全方位信息控制與管理的戰略目標。
3全壽命周期管理
智能變電站支持設備信息和運行維護策略與調度中心實現全面互動,實現基于狀態的全壽命周期管理。通過建立精益化的評估體系,從資產全壽命周期的安全、效能和成本角度,逐步建立全壽命周期綜合優化管理體系,提供綜合最優的資產投資、運行維護和資產處置方案,提高變電站運行的安全性,為規劃、生產、管理等一系列工作提供智能輔助決策支持。
智能變電站應用技術可以減少變電站壽命周期內的初期建設成本和運行維護成本。整個壽命周期成本由以下幾個環節組成:管理成本;設計和工程成本;購買設備成本;試驗成本;建設成本;運行維護成本;退役成本。生命周期成本構成如下圖所示:
圖5生命周期成本構成圖
對于變電站的投資可分為一次設備的投資與二次系統的投資兩個部分,高壓系統中一、二次系統投資所占比例約為4∶1,中低壓系統其投資比例為1∶1。一次設備的投資主要集中在設備本身,而在二次系統的投資比例中硬件部分約占投資額的40%,工程和試驗等費用約占60%。一次設備的使用生命周期一般為40～60年,二次系統的生命周期為10～15年。變電站二次系統整個生命周期中的費用如下所示。
圖6生命周期中二次系統維護費用示意圖
據測算,實施狀態檢修之后年度維修試驗的工作量和停電時間至少可以壓縮50%,一、二次設備狀態檢修技術具有極大的應用價值。
以智能變電站全壽命周期綜合優化管理的總目標為指導,在項目的各個階段通過對影響全壽命周期總體目標的各類風險因素進行識別、研究、量化和評估,提出應對方案,并制定和實施風險監測的風險管理支持系統。其核心工作就是從全壽命周期的視角,運用管理集成思想,在風險管理理念、目標、組織、方法及手段等各方面信息系統基礎上,指導智能變電站的建設和運行,研制智能變電站全壽命周期綜合優化管理系統,智能化實現全壽命周期控制,延長整個變電站的使用壽命、降低維護成本,使經濟效益達到最優。
4結語
一、二次設備狀態檢修技術打破了傳統的以設備使用時間為依據的做法,強調以設備當前的實際工作狀況為依據,通過先進的狀態監測手段、可靠性評價手段以及壽命預測手段,判斷設備的狀態,識別故障的早期征兆,對故障部位及其嚴重程度、故障發展趨勢做出判斷,并根據分析診斷結果在設備性能下降到一定程度或故障將發生之前進行維修。由于科學地提高了設備的可用率,明確了檢修目標,這種檢修體制耗費最低,它為設備安全、穩定、長周期、全性能、優質運行提供了可靠的技術和管理保障。
參考文獻
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作者簡介:李峰(1981-),男,河南人,許繼電氣股份有限公司工程師,研究方向:智能變電站及工程應用。