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智能化一次设备与状态监测


变电站智能化设备与状态监测系 统解决方案
花小健 2010年04月09日

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思源电气

主要内容

思源电气

?变电站智能设备状态监测系统解决方案

概 述 ?变电站智能设备状态监测系统详细设计

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1

变电站智能设备状态监测系统解决方案概述 ?整体方案 ?站内系统结构 ?方案概述 ?系统特点

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整体方案

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?智能变电站状态监测中心系统由监测中心 系统软件和各变电站的状态监测系统共同 组成。中心通过电力通信网络连接各变电 站(应用IEC61850标准或104规约或B/S结 构访问服务),获取各变电站的实时信息, 和评价结果,同时可以调用各变电站内的 设备历史数据、特征曲线等信息。 ?各变电站状态监测系统还可以通过电力通 信网络及路由器实现信息共享,为智能电 网的互动性、共享性要求做好有力的支撑。
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状态监测中心系统结构框图
电力数据通信网 监测中心/远 方调度 路由器

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交换机 B/S结构 GPS 交换机 以太网 104 VDU 打印机 。。。。。 。。 以太网

交换机

远方数据处理及通信装置 IEEE1588网 络对时方式

状态监测站

其他变电站

IEC61850

IEC61850

主变压器 监测功能组主IED
(由通用检测单元

GIS 监测功能组主IED
(由通用检测单元

装置兼任) 铁芯电流专业检 测单元 油色谱专业检测 单元

装置兼任) 避雷器专业检测 单元 局部放电专业检 测单元

过程层交 换机

过程层交 换机

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站内系统结构
一次设备 传感器及控制 信号 智能组件柜 智能组件柜 (可根据需求 选配): 智能单元 合并单元 检测单元 监测功能组主 IED(数据存 储、就地分 析) 保护、测控 电能质量监测 计量 系统层网络

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系统层

一次设备本体 (主变/电抗器 /GIS)

变送器

交换机

状态监测系 统: 1.状态显示 2.基本告警 3.可编程专 家系统 管理监控

智能一次设备

交换机柜

智能设备系统框图

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方案概述

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?本方案采用思源电气的智能组件平台,接 入思源电气在市场上成熟的油色谱在线监 测系统;铁芯电流在线监测系统;避雷器 在线监测系统;断路器机械特性在线监测 系统,其中包括断路器分合闸线圈电流波 形、储能电机工作状态;断路器网络化操 控、数字化测量等智能化设备。 ?思源电气作为智能变电站状态监测系统的 集成供应商,能够提供较为完备的站级智 能设备状态监测的系统解决方案。
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变电站设备需求
表1.变压器智能化项目
功能 组 项目 设备选型 安装位置 实现功能 控制风扇 4组,8个控制结 点 有载调压的控制 变压器智能组件 柜 变压器智能组件 柜 智能组件柜

思源电气
要求

冷却器 控制 有载分接开关

UDM-502-T合并单元

实现智能组件控制

UDM-502-T合并单元 UDM-502-T合并单元

实现智能组件控制

测量

集成 CT

测量数字化

IEC61850-9-2

顶层油温 底层油温 光纤绕组测温 监测

BWY-804J(TH),UDM-502-T合并单元 BWY-804J(TH),UDM-502-T合并单元 -

智能组件柜 智能组件柜 智能组件柜

2个测温点 2个测温点 通道数 变送器接口 8气+微水监测 1个电流通道 气体压力变送 局部放电的超高 频信号

DC4-20mA电流 DC4-20mA电流 不用传感器,用公式 计算得到 485接口 穿心CT 输出DC4-20mA 外置式传感器

油中溶解气体 油中水分
铁心接地电流 主油箱气体压力 局部放电 TROM-600HW-SD,UDM-502-T合并单元 TIC-I-SD,UDM-502-T合并单元 光纤压力传感器,UDM-502-T合并单元 DMS局放监测设备 智能组件柜 智能组件柜 主变本体 主变本体,智能 组件柜

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变电站设备需求
表2.GIS智能化项目 设备选型 功能 组 控制 测量 项目 UDM-502-G合并单元 GIS智能组件柜 GOOSE跳合闸 安装位置 实现功能

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要求 包括同一间隔隔离开关、 接地开关等,支持顺序 操作 智能组件集成合并单元 空结点 485信号 4-20mA 4-20mA 4-20mA

网络化操动控 制 GIS 互感器 位置信息 气体密度 SF6气体水分 分合闸线圈电 流波形

UDM-502-G合并单元 UDM-502-G合并单元 埃肯

GIS智能组件柜 GIS智能组件柜 GIS智能组件柜

测量数字化 开关、刀闸的位置 共50点

UDM-502-G合并单元 UDM-502-G合并单元 UDM-502-G合并单元

GIS智能组件柜 GIS智能组件柜 GIS智能组件柜

机械特性 机械特性 机械特性

监测

分合闸时间 储能电机工作 状态 局部放电 避雷器状态

PSD JC1-10/800

GIS智能组件柜 GIS智能组件柜

共48点数 泄漏电流、动作次数

IEC61850 4-20mA

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变电站设备需求
表3.10kV开关柜

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设备选型 功 能 组 测 量 项目

安装位置

实现功能 要求

10kV开关柜 在线测温

QS-Safe1000光纤光 栅在线测温系统

智能组件柜

在线测温

输出485接口

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变电站设备需求
表4.状态监测平台

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设备选型

安装位置

功 能 组

项目

状态可视化 状 态 监 测 平 台 基本告警功 能 可编程专家 诊断系统

SHR-5000SD

主控室

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系统特点

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? 我们提供的变电站智能设备状态监测系统方案, 充分结合了公司自身技术、生产、市场优势,提 供国际先进的TROM-600HW-SD智能油色谱在线 监测系统、TIC-I-SD智能铁芯电流在线监测系统、 JC1-10/800避雷器在线监测系统、SD-CB-CBM 断路器状态监测系统,同时可以方便地接入市场 上成熟的ECOM公司的SF6微水监测系统,而且 该变电站智能设备状态监测系统对于加拿大 OPSENS公司的光纤压力监测系统同样可以方便 接入。该变电站智能设备状态监测系统提供了其 他站内在线监测子系统的接入兼容接口,使系统 扩展及升级非常便利。

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系统特点

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? 思源电气变电站智能设备状态监测系统,由功能 传感变送器、智能组件柜、系统层网络、状态监 测系统软件有机组成。通信协议完全符合 IEC61850 标准,模型符合 IEC61850-90-3 的标准 框架。遵循《Q/GDW XXX-2009高压设备智能化 技术导则》,融合了数学模型、模式识别、数据 挖掘等先进工具的专家系统,使系统具有“测量 数字化、控制网络化、分析就地化、状态可视化、 功能一体化、信息互动化”的特征。

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系统详细设计

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?智能组件设计 ?组网方案设计 ?状态监测系统

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智能组件平台
? 可灵活扩展,具备下列功能:

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? 接入电子式PT、CT; ? 模拟量输入(4~20mA,0~5V)及可编程的485/CAN接口,可方便 接入各式传感器; ? 可监视并控制断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关等; ? 集成保护、测控、计量功能; ? 具有PT并列、电压切换功能;

? 智能组件与系统层间实时传输SMV、GOOSE报文,支持 站域保护; ? 网络满流量时保证GOOSE响应的实时性,可靠抵御网络 风暴; ? 支持IEEE1588-2008或秒脉冲对时; ? 能够适应户外运行环境,工作温度范围-40℃~+85℃;

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智能组件柜的环境适应能力
? 电磁兼容能力,可适 应智能组件柜内强电 磁干扰环境;
电压渐变抗扰度 电压暂降和短时中 断抗扰度 浪涌(冲击)抗扰 度 电快速瞬变脉冲群 抗扰度 振荡波抗扰度 电磁兼容性 能 静电放电抗扰度

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+20%~-20% 50%暂降0.1s,中断 0.05s 4级 4级 3级 4级

工频磁场抗扰度
脉冲磁场抗扰度 阻尼振荡磁场抗扰 度 射频电磁场辐射抗 扰度

5级
5级 5级 3级

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IEC61850标准服务支持

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?基于SISCO通信标准库开发的IEC61850-81的站层通信协议标准MMS; ?支持过程层实时状态量采集和命令控制的 IEC61850-8-1的GOOSE协议标准; ?支持过程层模拟量电流、电压的采样值服 务IEC61850-9-2标准格式;

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IEC61850标准互操作

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? 工具支撑最新IEC61850变电站配置文件Schema 语法校验功能保证了模型、服务的配置文件互操作 性; ? 灵活的映射规则管理方案保证了应用模型的标准互 操作(模型标准化存在地区差异); ? 各种开入、开出虚端子设计使得装置之间的信号连 接配置的标准化; ? 系统配置工具一、二次一体化设计,SSD和FUN; ? KEMA一致性认证是满足IEC61850互操作的基本 要求;

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KEMA认证

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智能变压器建模实例
?逻辑节点 ?智能变压器模型

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逻辑节点

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变压器:(power transformer) 类型 PTR 名称 变压器 默认关联 逻辑节点 YPTR YEFN YLTC YPSH 默认terminal数 2卷变默认下跟 2个绕组,3卷 默认跟3个绕组 (PTW ) 1

PTW

变压器绕组

(这里将YEFN及YPSH都列了出来,其中YEFN为消弧线圈,YPSH为避雷器)

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智能变压器模型

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变压器独立建立间隔。一次设备用PTR、PTW等建模。 过程层接口LN固定包括YPTR、YLTC。 如下为示例: <PowerTransformer name=”1#主变” type="PTR" > <LNode iedName=" None " ldInst=" None " lnClass=" YPTR " lnType=" YPTR " lnInst="1" prefix="" desc="" /> <LNode iedName=" None " ldInst=" None " lnClass=" YLTC " lnType=" YLTC " lnInst="2" prefix="" desc="" /> <LNode iedName=" None " ldInst=" None " lnClass=" YEFN " lnType=" YEFN " lnInst="3" prefix="" desc="" /> <LNode iedName=" None " ldInst=" None " lnClass=" YPSH " lnType=" YPSH " lnInst="4" prefix="" desc="" /> <TransformerWinding name="SHRTw1" type="PTW" > <Terminal name="Term1" connectivityNode="null/null/null/null" substationName="null" voltageLevelName="null" bayName="null" cNodeName="null"/> </TransformerWinding> <TransformerWinding name="SHRTw2" type="PTW" > <Terminal name="Term1" connectivityNode="null/null/null/null" substationName="null" voltageLevelName="null" bayName="null" cNodeName="null"/> </TransformerWinding> </PowerTransformer>

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组网方案
?智能组件柜
?变压器智能组件柜方案 ?断路器智能组件柜方案 ?测量数字化方案 ?避雷器监测方案

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变压器智能组件柜方案

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?状态监测项目 ?智能组件柜设计方案 ?状态监测设备介绍 ?变压器监测系统安装图

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变压器状态监测项目

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监测内容: ?电子式互感器:电流数字化 ?主油箱气体压力:光纤压力传感器 ?顶层油温和底层油温:铂电阻 ?油中气体分析及油中微水:油色谱(8气+ 微水) ?铁芯接地电流 :选用穿心CT检测技术

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智能组件的设计原则
?各功能模块完全电气 隔离 ?内部信息只在智能组 件内部 ?站域共享信息连接至 网络 ?根据功能装置独立
U1 H1

系统网络

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U2

H2

U3 U4 U5 U6 P1

MT1 M1 M2 M3

U7 U8 U9 U10 P2

MT2 M4 M5 M6

POWER

智能组件内部结构示意图 注: 1. H1站域网络交换机、H2组件内网络交换机 2. P1、P2功能模块组 3. MT1、MT2功能模块组主板 4. M1-M6自检测单元 5. U1-U10隔离变压器
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变压器智能组件柜设计方案一
至系统层 MMS、9-2、GOOSE、1588 有载分接开关、 冷却器 CT

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智能单元

合并单元 过 程 层 数 据 单 元

顶层底层油温铂电阻 绕组温度传感器 铁芯电流传感器 油色谱 检测单元 局部放电 检测单元

通用 检测单元

间 隔 数 据 单 元

通用 检测单元

智能组件

仅含一次设备的状态监测

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变压器智能组件柜设计方案二

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至系统层 MMS、9-2、GOOSE、1588 有载分接开关、 冷却器 CT

智能单元 保护单元 合并单元 过 程 层 数 据 单 元

顶层底层油温铂电阻 绕组温度传感器 铁芯电流传感器 油色谱 检测单元 局部放电 检测单元

通用 检测单元

间 隔 数 据 单 元

测控单元

通用 检测单元

电能质量 监测单元

智能组件

含控制、保护、跳闸,提供完整的一体化智能设备解决方案

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智能组件柜方案说明

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? 智能单元:完成冷却器、有载分接开关等控制功能; ? 合并单元:负责接入套管CT(电子式互感器或传统互感器); ? 通用检测单元:负责接入温度、压力、液位等通用接口的信号,及瓦 斯等非电量信号;此通用检测单元可作为监测功能组主IED。 ? 专业检测单元:针对油中溶解气体、油中水分,铁心接地电流,UHF 变压器局放检测,TMB 高压套管绝缘在线监测等专业性较强,数据 分析较为复杂的监测项目;各专业检测单元装置物理独立。如果专业 检测单元输出信号不符合IEC61850标准,则需要经过通用检测单元 来建模和转换,此通用检测单元功能可由监测功能组主IED完成。 ? 智能组件通过间隔数据单元实现与系统层的IEC61850通信; ? 智能组件通过过程层数据单元实现智能组件之间的IEC61850通信;

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监测设备介绍

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?从原理、实物图、技术参数、接口等4个方 面进行简单描述

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TROM-600HW-SD智能油色谱在线监 测系统
? 原理:

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? 系统有强制油循环功能,保证对变压器中的流动油实时取样。变压器中的油通过 强制循环装置进入油气分离装置,通过高效的真空油气分离装置将变压器油中的 特征气体完全分离。被分离的气体进入检测系统,通过色谱柱、传感器,将气体 浓度值转换成相应的电信号。

? 技术参数

? 接口
? 输入:循环油管 ? 输出:RS485
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TIC-I-SD智能铁芯电流在线监测系统

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?原理
?穿心CT

?技术参数

检测器

数据采集传输 变压器铁芯接地电流在线监测系统 智能控制器

电力变压器

?测量范围:1mA~10A; ?不确定度:2.5% ?密封等级:IP55

?接口
?输出:RS485
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JC1-10/800避雷器在线监测系统
? 原理

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? 对阻性电流进行在线监测:利用数字采样处理方法要 从阻容共生的总泄漏电流中分离出微弱的阻性电流

? 技术参数
? 泄漏电流 ? 动作次数 ? 阻性电流 100μA~10mA 0~999 100μA~10mA ±5%
±5%

? 接口
? 输出:RS485

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顶层油温、底层油温
?原理:
?热电阻的热阻变化效应

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?接口:
?输入:铂电阻(PT100,Cu50等) 接入UDM-502合并单元 ?输出:电阻值

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OPSENS的变压器光纤温度、压力在 线监测设备
? 原理:
? 光纤温度传感器 ? 光纤压力传感器

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? 技术参数
? 温度:-30~120°C 精度:<±0.5°C ? 压力范围: 5mbar - 700bar ? 工作温度: -40°C up to 125°C ? 测量精度: 0.05%

? 接口
? 输出:4-20mA

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PD-TM500A系列局部放电在线监测系统
? 原理:
? 系统采用的传感器分别为 超声波传感器(AE), 高频电流传感器(HFCT), AE传感器用于测量伴随局部 放电产生的超声波信号, HFCT 传感器则用于监测高频脉冲泄漏电流。

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? 技术参数
? ? ? ? ? - AE:频率:80KHz-300KHz - HFCT:频率:100KHz-30MHz 最低局放监测量:20pC 最低局放监测量:1pC 采样速度:16 MHz(最大) 采样速度:20MHz (最大) 使用寿命:大于10年 使用寿命:大于10年 - 数字化:最小可在三个电源周波内进行五通道同时数字转换

? 接口
? 输出:4-20mA

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变压器监测系统安装图

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GIS智能组件柜方案

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?状态监测项目 ?智能组件柜设计方案 ?状态监测设备介绍 ?GIS监测系统安装图

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GIS状态监测项目

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监测内容: ? SF6气室:微水、压力、温度 ? 组合型电子式互感器:电流、电压信号数字化 ? 断路器:分合闸时间、速度、分合闸线圈电流, 储能电机工作状态(工作时的直流电流、电压 波 形),操作次数(含偷跳),开断电流加权值统 计等 ? 局部放电:采用超高频原理,可实现局放定位 ? 避雷器状态:泄漏电流、动作次数
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GIS智能组件的设计方案一
至系统层 CT、PT 合并单元

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MMS、9-2、GOOSE、1588

SF6微水传感器 SF6密度传感器 分合闸行程传感器 分合闸线圈电流电压 储能电机电流电压 通用检测 单元

过 程 层 数 据 单 元

间 隔 数 据 单 元

避雷器 检测单元

通用检测 单元

智能组件
仅含一次设备的状态监测

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GIS智能组件的设计方案二
至系统层 MMS、9-2、GOOSE、1588 开关、刀闸分合闸 CT、PT 智能单元 智能单元 合并单元 合并单元 过 程 层 数 据 单 元 间 隔 数 据 单 元 测控单元 测控单元

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保护单元 保护单元

SF6微水传感器 SF6密度传感器 分合闸行程传感器 分合闸线圈电流电压 储能电机电流电压 通用检测 单元

MMS 9-2

电能表

避雷器 检测单元

通用检测 单元

智能组件

含控制、保护、跳闸,提供完整的一体化智能设备解决方案

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智能组件柜方案说明

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? 智能单元:完成开关、刀闸等分合控制功能; ? 合并单元:负责接入套管CT(电子式互感器或传统互感器); ? 通用检测单元:负责接入温度、压力、液位等通用接口的信号,及瓦 斯等非电量信号;此通用检测单元可作为由监测功能组主IED。 ? 专业检测单元:针对油中溶解气体、油中水分,铁心接地电流,UHF 变压器局放检测,TMB 高压套管绝缘在线监测等专业性较强,数据 分析较为复杂的监测项目;各专业检测单元装置物理独立。如果专业 检测单元输出信号不符合IEC61850标准,则需要经过通用检测单元 来建模和转换,此通用检测单元功能可由监测功能组主IED完成。 ? 智能组件通过间隔数据单元实现与系统层的IEC61850通信; ? 智能组件通过过程层数据单元实现智能组件之间的IEC61850通信;

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监测设备介绍

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?从原理、实物图、技术参数、接口等4个方 面进行简单描述

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SD-CB-CBM断路器状态监测系统
? 原理:
? 分合闸电流、电机工作电流电压:霍尔传感器 ? 断路器行程:光电码盘

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?

技术参数
? 霍尔传感器
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 额定测量范围:25A 线性范围:0~±50A 额定输出电压:4V±1% 零点失调电流:±0.04V以下at IPN=0 输出方式:格雷2进; 输出上升下降时间:1μS以下; 最高响应频率:20kHz; 环境温度范围:工作时:-10~+70℃,保存时:-25~+85℃(不结冰); 环境湿度范围:工作时、保存时:35%~85%RH(不结露); 绝缘电阻:20MΩ以上(DC500V兆欧表)充电部整体和外壳之间; 耐电压:AC500V、50/60Hz、1min、充电部整体和外壳之间; 振动(耐久):10~500Hz 复振幅2mm 150m/s2 X、Y、Z各方向3次; 冲击(耐久):1000 m/s2 X、Y、Z各方向3次; 保护结构:IEC规格 IP65。

? 光电码盘

?

接口:
? 4-20mA(模拟量采样接口) ? RS485(传输码值)

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SF6气体密度、压力、微水
? 原理
? 微水:露点原理传感器

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? 技术参数
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? SF6气体水分指标:-60℃~+20℃ 露点,精度:±2℃; SF6气体水分显示范围: 10~20000ppm; SF6气体水分报警值:300ppm预设,(可根据用户实际要求需要设定) 压力检测范围:0~1.000Mpa; 压力报警点:任意设置; 压力精度:<1% 或更优; 温度:-40℃~+80℃,(OLED液晶屏温度:-30℃~+120℃); 温度精度:±1℃; 密封性能:漏气率≤1*10-8mbar.l/s ( 氦气检漏); 传输方式:CAN/或RS485 (主干线); 传输距离:≥1000米 (加中继器可延长传输距离); 检测点的数量:无限量;

? 接口
? RS485

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GIS局部放电在线监测系统
?原理

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? 捕捉GIS 设备发生局部放电时的,从低频到数百 MHz 甚至 1 GHz 以上 频谱信号 ? 通过局放信号到不同UHF传感器的时差,局放的信号通过电磁波进行传 递,不同传感器接收到局放信号会有时间差,系统通过时差法来准确确 定局部放电源的位置。

?技术参数
? 灵敏度<5pC ? 检测带域0.5~1.5GHz

?接口
? 输入:UHF信号; ? 输出:IEC61850标准,状态信息。

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GIS局部放电在线监测系统

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图-局放传感器安装位置示意图

图-局放本地数据处理单元

图-局放专用检测单元(CCU Unit 通讯单元)

图-综合后台服务器

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GIS监测系统安装图

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10kV开关柜测温

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QS-Safe1000光纤光栅在线监测系统

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? 系统由温度感应部分、数据传输部分和主控部分 组成。温度感应部分由光纤光栅温度传感器及光 纤尾纤组成;数据传输部分为主光缆;主控部分 由QSA01光纤传感分析仪和QS-Safe1000光纤光 栅在线监测智能工作站(工控机1台、显示屏1台、 短信报警模块一只、声光报警器一只、智能监控 软件1套)组成。 ? 由光纤光栅在线监测智能工作站接入智能组件, 进行IEC61850建模,并上送监测平台。

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状态监测系统
?状态监测系统,包含3方面功能:
?状态可视化 ?基本告警功能 ?可编程专家诊断系统

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状态可视化

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?对于各种状态监测,状态监测系统可以实 时查看各种状态量的当前值、并可根据时 间段选择生成各种历史数据的趋势图,且 提供数据的报表导出功能,以方便使用分 析。

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油色谱在线监测

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图-油色谱气体浓度趋势图

图-三比值分析

图-大卫三角形分析

图-立体图示法分析
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SF6微水

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基本告警功能

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? 依据《Q/GDW 170-2008 油浸式变压器(电抗器)状态 检修导则》和《Q-GDW 171-2008 SF6高压断路器状态评 价导则》等标准。 ? 通过与标准值的比较、模式比较(如分合闸线圈电流波 形)、特征分析等诊断分析方法进行预警、报警。 ? 在线监测系统监测的各种状态数据均支持阀值预警,通过 系统预设阀值,在数据值超过阀值时使用用户预选的报警 方式向用户发出视觉、短信、邮件告警,并综合相关数据 进行故障诊断和分析,提高故障分析判断的准确度。及时 发现可能出现的异常和故障预兆并进行检修,保证设备的 正常运行,保证电网的可靠供电。

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油色谱告警

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可编程专家系统

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?提供一个可编写规则的专家系统,供用户 或行业内有经验的专家来编写规则,大大 增强了系统的扩展能力和学习能力,配合 数据挖掘系统,不断增强系统的状态检修 能力。

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可编程专家系统
?断路器专家系统
?断路器电损耗 ?断路器机械特性 ?局部放电

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?变压器专家系统
?根据油色谱的故障分析

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断路器的电损耗-数学模型的应用

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?通过测量每次开关动作时三相主回路的开 断电流,通过加权算法判断断路器触头的 累积电烧灼磨损量。 并结合断路器的机械 损耗,依据断路器临时检修规定,当断路器 操作次数接近需要检修状态时及时给用户 提示,该断路器需要进行检修,当断路器 发生故障时,通过分析故障数据给出故障 产生原因,实现对断路器状态的在线监测 和及时预警。
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断路器机械特性-模式识别

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分合闸曲线-模式识别

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局部放电的定位

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断路器局部放电的原因分析

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变压器专家系统

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? 变压器专家系统系统通过使用油色谱监测数据、 铁芯电流频谱特征数据、结合顶层油温、底层油 温、绕组测温以及压力和瓦斯动作等数据对变压 器进行全面的故障预警和分析,在变压器发生故 障前就及时给出告警,在故障发生时通过对数据 的分析给出故障产生原因。如根据三比值、大卫 三角、立体图示法对故障类型进行判断,并结合 相关数据给出检修建议,提示用户在故障发生前 及时进行处理,初步实现状态检修的目的。 ? 断路电流、时间统计
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根据油色谱的故障分析

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图-大卫三角形分析

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谢谢大家!

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