基于5G技术模块化结构分层设计的干式电抗器故障监测系统

国网河南省电力公司超高压公司 古明珠 康建准 刘艳红 申晓春 王灵贵

1 引言

干式电抗器绝缘出现老化或外绝缘被破坏时，易出现匝间绝缘击穿或整体绝缘损坏，会产生严重的局部温升现象，甚至出现局部过热引发着火事故[1]。AVC 系统是在线模式运行的电网电压无功控制系统，在电抗器故障时具备自动闭锁功能。但只有在电抗器保护动作时才能够闭锁AVC 系统，避免故障电抗器再次投入[2]。干式电抗器一般配置过流保护，在匝间绝缘破坏时，内部的故障电流不流经支路电流互感器，因此在电抗器局部故障甚至着火初期，电抗器保护不能及时动作。因此只存在局部绝缘损坏的电抗器在保护未启动的情况下具备再次被AVC 系统投入运行的可能，有加剧火灾发生的风险[3]。

为实时监测电抗器数据，可以选用的传输方式中，光纤具有传输距离远、传输容量大等特点，但不利于跨区域信号传输。而5G技术传输距离远、传输速度高、传输质量好，可以用于跨区域信号传输。告警信号及实时数据需要通过网络传输至监测平台，为了电力系统内网信息的安全性、可靠性，在外网设备接入电力系统现地控制单元时，应当采取可靠的物理隔离措施[4]。

2 故障监测系统分层设计

电抗器故障监测系统主要包括三个信息处理层和两个通信系统。三个信息层分别为前端采集层、区域控制层和远端集控层；两个通信系统指前端采集和区域控制层间通信以及区域控制层和远端集控层间通信。其数据处理主要逻辑为发现-处理-隔离，前端采集层主要实现温度实时监测，发现故障后进行区域信息处理，区域控制层可以将温度监测数据通过网络上传至远端集控层，实现故障隔离功能，告警信息传输方式通过该网络分层架构实现，能够达到系统性处置故障的目的。

2.1 信息处理层设计

2.1.1 前端采集层

热点温度法可以采集电抗器内部小范围内最高点温度，测量时需要测量电抗器的径向或轴向的某一区域，该方法能够反映电抗器各包封运行温度，可以测量包封内部的温升分布情况以及比较包封内外的温度变化。因此实际测温区域为同轴线圈包封组成的圆环形区域，根据红外摄像头实际可照射范围，选择安装摄像头位置及个数以满足所有部位均可被照射的条件。电抗器可以承受的最高温度与其使用的绝缘材料密切相关，根据历史温度与绝缘材料，计算出高温升预警值和超高温升预警值。电抗器异常温升预警值表如表1所示。

表1 电抗器异常温升预警值表

2.1.2 区域控制层

采集装置需要通过报警主机进行信息处理，信息处理内容包括区域控制站管辖各站告警信息。在区域控制层所在变电站保护小室中装设收集无人值守站现场红外测温摄像头采集到数据的分点报警主机，报出相关报文供运维人员分析处理。

2.1.3 远端集控层

省调通过主站自动化系统采集各站远动装置发来的数据，对变电站的运行方式和设备状态进行监视[5]。AVC 装置通过接收省调AVC 主站下发的电压控制值进行调节，分为远方控制和就地控制两种方式。远方控制就是实时接收省调下发的母线电压命令值，AVC 系统根据命令值进行实时的调节。当远方调解时，AVC 系统长时间收不到主站命令会发出报警信号，并闭锁AVC，自动转为开环控制。

系统远端集控层设置在AVC主站，当收到区域控制层发出的报警信息后，系统可以自动切除温度异常电抗器，并闭锁对应的AVC控制，防止电抗器再次加入运行，避免电抗器火灾的发生。

2.2 通信系统设计

2.2.1 前端采集和区域控制层间通信

多路红外摄像头采集的视频信号数据传输容量较大，摄像头安装位置与监控主机安装位置距离较远，且对视频信号质量要求较高。因此视频信号在前端使用交换机网络汇聚信号，通过对光电转换器采用光纤将信号高速、可靠地传输至平台报警主机。

针对各变电站监控主机的报警信息的上送，涉及跨站点之间的通信。结合先进的无线通信技术，采用最新的5G路由器，完成各站至区域控制中心之间的信息传输。

2.2.2 区域控制层和远端集控层间通信

本文通过无源接点的物理隔离方式将告警信号接入远端的主站自动化系统，通过I/O 接口模块进行处理，区域控制层提供连接点至主站自动化系统远动终端RTU。信息子站交换机将RTU采集到的信号通过电力通信专用网SPTnet 传输至集中监控中心，监控中心根据报警信息的类型，可以远方切除温度异常电抗器，手动闭锁AVC 或自动触发AVC闭锁逻辑，避免电抗器再次加入运行。

2.3 故障监测网络

通过区域控制中心将各个子站电抗器采集设备采集的信息进行汇聚和输出。

3 监测系统模块化设计及装置选择

电抗器温度监测装置信息处理装置采用模块化设计，即将系统中的装置组合成特定功能的各个模块，具有通用性和重组性，各个模块之间应相互独立，并且模块之间耦合度最小。

根据温度监测装置各个信息处理单元的功能组合成以下几个模块。

3.1 信息采集-监视模块

温度及视频信息采集设备采用海康威视DS-2TD2BDZ-YT 型双光谱筒形摄像机。为满足摄像头双成像及报警功能具备全覆盖、高可靠、冗余配置的要求，在每相干式电抗器正下方设置3 台双光谱筒形摄像机并成120°环形等分配置。分点报警设备采用海康威视DS-19A08-F/K1G 分点报警主机，每相电抗器设置一个分点报警主机负责采集摄像机报警信号。为实现前端设备配置管理、可见光及热成像视频信号实时监视、温度曲线监视及历史数据记录等功能，在现地主控室配置一台视频监控报警主机，安装海康威视ivms4200客户端。

3.2 数据处理模块

中心报警数据处理模块由平台报警主机和中心报警主机两部分组成。平台报警主机采用基于Linux系统开发的海康威视DS-PCM1-IP主机，该主机平台报警系统主机可以满足各子站电抗器报警信息的汇总、各子站设备运行状态监视、各子站事件信息记录等要求。中心报警主机采用海康威视DS-19A08-01BN 主机，该主机能够将平台报警主机通过网络数据传送的报警信息进行单个报警接点配置并通过485总线或继电器联动输出。

3.3 前端采集与区域控制层间通信模块

现地交换机与主控室距离较远，为保证视频及报警信号能高速、可靠、低时延传输至主控室，采用一对海康威视DS-3D201T（R）光纤收发器进行网络信号远距离传输。在主控室端配置5G工业路由器，将视频及报警信号上送至本地视频监控报警主机，同时为了节约运营成本仅将报警信号通过5G信号上送至区域控制中心，用于计算机监控系统的信号报警及AVC闭锁。

3.4 区域控制和远端集控层间通信模块

在中心报警主机设置总线扩展模块（型号：DS-19M32-NO）。总线扩展模块能提供36V 有源节点，中心报警主机与总线扩展模块间使用485 总线进行通信。搭接的继电器模块完成有源接点到无源接点转换。总线扩展模块输出的36V 有源接点，通过固态继电器以及接触器完成无源干节点的转换。

在接触器干接点模块中，9路报警干接点并联形成逻辑或的关系，9路预警干接点同理，报警干接点或预警干接点中任一接点有报警信号，均能够可靠地向监控系统上传温度高或温度超高总报警信号。接触器干接点模块中干接点回路的并联处理，仅需要两路总报警接点信号上传至监控系统，有效节省监控系统DI节点数量并且降低监控系统的数据处理压力。

3.5 接收报警-AVC闭锁模块

AVC 通过调度自动化SCADA 系统采集各变电站的母线电压，对其进行集中监视和分析计算，实现对无功装置进行协调优化自动闭环控制。在其监控系统上增加两个报警点位，并进行光字报警、事件描述、监控画面配置，进而实现电抗器相关温度报警自动弹出监控事件信息、点亮相关报警光字牌，同时将报警点位变量加入AVC 监控闭锁逻辑代码段，实现温度高报警时自动闭锁AVC 功能。

4 现场实例

4.1 监测和信息处理功能

4.1.1 24h无间断监视功能

摄像头应能够24h 监测设备温度，实时显示现场图像及最高温度。ivms4200连接摄像头后，对视频效果进行检测，可以显示现场图像及最高温度，并每隔1h查看画面是否正常，连续观察24h。

4.1.2 现地传输及告警功能验证

为检测本文所述现地传输及告警功能，进行模拟试验，试验期间将摄像头预警及报警值改为40℃和80℃，使用热水模拟热源，以检验报警情况。

4.2 远端接收功能

站内后台监控机光字牌上，增加电抗器本体温度高和本体温度超高两项，每当电抗器温度到达所设置的报警值，光字牌亮，及时提醒值班人员进行相关处理。

除了在本地监控机上发出报警信号，在集中监控中心的监控机上实时告警窗口可以显示电抗器温度报警信息。

5 结语

本文提供了一种基于5G通信技术的变电站干式电抗器火灾预警装置，通过研究及现地验证可以得出以下几点。

一是通过利用红外热成像智能设备，能够实时监测设备的温度，并发出温度告警，包括温度高和温度超高的报警信号。

二是区域监控中心利用5G技术实现不同变电站跨区域的实时高效监控。

三是采用无源干接点信号的隔离措施，进行有效隔离，安全地通过内网传输到智能监控中心实现AVC的闭锁和切除装置的功能。

在实际工作中，可进一步提升设备感知能力，使得区域管控中心可以实现更多的管控功能，实现自动跳闸和自动闭锁等功能。