引言：

变电站高压电气设备越来越趋向于不可能在长时间停役检查和检修的情况下运行,因此必须适时的开展状态检修.这就有必要对运行中的变电站高压设备进行监视和诊断,以便能检测到异常情况的征兆和迹象,并作相关的处理.我们在充分分析了高压电气设备故障产生的特点机理的基础上,设计了此故障诊断专家系统.实时对变电站高压电器设备运行情况及设备的工作状态进行监视,通过监测及时地发现和判断故障状态,通过诊断确定故障产生的原因,发生的部件,故障的严重程度,以及发展趋势,提供操作指导或处理方案,以便及时采取措施,缓解或xx故障状态,恢复正常的运行.

1：系统功能：

HVTHU-2型变电站高压设备在线监测与故障诊断系统，可实现对变电站电气设备状态的在线监测，进行数据采集、实时显示、诊断分析、故障报警、参数设置等，同时可以实现对电网变电站电气设备在线监测的系统化和智能化，使各级领导、专业人员能够实时直观地了解和掌握电气设备的运行状况，对于有异常状况的电气设备及时采取措施，避免事故的发生；系统可以延长预防性实验的周期，甚至于代替预防性实验，并可对开展设备的状态检修提供技术支持。其经济效益与社会效益十分显著！

系统主要分成容性设备绝缘在线状态监测和断路器监测2部分。其中，容性设备绝缘在线状态系统可监测电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器和金属氧化锌避雷器以及主变套管、主变铁芯等。

1.1容性高压设备监测系统

系统功能：

主要包括容性变压器套管、容性电流互感器、容性电压互感器以及耦合电容器等设备。主要监测参数包括：

1-泄露电流

2-介质损耗

3-电容量

4-电容量变化率

5-相对介质损耗变化量

系统结构：

容性设备监测系统主要用于110KV及以上电压等级电气设备的绝缘状态在线监测，由安装在变电站内的监控器与安装在被测设备附近的本地测量单元2个部分组成。监控器与本地测量单元之间的数据传输方式采用RS485总线架构，监控器通过串行数据总线与下位机进行数据交互，把变电站内所有电气设备的监测数据汇集到上层数据管理诊断系统。

绝缘监测系统的总体结构见图1所示：

如图1所示，绝缘监测系统的主要硬件构成包括:位于变电站控制室的监控器（主机或中央处理单元），如图1中的监控器；位于高压场中的本地测量单元，如图1中的PT、CT、MOA等单元。

安装在变电站控制室的监控器通过RS485通信总线控制各个本地测量单元的工作状态，读取测量数据与异常信息，获得反映设备绝缘状态的特征参量，并对各个设备的监测数据进行存储和处理。

本地测量单元均由A、B、C三相和基准4个取样传感器模块、信号调理及A/D采样模块、数字信号处理模块、通讯模块通信及电源模块构成。信号经传感器耦合后直接进行信号调理、采集、数字信号处理与分析，由通讯总线上传至位于控制室的监控器中。

实现原理：

容性设备是指绝缘结构采用电容屏的电气设备，主要包括耦合电容器（OY）、套管、电流互感器（CT），以及电容式电压互感器（CTV）等。其绝缘状态的好坏将直接影响整个变电站的安全运行。国内外经验表明，通过测量介质损耗参数，可较为灵敏地发现电容型设备的绝缘缺陷，目前所有的在线监测系统均把该项目作为重点测量的对象。

要实现电容型设备介质损耗参数的在线监测，关键技术是如何获得并求取2个工频基波电流信号的相位差。传统的办法是采用过零比较技术，通过计数器方式获得2个信号的时间差，然后再根据信号周期的大小转换成相位差。该方法需要采用复杂的硬件结构，对滤波器（虑除3次及以上的谐波）和过零比较器的工作稳定性要求极高！难以保证测量精度的长期稳定性。

鉴于本方案采用了高性能的32位DSP信号处理器，具有极强的信号处理运算功能，故专门设计并采用了1种以离散傅里叶变换(DFT)为核心的数字信号处理方法，来准确求取2个被测信号基波分量的相位差。

基本测量原理如图2所示：

利用2个高精度微电流传感器（CT）,把被测电流信号Ix、In变换为电压信号Ux、Un，然后由数字化测量系统对信号进行同步采样及傅里叶变换处理，获得这2个信号的基波向量及其相位夹角ph(x-n)。如果不考虑电压互感器（PT）的相位失真问题，则可以方便地计算出电容性设备Cx的介质损耗tana值。

电容型设备的介损测量通常需要选用母线电压作为相位测量的基准。传统的处理方式是把母线PT的2次侧电压信号直接提供给监测系统，其主要缺点是现场布线复杂，模拟信号在长距离的传输过程中易受电磁场干扰的影响，有可能导致介损测量结果失真。本方案所设计的绝缘监测系统采用信号处理单元的220Vac电源作为参考基准，不用PT二次信号进行远距离传输。该方法较好的解决了基准电压信号的取样问题，也是目前比较通用的解决方式。

绝缘监测系统对电容型设备tana参数的测量，是由电容型设备测量单元和基准电压测量单元共同实现。监测系统采用的方法如图2所示。其中，母线PT的二次电压信号Un经过电阻R变换为电流信号In,由安装在PT下方的本地测量单元LC1进行检测，电容型设备Cx的末屏电流信号Ix则由本地测量单元LC2检测。在监控机（主机）CS的控制下，两个本地测量单元LC1及LC2的信号采集系统同时启动，对传感器输出的模拟电压信号进行同步采样及傅里叶采样处理，得到输入信号Un及Ux相对于220Vac工作电源Us的基本波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。监控机（主机）CS只需通过通讯总线读取LC1、LC2D对应的相位测量结果，即可计算出电容型设备末屏电流信号Ix相对于母线电压Un的相位差Ph,从而获得介质损耗tana和电容量Cx等参数。该方法对数字测量系统要求较高，其中，本地测量单元的同步采用控制技术及采样精度是保证介损测量的关键。

1.2 金属氧化锌避雷器检测单元

对于金属氧化锌避雷器，主要检测它的全电流、阻性电流及容性电流。

运行状态下的氧化锌避雷器（MOA）存在以下几种特性：1，在正弦波的作用下，MOA的阻性电流中含有基波和高次谐波，基波电流发热作功，谐波电流不发热也不作功;2，即使在各种MOA阻性电流值相等的情况下，由于阻性电流基波分量与谐波分量所占比例不同，发热作功的情况也存在较大差异；3，MOA端电压中的谐波分量可从幅值和相位两个方面影响阻性电流的测量结果，但对阻性电流基波分量影响不大；4，阻性电流的基本分量可有效地反映MOA内部元件受潮、污秽等故障。实践结果表明，阻性电流分量的变化，是判定阀片劣化或受潮程度的有效方法，用MOA阻性电流的基波分量来评定MOA的小电流特性更为合理。

本绝缘检测系统对氧化锌避雷器阻性电流基波分量的监测，采用了与电容型设备类似的方法，由避雷器测量单元和基准电压测量单元共同完成。其具体方法与图2类似：母线PT的二次电压信号Un经过电阻R变换为电流信号In，由安装在PT下方的本地测量单元LC1进行检测，MOA的工作泄露电流信号Ix则由本地测量单元LC2获得。在监控器（主机）CS的控制下，两个本地测量单元LC1及LC2的信号采集系统同时启动，对传感器输出的模拟电压信号进行同步采样及傅里叶变换处理，得到输入信号Un及Ux相对于220Vac工作电源Us的基本波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。监控器（主机）CS只需通过通讯总线读取LC1、LC2相应的相位测量结果，即可计算出MOA泄露电流信号Ix相对于母线电压Un的相位差Ph。如果不考虑避雷器相间的电磁干扰问题及瓷套表面峰值泄露电流影响，则可方便的获得阻性电流的基本分量Ir等参数。其它设备的处理方法与容性设备、避雷器类似，不再阐述。

1.3 变压铁芯电流监测单元

   监测变压铁芯的接地电流。

1.4系统电压监测单元

  主要监测系统三相电压。

1.5 环境检测单元

  主要检测的是环境温度、湿度。

1.6 高压断路器监测单元

  本系统包括对高压断路器机械特性状态监测和电寿命监测两个方面。研制一套断路器在线监测与故障诊断系统，主要功能包括：

  电寿命诊断

分闸过程电流波形

正常工作和分闸过程中电流幅值

电弧持续时间

分和闸动作次数、时间及日期

主触头累计电磨损（以IT表征）及剩余电寿命

机械系统诊断

线圈分合闸时间

分合闸线圈电流波形

断路器分/合状态

  控制回路状态监测

辅助触点动作时间

该系统包括以下部分：

  数据采集单元：包括三相交流电流，分合闸线圈电流，储能电机驱动马达电流信号的采集和存储。系统主要有以下几个组成部分：

1）         位于低压侧开关出口处的光电式Rogowski线圈电流传感器、分合闸线圈电流测量线圈（可开启式柔性线圈），储能电机驱动马达电流测量线圈（可开启式柔性线圈）；

2）         光纤合并及信号处理单元（采集三相电流、分合闸线圈电流、储能电机驱动马达电流）、光缆；

3）         位于控制室的光电转换与信号处理终端（一个变电站中仅需一个终端）；

4）         位于监控中心的服务器及断路器状态监测与xxxx。

  其处理过程为：光电式Rogowski线圈电流传感器实时测量主变口的电流，可开启式柔性线圈测量各断路器动作时的分合闸线圈电流，储能电机驱动马达电流，通过光纤合并与信号处理单元转换为光信号后，经由光纤传输系统送至控制室的光电转换与信号处理终端，经终端处理和分析后，通过以太网接口发送至监控主服务器，该服务器及时了解变电站开关变位信息（对于10KV断路器，只需测量主变出口处的电流就可实现对该母线上所有的断路器的电寿命监测），根据主变出口处的电流和断路器开断状态信息，采用状态监测软件实现多个变电站内所有出线断路器（35KV及以上、10KV出线）的状态进行监测与分析。

1.2 人机界面WEB程序模块

WEB 模块用于呈现采集到的监测数据及其诊断结果，是系统主要的人机界面，可以实现设备健康图、趋势图等多种分析诊断方法。

4.2.1系统软件结构

该系统软件结构见下图：