【学术】变压器智能化应用实例探讨
西安西电变压器有限责任公司的研究人员赵立、田子九，在2014年《电气技术》杂志增刊上撰文，对330千伏智能变电站中变压器的智能化实现策略进行了介绍。结合工程中变压器的智能组件，MS3000控制柜的信号采集，在线监测系统和智能组件柜的功能，分别对其功能的实现和IED配置情况进行了阐述。
1 引言
鉴于智能变电站技术难度高，涉及复杂的设备环节，变电站智能化的趋势也日渐突出，笔者在此对智能化电站其中一种解决方案和应用实例进行介绍，以方便大家了解和探讨。
西安供电局户县330千伏新盛变电站是国家电网公司2010年第二批智能电网建设项目之一。本期规模为：安装360兆伏安主变压器两台，330千伏出线4回、110千伏出线11回。该变电站采用大量的智能设备，不但可以自动完成采集信息、控制、保护、计量和监测等基本功能，还可支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，并实现与相邻变电站的互动。
户县OSFSZ-360000/330kV变压器是西电变压器公司为陕西省电力公司生产的首台330kV电压等级超高压智能变压器，是继延安站ODFPS-700000/750kV超高压智能变压器后生产的又一批超高压智能变压器产品。
作为我国首座330kV智能电站，也是国内首座全面实现变电站“状态可视化、操作程序化、检修状态化、运行智能化”的330kV智能变电站。西安供电局户县新盛变电站在2012年6月中旬完工投运。
2 变压器智能组件介绍
依据常见的变压器智能化示意图（图1），变压器智能组件包括测量、控制和在线监测等基本功能。在某些工程中，还包括了同间隔电子式互感器合并单元、测控、保护等扩展功能。
在具体工程实际中，一般由多个独立功能设备来实现变压器智能组件监测的功能，这些功能模块主要有：
套管监测装置：监测变压器套管介损，采集套管泄漏电流、阻性电流等。
局放监测装置：采用超声波和特高频法监测变压器内部局部放电现象，并定量和定性分析局部放电类型、位置等。局部放电测量被证明是一个有效的，对电气绝缘无损害的评估方法，通过探测绝缘问题在可能引起绝缘击穿之前避免损失相当大的未计划停电。本工程中使用ICM监视器，可以连续监测高压和中压绝缘。它使用套管的电容抽头，通过电压传感器盒以及同轴电缆与套管的测量抽头连接。此抽头也用于电压和套管电容的监测（电压传感器适配器）。关于ICM监视器，将另文介绍，此处不在赘述。
油色谱监测装置：在变压器不停电条件下监测变压器油中气体，包括 H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO2、H2O等。
非电量保护：根据非电量信号完成对变压器的保护，采用电缆直采直跳方式，汇集在变压器本体端子箱中，然后转接至智能组件柜国电南自的PCX操作箱及辅助装置。
3 变压器MS3000控制柜
变压器MS3000控制柜采用Profibus现场总线技术，传感器的布线由现场总线装置完成，将信号转换为数字信号并转换成现场总线协议。现场总线装置由一组电子串联端子组成，端子的端部是Profibus耦合器并带有现场总线接口。Profibus耦合器最多可以串联64个电子端子用于各种信号形式的选择。当各部件互相锁住后，电源触点和各个单独的串联端子的内部母线端互相作用，每个单独的串联端子均可单独替换并被安装在标准的导轨上。传感器的连接通过弹簧触点技术直接安装在串联端子上。MS3000控制柜容性套管测量和电压测量的连接由50Ω同轴电缆（RG400）完成。套管测量的电压信号直接传输至测量转换器的BNC连接。
现场的两台36万变压器本体上分别安装MS3000系统的控制箱。本体端子箱提供MS3000控制箱的电源供给。
3.1变压器运行状态在线监测信号的采集
变压器运行状态在线监测采集以下信号至MS3000控制柜：
1）负荷电流、电压信号。常规互感器通过电缆直采获取高压侧电流、电压有效值。
2）顶层油温。采用PT100温度传感器，顶层油面温度计2个，安装于油箱顶部对角线位置。温度参量也在变压器本体上通过表计直接显示。
3）底层油温。变压器底层油PT100温度传感器两个，安装于冷却器框架两侧，对角位置安装。
4）绕组温度。采用9通道光纤绕组测温监视器LUMASENSE TECHNOLOGIES主机，直接测量和显示各预埋监测点的绕组温度，传送4～20mA绕组温度信号至变压器MS3000控制柜。
5）本体储油柜油位。本工程中未采用油位计，本体储油柜打破了传统储油柜的油位指示模式，取消了油位计和转换表。直接通过储油柜观测指针位置查看油位高低，直接采集4~20mA信号对油位进行连续监测。
6）气体聚集量。气体继电器安装于储油柜与变压器本体的连接管道上，对变压器产生的少量气体（轻瓦斯）进行监测，提供轻瓦斯报警、重瓦斯跳闸信号，根据需要可采集4～20mA信号对气体聚集量进行连续监测。
7）环境温、湿度。环境温度采集采用PT100传感器，湿度越限启动除湿设备。
8）铁心接地电流。采用穿心式CT，安装于铁心接地线上。每台变压器上安装铁芯接地电流传感器CT盒。MS3000控制箱敷设一根电源供应电缆至铁芯接地电流传感器CT盒，提供DC24V电源。每台变压器按接线图从铁芯接地电流传感器CT盒将接地电流信号（4-20mA）传送到MS3000控制箱。
变压器MS3000控制箱采集上述信号并经软件处理后，通过IEC61850方式，将变压器实时运行状态及告警等信号送入站控层MMS网。
MS3000控制柜根据变压器过载能力数据，并结合环境温度、高压侧负荷、油温和绕组温度，将变压器的当前最高变送容量数据经过专家诊断系统分析处理，通过智能组件柜送给远方调度，使得调度可以充分利用变压器的变送容量，保证变压器的可靠安全运行，实现变压器过载能力的优化。
3.2变压器冷却控制功能
变压器从风冷控制箱内将两个风扇组的开关状态信号连接至MS3000控制箱。变压器MS3000控制柜通过电缆直采获取高压侧负荷电流、电压信号，再结合实时采集到的变压器顶层、底层油温、绕组温度等信号，软件评估绕组的热点温度，自动逐台或分段（组）投切相应数量的油泵和风扇，控制智能组件柜中冷却系统的运行，冷却系统可在变压器旁就地手动操作，也可在控制室中通过智能测控装置遥控操作。
3.3变压器有载调压分接头控制功能
每台变压器上从有载分接开关电动机构敷设电缆连接到MS3000控制箱，将有载分接开关盘式电阻器上的档位信号接入MS3000控制柜。
智能测控装置通过电缆直采或从站控层获取变压器负荷电流、电压信号，按照设定的调压控制方式，自动向有载调压开关控制器发出调节指令，或从站控层获取远方遥控命令调节变压器分接头档位。
MS3000控制柜从有载调压分接头开关就地控制器获取分接头档位、调节操作次数、OLTC异常状态等信号，这些信号通过IEC61850发送至站控层网络。
4 变压器全面在线监测、诊断和专家诊断系统MS3000（主IED装置方案）
本工程变压器在线监测系统MS3000（以下简称MS3000系统）主IED装置需要与变压器油色谱在线监测装置厂家接口，故需要与相应第三方供货厂家协商具体的物理接口、软件算法处理等技术细节，然后再细化变压器在线监测主IED装置的具体实施方案。系统概况如图2所示。
一般情况下，变压器在线监测主IED装置可选择配置多个以太网接口板卡或RS485接口板卡。通过以太网或RS485串口接收厂家油色谱装置采样数据，并根据相关厂家提供的算法完成油色谱在线监测功能。
在本工程中，我们将MS3000系统 IED模块安装在变压器智能组件柜中。变压器油色谱在线监测装置由第三方提供，两台变压器油色谱分析仪连接至以太网交换机，然后通过一根光纤（ST头多模光纤62.5/125μm或者50/125μm）连接到MS3000 IED模块背后专门提供的RJ45端口。（使用IEC60870-104通讯规约将油色谱分析仪信号集成进MS3000系统）。
变压器在线监测主IED支持IEC61850通讯规约，可直接接入数字化变电站站控层MMS网。我们首先将电站现场提供的专门电话线连接至MS3000 IED模块背后的电话端口，电站现场提供的局域网线插入MS3000 IED模块背后使用TCP/IP协约提供的RJ45端口，供MS3000网页可视化。然后使用用户自备光纤（62.5/125μm或者50/125μm，1300、1310nm,100Mbit/s 全双工通讯制）插入MS3000 IED模块背后光纤端口，然后连接至第三方提供的站用平台，供MS3000使用IEC61850通讯规约进行数据传送。
按照系统结构图和接线图，使用MS3000提供的20米铜缆将变压器智能组件柜内MS3000 IED模块与组件柜附近变压器上的MS3000控制箱进行连接。
按照系统结构图和接线图，使用MS3000提供的100米铜缆将两台变压器进行相互连接。
5 变压器智能测控（主变智能组件柜）功能
5.1.变压器智能组件控制柜GPSIU602-201功能
本工程通过整合原变压器的运行状态在线监测、有载调压分接头控制和冷却系统监视、控制等功能，在智能控制柜上实现上述全部功能。利用采集的变压器各种运行状态参数，经过软件分析和识别，从而实现变压器智能化。具体情况见图3智能组件柜功能示意图。
变压器智能组件控制柜通过IEC61850通讯规约接入数字化变电站的站控层（过程层），实现变电站内数据共享和互操作功能。它还可以通过IEC61850规约从站控层接收分接头远方遥控命令，同时上送分接头当前档位、操作次数和异常状态等信息。
本组件控制柜可就地户外安装，防护等级为IP55。端子箱和MS3000控制箱就近安装在变压器本体上，方便现场各种传感器的电缆连接。现场传感器通过4~20mA、串口或空接点等方式分别接入变压器端子箱和MS3000控制箱。
本组件控制柜通过交流采样板卡实时采集风扇和油泵电机的交流电流信号，油流状态信号以及冷却装置的各种自检信号，上述信号及冷却装置异常告警信号通过IEC61850送到站控层MMS网。
本组件控制柜从站控层（过程层）网络获取或直采变压器负荷电流，油面温度、绕组温度等相关信息，经过PSIU602智能终端处理，就地控制变压器冷却系统，并回采和上送冷却系统的运行状态。
5.2. 变压器智能组件柜技术特点
变压器智能组件控制柜（智能测控装置）采用IP55防护等级，满足户外就地安装要求。变压器智能控制柜（智能测控装置）具有如下特点：
1）支持IEC61850 MMS通讯方式，绝对放电电流NQS等技术参数的设置和可视化可以通过监测系统的可视化网页界面来完成。
2）采用整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，大大增强抗干扰能力，达到电磁兼容各项标准的最高等级。
3）智能组件柜通过整合变压器相关运行状态监视信号，在一台装置内完成多个功能，结构紧凑，装置内数据共享，简化了其它厂家多装置接入数据共享繁琐问题，节约投资。
4）通过结构设计及元器件的严格筛选解决了现场高、低温运行环境影响设备可靠运行的问题。装置经过严酷的高低温试验，可在户外恶劣环境中可靠运行。
6 结论
智能变电站中智能变压器的应用，是个新兴的课题。通过上文所述的几个方面的介绍，希望能对变压器的智能化技术应用有一定的普及，以便相关方面的专家和技术人员加速智能变压器技术的研究和探索。我们相信，随着智能电网技术的逐步发展和应用，将会有更先进的技术应用在工程实践中。