TDM – комплексная система мониторинга и диагностики состояния силовых трансформаторов

Комплексная система мониторинга и диагностики марки «TDM» (Transformer Diagnostics Monitor) предназначена для:

• контроля соответствия текущих параметров работы трансформатора нормативным требованиям;
• проведения автоматизированной экспертной диагностики дефектов и оценки технического состояния трансформатора;
• передачи системой в АСУ-ТП более высокого уровня первичной и обработанной информации для использования в более сложных интегрированных системах контроля.

Технические и программные особенности системы TDM

• Практическая реализация модульной структуры технических средств системы, когда гибкий набор функционально дополняющих друг друга диагностических модулей позволяет оперативно создавать систему мониторинга трансформатора любой сложности.
• Единое многоуровневое программное обеспечение INVA, реализующее функции мониторинга и автоматизированной диагностики. Элементы этого ПО устанавливаются в первичных модулях мониторинга, в АРМ трансформатора, АРМ подстанции, АРМ территориального энергетического предприятия. Иерархическая структура ПО INVA позволяет комплексно решать задачи управления эксплуатацией трансформаторов.
• Наличие в программном обеспечении INVA системы TDM набора эффективных экспертных алгоритмов, позволяющих проводить углубленную оценку технического состояния контролируемого трансформатора.

Организация мониторинга трансформаторов при помощи системы TDM

Модульная структура технических средств, основанная на общей информационной шине, что позволяет оперативно создавать системы мониторинга и диагностики с необходимыми свойствами. Это позволяет минимизировать экономические затраты на организацию диагностического мониторинга.

Кроме модулей системы TDM в состав комплексной системы мониторинга могут быть включены любые приборы регистрации и контроля параметров масла и растворенных газов и других дополнительных диагностических параметров.

В зависимости от требований технического задания для конкретного контролируемого трансформатора в состав системы TDM могут входить до 20 диагностических модулей, к которым может быть подключено до 100 первичных датчиков различного типа, измеряющих различные технологические параметры работы.

По итогам работы диагностических алгоритмов в программе INVA рассчитывается единый коэффициент текущего технического состояния трансформатора. Этот коэффициент комплексно отражает состояние трансформатора, поэтому его максимально удобно использовать в системах управления эксплуатацией высоковольтного оборудования более высокого уровня.

Коэффициент текущего технического состояния Kттс не следует путать с широко применяемым и нормированным в настоящее время индексом технического состояния Итс. Индекс технического состояния оборудования описывает состояние оборудования в условиях полного жизненного цикла оборудования, который обычно включает в себя несколько межремонтных периодов.

Эти два коэффициента описывают разные аспекты текущего технического состояния оборудования, их значения на момент проведения измерений и контроля состояния обычно не совпадают и достаточно слабо коррелируют друг с другом, как это показано на рисунке.

Коэффициент технического состояния оборудования изменяется в пределах одного межремонтного цикла, а индекс технического состояния обычно монотонно уменьшается, незначительно изменяясь при возникновении и устранении дефектных состояний.

Технические особенности системы TDM

В основу разработки технических средств системы TDM был положен универсальный модульный принцип:

• Основной элемент технических средств – отдельный диагностический модуль с набором датчиков.
• Модуль реализует один диагностический метод для контроля всего трансформатора или набор методов для диагностики состояния отдельной подсистемы трансформатора.
• Все модули TDM работают как составные элементы общей системы мониторинга и диагностики.
• Основой для интеграции отдельных модулей в систему является общая информационная шина, проходящая через все модули.
• Информация, регистрируемая одним модулем, по общей шине доступна для использования другими модулями.

В системе TDM реализован комплексный подход к диагностике состояния трансформатора, когда итоговая оценка состояния трансформатора производится на основании обобщающего анализа результатов работы, полученных экспертными программами всех модулей системы.

Конструктивное исполнение системы TDM

Все модули системы TDM рассчитаны на работу в промышленном диапазоне температур от 40°С без использования элементов подогрева.

Стандартно система TDM поставляется в защитном шкафу из нержавеющей стали, в котором монтируются все необходимые модули и устройства. В шкафу устанавливается система подогрева, предназначенная для поддержания необходимого климатического режима работы электронного оборудования. Для обеспечения работы системы в экстремальных условиях в шкафу монтируется дополнительная система подогрева, или кондиционер, в зависимости от технического задания.

Такое универсальное исполнение системы TDM позволяет монтировать диагностическое оборудование непосредственно рядом с контролируемым трансформатором, уменьшая длину сигнальных кабелей.

Для передачи информации в локальную вычислительную сеть АСУ-ТП более высокого уровня в системе TDM используются оптический кабель, витая «медная» пара, или радиоканал.

Система TDM – интеллектуальный элемент общей системы управления эксплуатацией высоковольтного оборудования энергосистемы

Технические и алгоритмические решения системы TDM соответствуют решениям, принятыми фирмой «ДИМРУС» при создании других систем мониторинга, например, для КРУЭ (система GIS-DM), высоковольтных кабельных линий (системы КМК и CDM), и т. д.

Универсализация систем мониторинга дает возможность оперативно обмениваться первичной информацией между различными системами мониторинга и оценивать состояние всего комплекса высоковольтного оборудования.

Это позволяет эффективно и быстро создавать обобщенные системы мониторинга технологически связанного высоковольтного оборудования, реализуя принцип комплексного мониторинга узла или транзита электроэнергии.

Перечень и основные функции модулей системы TDM

Программное обеспечение INVA для мониторинга и автоматизированной диагностики состояния трансформаторов

Совместно с техническими средствами системы TDM, предназначенными для регистрации и первичной обработки информации, фирмой «ДИМРУС» поставляется уникальное программное обеспечение «INVA».

Состав и функции программного обеспечения INVA

В состав ПО INVA входит набор алгоритмов и программ, решающих вопросы, связанные со сбором первичной информации, ее хранением, экспертной обработкой и формированием итоговых диагностических заключений о состоянии контролируемого трансформатора.

Элементы программного обеспечения INVA работают на разных уровнях реализации системы TDM.

Модули системы TDM

Информация от датчиков сбора первичной информации, смонтированных на трансформаторе, регистрируется, обрабатывается и хранится в необработанном виде в функциональных диагностических модулях. Управление работой каждого модуля производится встроенной программой на микропроцессорном уровне. В этой программе осуществляется основная параметрическая диагностика состояния трансформатора, формируются сигналы о превышении пороговых значений критических параметров.

Основной модуль M0 системы, работающий по сигналам программного обеспечения INVA, управляет работой всех диагностических модулей, собирает от них первичную информацию, интегрирует ее и передает на уровень АРМ подстанции (трансформатора).

В составе каждого модуля системы реализована специализированная экспертная система, результатом работы которой является диагностическое заключение о текущем техническом состоянии контролируемой подсистемы трансформатора.

АРМ подстанции – основной уровень мониторинга состояния трансформатора.

Этот уровень является основным для сбора, визуализации, хранения и экспертной обработки информации о состоянии трансформатора.

Вся необходимая информация о работе трансформатора, как первичная, так и специально обработанная экспертными программами в модулях, отображается на экране компьютера АРМ в цифровом значении и в виде стандартных светофоров состояния - «зеленый», «желтый», «красный», предназначенных для оперативного персонала.

При оценке текущего состояния трансформатора в INVA на уровне АРМ подстанции учитывается информация от дополнительных диагностических приборов (контроль растворенных газов, параметров энергопотребления и т.д.), а также используется необходимая информация из системы АСУ ТП более высокого уровня.

Специальный диагностический персонал при необходимости может, используя программные средства АРМ трансформатора, проводить углубленный анализ и обработку всей имеющейся информации.

Оценка технического состояния трансформатора

Мониторинг технического состояния и экспертная оценка состояния трансформатора являются основной целью применения систем TDM.

В связи со сложностью и взаимосвязанностью процессов в трансформаторе итоговая диагностическая процедура является многопараметрической, комплексной, поэтому выполняется в программном обеспечении INVA на нескольких алгоритмических уровнях и в несколько этапов.

• Оперативная параметрическая оценка состояния трансформатора в основном производится в диагностических модулях TDM и частично в АРМ трансформатора (подстанции). Такая оценка проводится на основании сравнения измеренных величин с пороговыми значениями критических параметров трансформатора, для которых существуют эти значения.
• Экспертная оценка состояния трансформатора и диагностика дефектов.

Для формирования комплексных диагностических заключений в экспертной программе используются сложные диагностические модели, в которых характерные параметры используются от нескольких диагностических моделей отдельных подсистем трансформатора.

Диагностические заключения по несвязанным подсистемам контролируемого трансформатора ранжируются по интенсивности развития выявленных дефектов, по степени их опасности для эксплуатации оборудования. Такие дефекты приводятся в виде простого списка.

На формирование комплексных диагностических заключений оказывают влияние дополнительные встроенные модели: для определения наиболее нагретой точки обмотки, оценка эффективности работы системы охлаждения, комплексного влагосодержания в масле и в твердой изоляции, и т. д.

Формирование отчетов о состоянии и управление эксплуатацией трансформатора

По результатам параметрической и экспертной диагностики программой INVA в автоматическом режиме производится формирование отчетов о состоянии трансформатора. Отчеты представляются в формате Word, что дает возможность экспертам при необходимости уточнять и корректировать информацию.

Созданные отчеты включают в себя данные об информационно важных первичных параметрах трансформатора, сведения о выявленных экспертными алгоритмами дефектах.

В отчетах приводится дополнительная информация, описывающая вероятные сроки развития дефектных состояний до критического уровня. Для этого в программном обеспечении INVA используются уникальные адаптивные модели развития дефектных состояний. Параметры этих математических моделей оперативно уточняются программой для каждого трансформатора по мере набора информации.

Для удобства анализа состояния трансформатора как элемента узла (подстанции) или составной части транзита энергии, программой INVA рассчитывается обобщенный коэффициент технического состояния трансформатора. Это дает возможность использования результатов работы системы TDM в диагностике типа «поиск слабого звена».

Математические модели и диагностические алгоритмы

В программном обеспечении модулей системы TDM и в ПО INVA реализованы многоуровневая параметрическая диагностика и автоматизированная экспертная оценка состояния трансформатора на основе математических моделей и алгоритмов.

Параметрическая диагностика основана на контроле значений критических параметров трансформатора, для которых имеются нормативные пороги состояния. Параметрическая диагностика строится на анализе трех значений критических параметров:

• Текущие установившиеся значения критических параметров.
• Скачок критических параметров, отражающий быстрые изменения состояния трансформатора.
• Тренд изменения критических параметров, отражающий медленные изменения технического состояния трансформатора.

Диагностика на основе встроенных математических моделей предназначена для выявления дефектных и предаварийных состояний контролируемого трансформатора при помощи экспертных алгоритмов. Эта диагностика выполняется с использованием адаптированных к системе TDM эффективных экспертных алгоритмов, реализованных в программном обеспечении системы мониторинга, расположенных на уровнях обработки информации II, III и IV.

Многоуровневая реализация технических и программных средств

Программные и технические средства системы TDM включают в себя несколько уровней регистрации, обработки информации, мониторинга и диагностики технического состояния трансформатора.

Стандартная поставка технических и программных средств системы TDM включает в себя до 4 уровней регистрации, обработки информации и принятия решения о техническом состоянии контролируемого трансформатора.

Уровень I (уровень первичных датчиков) – технический уровень сбора исходной информации. Он включает в себя все первичные датчики системы TDM, а также все дополнительные датчики и приборы, контролирующие состояние трансформатора.

Уровень II (уровень модулей системы TDM) – технический и программный уровень первичной обработки данных от датчиков, уровень осуществления параметрической диагностики работы трансформатора.

Уровень III (диагностический уровень подстанции) – программный уровень комплексной экспертной оценки технического состояния трансформаторов. Представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ). Уровень III технически реализован в виде отдельного шкафа АРМ с компьютером и средствами связи.

Уровень IV (диагностический уровень энергопредприятия) – технический и программный уровень визуализации информации о состоянии оборудования всех подстанций энергопредприятия. Представляет собой шкаф - автоматизированное рабочее место (АРМ). При необходимости на этом уровне диагностики производится оценка рисков возникновения дефектов в наиболее ответственном оборудовании. На этом уровне возможно проведение интегральной диагностики влияния состояния трансформатора (трансформаторов) на состояние транзита электроэнергии.

Уровни программного обеспечения INVA

Программное обеспечение INVA, поставляемое с системами TDM для мониторинга трансформаторов, включает в себя базовые математические и диагностические модели для уровней IV, III и частично II. Набор дополнительных экспертных модулей и математических моделей для этих уровней, например, для сравнительной оценки влияния состояния трансформатора на техническое состояние общего транзита энергии (уровень IV), оговаривается при заказе системы отдельно.

Программное обеспечение INVA обеспечивает передачу и интеграцию информации в систему АСУ ТП уровней III и IV с использованием протокола МЭК 60870-5-104. Это позволяет оперативно и безопасно использовать существующие информационные сети заказчика.

Основными задачами, решаемыми при интеграции системы TDM в АСУ ТП, являются:

• Получение в АСУ ТП на уровнях III и IV оперативной информации о состоянии трансформатора в объеме, необходимом для оценки оперативным персоналом текущей ситуации и принятия решений.
• Возможность получения первичной информации о состоянии трансформатора от других подсистем АСУ ТП без использования в TDM дополнительных датчиков.
• Автоматическая синхронизация «внутреннего времени» ПО системы TDM со временем системы АСУ ТП и «глобальным временем».
• Локальный и удаленный доступ к «разрешенным» данным и результатам работы системы TDM с использованием ресурсов АСУ ТП, в том числе WЕВ — доступ.
• Удаленный контроль правильности функционирования и исправности технических и программных средств системы TDM.

Параметрические и экспертные математические модели, используемые в системе TDM для оценки технического состояния трансформатора

Оценка технического состояния силовых трансформаторов, как и любого другого высоковольтного электротехнического оборудования, в системах диагностического мониторинга производится на основании комплексного использования двух типов диагностики:

• Параметрической, основанной на сравнении измеренных значений эксплуатационных параметров с их нормированными значениями, заданными для данного типа оборудования и доступных для измерения. Используемые в этом типе диагностики первичные параметры трансформатора должны контролироваться с применением метрологически поверенных измерительных каналов. Параметрическая диагностика наиболее проста для практического использования и находит самое широкое применение.
• Экспертный анализ величин эксплуатационных и расчетных параметров и их сочетаний, для которых не разработано нормированных значений. Этот тип диагностики более сложен для практического применения, так как требует использования специализированных математических моделей (формализованных алгоритмов), описывающих совокупность признаков возникновения дефектных ситуаций. Большинство первичных параметров, используемых в таких моделях, носят индикаторное значение, так как более важным является их взаимное сочетание. Поэтому используемые для их контроля измерительные каналы достаточно просто калибровать после изготовления. Основной проблемой использования экспертной диагностики является то, что создание информативных математических моделей может быть выполнено только экспертами высокого уровня.

Сбалансированное сочетание результатов работы этих двух дополняющих друг друга типов диагностики позволяет достаточно корректно оценивать текущее техническое состояние контролируемого трансформатора.

Третий тип диагностических математических моделей силового трансформатора, используемых в экспертном ядре систем мониторинга, предназначен для прогнозирования развития технического состояния трансформатора на будущих этапах его эксплуатации. Основой для создания таких моделей служат алгоритмы предиктивной аналитики, позволяющие рассчитывать не только величину остаточного ресурса контролируемого трансформатора, но и определять оптимальные сроки проведения сервисных и ремонтных работ.

Для оценки текущего технического состояния и управления эксплуатацией контролируемого силового трансформатора в системе диагностического мониторинга марки TDM запрограммированы и могут быть использованы все математические модели, предусмотренные документом СТО 56947007-29.200.10.011-2008, изменения от 12.12.2019 для реализации АСМД, а также ряд дополнительных математических моделей, разработанных сотрудниками компании ДИМРУС.

Для учета перенапряжений в питающей сети используется простая параметрическая (пороговая) математическая модель (по ГОСТ 1516.3, Приложение Б).

При использовании системы диагностического мониторинга TDM анализатор концентраций растворенных газов в масле информационно подключается к диагностическому модулю M0, в котором производится анализ соотношений концентраций характерных газов для выявления признаков дефектных состояний согласно документу СТО 34.01-23-003-2019.

Для расчетного определения температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора и скорости износа изоляции используется математическая модель, соответствующая МЭК 60076-7-2018.

Полное описание математических моделей системы TDM читайте в документе "Структура экспертных математических моделей силовых трансформаторов, реализованных в системе TDM".

Скачать документацию по системе TDM

Похожие материалы:

• Методическое руководство по выбору технических и программных средств для систем мониторинга силовых трансформаторов
• DB-2 – датчики для регистрации токов проводимости и ЧР в высоковольтных вводах