Condition Monitoring of Power Transformers in Digital Substations

Abstract

Aldring av krafttransformatorer i kraftsystemet øker behovet for vedlikehold og reinvesteringer. Det er i dag en mangel på tilstrekkelige data- og analysesystemer for estimering av tilstand og restlevetid av krafttransformatorer. Det er en utfordring å omstrukturere anleggsforvaltning med hensyn til å samle inn relevante data og å innføre nye systemer for å håndtere og analysere dataene. Det er et stort potensiale for økt verdiskapning med tilstandskontrollsystemer.

Denne oppgaven undersøker potensielle muligheter for bedre håndtering av tilstandsdata og bruk av tilstandskontrollsystemer for krafttransformatorer. Målet er å kunne forbedre vedlikeholds- og reinvesteringersbeslutninger med det formål å øke kostnadseffektiviteten. Krafttransformatorer er kostbare og innføring av tilstandskontroll vil medføre bedre over-våkning av tilstand som kan legge til rette for å justere belastningen, for å tilpasse ytelsen til hver enkelt krafttransformator, og planlegge vedlikeholdsarbeid.

Naturlig aldring medfører nedbrytelse av krafttransformatorer. Når en nedbrytelse har nådd et visst nivå, vil krafttransformatorer havarere og et brudd i nettet kan oppstå. Ved hjelp av ulike måleteknikker kan man måle parametre som indikerer graden av aldring. Et tilstandskontrollsystem kan rapportere når en krafttransformator når en kritisk svekket tilstand, og dermed kan man få gjort tiltak før et havari oppstår.

En ny type transformatorstasjon kalt digitalstasjon, innfører et nytt koblingsanlegg som erstatter tradisjonelle kobberkabler mellom felt og stasjon med en Ethernet kabel kalt prosessbuss. På samme måte brukes en Ethernet kabel mellom reléer og stasjonsenheter, kalt stasjonsbuss. Ulike måter å integrere tilstandskontroll i slike koblingsanlegg er presentert og diskutert i denne oppgaven.

Kommunikasjon i digitale stasjoner er baset på IEC 61850 standarden. Den har som mål å sikre interoperabilitet mellom enheter fra ulike leverandører, og er ment å være en komplett standard som skal dekke hele koblingsanlegget og nettverket mellom driftssentral og stasjoner. Oppgaven beskriver standardens oppbyggning, kommunikasjonsprotokoller og datasikkerhetsapekter. En praktisk anvendt programkode for en RTU er gitt for å demonstrere standarden.

Etter å ha presentert det grunnleggende rammeverket, er en kort leverandørundersøkelse av tilstandskontrollsystemer på markedet gitt. Den undersøker hva slags komponenter og måleteknikker disse systemene består av, og gir et grovt prisoverslag for ulike tilstandskontrollsystemer.

Ageing power transformers in the power system increase the need for maintenance and reinvestments. There is currently a shortage of adequate data and analysis systems for estimation of condition and residual lifetime, to facilitate decision-making. It is a challenge to restructure asset management with regard to collect relevant data and to introduce new systems for handling and analysing the data. There is a large potential for increased value creation with condition monitoring systems.

This thesis examines potential opportunities for better management of condition data and utilisation of condition monitoring systems for power transformers. The aim is to improve maintenance and reinvestment decisions, with the purpose to increase cost efficiency. Power transformers are expensive and implementation of condition monitoring will improve the monitoring, which can be used to adjust the load, to adapt the capability of individual power transformers, and to plan maintenance and reinvestment activities.

Natural processes degrade power transformers. A breakdown occurs when the degree of degradation has reached a certain level. By using various diagnostic techniques, it is possible to monitor parameters that indicate the degree of degradation. A condition monitoring system can report when a power transformer has reached a severely reduced state, and thus enable the user to take action before a breakdown occurs.

A new type of substation referred to as digital substation, introduces a new substation automation system that reduces the amount of copper cables between the field and the substation, by using an Ethernet cable known as the process bus. Similarly, an Ethernet cable is utilised between the bay level and the station level, known as the station bus. This thesis proposes ways of integrating condition monitoring systems into the digital substation.

Communication in digital substations is based on the IEC 61850 standard. The standard aims to achieve interoperability between devices from different vendors, and is intended to be a complete standard that will cover the entire substation automation system and the network between the substation and the control centre. The thesis presents the standard's data model, communication mappings and cyber security aspects. A practical piece of code for an RTU is shown to demonstrate the standard.

After the fundamental framework is a short vendor survey of condition monitoring systems commercially available presented. It examines what components and monitoring facilities these systems have implemented, and provides a rough price estimate for various condition monitoring systems.