變電設(shè)備狀態(tài)接入控制器的研究

劉 娟，魯麗萍

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京 102200）

0 引言

常規(guī)變電站內(nèi)安裝的在線監(jiān)測裝置涉及專業(yè)不同［1］，廠家較多，一般站內(nèi)并存多套監(jiān)測系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)信息共享［2］，也難以基于各類監(jiān)測數(shù)據(jù)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析判斷。按照國家電網(wǎng)公司的統(tǒng)一要求［3］，各網(wǎng)省公司部署了統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)并集成到生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）中，在變電站狀態(tài)監(jiān)測主站端選擇狀態(tài)接入控制器（CAC，Condition Acquisition Controller）。

CAC是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中承上啟下的重要一環(huán)［4］。CAC接入的傳感器量［5］有主變油色譜、SF6氣體密度、微水監(jiān)測、主變局放、鐵芯接地、開關(guān)特性監(jiān)測、容性設(shè)備絕緣監(jiān)測、避雷器絕緣監(jiān)測以及蓄電池組在線監(jiān)測等。該裝置采用了IEC 61850統(tǒng)一變電站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測裝置通信協(xié)議［6］，統(tǒng)一狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)格式和接口，使IED即插即用和互操作成為可能［7］，向上統(tǒng)一出口，使實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合利用和診斷分析成為可能［8］，不僅能夠給變電站維護(hù)帶來方便，也有助于全面清晰地了解變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、變化發(fā)展趨勢以及潛在問題，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供輔助決策支持。

1 CAC總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAC安裝在站控層，以變電站為監(jiān)測對象，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行控制及所有變電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的匯集存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。CAC的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖（見圖1），分為過程層、間隔層和站控層。狀態(tài)接入網(wǎng)關(guān)機(jī)（CAG，Condition Acquisition Gateway）部署在主站系統(tǒng)測，接收CAC發(fā)送到主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

圖1 智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

CAC擔(dān)負(fù)著通過標(biāo)準(zhǔn)化的I1接口獲取全站在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的任務(wù)，獲得的數(shù)據(jù)再通過標(biāo)準(zhǔn)化的I2接口，批量傳送到位于狀態(tài)評價(jià)中心的主站系統(tǒng)［6－7］。因此，CAC是變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)高度整合的核心，是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化傳輸?shù)闹黧w，是狀態(tài)評價(jià)中心連續(xù)獲取在線監(jiān)測信息的站內(nèi)節(jié)點(diǎn)。

1.2 硬件要求

CAC裝置以高性能的嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式安裝結(jié)構(gòu)，配備光電以太網(wǎng)交換機(jī)；配置多個(gè)以太網(wǎng)口、多個(gè)光電隔離的串口，寬輸入電壓、寬工作溫度，整機(jī)無風(fēng)扇設(shè)計(jì)。CAC對可靠性要求高，電磁兼容能力要達(dá)到電力四級，包括：工頻磁場、脈沖磁場、高頻干擾、電源快速瞬變脈沖群、靜電放電、電源跌落、電源浪涌、高溫影響測試、低溫影響測試、電源沖擊電壓等。

1.3 通信環(huán)境

1）具備光纖通信端口 光口應(yīng)用在站控層向下。間隔層與站控層之間采用光纖傳輸，傳輸速率為100 Mbps。

2）以太網(wǎng)通信端口 電口應(yīng)用在站控層向上。應(yīng)配置標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡，并安裝滿足IEC 61850通信規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信程序，傳輸速率為100 Mbps。

2 CAC的功能

圖2 變電設(shè)備狀態(tài)接入控制器功能結(jié)構(gòu)圖

變電設(shè)備狀態(tài)接入控制器功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。CAC承擔(dān)站內(nèi)全部監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和對監(jiān)測裝置、綜合監(jiān)測單元的管理，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析、預(yù)警（數(shù)據(jù)處理功能，配置化顯示界面功能）功能，以及對監(jiān)測裝置和綜合監(jiān)測單元設(shè)置參數(shù)、數(shù)據(jù)召喚、對時(shí)、強(qiáng)制重啟等控制功能，并能與主站（CAG）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化通信。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對下層裝置的通信控制I1接口和對上層主站（PMS系統(tǒng)）的I2接口、實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、安全隔離裝置、安全控制模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示查詢等。

2.1 通信功能

通信平臺主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集（采用I1接口）、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（采用I2接口）、系統(tǒng)配置等功能。

CAC裝置能根據(jù)國家電網(wǎng)公司關(guān)于變電設(shè)備在線監(jiān)測通信規(guī)約（I1、I2）的要求，分別實(shí)現(xiàn)與在線監(jiān)測裝置和CAG的通信接口，并能擴(kuò)展其他通信規(guī)約。

1）通信鏈路 系統(tǒng)支持CAN、RS-232／485、以太網(wǎng)等接口方式，通信模塊采用插件模式，每個(gè)通信鏈路可獨(dú)立配置，支持以下規(guī)約的通信鏈路配置：向上支持I1規(guī)約、其他擴(kuò)展支持的非I1規(guī)約（Modbus，CDT，IEC-101／104、網(wǎng)絡(luò)103規(guī)約等）；向下支持I2規(guī)約及其他非I2規(guī)約。

2）工程化組態(tài)功能 若采用IEC 61850規(guī)約通信，應(yīng)能依據(jù)在線監(jiān)測裝置廠家提供的裝置ICD文件，通過CAC的組態(tài)工具進(jìn)行配置，形成配置文件，下裝到在線監(jiān)測裝置。通過組態(tài)工具，多個(gè)ICD可合并成一個(gè)配置文件。

3）測點(diǎn)配置功能 若CAC裝置能與主站系統(tǒng)采用Web Service或104規(guī)約通信，能夠依據(jù)在線監(jiān)測裝置廠家提供的測點(diǎn)配置文件進(jìn)行測點(diǎn)配置。

2.2 I1接口實(shí)現(xiàn)的IEC 61850服務(wù)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是迄今為止最為完善的關(guān)于變電站自動(dòng)化的通信標(biāo)準(zhǔn)［8］，是智能變電站應(yīng)用技術(shù)的重要支撐［9］。變電站信息建模標(biāo)準(zhǔn)化和信息共享的實(shí)現(xiàn)正是基于它具有的自描述功能和開放互操作性、擴(kuò)展性要求等優(yōu)點(diǎn)。I1實(shí)現(xiàn)的IEC 61850服務(wù)如表1所示。

表1 I1實(shí)現(xiàn)的IEC 61850服務(wù)

2.3 I2接口功能

I2接口功能包括I2接口配置管理工具及模板、傳輸信息類型，接入CAG配置，定時(shí)發(fā)送、日志、數(shù)據(jù)庫設(shè)置、與主站通信、支持主站控制指令功能。I2實(shí)現(xiàn)的功能如表2所示。

表2 I2實(shí)現(xiàn)的功能

2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)分類 將數(shù)據(jù)按照模擬量、數(shù)字量、累計(jì)量、文件、曲線等不同類型分別歸類，放入指定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，按照不同的算法進(jìn)行處理。

2）數(shù)據(jù)處理 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)篩選：主要指對實(shí)時(shí)通信報(bào)文的篩選功能，以輔助對實(shí)時(shí)通信情況進(jìn)行分析；非法數(shù)據(jù)篩選：能夠從過程通信報(bào)文中篩選出與本規(guī)約無關(guān)的報(bào)文，排除對分析人員的誤導(dǎo)，能夠根據(jù)一定的邏輯，排除明顯不符規(guī)則的數(shù)據(jù)；條件篩選：根據(jù)報(bào)文的某些特定參數(shù)或共性進(jìn)行篩選，歸納出具有相同屬性的一系列報(bào)文。支持?jǐn)?shù)據(jù)越死區(qū)傳輸。

3）異常測點(diǎn)剔除 在線監(jiān)測過程中，由于突發(fā)設(shè)備啟動(dòng)、線路抖動(dòng)和雷電沖擊等偶然影響，將會產(chǎn)生偶發(fā)的異常監(jiān)測點(diǎn)。這些異常值的存在將歪曲分析結(jié)果。將大于3σ的數(shù)據(jù)剔除，或利用53 H算法進(jìn)行平滑估計(jì)降低異常數(shù)據(jù)的影響。

4）數(shù)據(jù)計(jì)算 根據(jù)現(xiàn)場需求，可通過公式編輯器生成某些必要測量量的數(shù)據(jù)計(jì)算：特定計(jì)算，包括三相電壓之和、總烴計(jì)算等；根據(jù)分量通過某些運(yùn)算生成總量；模擬量最大、最小、平均、日累計(jì)、月累計(jì)、年累計(jì)、越限次數(shù)及越限時(shí)間等，模擬量數(shù)值的線性放大或縮??；遙信量狀態(tài)變化次數(shù)及時(shí)間；累計(jì)量日、月、年各種統(tǒng)計(jì)；自定義計(jì)算；告警虛點(diǎn)計(jì)算：某些結(jié)論是在多個(gè)越限條件同時(shí)滿足時(shí)才能得出的，此時(shí)需要將最終結(jié)論生成告警事件。

2.5 歷史數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定期存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、以Web方式展示或轉(zhuǎn)發(fā)給上級主站系統(tǒng)，數(shù)據(jù)包括5 min、1 h數(shù)據(jù)存儲、原始數(shù)據(jù)、整點(diǎn)實(shí)時(shí)采集值。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括1 h內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值、正態(tài)分布等；當(dāng)天0點(diǎn)的實(shí)時(shí)采集值；1天內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值等。

2.6 自管理功能

自管理功能列表如表3所示。

表3 自管理功能列表

2.7 Web展示

CAC裝置的展示功能以Web方式對外發(fā)布，Web展示模塊可以在本地CAC上訪問，用戶使用瀏覽器輸入CAC的IP地址也能夠遠(yuǎn)程對其訪問。提供監(jiān)測裝置的分類菜單和查詢功能，分類菜單按照量測類歸類，每個(gè)量測類節(jié)點(diǎn)菜單下包含該類型的所有監(jiān)測裝置。

Web展示功能包括基本功能和核心功能兩部分，基本功能包括基本信息管理、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)備份和恢復(fù)等；核心功能包括在線數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)分析、綜合診斷算法、實(shí)時(shí)工況監(jiān)視。

3 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在Linux操作系統(tǒng)下完成開發(fā)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，TCP／IP，HTTP 10M／100M自適應(yīng)；采用VC＋＋開發(fā)IEC 61850客戶端軟件和IEC 61850服務(wù)器端軟件，Java開發(fā)Web數(shù)據(jù)處理展示軟件及CAC I2接口服務(wù)軟件。系統(tǒng)支持CAN、RS-232／485、以太網(wǎng)等接口方式。

CAC在應(yīng)用中作為IEC 61850的客戶端，可以直接與支持IEC 61850的在線監(jiān)測裝置進(jìn)行通信，對于不支持IEC 61850的裝置，則需要加裝IED作為服務(wù)器端綜合使用，實(shí)現(xiàn)對該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的支持。

當(dāng)前這種裝置已在上海、浙江等地智能變電站中成功應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)，效果良好，能成功規(guī)范狀態(tài)監(jiān)測通信和不同類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的即插即用，同時(shí)縮減了占地空間，最大程度減少廠家配套系統(tǒng)數(shù)量。

4 結(jié)語

CAC是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中承上啟下的重要一環(huán)，在變電站中引入CAC，有效解決了目前變電站內(nèi)監(jiān)測裝置類型多、廠家多、功能重復(fù)、數(shù)據(jù)無法共享等問題，統(tǒng)一了信息模型和通信規(guī)約，有利于站內(nèi)數(shù)據(jù)資源整合，有利于設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化信息的上傳下達(dá)，為設(shè)備在線監(jiān)測故障診斷、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化、信息化提供了數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部.國家電網(wǎng)公司變電設(shè)備在線監(jiān)測／帶電檢測技術(shù)應(yīng)用情況調(diào)研技術(shù)報(bào)告［R］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2010.

［2］ 劉娟，魯麗萍.中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)報(bào)告［R］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2011.

［3］ 國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)生［2011］1284號.輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案［S］.北京：國家電網(wǎng)公司，2010.

［4］ 國家電網(wǎng)公司.Q／GDW 534—2010變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京：國家電網(wǎng)公司，2010.

［5］ 國家電網(wǎng)公司.Q／GDW 616基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置應(yīng)用規(guī)范［S］.北京：國家電網(wǎng)公司，2010.

［6］ 國家電網(wǎng)公司.Q／GDW 739—2012輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)變電設(shè)備在線監(jiān)測I1接口網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范［S］.北京：國家電網(wǎng)公司，2012.

［7］ 國家電網(wǎng)公司.Q／GDW 740—2012輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)變電設(shè)備在線監(jiān)測I2接口網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范［S］.北京：國家電網(wǎng)公司，2012.

［8］ 國際電工委員會.IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)［S］.北京：全國電力系統(tǒng)管理及其信息交換標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2006.

［9］ 全國電力系統(tǒng)管理及其信息交換標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.DL／T 1146—2009 IEC 61850實(shí)施技術(shù)規(guī)范［S］.北京：全國電力系統(tǒng)管理及其信息交換標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2009.