基于Lib IEC 61850庫的智能變電站SF6狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 旭 劉逸凡 寇新民 陳富國

SF6氣體具有優(yōu)異的冷卻電弧特性，在高壓斷路器中有著廣泛應(yīng)用；對(duì) SF6電氣設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)目前已成為保證 SF6電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行的一種重要方法[1]。同時(shí)，SF6電氣設(shè)備中的SF6氣體密度值和PPM微水含量也具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。

在對(duì) SF6電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)的研究過程中，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為一種有效的整合一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)途徑[2,10]，得到了廣泛推廣。許多學(xué)者也對(duì)數(shù)字化變電站內(nèi)主要 SF6電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究[3]。

本文基于Lib IEC 61850庫中對(duì)IEC 61850服務(wù)端功能的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了智能變電站一次設(shè)備 SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)，穩(wěn)定高效。目前該系統(tǒng)已在南京某500kV智能化變電站工程和酒泉某800kV智能化變電站工程投入運(yùn)行。

1 IEC 61850服務(wù)端功能實(shí)現(xiàn)

1.1 Lib IEC 61850概述

Lib IEC 61850是一個(gè)開源的實(shí)現(xiàn)IEC 61850客戶端和服務(wù)端功能庫，該庫由C語言編寫，具有較好的可移植性，它可以在嵌入式系統(tǒng)和運(yùn)行 Linux和Windows系統(tǒng)的PC上實(shí)現(xiàn)IEC 61850客戶端和服務(wù)端應(yīng)用程序[4-5]。Lib IEC 61850的客戶端和服務(wù)端API如圖1和圖2所示。

1.2 Lib IEC 61850服務(wù)端功能測(cè)試

本文功能測(cè)試采用 Ubuntu10.10系統(tǒng)，3.10.79內(nèi)核。在官網(wǎng)上下載Lib IEC 61850庫并解壓到主目錄，解壓后文件如下：

CHANGELOG config demos examples Makefile

src tools CMakeLists.txt COPYING dotnet

make README third_party

圖1 服務(wù)端應(yīng)用程序接口

圖2 客戶端應(yīng)用程序接口

其中，README文件對(duì)Lib IEC 61850庫做了概述，并給出了在各個(gè)硬件平臺(tái)下的編譯和運(yùn)行例子程序的方法；Makefile定義了編譯規(guī)則；make文件夾里有3個(gè)mk文件，用以編譯庫文件時(shí)指定參數(shù)；examples文件夾里包含客戶端及服務(wù)端開發(fā)例子程序，examples文件夾里每個(gè)文件夾代表一種模式的例子；tools文件夾里包含有開發(fā)包提供的一個(gè)工具，能夠?qū)⒃O(shè)備的icd文件轉(zhuǎn)換成C語言文件。

在主目錄下執(zhí)行 make命令，命令將所有子目錄符合 Makefile規(guī)定規(guī)則的 C文件壓成一個(gè)靜態(tài)庫，靜態(tài)庫放在 build文件夾里，該靜態(tài)庫提供了IEC 61850服務(wù)端開發(fā)API。

進(jìn)入到examples文件夾下服務(wù)端示例，編譯運(yùn)行服務(wù)端示例，示例會(huì)啟動(dòng)socket的監(jiān)聽程序，等待客戶端連接[6]。

本文采用Omicron IEDScout測(cè)試服務(wù)端示例。配置測(cè)試軟件與服務(wù)端示例建立連接，測(cè)試軟件會(huì)讀取示例數(shù)據(jù)模型中各個(gè)變量的名稱和變量值，如圖3所示。

圖3 測(cè)試軟件與服務(wù)端建立連接

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)一次設(shè)備SF6狀態(tài)信息，例如壓力、密度、溫度、微水等狀態(tài)量。設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過RS-485網(wǎng)絡(luò)采集SF6氣體傳感器信息，在裝置內(nèi)整理分析后，以IEC 61850通信規(guī)約上傳數(shù)據(jù)，通信結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SF6狀態(tài)數(shù)據(jù)通信示意圖

1）變送器選型設(shè)計(jì)

變送器選型WDS530變送器，WDS530變送器主要由傳感器、微循環(huán)系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和變送部分組成。其中，露點(diǎn)傳感器有自動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)加熱功能，這兩個(gè)功能可以確保WDS530快速測(cè)量和長期穩(wěn)定：①微循環(huán)系統(tǒng)能使主氣室與采樣點(diǎn)的濕度快速達(dá)到平衡，且系統(tǒng)運(yùn)行過程中不會(huì)造成高壓開關(guān)中微粒物產(chǎn)生揚(yáng)塵的問題；②密封系統(tǒng)通過O型圈進(jìn)行密封，使得變送器擁有優(yōu)異的密封性和可方便拆卸性；③變送部分采用手牽手供電和通信，可以節(jié)省大量的電纜成本。

2）RS 485集線器選型設(shè)計(jì)

RS 485集線器采用宇飛YF-524C 24口光電隔離分割器HUB。裝置通信速率300～115200bps，自動(dòng)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，無需外部的流量控制信號(hào)，波特率自適應(yīng)，不受通信協(xié)議限制，24路RS 485信號(hào)輸入，4路RS 485信號(hào)輸出，通信距離大于1200m；隔離電壓2.5kVrms/500VDC絕緣，RS 485提供每線600W的防雷、浪涌、+/-15kVESD保護(hù)及防止共地干擾，該特性能有效解決外界雷擊浪涌和地電位差帶來的傳輸問題；輸出端獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采用網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)，這有益于工程建設(shè)和系統(tǒng)穩(wěn)定。

3）智能監(jiān)測(cè)IED選型設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)IED硬件平臺(tái)采用中科騰躍TPE4000工控機(jī)，符合IEC 61850-3和IEEE 1613認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，通過中國電科院電力四級(jí)認(rèn)證，板上集成英特爾賽揚(yáng)2980U處理器；嵌入式無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，帶有2個(gè)百兆/千兆自適應(yīng)網(wǎng)口，8個(gè)隔離RS-485串口。系統(tǒng)采用ubuntu10.10，Linux 3.10.79內(nèi)核，具有較好的人機(jī)交互能力。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)IED主要實(shí)現(xiàn)如下功能：對(duì)變電站一次主設(shè)備 SF6狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過以太網(wǎng)口與遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)裝置通信，將系統(tǒng)狀態(tài)信息以 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上傳至間隔層，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有三層兩網(wǎng)智能變電站架構(gòu)的融合[7,9]。

1）高并發(fā)數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)基于Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架，功能實(shí)現(xiàn)采用QList列表類和QThread線程類。主程序讀取XML配置文件，根據(jù)所配置串口模式開啟串口通信線程，串口線程之間互不影響，支持不同 modbus功能函數(shù)同時(shí)運(yùn)行，每個(gè)串口 modbus數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收作為子線程并行運(yùn)行，系統(tǒng)資源耗費(fèi)更少，數(shù)據(jù)處理方式更高效。根據(jù) modbus數(shù)據(jù)啟動(dòng)modbus數(shù)據(jù)解析線程，用QList作為線程間通信方法，方便數(shù)據(jù)擴(kuò)展，保證程序穩(wěn)定、高效運(yùn)行。算法設(shè)計(jì)如圖5所示。

該算法基于Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架，支持多數(shù)主流操作系統(tǒng)，具有良好的可移植性。算法采用多線程，將數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)解析分離，可以方便的在ARM架構(gòu)上和x86架構(gòu)機(jī)器上移植。

2）IEC 61850服務(wù)端功能設(shè)計(jì)

Lib IEC 61850庫對(duì)IEC 61850的服務(wù)端支持包括從靜態(tài)IEC 61850數(shù)據(jù)模型生成MMS設(shè)備模型和生成報(bào)告。此外，IEC 61850服務(wù)端API還支持IEC 61850控制模型。服務(wù)端API可用于創(chuàng)建IEC 61850兼容的MMS服務(wù)端應(yīng)用。服務(wù)端不在運(yùn)行時(shí)解析SCD（XML）文件。SCD文件將在構(gòu)建時(shí)通過一個(gè) C代碼工具進(jìn)行解析，該工具用于生成 IEC 61850數(shù)據(jù)模型定義和其他SCD文件設(shè)置的C代碼。

圖5 算法設(shè)計(jì)流程圖

服務(wù)端功能設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 IEC 61850服務(wù)端功能設(shè)計(jì)

3 工程應(yīng)用情況

目前該系統(tǒng)已在江蘇某±500kV智能化變電站工程和甘肅某±800kV智能化變電站工程掛網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)如圖7至圖9所示。

4 結(jié)論

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一次設(shè)備 SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于Qt庫設(shè)計(jì)了高并發(fā)數(shù)據(jù)處理算法，用于數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；基于Lib IEC 61850庫實(shí)現(xiàn)了IEC 61850服務(wù)端功能。工程應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效解決一次設(shè)備 SF6氣體在線監(jiān)測(cè)問題，符合智能變電站的發(fā)展要求。

圖7 ##氣室A相.SF6監(jiān)測(cè).P20曲線圖

圖8 ##氣室.三相監(jiān)測(cè).P20曲線圖

圖9 ##氣室數(shù)據(jù)一覽

[1] DL/T 596—1996. 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] 王潤華. SF6氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在GIS組合電器中的應(yīng)用[J]. 上海電力, 2006(5)： 23-25.

[3] 林松, 王慶紅, 劉然. 數(shù)字化變電站狀態(tài)檢修技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(1)： 137-140.

[4] Zillgith M. Open source libraries for IEC 61850 and IEC 60870-5-104[EB][2017-07-17]. http：//Lib IEC 61850.com/Lib IEC 61850/documentation.

[5] Michael Zillgith. Open source libraries for IEC 61850 and IEC60870-5-104[EB/ON] http：//libiec 61850.com/api/index.html, 2013-03.

[6] Michael Zillgith. Open source libraries for IEC 61850 and IEC60870-5-104[EB/ON]. http：//libiec 61850.com/Lib IEC 61850/documentation/iec-61850-servertutorial/, 2013-03.

[7] DL/T 535—2010. 變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置通用技術(shù)規(guī)范[S].

[8] 高翔, 張沛超. 數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2006, 30(23)： 67-71, 87.

[9] 劉建鋒. 基于虛擬儀器和 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 武漢： 華中科技大學(xué),2008.

[10] 鄒積巖. 高壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J]. 高壓電器, 1999, 35(5)： 45-47.