基于IEC61850的電纜局部放電在線監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

田君杰，錢俊波，朱志新

(1.西寧供電公司，甘肅 西寧 810000；2.蘇州光格設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

電纜局部放電是指發(fā)生在電纜絕緣層但尚未擊穿的高頻放電，是絕緣層缺陷在強(qiáng)電場作用下發(fā)生的反復(fù)放電，長期運(yùn)行將產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致電纜絕緣層的介電性能惡化，最終導(dǎo)致整個絕緣層擊穿，造成嚴(yán)重后果。因此局部放電是衡量電力電纜運(yùn)行健康與否的重要指標(biāo)，為了長期監(jiān)測其放電趨勢是否惡化，不適合采用人工巡檢，而需要部署在線監(jiān)測系統(tǒng)。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，其本意是針對智能變電站而作的一個規(guī)范體系，目前已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測和調(diào)度控制。嚴(yán)格來說，電纜局部放電不屬于變電站的監(jiān)測范圍，但其監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)很多都部署在變電站內(nèi)，為了方便管理和實現(xiàn)智能電網(wǎng)的信息高度集成和共享，筆者將其納入IEC61850的服務(wù)系統(tǒng)，以供客戶端或監(jiān)控中心統(tǒng)一訪問和集中管理。

1 系統(tǒng)框架

1.1 物理架構(gòu)

整個電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)分為傳感器、采集器、服務(wù)器、客戶端四層物理架構(gòu)，如圖1所示。

其中傳感器有兩種，一是開合式高頻電流互感器(HFCT，High Frequency Current Transformer)，用來耦合感應(yīng)高頻電纜局放脈沖信號，卡在電纜三相接頭的接地線上；二是開合式低頻電流互感器(LFCT，Low Frequency Current Transformer)，用來感應(yīng)電纜本體的交流工頻信號，卡在電纜本體上。每臺采集器配備三路局放傳感器(對應(yīng)A、B、C三相)和一路工頻傳感器。

局放采集器使用ARM嵌入式系統(tǒng)，外接三路局放信號與一路工頻信號，通過FPGA實現(xiàn)三路局放脈沖信號的高速并行觸發(fā)采集，并通過工頻信號擬合來實現(xiàn)工頻相位的對齊，經(jīng)過初步的數(shù)據(jù)整理和壓縮，打包上傳給服務(wù)器。

在線監(jiān)測服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的服務(wù)程序及數(shù)據(jù)管理，偵聽從采集器端上報的局放數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算分析，將相關(guān)內(nèi)容存入數(shù)據(jù)庫及生成譜圖文件，同時提供IEC61850服務(wù)。

客戶端通過IEC61850協(xié)議訪問服務(wù)器，得到各個電纜監(jiān)測點的局放數(shù)據(jù)及譜圖文件，從而實現(xiàn)電纜局部放電的在線監(jiān)測。

圖1 電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)物理架構(gòu)

1.2 軟件功能模塊劃分

電纜局部放電在線監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)基于Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和模塊化設(shè)計，各項功能都進(jìn)行模塊封裝，通過標(biāo)準(zhǔn)化API接口互通，以實現(xiàn)良好的擴(kuò)展性和可重用性。其數(shù)據(jù)管理應(yīng)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL來實現(xiàn)，體積小、速度快，適用于電力監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與快速檢索。服務(wù)系統(tǒng)整體功能模塊的劃分如圖 2所示。

圖2 服務(wù)軟件的功能模塊劃分

2 業(yè)務(wù)流程

電纜局部放電在線監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)分為兩塊，一是偵聽收集前端采集設(shè)備上報的局放數(shù)據(jù)(如圖3所示)，二是更新上傳IEC61850服務(wù)的各類邏輯節(jié)點數(shù)值和譜圖文件(如圖4所示)，中間以MySQL數(shù)據(jù)庫作為媒介。

圖3 采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程

圖4 IEC61850服務(wù)處理業(yè)務(wù)流程

整個系統(tǒng)電纜各接頭分布的局部放電采集器比較多，為了提高局放信號的采集效率，前端采集器必須自動循環(huán)采集并主動上報采集數(shù)據(jù)，否則必將嚴(yán)重?fù)p害局放脈沖的捕獲率。這對服務(wù)端的數(shù)據(jù)偵聽提出了較高的要求，而且局放數(shù)據(jù)的分析處理涉及大量的時頻域運(yùn)算和統(tǒng)計分類，串行處理必將造成主進(jìn)程的阻塞。因此，為了避免并發(fā)接收局放數(shù)據(jù)的阻塞隱患，服務(wù)端建立線程池來梳理數(shù)據(jù)上報請求，分散并行處理局放數(shù)據(jù)和完成相關(guān)的分析運(yùn)算。

IEC61850服務(wù)處理業(yè)務(wù)另起一個進(jìn)程，通過定時循環(huán)遍歷數(shù)據(jù)庫的方式來獲取邏輯節(jié)點數(shù)值和抓取譜圖文件，相關(guān)數(shù)據(jù)的更新在數(shù)據(jù)庫中標(biāo)記，這樣可以和采集數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)隔離，保持各自的獨立運(yùn)行而互不干擾。

3 IEC61850服務(wù)程序設(shè)計

3.1 libIEC61850簡介

libIEC61850是一個開源的(GPLv3)IEC61850協(xié)議客戶端和服務(wù)端運(yùn)行庫實現(xiàn)，支持MMS、GOOSE和SV等協(xié)議，用C語言(C99標(biāo)準(zhǔn))編寫，具備最大的可移植性。它可以在運(yùn)行Linux、Windows、MaxOS系統(tǒng)的各種嵌入式設(shè)備或PC中實現(xiàn)IEC61850客戶端和服務(wù)端應(yīng)用程序。圖5所示為服務(wù)端框架。

圖5 libIEC61850 服務(wù)端框架

3.2 scd建模

電纜局部放電在線監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)部署在變電站內(nèi)，收集前端在線采集裝置上報的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和存儲管理，向下實現(xiàn)對在線監(jiān)測裝置的控制，向上實現(xiàn)對遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺或電力綜合診斷中心的數(shù)據(jù)匯報，屬于站控層綜合處理單元，需要建立SCD模型文件，對下屬過程層的所有在線監(jiān)測裝置及其相關(guān)信息統(tǒng)一建立邏輯節(jié)點。

3.3 監(jiān)測點建模

電纜接頭處A、B、C三相接地線分別安裝高頻電流互感器HFCT，對應(yīng)有三個局放監(jiān)測點，分別建立局放邏輯節(jié)點。其中除了模型(Mod)、Beh(性能)、Health(健康狀況)、銘牌(NamPlt)等基本信息之外，監(jiān)測參量設(shè)置告警(PaDschAlm)、傳感器通信異常(MoDevComF)、放電類型(DschType)、視在放電量(AppPaDsch)、背景噪聲水平(AcuPaDsch)、放電均值(AvDsch)、放電峰值(MaxDsch)、放電頻次(DschCnt)等，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點邏輯節(jié)點建模

3.3.1 數(shù)據(jù)集和報告控制建模

所有監(jiān)測點的主要監(jiān)測參量匯總在數(shù)據(jù)集(DataSet)中，以便報告服務(wù)引用，如圖 7所示。每個報告控制模塊將對應(yīng)數(shù)據(jù)集中的重要參量定時上報，其觸發(fā)選項中的數(shù)據(jù)改變(dchg)、品質(zhì)改變(qchg)、數(shù)據(jù)刷新(dupd)均置否，完整性周期(IntgPd)則使能，以便這些重要參量能夠定時上報，如圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)集建模

圖8 報告控制建模

3.3.2 自檢告警建模

站控層綜合處理單元本身需要提高自檢告警功能，因此建立自檢告警的邏輯節(jié)點，如圖 9所示，一共支持以下幾類告警：Alm1(CPU占用率過高)；Alm2(內(nèi)存占用率過高)；Alm3(存儲剩余空間過低)；Alm4(對上時鐘同步信號丟失)；Alm5(對下時間服務(wù)運(yùn)行異常)；Alm6(對上通信應(yīng)用模塊運(yùn)行異常)；Alm7(對下通信應(yīng)用模塊運(yùn)行異常)。

圖9 自檢告警建模

3.3.3 譜圖信號建模

局放譜圖文件更新后需要通知客戶端，以便對方及時獲取，為此，建立譜圖信號邏輯節(jié)點，記錄最新的譜圖文件生成序號，如圖 10所示。

4 工程應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已在珠海某220 kV智能變電站投運(yùn)，為省電科院監(jiān)控中心提供IEC61850服務(wù)，運(yùn)行穩(wěn)定，客戶端數(shù)據(jù)監(jiān)測的放電趨勢圖譜和放電相位圖譜(PRPD)如圖11和圖12所示。

圖10 譜圖信號建模

圖11 客戶端放電趨勢圖

圖12 客戶端PRPD圖

5 結(jié)束語

本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計了一種基于IEC61850的電纜局部放電服務(wù)系統(tǒng)，使用Qt和MySQL實現(xiàn)前端監(jiān)測設(shè)備的并發(fā)數(shù)據(jù)收集、處理和存儲，并針對電纜接頭局部放電的監(jiān)測特性進(jìn)行了SCD建模，利用開源庫libIEC61850實現(xiàn)了服務(wù)端應(yīng)用，整個服務(wù)系統(tǒng)取得了良好的開放性、互操作性、可擴(kuò)展性。目前系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，符合智能變電站未來的發(fā)展趨勢。