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1、智能电网技术电 力 建 设第33 卷第6期2012 年6月6Electric Power Construction Vol.33，No.6，Jun，2012基金资助项目:国家电网公司科技项目(2010 131)。变电站设备智能状态监测系统的设计及应用刘娟，鞠登峰，王勇，鲁丽萍，张强，邹丹平(国网电力科学研究院，北京市，100192)摘要:我国电网从传统电网向智能电网的升级对变电站状态监测系统的智能化建设和改造提出了要求。分析了变电站设备智能状态监测系统的结构，给出了符合当前智能电网需求的变电站状态监测系统设计方案。结合实例进行了DL/T 860 标准在智能状态监测系统中的建模和工程应用，实现了
2、通信服务、装置标准化、系统接口及主站诊断功能，并指出了当前工程应用中状态监测系统存在的主要问题。关键词:DL/T 860 标准;智能电网;变电站;状态监测;智能化变电站Design and Application of Intelligent Condition Monitoring System forSubstation EquipmentLIU Juan，JU Dengfeng，WANG Yong，LU Liping，ZHANG Qiang，ZOU Danping(State Grid Electric Power Research Institute，Beijing 100192，Ch
3、ina)ABSTRACT:For the upgrade of China power grid from the traditional grid to smart grid，there are many requirements ofconstruction and retrofit for the intelligent condition monitoring systems in substations Base on the analysis of the structure ofthe intelligent condition monitoring system for sub
4、station equipment，this paper put forward a design scheme that met the needsof smart grid It had been applied in an engineering project for the modeling and application of DL/T 860 standard in theintelligent condition monitoring system The results show that it can achieve the functions of communicati
5、on services，devicesstandardization，system interface and master diagnosis functionality This paper also pointed out the problems in the currentapplicationKEYWORDS:DL/T 860 standard;smart grid;substation;condition monitoring;intelligent substation中图分类号:TM 63文献标志码:A文章编号:1000 7229(2012)06 0006 05doi:10.
6、3969/j issn.1000 7229.2012.06.0020引言作为实现低碳电力的基础与前提，智能电网技术近年来在很多国家得到快速发展，并有力促进了电网的智能化1-6。我国电力工业面临着新的形势，能源发展格局、电力供需状况、电力发展方式正在发生着深刻变化。“十二五”期间，国家电网公司的智能电网将进入大规模建设阶段，实现我国电网从传统电网向智能电网的升级。20122015 年实现新建变电站智能化率 30%50%，原有重要变电站智能化改造率达到 10%;20162020 年实现新建重要变电站智能化率 100%，原有重要变电站智能化改造率达到30%50%1。在大规模的智能化变电站新建和改造中
7、，变电站状态监测系统的智能化尤其重要，传统的变电站状态监测系统由于没有统一的技术标准，不同厂家的产品互不兼容7，无法互联互通;有些变电站进行过状态监测系统整合，但多采用控制器局域网(controller area network，CAN)协议作为统一通信方式，更多的变电站内监测装置的通讯协议不统一、不公开7-9。由于目前的状态监测系统都是针对特定设备、特定业务类型而开发的，前置子系统互不兼容，缺乏统一平台，资源不能共享;同时，在线监测数据无法与其他重要状态量有机结合，未能有效发挥其辅助诊断作用12-13。IEC 61850 标准在中国被采用，并作为电力行业标准，为 DL/T 860 标准系列。
8、目前，IEC 61850 标准已经成为美国智能电网首批行业标准之一10。为进一步提高国内变电站的智能化程度，当前状态监测装置及电力系统的智能化必须解决以下问题(1):监测装置的标准化和互操作性11。各厂家生产的装置功能和接口互不兼容，互操作性和互换性差，致使用户后期维护成本高12-13。(2)变电站内状态监测系统第 33 卷第 6期刘娟，等:变电站设备智能状态监测系统的设计及应用智能电网技术Electric Power Construction Vol.33，No.6，Jun，20127必须支持 DL/T 860 标准体系，提供 DL/T 860 标准通信服务接口。DL/T 860 标准在设备
9、状态监测模型构建中的应用尚不完善，目前给出的高压设备状态监测逻辑节点不能满足发展需要，需要按一定原则进行扩充。对于某些一次设备，需要自定义逻辑节点。(3)现有管理制度要求，需要将状态数据发送到信息系统，提高信息共享性。各装置所带监测系统之间信息模型异构、通信接口迥异，致使数据无法统一使用12-13。(4)数据如何应用问题。急需建立统一的信息模型、分析模型和数据接口规范。本文针对以上问题，对变电站中智能化状态监测系统的结构及传统状态监测系统的改造进行研究，提出当前智能电网需求下的状态监测系统设计方案，并结合工程案例分析了 DL/T 860 标准在智能状态监测系统中的建模和应用，实现了通信服务、装
10、置标准化、系统接口及主站功能，指出当前应用中存在的问题。1智能状态监测系统设计DL/T 860(IEC 61850)标准是比较完善的关于变电站自动化的通讯标准，是智能变电站应用技术的重要支撑。它具有适应网络技术迅猛发展，适应功能的需要和发展，满足应用开放互操作性、扩展性要求，快速传输变化值、传输采样测量值等优点 5-6，使变电站信息系统建模标准化，信息共享和统一分析成为可能。为实现信息共享和互操作的目标，确定智能状态监测系统设计的基本原则为一次设备状态监测数字化、现场通信网络光纤化、数据传输规约标准化、状态监测信息共享化。1.1智能状态监测系统结构4 层结构的变电站设备智能状态监测系统的网络结
11、构如图 1 所示。图 1变电站设备智能状态监测系统网络结构Fig.1Architecture of intelligent condition monitoringsystem for substation equipment变电站设备智能状态监测系统主要由传统监测装置/监测智能电子设备(intelligent electronic device，IED)、设备综合监测单元和站端监测单元、主站系统组成1，实现在线状态数据的采集、传输、后台处理及存储转发、高级应用分析功能6。采用主站/子站架构，主站设置在网省公司数据中心或状态监测中心;子站设在各变电站站内，为过程层、间隔层、站控层三层两网的结构
12、14-16。变电站设备智能状态监测系统通信传输方向如图 2 所示。图 2变电站设备智能状态监测系统通信传输方向Fig.2Communication transmission direction of intelligentcondition monitoring system for substation equipment图 2 中，主站包括变电设备状态信息接入网关机(condition information acquisition gateway，CAG)、后台数据库。包含通信集成平台系统和后台高级诊断分析系统，具有变电站以及设备的图形化展示、智能诊断等高级功能，是与外部数据交换的接口平
13、台。变电 CAG 具备 DL/T 860 标准客户端功能，接收子站提供的 DL/T 860 标准服务数据，实时获取各站端监测单元上传的状态数据，完成 DL/T 860 标准服务及主站控制功能。站端监测单元，即状态接入控制器(conditionacquisition controller，CAC)处于站控层，具备以下功能:(1)DL/T 860 标准服务器端功能。接收智能监测单元 IED 上传的监测数据，汇集变电站内各状态监测综合监测单元的数据，向监测单元的 IED 下发采样周期、数据召唤指令，向状态监测主站上传监测参量、分析结论。(2)信息处理功能。集中实时展示运行状态监测数据，监视 IED
14、或装置的运行情况，能够完成简单的数据统计、计算、分析以及图表显示等功能。系统通过 CAC 和 CAG 将各子站状态监测数据接入主站系统历史数据库。综合监测单元位于间隔层，进行通信协议转换，智能电网技术电 力 建 设2012 年 6月8Electric Power Construction Vol.33，No.6，Jun，2012具备上传数据、下达控制指令等通讯功能和简单信息处理功能。状态监测 IED 位于过程层，安装在被监测设备本体附近，采集现场高压设备在线状态参数，支持 DL/T 860 标准通信规约。传统状态监测装置不能支持 DL/T 860 标准协议。1.2智能状态监测系统的关键问题(1
15、)智能化变电站的状态监测系统的组网方式。传统的状态监测系统以 CAN 总线作为主通信模式，具有速度快、稳定性高和可扩展性等优点，但在互操作方面与电磁兼容方面却有一些不足。光纤具有带宽高和不受电磁干扰的优点。首先，状态监测系统主通信网络光纤化，在站控层与间隔层、间隔层与过程层之间采用100 M 的光纤以太网作为主通信的基础，通过光纤以太网将站控层的上位机与监测装置 IED连接在一起，不同间隔 IED 之间也是通过光纤以太网进行通信。其次，统一通信协议。变电站智能状态监测系统中，层与层之间都采取 TCP/IP 以太网通信的方式，取代了传统系统中的各种现场总线的通信方式，如 CAN 以及 RS485
16、 等。新建变电站状态监测系统采用以下方案:过程层与间隔层、间隔层与站控层之间的光纤以太网络采用DL/T 860 标准协议(如图 1 中)，子站到主站采用 DL/T 860 标准协议，进入电力数据网。传统状态监测系统改造方案:对非智能变电站进行智能化改造，考虑到更换代价和技术原因，大量的传统状态监测装置仍要继续采用，这样会产生大量改造需求。在间隔层适当增加综合监测单元，转换CAN、RS485、RS232、Modbus 等及私有通信协议(如图1 中)，而间隔层以上无需改造，隔离了过程层监测装置智能化水平对整体设计方案的影响，实现了传统状态监测系统向智能状态监测系统的过渡。(2)突破传统状态监测系统
17、以业务类型划分系统的缺点，结合 DL/T 860 标准在智能变电站中应用中的优势，将离散信息融合，实现纵向和横向信息共享。首先，子站采用统一的 DL/T 860 标准信息模型是实现信息融合的前提，标准化数据是规范应用的基础，主站 CAG 接收到的子站 CAC 发送的 DL/T 860标准实时熟数据后，需按数据接入规范插入到历史库的数据表中。该规范向制造厂家开放、共享，共同遵循。其次，信息的融合顺应了国家电网公司提出的两级数据中心，统一信息平台的管理需求，从单一信息参量采集向多特征量综合监测、融合诊断分析方向发展。采用统一分析模型，具有统一接口、参数、可扩展性，便于二次开发，能适应状态监测技术与
18、运行管理方法的不断发展。(3)智能化状态监测系统之间、与其他系统之间的数据交互。现阶段的变电站状态监测系统独立于变电站自动化系统运行，且运行在电力系统网 III 区，与变电站自动化、数据采集与监视控制(supervisory control anddata acquisition，SCADA)系统等实时设备信息采集系统处于物理隔离状态。设计中，在管理大区内，主站系统与生产管理系统、资产全寿命周期管理系统、状态检 修 等 业 务 系 统 之 间 的 数 据 交 互 采 用 WebService、可 扩 展 标 记 语 言(extensiblemarkuplanguage，XML)技术，数据中心，
19、从 DL/T 860 模型向IEC 61970 模型转换这 3 种方式，将主站实时监控设备的状态信息、各个测量值的实时数据、各种告警信息发送给其他系统调用。状态监测系统间的数据交互包括 CAC 接收各监测装置传输的满足 DL/T 860协议加工的熟数据，再向网省侧监控中心的变电CAG 进行推送。跨区的信息获取与发送涉及到信息安全管理制度要求，可采用单向硬件物理隔离装置，接收从变电站综合自动化系统发送到 CAC 的系统功率、电压、电流等数据。2智能状态监测系统工程应用2.1系统组网及状态监测点分布本文设计方案已在某智能电网示范应用工程项目中 110 kV 智能变电站进行了现场应用。该智能站为新建
20、变电站，站内采用全数字化光纤组网，节省大量电缆接线。该站过程层全采用 DL/T 860 标准化状态监测 IED，就地数字化，站控层、间隔层 DL/T 860标准化。表 1 是按用户需求及设备情况设置的 IED及 IED 配置的传感器。在变电站内 CAC 上实现了设备状态监测数据的接入和汇总。表 1在线监测的安装及监测点分布情况Tab.1Installation and Distribution of online monitorings注:传感器栏中，乘号前为 IED 数，乘号后为每台测点数。2.2设备状态监测信息建模在本文案例中，110 kV GIS 设备采用的监测方第 33 卷第 6期刘娟
21、，等:变电站设备智能状态监测系统的设计及应用智能电网技术Electric Power Construction Vol.33，No.6，Jun，20129法包括局部放电量、放电脉冲和 SF6密度、微水等，针对上述监测量，采用局放、气体介质绝缘、录波逻辑节点及其数据与数据属性，基本能反映 GIS 运行状态，其监测功能涉及到的逻辑节点如表 2 所示。表 2GIS 状态监测的 DL/T 860 逻辑节点列表Tab.2DL/T 860 logical nodes list of GIScondition monitoring注:M 为 强 制;O 为 可 选;SPDC(partial discharg
22、e)，RDRE(disturbance recorder)，SIMG(insulation medium supervision(gas)，LLN0(logical node zero)，LPHD(logical physical device)。RDRE 为局放谱图录波逻辑节点，录波数据格式满足 IEEE 标准 Comtrade 格式要求，实现放电信号的强度与相位、频次的三维关系谱图(脉序相位特性，phase resolved pulse sequence，PRPS)显示。以局部放电监测为例，由于 GIS 局部放电装置采用超高频局部放电测试技术，不需要局放声学水平(AcuPaDsch)等数据
23、对象，建立 SPDC1 节点，测量值中采用了相位(Phase)、最大放电量(MaxPaDsch)、最大放电量相位(MaxPaDschPhase)，并扩展状态信息、定值等属性，SPDC1 实例如表 3 所示。变电站设备状态监测模型如图 3 所示。图 3某 110 kV 变电站的设备状态监测模型Fig.3Condition monitoring model of equipmentin 110 kV substation表 3局部放电 SPDC1 逻辑节点实例Tab.3Example of partial discharge logical node SPDC1注:M 为强制;O 为可选;C 为至
24、少使用该类中标有 C 数据项中的1 项;VS 表示扩展;报警标志和诊断结论为枚举类型。图 3 中，TEMP 属于 DL/T 860 中未定义的扩展逻辑节点，SIML 用于实现变压器油中溶解气体状态监测，SPDC 用于实现 GIS 局部放电，RADE 是 GIS局放图谱的 LN，SIMG 是气体密度微水 LN。一次设备铭牌信息取自生产管理系统。2.3监测装置标准化可互换完成建模后，给出装置的配置语言，用于系统的组态，实现不同装置的互操作。各装置厂家提供装置/IED 配 置 描 述(IED configuration description，ICD)文件，由 CAC 将 ICD 和系统规格描述(s
25、ystemspecification description，SSD)文件组态配置生成变电站配置描述(substation configuration description，SCD)文件，并返还给厂家，厂家提取 IED 实例配置(configured IED description，CID)文件，装到 IED 中。2.4状态监测系统的通信服务状态监测系统的主要通信服务包括告警、召唤谱图，周期上传谱图数据，由于实时性要求不高，平均每15 min 上送 1 次测量量，采用 Comtrade 格式的波形文件，用 GetFile 和 GetFileAttributeValues 等服务进行传输，一旦
26、判断发生局放，由 CAG 进行召唤，装置生成谱图上送。智能电网技术电 力 建 设2012 年 6月10Electric Power Construction Vol.33，No.6，Jun，20122.5系统接口实现与变电站自动化系统的跨内外网的接口，透过隔离装置，将系统电压、电流数据通过 Modbus 协议接入 CAC 通信平台，由于实时性要求不高，将实时数据每隔 3 min 进行 IEC 61850 协议转换、建模、传输，从 III 区向 II 区反向信息的传递难度较高，尚未实现。与生产管理系统采用数据总线方式实现信息交互。2.6后台高级应用分析系统制定了统一数据表结构、通信接口模型，统一
27、分析算法接口和参数，将告警信息分类分级区分，提供短信、弹出提示、邮件等多种告警方式，对出现缺陷征兆的设备进行预警或报警处理，对趋势不明朗的，结合关联信息进行趋势预测。采集到的设备状态信息、状态异变、变电站间隔状态信息、通信链路信息等可进行可视化展示。系统运行稳定，经应用检验可以作为典型设计予以推广。3结语重点分析了当前智能电网建设下变电站设备状态监测系统存在问题和发展方向，并给出了智能化设计方案，结合工程应用，实现了主要关键技术，该设计方案可作为新建智能变电站状态监测系统典型案例推广应用。同时，变电站设备状态监测系统智能化程度受当前技术水平的制约，需进一步提高监测 IED的 DL/T 860
28、标准化支持程度，提高监测装置制造厂家在可靠性、准确性、稳定性等方面的制造质量水平。电力信息网的物理隔离为数据跨区传递带来实现难题，实时信息与非实时信息的整合也是需要考虑的问题;另一方面，在线状态诊断和预测的智能程度短期内无法达到工程需要的水平，人工智能算法与电力设备模型的无缝结合还需要进一步研究。4参考文献 1 刘娟，鲁丽萍 中新天津生态城智能电网设备综合状态监测系统技术报告R 北京:中国电力科学研究院，2011 2 Q/GDW 3832009 智能变电站技术导则S 北京:中国电力出版社，2009 3 Q/GDW Z4102010 高压设备智能化技术导则S 北京:中国电力出版社，2010 4
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