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)

0 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。2012—2015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%;2016—2020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，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。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.1 Architecture of intelligent condition monitoring system 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［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.2 Communication transmission direction of intelligent condition 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(condition acquisition 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，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)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③④⑤⑥⑦)，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①②)，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 and data 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 Web Service、可扩展标记语言 (extensiblemarkup language，XML)技术，数据中心，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.1 Installation and Distribution of online monitorings

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2 GIS状态监测的DL/T 860逻辑节点列表Tab.2 DL/T 860 logical nodes list of GIS condition monitoring

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.3 Condition monitoring model of equipment in 110 kV substation

表3 局部放电SPDC1逻辑节点实例Tab.3 Example of partial discharge logical node SPDC1

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(system specification 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，一旦判断发生局放，由CAG进行召唤，装置生成谱图上送。

2.5 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。

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