智能化变电站监测数据现场并行处理技术研究

梁俊斌，张炜，邓雨荣，郭丽娟，吕泽承

(广西电网公司电力科学研究院，南宁市530023)

0 引言

新一代智能变电站关键技术研究采用高可靠、高集成、长寿命的智能设备，具备支持调控合一、运维一体、即插即用、全景信息等功能，以全站信息数字化、通信平台网络化、应用功能互动化、运维检修高效化为功能特点，实现能量智能调节、设备可控在控、信息共享互动、服务便捷优质的要求。

同时，对变电站监测系统的开发已从最初的分散式发展到集中式，当前随着分层分布式技术、总线技术和Web技术的广泛应用，整个系统的研发正朝着多层应用体系的方向发展［1］。但是由于各类在线监测开展的时间不同，亦未形成统一规划，在变电站内部各自成系统，形成“各自为政”的局面，未能充分发挥其应有作用。

本文就目前变电站监测系统存在的问题及智能化变电站的发展方向，尝试在数据通信网络结构标准化、信息采集共享及监测数据传输等方面进行研究，以便于实现适应“一体设备、一层网络、一套系统”要求的智能化变电站状态监测数据现场并行处理技术。

1 变电站监测数据处理的影响因素

为实现智能变电站“一体设备、一层网络、一套系统”这一概念，将打破现有的一、二次设备界限，实现一次设备和二次设备的集成(二次控制回路、智能组件、保护、测控、计量等二次设备的集成)，实现智能设备的有机融合与模块安装。目前的变电站电气设备在线监测系统并不满足以上要求，其存在的主要问题体现在以下方面。

1.1 监测系统数据通信网络结构

各个监测设备的过程层［子智能电子设备(intelligent electronic device，IED)］都是独立的装置，在传统模式基本上是1个监测系统、1个监测汇控柜或1台服务器的模式，各监测系统各自独立。现有在线监测系统通常是独立运行，未结合被监测设备的运行方式及工况数据进行综合分析判断，影响监测分析结果的可靠性、全面性。同时，各子IED是相互独立的，所以当子IED的CPU异常时，子IED便完全瘫痪，连相应的CPU报警信息都不能够上传。监测系统数据通信网络结构的不合理性影响了监测装置的正常运行。目前，行业内提出在现场一般配置有智能组件柜，智能组件柜里面的配置基本上是很多子IED的集合，各监测信息通过以太网在智能组件柜的公用交换机处集合，并通过光纤上传到变电站状态接入控制器(condition acquisition controller，CAC)系统的解决方式。

1.2 信息采集重复，数据分析方式简单

部分运行工况信息重复采集，不仅结构复杂，而且增加了安全隐患。例如常见的介损监测与局部放电监测均需要采集母线电压，但是各监测系统各自独立采集，并未进行资源整合，大量冗余数据势必影响处理速度。另一方面，当获取大量工况信息及监测数据后，依然采用阈值报警等常规的数据处理方法已难以满足需求。

1.3 监测数据传输标准不统一

部分地区数据传输及谱图格式规范不统一，导致各监测系统的数据未能形成统一归集、处理、分析。此外，部分监测装置数据仅能在变电站内浏览查询，未实现数据远传。多数IED仅向变电站CAC系统或各监测系统服务器单向上传数据，而变电站CAC系统或各监测系统服务器向子IED的下行数据基本没有。现有数据传输结构图如图1所示。

图1 常规监测数据传输结构示意图Fig.1 Schematic diagram of conventional monitoring data transmission

数据传输标准的不统一，导致变电站监测系统存在扩展及维护两方面问题。

(1)可扩展性差。无统一的规范，导致每新增一套在线监测装置，都需要针对它独立开发一个数据同步程序，其相关配置工作量极其繁琐。

(2)可维护性差。数据同步程序修改比较复杂，功能性服务不足，如果数据传送的需求发生变化，修改会比较困难。

(3)可靠性差。在数据传输中增加了一个数据同步环节，该环节的可靠性将对整个系统的数据传输产生影响。应尽量减少中间环节，精简数据传输的层次，提高系统的稳定性和可靠性。

2 数据处理改进措施

通过对变电站监测数据处理影响因素的分析，并结合智能化变电站发展方向的要求及计算机监控系统理念，提出监测数据现场并行处理的方法。该方法通过数据综合处理单元结构、网络结构及相应通信处理规范，同时归集、加工、分析各种类型监测数据的方法。

2.1 建立站端集中式的分层网络架构

过程层的监测装置根据监测的变电设备类型分为各监测单元，通过各子IED集中到相应汇控柜(主IED)，同一类型的多个设备的子IED可以接入同一个主IED，这样站内只需为每类设备设置一个在线监测主IED，同类型的多台设备通过共用同一个主IED，实现多设备运行工况数据、在线监测数据的并行采集、处理和传输，进一步提高在线监测系统的并行处理能力，图2是该网络架构在站端的示意图。

2.2 在线监测综合处理单元

图2 站端集中式的分层网络架构示意图Fig.2 Schematic diagram of station terminal centralized hierarchical network

从上面的网络架构中可以看出，针对变电站监测系统数据通信网络结构不合理的现象，引入在线监测综合处理单元的概念。综合处理单元是以被监测设备为对象，接收在线监测单元发送的数据或变电站综合自动化系统采集的相关信息(如母线电压、断路器分合闸信息等)，并对数据进行加工处理，实现与上级平台进行标准化数据通信的装置。

首先，过程层(子IED)监测装置要能够满足多种监测功能，每个监测功能由1个CPU完成，多个CPU组成对1个主设备的监测汇控柜(主IED)，由于是采用同1个装置，必要时还可以考虑双电源供电、双通道通信。过程层(子IED)与汇控柜之间通过光线或电缆连接，主IED可以和多个子IED通信，实现数据的并行采集和归集上传至综合处理单元。综合处理单元实现在线监测通信协议统一转换为IEC 61850，并统一接入省级变电设备综合状态在线监测与评估平台，实现各类监测数据的归集、数据加工、标准化数据通信代理、转发以及监测预警等功能，并最终在变电设备综合状态在线监测与评估平台上实现站内所有变电设备的在线监测数据的汇集、综合分析、故障诊断、监测预警、数据展示和存储等功能。

2.3 统一数据归集及增加深度处理

对监测分析判断所需的运行工况数据由综合处理单元统一从变电站综合自动化系统获取，同时由综合处理单元与各监测系统进行数据交互，实现各类数据资源的有效整合及共享。在变电站内状态监测集成要实现的关键技术有［2］:

(1)IEC 61850标准的和非IEC 61850标准的状态监测装置接入，并按IEC 61850标准统一建模。

(2)基于IEC 61850或透明转发方式将数据传输到中心级设备状态监测平台，支持装置的远程维护。

(3)支持在变电站内与故障录波装置(digital fault recorder，DFR)等系统的接口。

同时，结合智能技术、数据挖掘技术［3］将数据中蕴藏着的许多重要因素、事实和关联等有价值的信息提取出来并进行深度处理。在此基础上，通过调查、归纳、综合、分析工作，开发各种可供分析判断的软件，形成专家诊断系统，提高在线监测的智能化水平［4-5］。

2.4 基于FPGA和DSP的并行结构IED

对变电设备综合参数的分析，如变压器局部放电、套管电容、断路器开断电流以及GIS局部放电等，需要利用复杂分析算法(傅里叶分析、小波分析等)、数据存储及控制器局域网(CAN)才能得到相关参数［6］，同时运用数字总线技术增强抗干扰能力［7］，因此监测装置对系统的运算速度以及并行处理技术具有很高的要求。本文提出了基于现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)硬件结构的并行处理技术，达到对变电设备综合参数在线无缝采样与分析的目的。

其系统硬件逻辑结构如图3所示。系统主要包括数据采集A/D转换单元、FPGA模块、DSP模块以及用于与上位机通信的外部通信接口(RS485总线)。

图3 系统硬件逻辑结构Fig.3 Logic structure of system hardware

2.5 IEC 61850 9－2点对点的同步时钟系统实现同步采样

在组网传输采样值时，时钟同步的精度、时钟同步网络的可靠性、IEEE 1588等同步方式实现的可靠性，以及网络冲突、网络延时均可能对变电站在线监测系统的安全性、可靠性构成重要影响。本文分析了采用点对点方式的IEC 61850－9－2的必要性和难点，提出了一种在变电设备综合状态在线监测应用中实现点对点采样值传输的方法。与IEC 61850－9－1相比，IEC 61850－9－2的传送数据内容和数目均可配置，更加灵活，数据共享更方便［8］。

本文专门设计了以太网精确传输组件，该组件采用大容量FPGA作为协处理器，完成8路以太网数据的收发控制，协处理器承担了数据链路层全部工作，降低了CPU负荷。组件针对点对点IEC 61850－9－2的应用设计了多项功能，非常适合数字化变电站过程层设备的通信业务。其以太网协处理器的原理框图如图4所示。

图4 基于FPGA的以太网协处理器原理框图Fig.4 Principle block diagram of ethernet coprocessor based on FPGA

该组件带有高性能DSP，处理器可及时对接收的数据进行计算处理，分摊保护CPU负担。网路协处理器和DSP之间通过高性能增强型的并行外设接口进行全双工自动数据交换，其带宽达到800 Mbps，满足了8路百兆以太网接口的最大理论吞吐量。以太网插件的多项定制功能，如目的地址过滤、网络风暴抑制、有效报文检测等大大提高了系统在复杂网络环境下正常工作的能力。经测试，单块以太网插件在接收320 Mbps有效数据的情况下可以正常工作，这个指标完全能够满足当前过程层通信的应用需求。此外，该插件的以太网接口对上层协议是透明的，不仅可以承载IEC 61850－9－2的采样数据报文，也同样适合于承载数字化变电站过程层通信的其他常用业务，如GOOSE、IEEE 1588等。

1台装置可以通过内部RS485总线扩展多块以太网接口组件，1～4块该组件即可满足点对点方式对以太网端口数量和数据处理能力的扩展需求［9］。

2.6 规范数据传输格式

针对变电站在线监测装置的迅速发展，提出并制定数据传输格式标准化的要求。首先制订《在线监测装置数据及建模规范》，规定变电站内的监测装置及接入广西电网变电设备综合状态在线监测与评估平台的在线监测装置传输数据的内容和方式，以及进行IEC 61850数据建模时应遵循的原则。同时，在通信规范关键技术研究中明确系统配置、逻辑节点模型和服务类型这3部分内容。

同时，由于各类监测装置可能使用不同的专用数据格式，为便于这些数据在应用间的交换，提出并制定了《广西电网在线监测装置图谱数据通用格式规范》，规定了变电站内监测装置及接入广西电网变电设备综合状态在线监测与评估平台的在线监测装置的图谱、录波等数据文件的通用格式。

3 现场应用实例

3.1 试点变电站在线监测系统结构

通过在广西电网玉林供电局500 kV玉林变电站试点应用在线监测数据并行处理技术，对在传统数据通信网络结构上进行升级完善，实现规范及优化在线监测数据处理的目标。玉林变电站在线监测系统规划建设变压器、断路器等智能在线监测单元;各在线监测单元数据、站内其余在线监测数据(如电抗器油中溶解气监测数据)及变电站综合自动化系统相关数据均由变电站综合处理单元进行数据集中，并以IEC 61850通信规约转发至省级数据中心。数据网络内网需通过防火墙、IPS、上网行为控制等安全设备与互联网隔离［10-12］。该结构类似于变电设备现场智能组件柜方式，但在硬件逻辑结构、工况数据获取、对时并行同步采样方面进行完善。系统结构图如图5所示。

3.2 试点变电站在线监测系统特点

(1)变电站在线监测单元、综合处理单元及省级变电设备综合状态在线监测与评估平台采用分层分布式结构，实现对被监测设备的多个状态参数进行全面的、连续的在线监测，并在综合处理单元及省级平台对监测数据进行深度处理，为各级运维管理人员掌握和分析监测数据提供便利。

(2)部署多维在线监测单元。各在线监测单元包括被监测设备的在线监测及数据初步处理装置。在线监测装置从高压设备中安全地抽采被测的信号，通过传感器将变压器的电气、物理和化学等状态参数转换为可测的电压或电流量，然后进行信号采集、调整、模数转换和预处理等，形成在线监测量数据，并将数据按标准协议上传。多维在线监测单元一般安装在变电设备的运行现场，包括变压器监测、断路器监测、避雷器特性监测等。

图5 500 kV玉林变电站在线监测系统结构图Fig.5 On-line monitoring system of 500 kV Yulin substation

(3)系统结构组态灵活，具备良好的可扩展性，使用标准协议简化了建设、维护工作，无需开发多套数据同步程序或数据接口。

(4)系统设计采用合理的冗余配置和模块级的自诊断技术，使其具有高度的可靠性。

(5)系统内任一个监测单元或其内部某一监测传感器故障，均不应影响系统其他部分的工作。

3.3 综合处理单元与省级平台通信

综合处理单元与省级平台数据中心通信的关键技术在于系统配置、逻辑节点模型和服务类型3部分。为了确保通信的可靠性、规范性，在现场应用中采取了以下相应措施。

系统配置流程满足《DL/T 860系列标准工程实施技术规范》规定，具体细节要求有:(1)按照工程远景规模配置实例化的数据对象接口(DOI)，同时监测装置功能描述文件(ICD)中应该包含具体参数描述(desc)和基于字符串描述(dU)的属性;(2)将变电站所有需配置描述文件(SCD)自动生成的实例描述(CID)文件下载到对应元件中;(3)ICD文件需要包含模型自描述信息，例如版本信息、修改的版本号等内容。

逻辑节点类型定义直接关系到综合处理单元对站内各在线监测单元的数据整合。玉林变电站综合处理单元自身配置2个基本的逻辑节点，分别是实现信息交互的管理类逻辑节点和描述本单元物理特性的物理类逻辑节点。同时，根据监测需要配置不同类型的检测节点和控制节点，具体内容如表1所示。

通过系统配置流程、逻辑节点模型可实现通信数据格式规范，但为了确保通信质量，还需完善功能性服务。功能性服务包括:数据读取服务、报告服务、文件服务、时间同步服务、自检服务等内容。

4 结论

智能化变电站是我国电力发展的一个趋势，同时，智能化变电站在线监测与诊断技术近年来在电力行业受到了高度重视，其在线监测数据现场并行处理技术得到了深入研究，这对电力系统的安全运行具有重要的意义。通过对数据通信网络结构标准化、信息采集共享及监测数据传输模型等内容进行研究，为实现变电站监测系统结构更加合理化，设备性能可靠化、集成化，数据的统一归集、处理、分析诊断提供了参考。

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