基于IEC61850的电缆局部放电在线监测服务系统的设计与实现

田君杰，钱俊波，朱志新

(1.西宁供电公司，甘肃 西宁 810000；2.苏州光格设备有限公司，江苏 苏州 215123)

0 引 言

电缆局部放电是指发生在电缆绝缘层但尚未击穿的高频放电，是绝缘层缺陷在强电场作用下发生的反复放电，长期运行将产生累积效应，导致电缆绝缘层的介电性能恶化，最终导致整个绝缘层击穿，造成严重后果。因此局部放电是衡量电力电缆运行健康与否的重要指标，为了长期监测其放电趋势是否恶化，不适合采用人工巡检，而需要部署在线监测系统。

IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，其本意是针对智能变电站而作的一个规范体系，目前已广泛应用于电力系统的监测和调度控制。严格来说，电缆局部放电不属于变电站的监测范围，但其监测服务系统很多都部署在变电站内，为了方便管理和实现智能电网的信息高度集成和共享，笔者将其纳入IEC61850的服务系统，以供客户端或监控中心统一访问和集中管理。

1 系统框架

1.1 物理架构

整个电缆局部放电在线监测系统分为传感器、采集器、服务器、客户端四层物理架构，如图1所示。

其中传感器有两种，一是开合式高频电流互感器(HFCT，High Frequency Current Transformer)，用来耦合感应高频电缆局放脉冲信号，卡在电缆三相接头的接地线上；二是开合式低频电流互感器(LFCT，Low Frequency Current Transformer)，用来感应电缆本体的交流工频信号，卡在电缆本体上。每台采集器配备三路局放传感器(对应A、B、C三相)和一路工频传感器。

局放采集器使用ARM嵌入式系统，外接三路局放信号与一路工频信号，通过FPGA实现三路局放脉冲信号的高速并行触发采集，并通过工频信号拟合来实现工频相位的对齐，经过初步的数据整理和压缩，打包上传给服务器。

在线监测服务器运行数据收发的服务程序及数据管理，侦听从采集器端上报的局放数据，经过运算分析，将相关内容存入数据库及生成谱图文件，同时提供IEC61850服务。

客户端通过IEC61850协议访问服务器，得到各个电缆监测点的局放数据及谱图文件，从而实现电缆局部放电的在线监测。

图1 电缆局放在线监测系统物理架构

1.2 软件功能模块划分

电缆局部放电在线监测服务系统基于Qt应用程序开发框架，采用面向对象技术和模块化设计，各项功能都进行模块封装，通过标准化API接口互通，以实现良好的扩展性和可重用性。其数据管理应用关系型数据库MySQL来实现，体积小、速度快，适用于电力监测数据的管理与快速检索。服务系统整体功能模块的划分如图 2所示。

图2 服务软件的功能模块划分

2 业务流程

电缆局部放电在线监测服务系统的主要业务分为两块，一是侦听收集前端采集设备上报的局放数据(如图3所示)，二是更新上传IEC61850服务的各类逻辑节点数值和谱图文件(如图4所示)，中间以MySQL数据库作为媒介。

图3 采集数据业务流程

图4 IEC61850服务处理业务流程

整个系统电缆各接头分布的局部放电采集器比较多，为了提高局放信号的采集效率，前端采集器必须自动循环采集并主动上报采集数据，否则必将严重损害局放脉冲的捕获率。这对服务端的数据侦听提出了较高的要求，而且局放数据的分析处理涉及大量的时频域运算和统计分类，串行处理必将造成主进程的阻塞。因此，为了避免并发接收局放数据的阻塞隐患，服务端建立线程池来梳理数据上报请求，分散并行处理局放数据和完成相关的分析运算。

IEC61850服务处理业务另起一个进程，通过定时循环遍历数据库的方式来获取逻辑节点数值和抓取谱图文件，相关数据的更新在数据库中标记，这样可以和采集数据业务隔离，保持各自的独立运行而互不干扰。

3 IEC61850服务程序设计

3.1 libIEC61850简介

libIEC61850是一个开源的(GPLv3)IEC61850协议客户端和服务端运行库实现，支持MMS、GOOSE和SV等协议，用C语言(C99标准)编写，具备最大的可移植性。它可以在运行Linux、Windows、MaxOS系统的各种嵌入式设备或PC中实现IEC61850客户端和服务端应用程序。图5所示为服务端框架。

图5 libIEC61850 服务端框架

3.2 scd建模

电缆局部放电在线监测服务系统部署在变电站内，收集前端在线采集装置上报的数据，并对数据进行分析处理和存储管理，向下实现对在线监测装置的控制，向上实现对远程监控平台或电力综合诊断中心的数据汇报，属于站控层综合处理单元，需要建立SCD模型文件，对下属过程层的所有在线监测装置及其相关信息统一建立逻辑节点。

3.3 监测点建模

电缆接头处A、B、C三相接地线分别安装高频电流互感器HFCT，对应有三个局放监测点，分别建立局放逻辑节点。其中除了模型(Mod)、Beh(性能)、Health(健康状况)、铭牌(NamPlt)等基本信息之外，监测参量设置告警(PaDschAlm)、传感器通信异常(MoDevComF)、放电类型(DschType)、视在放电量(AppPaDsch)、背景噪声水平(AcuPaDsch)、放电均值(AvDsch)、放电峰值(MaxDsch)、放电频次(DschCnt)等，如图6所示。

图6 监测点逻辑节点建模

3.3.1 数据集和报告控制建模

所有监测点的主要监测参量汇总在数据集(DataSet)中，以便报告服务引用，如图 7所示。每个报告控制模块将对应数据集中的重要参量定时上报，其触发选项中的数据改变(dchg)、品质改变(qchg)、数据刷新(dupd)均置否，完整性周期(IntgPd)则使能，以便这些重要参量能够定时上报，如图8所示。

图7 数据集建模

图8 报告控制建模

3.3.2 自检告警建模

站控层综合处理单元本身需要提高自检告警功能，因此建立自检告警的逻辑节点，如图 9所示，一共支持以下几类告警：Alm1(CPU占用率过高)；Alm2(内存占用率过高)；Alm3(存储剩余空间过低)；Alm4(对上时钟同步信号丢失)；Alm5(对下时间服务运行异常)；Alm6(对上通信应用模块运行异常)；Alm7(对下通信应用模块运行异常)。

图9 自检告警建模

3.3.3 谱图信号建模

局放谱图文件更新后需要通知客户端，以便对方及时获取，为此，建立谱图信号逻辑节点，记录最新的谱图文件生成序号，如图 10所示。

4 工程应用

目前该系统已在珠海某220 kV智能变电站投运，为省电科院监控中心提供IEC61850服务，运行稳定，客户端数据监测的放电趋势图谱和放电相位图谱(PRPD)如图11和图12所示。

图10 谱图信号建模

图11 客户端放电趋势图

图12 客户端PRPD图

5 结束语

本文从工程应用角度出发，设计了一种基于IEC61850的电缆局部放电服务系统，使用Qt和MySQL实现前端监测设备的并发数据收集、处理和存储，并针对电缆接头局部放电的监测特性进行了SCD建模，利用开源库libIEC61850实现了服务端应用，整个服务系统取得了良好的开放性、互操作性、可扩展性。目前系统运行平稳，符合智能变电站未来的发展趋势。