（机械电子工程专业论文）数字化变电站综合监测与预警系统研究.pdf

摘要 摘要 随着基于i e c6 1 8 5 0 标准的数字化变电站技术的日益成熟，从根本上改变了 传统变电站二次设备的构成，变电站一、二次设备可以依靠高智能设备来结合， 更加趋于全数字化和实现网络的信息共享，而且整个系统的数据信息也趋于完 整，为了使变电站的生产管理更加简易有效，提高变电的效益，我们可以使用 以上信息完成能实时监管的无人值守数字化变电站安全保障系统。 我们主要采用分布式智能技术，主要分析无人值守数字化变电站的安全保 障技术。在发现隐患或系统不正常时，可以大幅度地降低事故发生的可能性， 如果事故发生，就以最快的反应速度缩小受影响范围并使无故障区域正常运行。 这就对变电站实现了实时监控，保证变电设备的安全，从而实现一个能实时监 管的安全保障系统。 首先，介绍了一体化变电站综合监测预警与决策系统，数字化变电站的各 种功能都共用统一的信息平台。 随后，介绍了数字化变电站全景数据采集平台，研究并实现了变电站全景 数字采集方法，研制了变电站通信对象服务器，将变电站的数据源，形成基于 同一断面的唯一性、一致性基础信息，通过统一标准、统一建模来实现变电站 内外的信息交互和信息共享。 接下来，利用g o o s e ( 面向对象变电站通用事件) 模型，使数字化遥视 系统对变电站设备的控制变化、开关操作、故障发生等信息有自动反应的能力， 通过自动识别、优化处理，迅速采取相应的操控，建立完成一个集成操控智能 遥视系统。 最后，通过强制设置网卡工作模式，采用网络嗅探技术，实现g o o s e 报文 与网络通信报文( m m s 、g o o s e 、采样值报文等) 联动录波、采样值波形还原 及其他报文分析。实现了数字化变电站网络性能的实时监测和评估。 关键词：数字化变电站；i e c 6 1 8 5 0 ；数字化遥视系统；s n m p ；网络嗅探技术 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g yo fd i g i t a l i z e ds u b s t a t i o nm a t u r e sw h i c hi sb a s e do nt h ei e c 618 50s t a n d a r d ，i th a sf u n d a m e n t l l yc h a n g e dt h ec o m p o s i t i o no ft r a d i t i o n a ls u b s t a t i o n s e c o n d a r ye q u i p m e n t s w ec a l ld e p e n do nh i g hi n t e l l i g e n te q u i p m e n tt oc o m b i n et h e s u b s t a t i o ne q u i p m e n t s 谢t ht h es e c o n d a r ye q u i p m e r i t s a f t e rt h a t ，i tc a nt e n dt ob e m o r ef u l ld i g i t a l i z a t i o na n dr e a l i z en e t w o r ki n f o r m a t i o ns h a r i n g ，i ta l s oc a i lm a k et h e d a t a o ft h ew h o l es y s t e mt e n dt oc o m p l e t i o n f o rm o r es i m p l ea n de f f e c t i v e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n di m p r o v i n gt h eb e n i f i t so fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m a t i o n ，w e c a nu s ea b o v ei n f o r m a t i o nt oc o m p l e t et h er e a l - t i m es u p e r v i s e da n du n a t t e n d e d s e c u r i t ys y s t e m w em a i n l yu s ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yt o a n a l y s i st h eu n a t t e n d e d s e c u r i t ys y s t e mo ft h ed i g i t a l i z e ds u b s t a t i o n w h e nw ef i n dh i d d e nt r o u b l e so rt h e s y s t e mi sn o tn o r m a l ，i tc a ng r e a t l yd e c r e a s et h ep o s s i b i l i t yo fa c c i d e n th a p p e n i n g i f a i la c c i d e n th a sh a p p e n e d w ec o u l dn a r r o wa f f e c t e dr a n g e 讯mt h ef a s t e s ts p e e dt o r e s p o n s e a n dm a k et r o u b l e - f r e ea r e a n o r m a l l yo p e r a t e i t r e a l i z e sr e a l - t i m e s u p e r v i s i o na n de n s u r et h es e c u r i t yo ft h ee q u i p m e n t ，s oa st ob ear e a l t i m e s u p e r v i s e ds e c u r i t ys y s t e m f i r s t l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e si n t e r g r a t e di n s p e c t i n ga n da l e r t i n gs y s t e mo ft h e d i g i t a l i z e ds u b s t a t i o n ，t h ed i g i t a lp l a t f o r mw h i c hi ss h a r e db yt h ef u n c t i o n so ft h e d i g i t a l i z e ds u b s t a t i o n s u b s e q u e n t l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h et h ed i g i t a l i z e ds u b s t a t i o np a n o r a m i cd a t a a c q u i s i t i o np l a t f o r m ，r e s e a r c h e sa n dr e a l i z e st h em e t h o do fa c q u i s i t i o n ，d e v e l o p s s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns e r v e ro b j e c t i tm a k e sd a t ar e s o u s e sf o r mt h eo n l ya n d c o n s i s t e n tb a s i ci n f o r m a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h es a m es e c t i o n t h r o u g ht h eu n i f i e d s t a n d a r da n dm o d e l i n g ，i ta l s or e a l i z e si n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o na n ds h a r i n gb e t w e e n i n t e r n a la n de x t e r n a ls u b s t a t i o n n e x t ，w eu s eg o o s e ( f a c et ot h ec o m m o n eo b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o ne v e n t s ) m o d e lt om a k et h ed i g i t a lr e m o t ev i e w i n gs y s t e mr e a c tt oc o n t r o lc h a n g e ，s w i t c h o p e r a t i o n ，f a i l u r eo c c u r r e n c eo fe q u i p m e n t sa n ds oo n t h r o u g ht h ea u t o m a t i c i i a b s t r a c t i d e n t i f i c a t i o na n do p t i m i z e dp r o c e s s i n g ，w ec a nr a p i d l yt a k et h ec o r r e s p o n d i n g c o n t r o la n dt h e nb u i l da ni n t e g r a t e dc o n t r o l l e di n t e l l i g e n tr e m o t ev i e w i n gs y s t e m f i n a l l y , t h r o u g hs e t t i n gm e n d a t o r yn e t w o r kc a r d sa n du s i n gn e t w o r ks n i f f e r t e c h n i q u e s ，w er e a l i z eg o o s ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm e s s a g el i n k a g ew a v e r e c o r d ，s a m p l ev a l u e sw a v e f o r mr e d u c t i o na n do t h em e s s a g ea n l y s i s i tr e a l i z e st h e r e a l t i m e s u p e r v i s i o n a n da s s e s s m e n to ft h e d i g i t a l i z e d s u b s t a t i o nn e t w o r k p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：d i g i t a l i z e ds u b s t a t i o n ；i e c 6 18 5 0 ；d i g i t a lr e m o t ev i e w i n gs y s t e m ； n e t w o r ks n i f f e rt e c h n i q u e ，d i g i t a l i z e d i i i 第1 章概述 第1 章概述 1 1 课题背景与研究现状 目前，我省的变电站无人值班、少人值守运行模式与先进省相比，存在较 大的差距。随着电网的加速发展，变电站不断增加，由于系统生产管理集约化 程度较低，增加变电站就势必要增加变电运行人员，现有的变电运行人员数量 和质量早己无法满足，所以只能通过简单培训上岗和人事代理以解燃眉之急。 照此下去，维持正常的变电运行就必须投入更多的人力，将会加重减人增效的 压力，不利于提高变电运行队伍的整体水平，也会增加安全风险。从先进省公 司的变电运行管理实践来看，由于打破了过去的思维定势，充分利用了当前发 达的信息、通信等技术，基本实现了无人值班，这不但节约人力成本，也减少 了人为的误操作事故。 提高经济性和降低故障率是变电站自动化的唯一目标。这几年来，随着基 于i e c6 1 8 5 0 标准的数字化变电站技术的日益成熟，从根本上改变了传统变电站 二次设备的构成，变电站一、二次设备可以依靠高智能设备来结合，更加趋于 全数字化和实现网络的信息共享，而且整个系统的数据信息也趋于完整，为了 使变电站的生产管理更加简易有效，提高变电的效益，我们可以使用以上信息 完成能实时监管的无人值守数字化变电站安全保障系统。 鉴于以上分析，我们主要采用分布式智能技术，主要分析无人值守数字化 变电站的安全保障技术。在发现隐患或系统不正常时，可以大幅度地降低事故 发生的可能性，如果事故发生，就以最快的反应速度缩小受影响范围并使无故 障区域正常运行。这就对变电站实现了实时监控，保证变电设备的安全，从而 实现一个能实时监管的安全保障系统。 1 2 总体思路 数字化变电站技术研究可以采用以下2 种方案： 一注重解决多厂家设备互操作问题的方案。例如由国网电力科学研究院和 浙江省电力公司共同完成的项目“基于i e c6 1 8 5 0 及多厂家设备互操作的变电站 自动化系统研究与开发 、由泰安供电公司和中国电力科学研究院共同完成的 第1 章概述 项目“遵循i e c6 1 8 5 0 体系标准的变电站自动化系统示范工程 、由陕西省电力 公司完成的项目“变电站通信网络和系统标准化试点研究 。该方案主要通过 建立基于i e c 6 1 8 5 0 标准的全站统一的数据模型和数据通信平台，实现站内不同 厂家设备的无缝通信。 二注重数字化信息应用的研究方案。该方案在一次和二次设备的数字化采 集和传输的基础上，通过系统集成、功能优化，开发高级应用，充分发挥数字 化变电站的优势，提高变电站安全运行管理水平。 目前，在中国电力科学研究院、国网电力科学研究院和国内各大电力设备 制造厂商的共同努力下，数字化变电站中多厂家设备互操作问题已基本解决。 为此，本课题拟在现有科研成果的基础上，着重分析数字化信息的应用。而且， 目前大部分变电站已配备或即将配备多种自动化系统，现在已有的变电站二次 系统信息分散且不能准确表达现有电网系统的复杂故障，当电网发生故障时， 运行人员往往要面对众多孤立的保护、测量信息而无法及时准确地判断出故障 根源。因此，在现有变电站二次系统中加入智能告警和故障综合诊断软件能有 效的协助运行人员及时准确地判断故障元件和可能的故障原因。 现状_ 未来i 2 第l 章概述 为了防止信息孤岛的出现，对无人值守数字化变电站实行集成管理，从而 使资源发挥效益最大化，必须建立一体化变电站二次系统。把对各变电站采集 的信息进行综合分析、判断，提取事故特征，分析事故原因，并打印记录，以 各查询。而这些信息是由各变电站分布式智能探测器在线监测采集产生的，如 自动气象站、环境监测、断路器状态在线监测、变压器油色谱在线监测、点式 在线红外测温、火灾探测等。 1 3 课题设计思想和技术路线 本课题的设计思想和技术路线总结如下： ( 1 ) 构建一体化数字化变电站集中监测平台 建立集在线监测、故障诊断、预警、等应用的平台，从而实现对变电站一 二次设备及传感器信息的远程集中监控。 ( 2 ) 建立标准化的平台和开放系统设计思想 按照i e c 6 1 9 7 0 和i e c6 1 8 5 0 标准，使用公共信息模型( c i m ) 、通用接口 定义( g i d ) 及变电站配置语言( s c l ) ，使平台标准化，使系统拥有较好的适 应和扩展能力。 ( 3 ) 完全自主版权，功能丰富实用 本系统从数字化变电站全景数据采集装置、数字化遥视装置、智能告警装 置，支撑平台到应用软件，完全自主版权，开发了集在线监测、智能报警的可 视化综合应用系统。 1 4 研究过程中解决的关键问题 本课题旨在建立一体化变电站综合监测预警与决策系统，运行人员只需面 对一个告警控制台，就可以查看变电站中发生的所有告警，同时，事件可以按 照来源( 电网运行、主设备、二次设备) 、类型( 提示、告警、事故) 、间隔 设备单元进行分组，可以方便进行查看。在研究过程中遇到了大量的技术问题， 为满足实际系统的应用要求，我们逐一解决。本课题解决的一些主要的关键技 术问题是： ( 1 ) 数字化变电站全景数字采集 把变电站设备的各种运行状态及安全信息转换成基于对象的统一数据，使 3 第1 章概述 用统一的远程服务接口采集数据。 ( 2 ) 基于协同机制的遥视 利用g o o s e ( 面向对象变电站通用事件) 模型，使数字化遥视系统对变 电站设备的控制变化、开关操作、故障发生等信息有自动反应的能力，通过自 动识别、优化处理，迅速采取相应的操控，建立完成一个集成操控智能遥视系 统。 ( 3 ) 智能告警问题 基于时序约束网络构建了一种能够充分利用警报信号时序特性的电力系统 警报处理的解析模型，该模型不仅能够分析出导致警报发生的具体事件，而且 可为推理出发生该事件的时间区间，识别出存在异常或遗漏的警报信息提供支 持。 ( 4 ) 网络信息监测、全数字继电保护测试问题 建立网络报文的在线监测及分析系统，可以使全站m m s 、g o o s e 、s m v 格式或协议的报文进行实时监视、记录、分析，实现了数字化变电站的网络分 析和评估能力。 1 5 与当前国内外同类研究的比较 目前国内外对数字化变电站技术进行了相关研究： 国外：针对i e c 6 1 8 5 0 标准的应用和研究开始较早，相应的试点工程在制定 i e c 6 1 8 5 0 的过程中就开始建设。欧美多国都有试点工程，在工程的不断实践当 中，对i e c 6 1 8 5 0 进行验证并不断完善。 国内：南瑞科技、国电南自、中国电科院等单位研制了各具特点的数字化 变电站自动化系统，1 0 多个网省公司进行了数字化变电站的示范应用。 目前与数字化变电站相关的理论和实践研究都存在不足，在理论上，数字 化变电站的内涵和技术特征缺乏统一的认识，其关键技术中的多个方面，如二 次系统结构与功能、通信网络建设、各层设备的实现等，现有理论不能满足工 程实际的需求；在实践上，相关标准、设备、试验、检验等均缺乏规范，这些 问题必然使数字化变电站建设的技术水平参差不齐。同时，目前建成的试点工 程在功能上大多是常规变电站的翻版，在一次设备在线监测、系统集成、功能 优化、高级应用功能开发方面考虑较少，并没有充分发挥数字化变电站的优势。 4 第1 章概述 针对以上问题，本课题提出了数字化变电站全景数据采集方法、基于时序 约束网络的变电站智能告警、基于g o o s e 协同机制的数字化变电站保护视频联 动及网络报文录波，与当前国内外最先进同类综合比较如表1 1 所示。 表1 1 综合比较 序号比较项目国内外同类研究本课题比较结果 建立站内数字化统一信息交互 数字化变电站 现有方法较少从平台，使各系统之间交互数据 1 数据采集及整 系统的角度考虑。 标准化，并可以与其他系统交 本课题领先 合方法 互标准化。 现有方法较少考 虑保护与断路器基于时序约束网络的数字化变 2 变电站警报动作的时间约束电站智能告警，实现对故障告本课题领先 以及数字化变电警信息的分类、过滤。 站的特点。 在上述理论和技术研究成果的基础上，本课题研发了一体化数字化变电站 综合监测预警系统，实现了变电站保护、测量、故障录波、视频、一次设备在 线监测、网络设备信息等各种信息的综合监测，具有图像监控、设备状态监测 和寿命评估、网络管理、智能告警等功能。 5 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 2 1 引言 当前，多数变电站为了提升安全运行水平，配备或准备配备各种监控系统，： 如火灾报警系统、防误操作闭锁系统、图像监控系统、综合自动化系统、电能 计量系统、故障信息管理系统、电能质量监测系统等等，而这些系统大部分不 是同时建设配备的，各系统相对独立，重复建设多，元器件总数庞大，故障率 高，各系统自成一系，监控、维护、维修人员独立，使得维修、维护困难，系 统信息不能交互，无法实现高度自动化。 而且当前已有的变电站二次系统信息分散且不能准确表达现有电网系统的 复杂故障，当电网发生故障时，运行人员往往要面对众多孤立的保护、测量信 息而无法及时准确地判断出故障根源。因此，在现有变电站二次系统中加入智 能报警和故障诊断软件能有效的协助运行人员及时准确地判断故障元件和可能 的故障原因。 为了防止信息孤岛的出现，对无人值守数字化变电站实行集成管理，从而 使资源发挥效益最大化，需要集在线监测、智能报警、故障诊断、事故分析与 预报和在线操作指导于一体的可视化综合应用系统。为此，本课题提出构建一 体化变电站综合监测预警与决策系统，通过建设一体化的系统，使变电站设备 的运行状况、故障信息、视频信息、设备信息、安全操作、气象等信息在一个 统一的平台上传输，研发变电站基于统一的标准化数据模型、接口，最大程度 地实现信息的集成和资源的共享，建立统一的数据库和应用平台，加强数据整 合和实时分析功能，并实现统一时标、综合管理，实现图像监控、设备状态监 测和寿命评估、网络管理和诊断等功能。同时集成电网工况信息、一二次设备 运行状况的报警，实现智能故障诊断。 6 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 2 2 系统结构 2 2 1 总体结构 电科囊工作1 l渡蒙嘉站 站 币辄 【路由嚣 i e c 6 1 9 7 0 空攮机b “” 电口l c i s 电口 面向对象 i e c 6 1 9 7 0 在线监捌后台最示系统通信对象服务器 通信服务器 电口 交接机b 一一一 l 电。 电口i 电。 自定协议 串口通讯 在拽监铡主机( 嵌入式p c ) 匝c 1 0 3 生”i 雎c 6 l m 纠h bd | h 哪- 远程维护 f 智能报警jf 甥能视频f 网络分析 系统jl控制l系统 、 ， 断路器 红外 1 气象站j 警怂警川、燮r - * 在线监测系统 | 咖专? 币臀一臀 囱产譬盘平哥 c篙p拉l鬣okv站el机韶瓣，i 磊“一s 网许9 - 继2 (m) 镜悔u机镜像口帅仃h 图2 - 1 系统结构不慈图 系统主要由：变电站综合信息一体化平台、网络传输一体化平台、应用集 成一体化平台组成。要求把监控与预警功能集成在一个平台和数据库内。系统 结构如图2 1 所示。 2 2 2 典型结构 主站结构：应用集成一体化主站采用单机、单网的局域网络环境。通信服 务器实现主站与子站间的通信，根据信息划分的级别分别存入历史数据库和实 时数据库；工作站客户机用于运行人员对变电站设备和安全监测信息的远程集 中监测与诊断任务。子站结构：变电站通信对象服务平台( 非控制生产区) 将 在线监测系统、继电器保护、故障信息、火灾预警等信息进行采集并加以处理， 然后讲过结果通过网络传送到监控中心。变电站监测和预警子站主要由：智能 报警装置、遥视主机、就地检修终端、网络接口设备等构成，如图2 2 所示。 7 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 图2 - 2 子站系统结构示意图 2 3 功能分解 系统的功能模块划分如图2 3 所示，包括变电站综合监测功能、建模管理功 能、事件与告警功能、高级分析功能、数据采集和转发、数据处理和存储、系 统建模和维护功能七大部分，分别对应于主站端和子站端子系统。 图2 - 3 系统功能模块划分 8 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 2 3 1 子站端子系统功能 2 3 1 1 设备配置 能灵活的对各就地智能监测单元的配置参数进行设定。 在本课题中，能接入如下子系统：在线监测系统、综自系统、继电保护及 故障信息处理系统、网络分析管理系统、在线报警处理系统，根据现场的需求， 在满足硬件资源的前提下，能够接入更多的变电站内设备或应用系统，且无需 改动软件。 网络状况检测功能，能够提前发现故障，使维护人员及时排除。软件功能： 可同时监测多个i p 地址、可以检测出网络时延超出设置或断线状态、监测记录 以文字方式保存。 2 3 1 2 数据显示 实时显示各就地智能监测单元的工作状态，采用多种方式显示各监测数据曲 线。系统安全维护配置及图形、数据维护软件的开发。 2 3 1 3 数据存储 能长期保存各就地智能监测单元的监测数据。站内数据存储和初步预警， 具备数据的存储和初步预警功能，应能存储如下数据：重要断面数据、至少七 天历史数据、预警规则数据、设备本身运行状态信息、站内重要日志信息。 2 3 1 4 图形化界面 主接线可采用图形化显示，可直观地实时查看各设备绝缘参数。 对接入的子系统的信息能够按照i e c 6 1 8 5 0 标准建立模型，其中包括实时监 控、网络管理、报警等模型，对于i e c 6 1 8 5 0 中没有定义的逻辑节点、数据对象、 公共数据类，能够根据i e c 6 18 5 0 标准规定的扩展原则进行扩展。 2 3 1 5 远程通信 自动定时与远方管理系统进行数据通信； 通信对象服务器能够提供2 路标准串口和4 路以太网口，以接入变电站内 子系统； 对上能提供2 路标准以太网口接口，向主站系统发送信息。 对变电站内其他的子系统，能够以i e c l 0 1 、i e c l 0 4 、d n p 3 0 、c d t 、基于 9 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 i e c 6 1 8 5 0 信息模型的m m s 等通信协议接入信息。 对上级主站系统，能够提供遵循i e c 618 5 0 m m s 和i e c 619 7 0 g i d 的接口 上送信息，实现i e c6 1 8 5 0 与i e c6 1 9 7 0 信息模型和接口之间的协调。 协议的扩展无需改动硬件，而且不会影响原有功能的正常运行。 信息模型的增加或改变无需改动软件，程序应具有自适应能力。 2 3 2 主站端子系统功能 2 3 2 1 数据采集与处理 数字化变电站将数据( 包括变电站二次设备各元件运行状态、开关量、二 次设备监控的一次设备实时数据，以及系统的不正常或事件事故、视频影像等) 通过标准接口传输到数据库服务器。通过通讯采集有关信息，记录事件，故障 状态，变位信号等，进行包括对整个数据合理性校验在内的各种预处理，实时 更新数据库。 实时数据库接收收集的数据，对实时监控终端提供数据和服务，其中包括： 面向对象的实时数据的定义与配置、内存数据库、高性能数据索引机制、实现 多用户并发功能和分布式配置多个数据库、各数据库之间可以级联。 实时数据库子系统是数据采集与处理系统的核心之一。它的设计包括结构 与管理程序设计。按照数据采集系统的特点设计数据库的结构，根据现场修改、 任务的实时请求、遥控、报警的响应要求设计管理程序。 2 3 2 2 事件与报警 实时数据库的服务器会监测各个数据或状态，当有数据或状态有变化时， 会按照事件编好的程序计算，然后得出报警和事件的结果。 服务器拥有较强的过滤功能，客户端通过d a i sa e 接口可以让服务器筛选 出所需要的报警与事件，并传输到客户端。 事件源使得报警或事件发生，它可以由多点测量，有独立的名字和一组附 加数据项。所有的事件源被划分为多个区域以方便管理。 报警和事件包括条件报警、跟踪事件、简单事件三类。其中条件报警的条 件由逻辑表达式表示，各条件的逻辑表达式有互斥内容，用以准确得知满足的 条件。事件源的状态使逻辑表达式结果成立，就会造成报警。 2 3 2 3 报警功能 1 0 第2 章一体化变电站综合监测预警与决策系统 当所采集的模拟量发生越限，数字量变位及计算机系统自诊断故障时能够 自动进行报警处理。自动启动打印报警信息。 并能够基于预先定义的报警重要性权重确定优先级别，为不同职责范围的 用户提供不同的报警信息，根据不同的职责范围制定不同的报警优先级别。 实现保护设备资料管理系统和报警处理系统的集成，若监测出保护设备有 误动作的情况，资料管理系统可显示保护设备基本资料、动作顺序记录、投运 年限、及维修情况，以确实掌握保护设备实际运转状况。 2 4 小结 本课题实现了一体化二次系统结构设计方案，研发了一体化变电站监测预 警系统，数字化变电站的各种功能都共用统一的信息平台，避免设备的重复投 入，节约安装和日后维护成本，事故隐患能够早期发现并得到及时处理，能够 给变电站的运行提供真正的安全保障。 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 3 1 引言 智能电网的功能必须实现有机融合电力流、业务流、信息流三种数据信息 流。而变电站是电网中基本的节点，为了实时满足客户终端的各类需求，首要 功能即须标准化这三类信息，并加以补充完善。智能变电站在相应的智能电网 中扮演重要角色，它必须完成将三类信息标准化后补充完善的功能，向客户提 供各类信息，从而实现客户终端的数据存取。因此先要设立变电站基础数据平 台，便于统一管理变电站的设备运行状态、带时标的数据、资源管理数据、接 入数据、电网模型数据等全部数据和信息流。再将电网节点模型化，数字化， 以满足智能电网中日益复杂的各类高级应用。 而采用i e c 6 1 8 5 0 实现变电站信息化、交互标准化，是变电站自动化的必选 项，也是智能电网的必选项；变电站上传的信息是按照i e c6 1 8 5 0s c l 的，而 遵循i e c6 1 9 7 0c i m 建模规范的主站系统执行到c i m 电力资源对象的映射，实 际工程中需要进行相互转换映射，也就是说，需要解决智能变电站和主站的共 享建模问题。 为了实现智能的电网，变电站全自动化信息化，需要有一种行业内普遍公 认可行的协议，即采用i e c 6 1 8 5 0 来完成信息的通信和标准化交互。但是目前面 临的问题是，变电站上传信息可以依据i e c6 1 8 5 0s c l ，而执行c i m 电力资源 对象间映射的主站，建模指导思路则遵循i e c6 1 9 7 0c i m 规范：如何在主站和 智能变电站间共享建模的问题，需要率先得到解决。 为此，本课题创建了数字化变电站全景数据采集方法，研制了变电站通信 对象间的数据信息整合，概述如下：采用o o m 面向对象建模技术。通过面向 对象建模具有模块化、继承性和信息隐藏的优势分析设计系统，在全面掌握变 电站子系统模型的特征及相互关系的基础上定义对象，根据对象的属性定义对 象间的关系，由此呈现和描述整个系统。创建一体化通信管理平台。该平台 涵盖变电站的各种应用，通信结构的设计要尽可能充分兼容安全分区下的每个 应用系统；当出现不符合i e c 6 1 8 5 0 标准的应用时，有通信管理平台的适配接口， 1 2 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 或者为没有相应适配的应用预留升级模块备用资源；设计每个从独立分散系统 到全景统一信息模型上的转换关系；通讯层面上，创建实现g o o s e 机制的各应 用系统到平台的专用通信服务映射( s c s m ) 和通信服务接口a c s i 。兼顾统一 的变电站信息系统对外接口体系以支持i e c6 1 9 7 0g i d 和i e c6 1 8 5 0 m m s 接口。 以上概述的要点中，在本论文重点研究综合监测与报警部分。 3 2 系统架构简介 变电站内装有一套在线监测系统，包括：断路器状态、变压器油色谱监测、 点式在线红外测温、站点气象环境监测，以便及时了解站内一次设备的实时状 态和环境状况。 其中，监测断路器状态的部分主要监测电流实时值、开关动作时刻的三相 负荷、短路电流波形等各种关键参数监测波形、开关的动作累计次数、相对寿 命、三相电流触头的单次和累计磨损量、辅助接点的状态。分动断路器在线监 测装置在2 台主变3 5 k v 和1 0 k v 侧的断路器各安装1 台。 变压器油色谱在线监测安装于变压器上，对油中氢气和乙烯等非电气参数进 行监视。 点式在线红外测温系统，可监测高压电气设备中的发热部件，同时带有声 光报警。本课题计划在3 5 1 0 k v 主变开关柜母线及各种接点处安装红外测温仪， 利用4 8 5 总线将多个探头的数据收集传输到继电室内，实现远程监控。 变电站气象环境监测安装于站内，对变电站的微气象参数如：空气温度、 大气湿度，降雨量，阳光总辐射，土壤湿度，风向，风速等进行在线监测和数 据传输。 以上在线监测系统不遵循i e c6 1 8 5 0 标准，为了统一站内对站外的模型和接 口，本课题创建了数字化变电站全景数据采集方法，汇总到变电站通信对象服 务平台。系统完成数据的整合，扩展和转换。系统架构如图3 1 所示。 1 3 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 变压 监 在线监测采集主机 _ m o d b m f 。，i 。 断路器 、篮测单元 红外 l 监测单元 扯线监测系统 控制中心 系统 智能报警 系统 弋一 i e c 6 1 8 5 0 a c s l l i e c6 1 9 7 0 i e c6 1 8 5 0 通信对象服务平台 a m s 气象站 监测单元 图3 - 1 系统架构图 3 3 数字化变电站全景数据采集方法 综自 系统 0 3 自定义协议 视频控制 系统 本采集方法遵循i e c6 18 5 0 标准和i e c6 19 7 0g i d 规范，根据资源全局统一 命名，并提供g i d 开放应用程序接口。 图3 2 为方法的数据处理流程示意图。 传感器l 传感嚣2 传蓐器3 传感嚣4 传感器5 设备驱动 私有实时数据库 现场设备设备驱动 实时数据访问接1 2 1 报警和事件接口 历史数据访问接口 模型映射 g i d 访目接口 图3 - 2 数据处理流程示意图 g i d 主站 本方法具有如下优点： 将变电站稳态、暂态、动态数据以及设备状态、图像等全面反映变电站 设备状态与运行工况的全景数据，便于实现各种系统资源的共享，降低系统监 1 4 一 、普 一 p 一色元 n 一油单 i l _ 器溅 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 测成本； 转换为基于i e c6 1 8 5 0 标准的数据对象； 遵循i e c6 18 5 0s c l 的变电站二次设备模型与遵循i e c6 1 9 7 0c i m 的一 次设备模型无缝拼接； 基于i e c6 1 9 7 0g i d 的远程服务接口，第三方分析程序可以很方便的获 取和分析采集的数据，为相关研究工作提供了便利，部署灵活，维护成本低。 3 4 建立面向对象的变电站信息统一模型 3 4 1 建立面向对象的变电站信息统一模型 要对1 1 0 k v 变电站各个不同应用系统中高度异构数据实现有效信息共享， 建立一个统一的信息模型是关键。i e c6 1 8 5 0 标准为变电站自动化系统的发展指 明了方向，在深入研究变电站各子系统信息模型的特性及相互关系的基础上， 采用面向对象建模技术，利用对象的继承、信息隐藏和模块化的优点，进行系 统分析与设计，准确地定义对象，然后在根据对象的特征属性定义对象之间的 关系，进而完成整个系统的分析与设计工作。 基于i e c6 1 8 5 0 标准，从全局的视点出发，给出1 1 0 k v 变电站物理设备、 逻辑设备、逻辑节点、数据对象的信息模型，并给出变电站数据编码标准，定 义采用应用设备名、逻辑节点名、实例编号、数据类名，建立对象名的命名编 码规则。 型。 建立基于i e c6 1 8 5 0 的统一信息模型，包括在线监测、网络管理、报警等模 1 5 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 3 4 2 私有数据与i e c6 1 8 5 0 数据之问的映射 由于目前现场设备的私有协议大多是面向信号点表、线形和平面的，而i e c 6 1 8 5 0 的数据模型是面向对象和立体的，这就存在私有协议向i e c6 1 8 5 0 数据模 型的转换过程，涉及将线形的信号点表，按照i e c6 1 8 5 0 的面向对象方式重新建 模的过程，这是一种从平面到立体的过程，如图3 3 所示。 盥坚b ! l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - j _ _ _ _ _ _ 一 测量m m x u l 糍掰 图3 3 私有数据与i e c6 1 8 5 0 数据之间的映射示意图 3 5i e c6 1 9 7 0 和i e c 6 1 8 5 0 标准的协调机制 为保证数据能够在分布的系统之间有效交换，在全系统内充分共享，使电 网调度中心各子系统之间能够互连、互通、互动，i e c6 1 9 7 0 描述了e m s 模型 中电力系统包含的所有主要对象的公共信息模型c i m 。c i m 对主要的电网设备 和相关对象进行了建模，包含这些对象的公共类和属性，以及它们之间的关系。 c i m 的基本框架可以抽象为如图3 4 所示。 图3 4c i m 框架 1 6 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 c i m 中的每一个“实体”可以包含多个“属性”，属性的数据类型、单位、 表现形式和值域等由“域”来定义，每个域可以作用于多个属性。 “关系类型”定义c i m 的实体之间常见的抽象关系，如从属关系( m e m b e r o d 、连接关系( c o n n e c t e dt o ) 等。而“关系”则指两实体之间的具体关系，包括 实体名、关系类型、关联情况( 一对一、一对多、多对多) 。 对一次系统对象的描述采用i e c6 1 9 7 0 定义的公用信息模型c i m 。摘取其 核心包( c o r ep a c k a g e ) 、电线包( w i r ep a c k a g e ) 和拓扑包( t o p o l o g yp a c k a g e ) 中与电能质量的计算相关的部分描述元件参数和拓扑连接。在此基础上再扩充 对谐波负序参数和运行方式信息等的描述。 i e c6 1 8 5 0 是国际电工委员会i e ct c 5 7 为变电站自动化系统制定的一个重 要标准，我国也正在将该标准等同引用为我国国家标准。该标准规范了变电站 自动化系统的通信网络和系统，以此来实现变电站自动化系统中来自不同厂家 智能电子设备的互操作。为了获得互操作性，i e c6 1 8 5 0 用一套规范化的、面向 对象的建模方法描述变电站内智能电子设备( 如继电保护、故障录波器、电能 质量监测设备等) ，使用了面向对象技术，定义了很多公共数据类( c d c ) 、逻 辑节点( l n ) 和a c s i ，建立了分层次的模型结构。i e c6 1 8 5 0 将变电站设备按 功能抽象成逻辑设备，逻辑设备又由逻辑节点组成，逻辑节点的包含若干数据 属性和方法，并且是公共数据类的实例，由此完成建模；其通信接口是采用虚 拟的抽象通信服务接口a c s i 。 为了有效表达i e c 6 1 8 5 0 的对象模型，i e c 6 1 8 5 0 6 制定了基于x m l 的变电 站配置描述语言s c l ( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ) ，提出了使用s c l 进 行变电站自动化系统的配置和管理。s c l 是用来描述i e d 配置参数、通信系统 配置、开关间隔结构及他们之间关系的语言，站控层监控软件和i e d 可以根据 s c l 的内容生成对应的实时数据库，从而降低了变电站自动化系统工程化集成 的难度。 c i m 和s c l 是一个抽象模型，采用可视化的面向对象的建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 来设计，s c l 对象的u m l 对象模型如图3 5 。 1 7 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 图3 - 5s c l 对象的u m l 模型 对象模型分为三个基本层次： ( 1 ) 变电站( s u b s t a t i o n ) ：开关场设备( 过程设备) 、拓扑( 单线图) 、根 据i e c 6 13 4 6 的功能结构描述设备和功能分配； ( 2 ) 产品( p r o d u c t ) ：代表所有产品相关的对象，如i e d 、逻辑节点等； ( 3 ) 通信( c o m m u n i c a t i o n ) ：包括通信相关的对象类型，如子网、通信访 问点，包括描述i e d 之间的通信连接、间接描述逻辑节点之间客户端服务器关 系。 从图3 4 中可看出，逻辑节点l n 是过渡对象，用于连接不同的结构。这说 明逻辑节点作为产品，在开关场功能方面，具有功能作用，在变电站自动化系 统方面，具有通信功能。变电站功能对象以及产品相关的对象的结构都是分层 的，高层对象由低层对象组成。 3 6 具体实现 通信对象服务器的软件模块及其相互关系如图3 - 6 所示。 图示说明：左边红色矩形方框内为传统的信息服务模型系统，右边红色矩 形方框内为基于i e c 6 1 8 5 0 的信息服务模型系统，黄色矩形框为功能处理模块， 灰色圆角矩形框为信息模型或实时数据存储模块。下面分别对各个功能处理模 块进行详细描述。 1 8 第3 章数字化变电站全景数据采集平台 篇譬篱戮 i i e c 6 1 8 5 0 m m s 。) j 信息服务模型系统 藤蕤瀵“1 | | | l 壤。蕊l 罐麟黼瓣豢蘩黧i i m i i l 鬻i 鬟l l l i 7 ( , 1 e c 6 1 8 5 0 1 妊 女 r i e c 6 i8 ) 蛾呵# 事。 图3 - 6 通信对象服务器的软件模块及其关系图 ( 1 ) 传统规约处理模块。在变电站内有很多遗留子系统( 非i e c 6 1 8 5 0 系 统) ，这些子系统以传统的规约和后台通信，该规约处理模块即负责和这些子