韓 月,耿寶宏,高 強(qiáng)

（東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006）

變電設(shè)備是電網(wǎng)的基本單元,變電設(shè)備智能化是智能電網(wǎng)的重要組成部分,也是區(qū)別傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要標(biāo)志之一。智能變電站要求變電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)采集,在線(xiàn)分析,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)可視化,并根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估、分析,采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,實(shí)現(xiàn)變電站的智能化。上述工作基本上是由變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成,因此對(duì)于智能變電站來(lái)說(shuō),在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵。

1 變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)是掌握變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要手段。如何研制能夠真實(shí)、可靠地反映變電設(shè)備絕緣狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),20余年來(lái)一直是我國(guó)電力行業(yè)努力追求的方向。變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)為數(shù)字測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,很多設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟。目前,國(guó)內(nèi)外變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在市場(chǎng)上包括具有單一監(jiān)測(cè)功能的系統(tǒng)和具有綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的系統(tǒng)兩類(lèi)。單一功能的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)一類(lèi)設(shè)備單一或部分絕緣參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能,如專(zhuān)門(mén)用于監(jiān)測(cè)變壓器油的色譜裝置或?qū)ｉT(mén)用于監(jiān)測(cè)變壓器的局放裝置。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,各類(lèi)單一功能的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)趨向集成,各種變電設(shè)備的監(jiān)測(cè)單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與上位機(jī)主機(jī)相連,監(jiān)測(cè)單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、初步分析,并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控上位機(jī),主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,統(tǒng)一生成圖形、報(bào)表,并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。變電設(shè)備綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的形成實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站變壓器、電抗器、斷路器、GIS、高壓套管、容性設(shè)備等變電設(shè)備的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。分布式變電設(shè)備綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成原理圖

圖2 一種分布式變電設(shè)備綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 智能化變電站對(duì)變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司發(fā)布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》、《330～750 kV智能變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和《智能高壓一次設(shè)備技術(shù)導(dǎo)則》等規(guī)范性文件要求,智能變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)必須遵循IEC61850規(guī)約,實(shí)現(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)化,信息的數(shù)字化。目前傳統(tǒng)的變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)字化的要求,但是各廠(chǎng)家生產(chǎn)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)還處在相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài),各自使用自己的網(wǎng)絡(luò)體系,還是以傳統(tǒng)的串行通信總線(xiàn)為主。因此,智能變電站變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在通信協(xié)議上必須遵循IEC61850規(guī)約。

同時(shí),智能化變電站還要求在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠整合預(yù)試信息、缺陷信息、家族信息等相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)信息,并對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合的狀態(tài)分析和評(píng)估,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)可視化要求,使系統(tǒng)按照不同的設(shè)備狀態(tài)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,最終實(shí)現(xiàn)變電站的智能化。

3 智能變電站變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

依據(jù)智能變電站的相關(guān)要求以及狀態(tài)檢修的需要,結(jié)合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)智能變電站中在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一些關(guān)鍵因素進(jìn)行初步的探討,并分析相應(yīng)的合理性和適用性。

3.1 主要功能

智能變電站變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)利用各種傳感器,由就地的監(jiān)測(cè)功能組獲取相應(yīng)一次設(shè)備的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),就地進(jìn)行分析處理,得到可用的狀態(tài)數(shù)據(jù);然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各種狀態(tài)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果匯集到站內(nèi)統(tǒng)一后臺(tái)做進(jìn)一步的分析和存儲(chǔ),后臺(tái)機(jī)能夠準(zhǔn)確地向上級(jí)狀態(tài)檢修平臺(tái)提供可靠的基礎(chǔ)狀態(tài)信息,為狀態(tài)檢修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。按照智能化的要求,在站內(nèi)就應(yīng)該完成相應(yīng)的狀態(tài)評(píng)價(jià)功能,而考慮到狀態(tài)檢修工作的開(kāi)展現(xiàn)狀,許多的評(píng)價(jià)工作實(shí)際上不可能完全由自動(dòng)化完成,仍然需要專(zhuān)業(yè)人員的參與,因此,站內(nèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要職責(zé)還是應(yīng)該定位在狀態(tài)信息收集和初步的分析整合上。

3.2 網(wǎng)絡(luò)配置

依據(jù)智能變電站變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分區(qū)原則,在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)處于安全Ⅲ區(qū),不應(yīng)和Ⅰ、Ⅱ區(qū)發(fā)生關(guān)聯(lián),因此,在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立組網(wǎng),即在物理上是獨(dú)立的,應(yīng)獨(dú)立配置交換機(jī)和各層裝置。鑒于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),實(shí)時(shí)性要求不高,具有非易失性存儲(chǔ)功能等,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)完整性比較容易保障,因此,只配置單星形以太網(wǎng)即可,所有裝置和網(wǎng)絡(luò)均單套配置,不做任何冗余。

圖3、圖4是一種智能變電站變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)布置圖和變壓器監(jiān)測(cè)功能組推薦結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 系統(tǒng)分層

變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照智能變電站通用的分層原則,分為站控層、間隔層和過(guò)程層。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為站控層和過(guò)程層兩層,分別用于連接間隔層與站控層及間隔層與過(guò)程層。

站控層設(shè)備主要是在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的站內(nèi)后臺(tái)機(jī)（子站）,負(fù)責(zé)收集站內(nèi)所有的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模型的轉(zhuǎn)換以及統(tǒng)計(jì)分析功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)警等功能。另外還應(yīng)向上一級(jí)（主站）及時(shí)上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù),并接收遠(yuǎn)程控制和維護(hù)命令等。

間隔層設(shè)備一般為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)功能組的主IED,負(fù)責(zé)某一類(lèi)或一批設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集和整合、分析及就地存儲(chǔ)等。并向上一級(jí)后臺(tái)機(jī)按照MMS協(xié)議上傳數(shù)據(jù)、接收上級(jí)發(fā)來(lái)的控制和配置命令等。

過(guò)程層設(shè)備是相應(yīng)的監(jiān)測(cè)單元或傳感器,主要完成原始數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字化功能,并提供一定的就地存儲(chǔ)功能;通過(guò)串行總線(xiàn)協(xié)議或IEC61850規(guī)約向主IED上送數(shù)據(jù);響應(yīng)主IED下發(fā)的控制和配置命令等。

3.4 傳感器配置

傳感器是在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭,其準(zhǔn)確性和安全性、穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要,因此,對(duì)于智能變電站,應(yīng)合理選擇在線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器,并采用合理的配置方式,以確保整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

目前,傳感器分為內(nèi)置傳感器和外置傳感器兩類(lèi)。傳感器的配置主要考慮以下幾個(gè)方面。

a.內(nèi)置傳感器宜由高壓設(shè)備制造廠(chǎng)在制造時(shí)植入,高壓設(shè)備的所有出廠(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)在安裝內(nèi)置傳感器后進(jìn)行,內(nèi)置傳感器與外部自檢測(cè)單元的聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)符合高壓設(shè)備的密封要求。

b.與高壓設(shè)備內(nèi)部絕緣介質(zhì)相通的外置傳感器,其密封性能、機(jī)械雜質(zhì)含量等應(yīng)符合或高于高壓設(shè)備的相應(yīng)要求。

c.應(yīng)按照智能化導(dǎo)則的要求選取傳感器的精度。根據(jù)設(shè)備的重要情況確定應(yīng)選取哪些傳感器。

3.5 IED布置

按照智能變電站的需求以及所配置的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn),如測(cè)點(diǎn)數(shù)、被測(cè)設(shè)備分布情況以及被測(cè)量的復(fù)雜程度等,合理布置IED,一方面使在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰,另一方面確保最大限度節(jié)約成本。

一般來(lái)說(shuō),系統(tǒng)監(jiān)測(cè)后臺(tái)應(yīng)布置于二次設(shè)備室,應(yīng)同綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備布置于同一個(gè)屏柜內(nèi),以方便二者的網(wǎng)絡(luò)連接;主IED應(yīng)布置于現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)設(shè)備或間隔的智能控制柜內(nèi),或根據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能組的規(guī)模,單獨(dú)設(shè)立在線(xiàn)監(jiān)測(cè)匯控柜;子IED（一般為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元）按照形式的不同可能布置于智能控制柜,也有可能布置于設(shè)備本體上,而且子IED距主IED的距離應(yīng)保證盡可能近,以方便集中布置和網(wǎng)絡(luò)連接。

3.6 通信協(xié)議和接口

系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850規(guī)定的MMS協(xié)議,過(guò)程層根據(jù)裝置的支持程度,可以采用MMS或MODBUS中的一種,如果采用MODBUS協(xié)議,則應(yīng)使用統(tǒng)一的寄存器配置規(guī)范。

系統(tǒng)子IED與主IED之間通過(guò)報(bào)告服務(wù)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,子IED應(yīng)支持多種報(bào)告觸發(fā)模式（品質(zhì)變化、數(shù)據(jù)更新、周期、總召喚）和文件傳輸服務(wù);傳感器和主IED/子IED之間應(yīng)通過(guò)MODBUS的03H、04H、06H、10H進(jìn)行數(shù)據(jù)交互或直接通過(guò)A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)間隔層各主IED和站控層后臺(tái)之間以報(bào)告服務(wù)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,主IED應(yīng)支持多種報(bào)告觸發(fā)模式（品質(zhì)變化、數(shù)據(jù)更新、周期、總召喚）和文件傳輸服務(wù)。站內(nèi)后臺(tái)與遠(yuǎn)方主站之間通過(guò)WebService形式依據(jù)相應(yīng)接入通信規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.7 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

軟件應(yīng)采用模塊化和分層設(shè)計(jì),以方便更新和擴(kuò)展。各模塊可以靈活配置,模塊內(nèi)功能具有高內(nèi)聚性。不同層次間接口應(yīng)簡(jiǎn)潔明了,兼容性和可擴(kuò)展性強(qiáng),確保某一層次的技術(shù)改造不會(huì)影響其它層次。軟件應(yīng)具有信息收集功能、遠(yuǎn)程通信功能、分析預(yù)警功能、管理維護(hù)功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、遠(yuǎn)程維護(hù)功能、安全認(rèn)證功能、信息展示功能、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能和運(yùn)行監(jiān)視功能等。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能化變電站在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠智能化實(shí)時(shí)采集、分析變電站主設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù),建立基于專(zhuān)家系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè),及時(shí)對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)提供報(bào)警和詳細(xì)分析報(bào)告,在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化功能可為智能電網(wǎng)的整體決策提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。