变电站设备状态监测系统及其IEC模型协调.pdf

1、变 电 站 设 备 状 态 监 测 系 统 及 其 IEC模 型 协 调张 金 江 1 , 郭 创 新 1 , 曹 一 家 1 ,2 , 孙 旻 3 , 辛 建 波 3 , 钱 维 忠 4 , 杨 健 4(1. 浙 江 大 学 电 气 工 程 学 院 , 浙 江 省 杭 州 市 310027 ; 2. 湖 南 大 学 电 气 与 信 息 工 程 学 院 , 湖 南 省 长 沙 市 410082 ;3. 江 西 省 电 力 科 学 研 究 院 , 江 西 省 南 昌 市 330096 ; 4. 上 海 市 电 力 公 司 市 区 供 电 公 司 , 上 海 市 200080)摘 要 : 提 出

2、了 基 于 IEC 61850 和 IEC 61970 系 列 标 准 协 调 的 变 电 站 设 备 状 态 监 测 信 息 系 统 构 架 ,分 析 了 变 电 站 设 备 信 息 模 型 的 构 建 、 扩 展 及 模 型 适 配 问 题 ,设 计 并 实 现 了 支 持 统 一 信 息 模 型 、 统 一通 信 接 口 的 设 备 状 态 监 测 集 成 平 台 。 通 过 这 个 平 台 ,可 以 全 面 地 收 集 变 电 站 设 备 的 各 种 状 态 信 息 ,而 且 可 以 方 便 地 与 其 他 应 用 系 统 共 享 并 综 合 利 用 。关 键 词 : 状 态 监 测

3、; 信 息 模 型 ; IEC 61850 ; IEC 61970 ; 变 电 站 ; 信 息 集 成中 图 分 类 号 : TM764 ; TM63收 稿 日 期 : 2009202222 ; 修 回 日 期 : 2009206229。国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50677062) ;教 育 部 科 学 技 术 研究 重 大 项 目 (3050008) ;新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 资 助 项 目(NCET20720745) 。0 引 言近 年 来 ,变 电 站 设 备 状 态 监 测 与 状 态 检 修 技 术在 国 内 外 逐 步 开 展 并 取 得

4、 显 著 成 效 124 。 然 而 ,变 电站 设 备 状 态 监 测 目 前 在 以 下 方 面 仍 面 临 突 出 问 题 : 变 电 站 内 状 态 监 测 装 置 的 标 准 化 。 目 前 状 态 监 测系 统 装 置 由 各 个 厂 家 根 据 自 己 的 理 解 实 现 ,功 能 和接 口 各 不 相 同 ,难 以 互 操 作 和 互 替 换 ,装 置 的 升 级 和维 护 困 难 123 。 状 态 监 测 信 息 共 享 。 当 前 电 力 企业 控 制 中 心 端 与 各 个 变 电 站 之 间 ,以 及 中 心 端 状 态监 测 系 统 与 其 他 系 统 之 间 ,数

5、 据 信 息 模 型 和 通 信 接口 高 度 异 构 ,难 以 充 分 利 用 不 同 的 信 息 进 行 设 备 的状 态 评 估 和 寿 命 预 测 123 。 在 线 监 测 装 置 本 身 的可 靠 性 。 由 于 这 些 装 置 严 酷 的 现 场 运 行 环 境 要 求 与制 造 工 艺 水 平 的 矛 盾 ,误 报 漏 报 时 有 发 生 223 ,二 次设 备 的 维 护 成 为 电 力 企 业 面 临 的 重 大 挑 战 。 建 立 一套 标 准 、 开 放 的 变 电 站 设 备 状 态 监 测 系 统 ,对 于 全 面评 估 变 电 站 设 备 的 健 康 状 况 ,及

6、 早 发 现 并 消 除 设 备故 障 隐 患 ,提 高 设 备 的 可 靠 性 具 有 重 要 意 义 126 。由 于 IEC 61850 和 IEC 61970 系 列 标 准 在 多 个方 面 存 在 较 大 差 异 ,两 者 的 发 展 与 协 调 ,即 电 力 系 统统 一 建 模 和 无 缝 通 信 是 IEC TC 57 近 年 来 的 目 标之 一 729 ,也 是 国 内 外 专 家 努 力 探 索 的 方 向 ,并 取 得了 相 应 的 成 果 10215 。 然 而 ,在 设 备 状 态 监 测 系 统 方面 ,这 2 个 标 准 存 在 较 大 的 空 缺 ,目 前

7、尚 未 见 IEC61850 和 IEC 61970 标 准 应 用 于 状 态 监 测 系 统 的 相关 研 究 ,仅 文 献 12 提 出 的 监 控 信 息 集 成 方 案 中 考虑 了 面 向 监 控 与 数 据 采 集 (SCADA)系 统 / 能 量 管 理系 统 ( EMS) 的 断 路 器 状 态 的 信 息 ,并 指 出 其 对 于 准确 识 别 网 络 拓 扑 状 态 及 提 高 电 力 系 统 鲁 棒 性 的意 义 。本 文 分 析 了 变 电 站 一 次 、 二 次 设 备 及 资 产 管 理与 评 估 相 关 的 设 备 信 息 模 型 的 构 建 、 扩 展 、 协

8、 调 等 问题 ,设 计 了 支 持 统 一 信 息 模 型 、 通 信 接 口 的 状 态 监 测信 息 集 成 平 台 ,并 在 实 际 应 用 中 实 现 了 关 键 技 术 。1 状 态 监 测 系 统 的 构 成 与 信 息 模 型 协 调变 电 站 设 备 的 状 态 信 息 收 集 是 进 行 设 备 状 态 评价 、 风 险 评 估 、 检 修 策 略 制 定 及 检 修 维 护 等 的 基础 4 。 变 电 站 设 备 状 态 监 测 系 统 中 的 设 备 状 态 信 息包 括 在 线 信 息 和 离 线 信 息 两 大 类 ,如 图 1 所 示 。图 1 变 电 站 设

9、备 状 态 监 测 信 息 系 统 构 成Fig. 1 Architecture of condition monitoring informationintegrated system of substation equipment在 线 信 息 主 要 是 运 行 设 备 中 的 在 线 状 态 信 息 ,主 要 实 现 基 于 IEC 61850 标 准 的 设 备 状 态 实 时 在 线收 集 ;离 线 信 息 包 括 设 备 档 案 、 安 装 调 试 记 录 等 投 运76第 33 卷 第 20 期2009 年 10 月 25 日Vol. 33 No. 20Oct. 25 , 20

10、09前 信 息 ,设 备 缺 陷 、 检 修 记 录 以 及 同 类 设 备 的 参 考 信息 等 ,主 要 实 现 基 于 IEC 61970 及 IEC 61968 系 列标 准 的 离 线 信 息 接 入 及 设 备 状 态 的 综 合 分 析 。 二 者的 协 调 统 一 是 变 电 站 设 备 状 态 监 测 信 息 技 术 发 展 的关 键 。2 变 电 站 设 备 状 态 监 测 系 统 的 模 型 构 建2. 1 IEC 61850 的 典 型 设 备 状 态 模 型IEC 61850 标 准 中 ,仅 定 义 了 以 下 4 个 专 门 用于 高 压 设 备 状 态 监 测

11、的 逻 辑 节 点 (LN) :液 体 介 质 绝缘 SIML 、 气 体 介 质 绝 缘 SIM G、 电 弧 SA RC、 局 部 放电 SPDC。 随 着 状 态 监 测 和 传 感 器 技 术 的 发 展 ,这些 L N 及 其 包 含 的 数 据 不 能 满 足 需 要 , 应 按IEC 61850的 扩 展 原 则 进 行 扩 充 ,并 根 据 当 前 变 电 站状 态 监 测 装 置 的 现 状 ,对 一 次 设 备 和 二 次 设 备 同 时建 模 。 包 括 变 压 器 、 断 路 器 及 环 境 监 测 的 IEC61850 设 备 状 态 典 型 模 型 如 图 2 所

12、示 。图 2 变 电 站 设 备 状 态 监 测 模 型Fig. 2 Condition monitoring model ofsubstation equipment图 2 中 , SCBR , SENV , SD GA , IN TP , ICTP ,ISTP 属 于 IEC 61850中 未 定 义 的 扩 展 LN。 SCBR实 现 断 路 器 电 气 、 机 械 特 征 的 状 态 监 测 ,用 以 反 映 断路 器 状 态 监 测 常 用 的 电 气 、 机 械 性 能 、 气 体 绝 缘 等 状态 特 征 量 。 SENV 实 现 温 度 、 湿 度 、 气 压 等 站 内 环

13、境监 测 功 能 。 SD GA 则 是 根 据 油 浸 式 变 压 器 最 常 用 的油 中 溶 解 气 体 分 析 (D GA) 状 态 监 测 装 置 创 建 的L N ,实 现 油 中 H2 ,CO ,CH4 ,C2 H2 等 特 征 气 体 组 分体 积 分 数 的 曲 线 记 录 、 体 积 分 数 定 值 设 置 及 速 率 变化 报 警 等 功 能 。 IN TP ,ICTP , ISTP 分 别 是 为 网 络 、CAN2bus ,RS2232/ RS2485 串 行 通 信 3 种 方 式 的 透明 通 信 转 发 代 理 而 扩 展 的 L N ,具 体 定 义 从 略

14、。 另外 ,图 中 实 线 表 示 的 LN 虽 然 不 是 专 门 用 于 状 态 监测 ,但 含 有 大 量 的 与 一 次 、 二 次 设 备 状 态 关 系 密 切 的信 息 ,如 CCGR 是 实 现 变 压 器 等 冷 却 系 统 中 油 温 、风 扇 等 参 量 的 感 测 和 控 制 ,用 于 变 压 器 冷 却 系 统 的状 态 监 测 。2. 2 IEC 61970 设 备 信 息 模 型 的 扩 展 及 与 IEC61850 模 型 的 协 调IEC 61970 标 准 中 定 义 了 基 本 的 变 电 站 一 次 设备 模 型 ,设 备 维 护 业 务 流 程 在 I

15、EC 61968 中 定 义 ,对二 次 设 备 模 型 定 义 的 仅 有 SCADA 包 中 的RemoteU nit 和 保 护 包 中 的 ProtectionEquip ment 。智 能 电 子 设 备 ( IED)这 个 在 IEC 61850 中 深 入 人 心的 概 念 在 IEC 61970 中 属 于 RemoteU nit 的 一 种 ,RemoteU nit 在 IEC 61850 中 却 不 存 在 ,这 正 是 因 这2 个 标 准 不 一 致 而 导 致 模 型 难 以 协 调 的 一 个 障 碍 。鉴 于 IED 是 变 电 站 中 的 直 接 信 息 来 源

16、 ,作 为 一 个 概念 并 已 为 业 内 所 广 泛 接 受 12214 ,其 范 畴 应 该 包 括 远程 终 端 设 备 ( R TU ) 、 变 电 站 控 制 系 统 等 ,也 包 括Protect 包 中 的 Protect Equip ment 。 实 现 变 电 站 设备 状 态 模 型 的 基 本 协 调 ,需 通 过 以 下 3 个 步 骤 :1)解 除 或 者 放 松 这 些 二 次 设 备 在 IEC 61970 中原 来 与 其 他 设 备 分 散 不 一 的 关 联 关 系 。2)把 这 些 二 次 设 备 抽 象 形 成 IED 类 ,并 归 为 一种 设 备

17、类 ( Equip ment) ,建 立 继 承 关 系 。3)根 据 实 际 配 置 情 况 构 建 一 次 设 备 与 二 次 设 备的 对 应 关 联 。通 过 以 上 工 作 所 构 建 的 2 个 标 准 相 协 调 的 变 电站 设 备 信 息 模 型 体 系 如 图 3 所 示 。 整 个 模 型 分 为 变电 站 内 的 管 理 层 次 模 型 、 一 次 设 备 模 型 、 二 次 设 备 模型 ,以 及 系 统 级 的 公 共 资 源 模 型 和 资 产 业 务 模 型5 部 分 。 实 现 2 个 标 准 的 协 调 需 要 对 设 备 资 源 的 状态 属 性 ( PS

18、RStat us)和 资 产 管 理 业 务 ( Procedure) 形成 的 离 线 信 息 分 别 进 行 扩 展 ,并 最 终 在 企 业 中 心 完整 展 现 。 另 外 ,在 这 一 模 型 体 系 中 , IED 除 继 承Equip ment 等 的 基 本 属 性 外 ,还 应 扩 展 定 义 软 硬 件版 本 、 电 源 复 位 、 通 信 工 况 等 信 息 ,及 其 与 IEC 61850模 型 的 映 射 关 系 。2. 3 IEC 61850 与 61970 的 信 息 模 型 适 配除 了 专 门 用 于 状 态 监 测 的 逻 辑 节 点 外 ,每 个IEC 6

19、1850 的 L N 实 际 上 也 定 义 了 可 用 于 表 示 一 般设 备 状 态 的 信 息 ,图 4 以 断 路 器 L N 模 型 XCBR 为例 ,说 明 了 通 用 的 IEC 61850 的 L N 模 型 向 公 共 信息 模 型 (CIM)的 适 配 。862009 , 33 (20) 图 3 基 于 IEC 61850 与 IEC 61970 标 准 的 变 电 站 设 备 信 息 模 型 体 系Fig. 3 Information model of substation equipment based on IEC 61850 and IEC 61970图 4 左

20、侧 为 一 个 断 路 器 一 次 设 备 模 型 cb1 与 二次 设 备 断 路 器 状 态 监 测 装 置 cbcmIED , 通 过IEC 61850的 抽 象 通 信 服 务 接 口 (ACSI) 映 射 到 制 造报 文 规 范 (MMS) ,2 种 设 备 的 铭 牌 以 及 通 过 设 备 自诊 断 形 成 的 健 康 状 态 ( Health 和 EEHealt h 分 别 表示 二 次 设 备 本 身 和 对 应 的 一 次 设 备 健 康 状 态 ) 、 运 行工 况 、 通 信 状 态 等 在 线 信 息 都 可 以 输 送 到 状 态 监 测集 成 平 台 ,建 立

21、如 图 4 右 侧 所 示 的 统 一 的 基 于 扩 展CIM 的 一 次 设 备 、 二 次 设 备 状 态 信 息 。图 4 IEC 61850 状 态 监 测 模 型 向 CIM 的 适 配Fig. 4 IEC 61850 condition monitoring information model mapping to CIM为 方 便 设 备 状 态 评 估 ,需 要 对 系 统 资 源 的 设 备状 态 PSRStat us 模 型 ( CIM12R02 版 本 的 模 型 是 在IEC 61968 的 AssetBasics 中 定 义 ,仅 定 义 了 当 前 状态 和 时

22、间 2 个 属 性 )进 行 扩 展 ,并 与 IEC 61850 信 息建 立 映 射 关 系 ,如 图 5 所 示 。其 中 评 估 理 由 ( reason) 和 评 估 者 (assessor) 在IEC 61850 模 型 中 没 有 对 应 信 息 ,这 需 要 在 模 型 映射 时 根 据 信 息 来 源 自 动 生 成 或 评 估 界 面 输 入 。 为 便96 研 制 与 开 发 张 金 江 ,等 变 电 站 设 备 状 态 监 测 系 统 及 其 IEC 模 型 协 调于 计 算 机 智 能 系 统 和 评 估 专 家 都 能 识 别 并 判 定 评 估设 备 状 态 ,将

23、 在 线 设 备 的 状 态 分 为 优 良 、 良 好 、 一 般 、注 意 、 危 险 16 5 类 ,以 枚 举 形 式 Stat us Type 表 示 。图 5 CIM 状 态 模 型 扩 展 及 与 IEC 61850 状 态 映 射Fig. 5 Extension of CIM on condition monitoring andinformation mapping with IEC 61850 health model3 系 统 接 口 设 计 与 实 现3. 1 系 统 信 息 接 口 设 计变 电 站 设 备 在 线 监 测 系 统 主 要 由 变 电 站 内 状 态监

24、 测 集 成 平 台 和 中 心 级 状 态 监 测 集 成 平 台 构 成 。 系统 接 口 如 图 6 所 示 。图 6 设 备 监 测 信 息 集 成 平 台 接 口 层 次 结 构Fig. 6 Interfaces of condition monitoringintegration platform在 变 电 站 内 状 态 监 测 集 成 平 台 要 实 现 的 关 键 技术 有 :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

25、 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) 提 供 符 合 IEC 61850 的 访 问 接 口 服 务 及Web 接 口 ,与 变 电 站 当 地 诊 断 后 台 交 互 。4)支 持 在 变 电 站 内 与 故 障 录 波 装 置 (DFR)等 系统 的 接 口 。中 心 级 状 态 监 测 平 台 作 为 客 户 端 ,与 变 电 站 内部 以 3 种 方 式 实 现 接 口 : 基 于 MMS 的 模 型 信 息传 输 ; 基 于 MMS 的 文 件 传 输 ; 特 别 支 持 基 于TCP/

26、IP 的 透 明 通 信 代 理 ,以 适 应 目 前 还 有 多 数 状态 监 测 装 置 不 能 支 持 IEC 61850 的 情 况 。 从 变 电 站传 来 的 基 于 SCL 的 配 置 文 件 、 Comtrade 曲 线 数 据文 件 ,这 些 文 件 通 过 具 体 的 文 件 解 析 插 件 适 配 到 扩展 CIM。 通 过 组 件 接 口 规 范 ( CIS) 接 口 ,实 现 与EMS/ 运 行 管 理 系 统 (OMS)等 的 接 口 。3. 2 系 统 应 用 实 现基 于 IEC 61850 与 IEC 61970 标 准 协 调 的 变 电站 设 备 状 态

27、监 测 系 统 已 分 别 在 华 东 某 500 kV 变 电站 和 江 西 某 110 kV 变 电 站 进 行 了 现 场 应 用 。 以 江西 某 110 kV 变 电 站 为 例 ,应 用 方 案 如 图 7 所 示 。图 7 设 备 状 态 监 测 集 成 系 统 应 用 方 案Fig. 7 Application scheme of condition monitoringintegration platform在 变 电 站 内 设 备 状 态 监 测 集 成 平 台 实 现 了 不 同厂 家 的 设 备 状 态 监 测 装 置 的 信 息 集 成 。 其 中 ,断 路器 监

28、测 装 置 采 用 IEC 61850 方 式 接 入 ,变 压 器 油 气及 微 水 监 测 单 元 、 气 象 站 、 电 压 监 测 单 元 等 通 过 基 于RS2485 通 信 的 Modbus 通 信 协 议 接 入 ,在 信 息 集 成平 台 上 基 于 IEC 61850 适 配 转 换 和 建 模 ,并 实 现 了与 继 电 保 护 及 故 障 录 波 管 理 系 统 的 接 口 。中 心 级 的 设 备 状 态 监 测 集 成 平 台 实 现 企 业 级 状态 监 测 信 息 集 成 ,其 通 信 服 务 器 以 MMS 客 户 端 的方 式 ,实 现 与 变 电 站 内

29、状 态 监 测 平 台 基 于 IEC 61850072009 , 33 (20) 的 通 信 ,并 实 现 变 电 站 Comtrade 文 件 和 IED 配 置文 件 的 传 输 和 解 析 。 实 现 了 与 OMS/ 电 力 调 度 管 理信 息 系 统 (DMIS)基 于 CIS 的 通 用 数 据 访 问 ( GDA)接 口 ,实 现 了 包 括 断 路 器 、 断 路 器 状 态 监 测 装 置 、 变电 站 内 状 态 监 测 集 成 平 台 服 务 器 等 典 型 一 次 设 备 或者 二 次 设 备 硬 件 、 软 件 基 本 信 息 及 通 信 状 态 的 全 面监 测

30、 。 与 变 电 站 内 状 态 监 测 平 台 协 同 实 现 的 透 明 转发 代 理 机 制 也 能 很 大 程 度 上 方 便 了 不 同 厂 家 对 间 隔层 装 置 的 远 程 诊 断 与 维 护 。4 结 语本 文 重 点 分 析 了 状 态 监 测 系 统 中 IEC 61850 与IEC 61970 系 列 标 准 的 协 调 问 题 ,结 合 实 际 应 用 实现 了 主 要 关 键 技 术 。 随 着 智 能 电 网 和 数 字 化 变 电 站等 技 术 的 发 展 和 变 电 站 设 备 智 能 化 程 度 的 提 高 ,设备 的 自 描 述 、 自 诊 断 能 力 不

31、 断 增 强 ,变 电 站 设 备 状 态信 息 更 富 有 价 值 。 本 文 研 究 的 变 电 站 设 备 在 线 监 测系 统 将 更 能 体 现 这 一 优 势 ,统 一 标 准 的 变 电 站 中 各种 设 备 的 “ 无 盲 点 ” 全 面 状 态 监 测 完 全 可 以 实 现 。参 考 文 献 1 MCDONALD J D. Substation automation : IED integration andavailability of information. IEEE Power and Energy Magazine ,2003 , 1 (2) : 22231. 2

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45、 化 、 智 能 信 息 技 术 在 电 力 系 统 中 的 应 用 。曹 一 家 (1969 ) ,男 ,教 授 ,博 士 生 导 师 ,主 要 研 究 方 向 :电 力 系 统 稳 定 与 控 制 和 信 息 技 术 在 电 力 系 统 中 的 应 用 。Substation Equipment Condition Monitoring System and IEC Model CoordinationZ HA N G J inj iang1 , GUO Chuang x in1 , CA O Yi j ia1 ,2 , S U N M in3 , X I N J ianbo3 , Q I

46、A N Weiz hong4 , YA N G J ian4(1. Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China ; 2. Hunan University , Changsha 410082 , China ;3. Jiangxi Electric Power Research Institute , Nanchang 330096 , China ;4. Shanghai Municipal Electric Power Company , Shanghai 200080 , China)Abstract : An information ar

47、chitecture of condition monitoring substation equipment system is proposed based on IEC 61850 andIEC 61970 coordination. Problems of model construction , expansion and adaptation of substation equipment information areanalyzed to coordinate IEC 61850 and IEC 61970. An equipment condition monitoring

48、and integrating platform ( CMIP)supporting the unified information model and unified communication interface is designed and implemented. With this platform ,comprehensive condition information of both the primary equipment and secondary equipment can be conveniently gathered andshared with other ap

49、plication systems.This work is supported by National Natural Science Foundation of China ( No. 50677062) , the Key Grant Project ofChinese Ministry of Education (No. 3050008) and Program for New Century Excellent Talent in Universities (No. NCET20720745) .Key words : condition monitoring ; information model ; IEC 61850 ; IEC 61970 ; substation ; information integration(上 接 第 61 页 continued f rom page 61) 13 梁 芝 贤 ,穆 国 强 ,钱 翊 ,等 . 基