韓 月,耿寶宏,高 強

（東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 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)自動采集,在線分析,實現(xiàn)狀態(tài)可視化,并根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)對設(shè)備進行評估、分析,采取相應(yīng)的應(yīng)對措施,實現(xiàn)變電站的智能化。上述工作基本上是由變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)完成,因此對于智能變電站來說,在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵。

1 變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在線監(jiān)測技術(shù)是掌握變電設(shè)備運行狀態(tài)的重要手段。如何研制能夠真實、可靠地反映變電設(shè)備絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng),20余年來一直是我國電力行業(yè)努力追求的方向。變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

近年來,隨著計算機技術(shù)為數(shù)字測量技術(shù)的不斷發(fā)展,很多設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟。目前,國內(nèi)外變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)在市場上包括具有單一監(jiān)測功能的系統(tǒng)和具有綜合在線監(jiān)測功能的系統(tǒng)兩類。單一功能的在線監(jiān)測系統(tǒng)只能實現(xiàn)對一類設(shè)備單一或部分絕緣參數(shù)的監(jiān)測功能,如專門用于監(jiān)測變壓器油的色譜裝置或?qū)ｉT用于監(jiān)測變壓器的局放裝置。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,各類單一功能的在線監(jiān)測系統(tǒng)趨向集成,各種變電設(shè)備的監(jiān)測單元通過現(xiàn)場總線與上位機主機相連,監(jiān)測單元負(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,主機對數(shù)據(jù)進一步處理,統(tǒng)一生成圖形、報表,并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。變電設(shè)備綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)的形成實現(xiàn)了對變電站變壓器、電抗器、斷路器、GIS、高壓套管、容性設(shè)備等變電設(shè)備的實時在線監(jiān)測功能。分布式變電設(shè)備綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)組成原理圖

圖2 一種分布式變電設(shè)備綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 智能化變電站對變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求

根據(jù)國網(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,智能變電站的自動化系統(tǒng)必須遵循IEC61850規(guī)約,實現(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)備在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了信息數(shù)字化的要求,但是各廠家生產(chǎn)的在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)還處在相對獨立的狀態(tài),各自使用自己的網(wǎng)絡(luò)體系,還是以傳統(tǒng)的串行通信總線為主。因此,智能變電站變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)在通信協(xié)議上必須遵循IEC61850規(guī)約。

同時,智能化變電站還要求在線監(jiān)測系統(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,并對設(shè)備進行綜合的狀態(tài)分析和評估,實現(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)對措施,最終實現(xiàn)變電站的智能化。

3 智能變電站變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計探討

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)合在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對智能變電站中在線監(jiān)測系統(tǒng)的一些關(guān)鍵因素進行初步的探討,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)備在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)利用各種傳感器,由就地的監(jiān)測功能組獲取相應(yīng)一次設(shè)備的原始監(jiān)測數(shù)據(jù),就地進行分析處理,得到可用的狀態(tài)數(shù)據(jù);然后通過網(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)一后臺做進一步的分析和存儲,后臺機能夠準(zhǔn)確地向上級狀態(tài)檢修平臺提供可靠的基礎(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)評價功能,而考慮到狀態(tài)檢修工作的開展現(xiàn)狀,許多的評價工作實際上不可能完全由自動化完成,仍然需要專業(yè)人員的參與,因此,站內(nèi)在線監(jiān)測系統(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)備在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分區(qū)原則,在線監(jiān)測數(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,在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)獨立組網(wǎng),即在物理上是獨立的,應(yīng)獨立配置交換機和各層裝置。鑒于在線監(jiān)測系統(tǒng)的特點,實時性要求不高,具有非易失性存儲功能等,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)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)布置圖和變壓器監(jiān)測功能組推薦結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 系統(tǒng)分層

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

站控層設(shè)備主要是在線監(jiān)測的站內(nèi)后臺機（子站）,負(fù)責(zé)收集站內(nèi)所有的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行標(biāo)準(zhǔn)化模型的轉(zhuǎn)換以及統(tǒng)計分析功能和數(shù)據(jù)存儲、預(yù)警等功能。另外還應(yīng)向上一級（主站）及時上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù),并接收遠程控制和維護命令等。

間隔層設(shè)備一般為現(xiàn)場監(jiān)測功能組的主IED,負(fù)責(zé)某一類或一批設(shè)備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)收集和整合、分析及就地存儲等。并向上一級后臺機按照MMS協(xié)議上傳數(shù)據(jù)、接收上級發(fā)來的控制和配置命令等。

過程層設(shè)備是相應(yīng)的監(jiān)測單元或傳感器,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功能;通過串行總線協(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

傳感器是在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭,其準(zhǔn)確性和安全性、穩(wěn)定性對于整個在線監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要,因此,對于智能變電站,應(yīng)合理選擇在線監(jiān)測傳感器,并采用合理的配置方式,以確保整個系統(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。傳感器的配置主要考慮以下幾個方面。

a.內(nèi)置傳感器宜由高壓設(shè)備制造廠在制造時植入,高壓設(shè)備的所有出廠試驗應(yīng)在安裝內(nèi)置傳感器后進行,內(nèi)置傳感器與外部自檢測單元的聯(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監(jiān)測系統(tǒng)的特點,如測點數(shù)、被測設(shè)備分布情況以及被測量的復(fù)雜程度等,合理布置IED,一方面使在線監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰,另一方面確保最大限度節(jié)約成本。

一般來說,系統(tǒng)監(jiān)測后臺應(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)場相應(yīng)設(shè)備或間隔的智能控制柜內(nèi),或根據(jù)在線監(jiān)測功能組的規(guī)模,單獨設(shè)立在線監(jiān)測匯控柜;子IED（一般為現(xiàn)場監(jiān)測單元）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之間通過報告服務(wù)形式進行數(shù)據(jù)交換,子IED應(yīng)支持多種報告觸發(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MODBUS的03H、04H、06H、10H進行數(shù)據(jù)交互或直接通過A/D進行數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)間隔層各主IED和站控層后臺之間以報告服務(wù)的形式進行數(shù)據(jù)交換,主IED應(yīng)支持多種報告觸發(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)后臺與遠方主站之間通過WebService形式依據(jù)相應(yīng)接入通信規(guī)約進行數(shù)據(jù)交換。

3.7 在線監(jiān)測后臺軟件設(shè)計

軟件應(yīng)采用模塊化和分層設(shè)計,以方便更新和擴展。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)簡潔明了,兼容性和可擴展性強,確保某一層次的技術(shù)改造不會影響其它層次。軟件應(yīng)具有信息收集功能、遠程通信功能、分析預(yù)警功能、管理維護功能、數(shù)據(jù)存儲功能、遠程維護功能、安全認(rèn)證功能、信息展示功能、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能和運行監(jiān)視功能等。

4 結(jié)束語

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能化變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠智能化實時采集、分析變電站主設(shè)備的各項數(shù)據(jù),建立基于專家系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,實時對運行設(shè)備的狀態(tài)進行跟蹤和監(jiān)測,及時對設(shè)備的異常狀態(tài)提供報警和詳細(xì)分析報告,在線監(jiān)測系統(tǒng)的智能化功能可為智能電網(wǎng)的整體決策提供堅實的基礎(chǔ)。