梁俊斌,張煒,鄧雨榮,郭麗娟,呂澤承
(廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,南寧市530023)
新一代智能變電站關(guān)鍵技術(shù)研究采用高可靠、高集成、長壽命的智能設(shè)備,具備支持調(diào)控合一、運維一體、即插即用、全景信息等功能,以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、應(yīng)用功能互動化、運維檢修高效化為功能特點,實現(xiàn)能量智能調(diào)節(jié)、設(shè)備可控在控、信息共享互動、服務(wù)便捷優(yōu)質(zhì)的要求。
同時,對變電站監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)已從最初的分散式發(fā)展到集中式,當(dāng)前隨著分層分布式技術(shù)、總線技術(shù)和Web技術(shù)的廣泛應(yīng)用,整個系統(tǒng)的研發(fā)正朝著多層應(yīng)用體系的方向發(fā)展[1]。但是由于各類在線監(jiān)測開展的時間不同,亦未形成統(tǒng)一規(guī)劃,在變電站內(nèi)部各自成系統(tǒng),形成“各自為政”的局面,未能充分發(fā)揮其應(yīng)有作用。
本文就目前變電站監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題及智能化變電站的發(fā)展方向,嘗試在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、信息采集共享及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行研究,以便于實現(xiàn)適應(yīng)“一體設(shè)備、一層網(wǎng)絡(luò)、一套系統(tǒng)”要求的智能化變電站狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理技術(shù)。
為實現(xiàn)智能變電站“一體設(shè)備、一層網(wǎng)絡(luò)、一套系統(tǒng)”這一概念,將打破現(xiàn)有的一、二次設(shè)備界限,實現(xiàn)一次設(shè)備和二次設(shè)備的集成(二次控制回路、智能組件、保護(hù)、測控、計量等二次設(shè)備的集成),實現(xiàn)智能設(shè)備的有機(jī)融合與模塊安裝。目前的變電站電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)并不滿足以上要求,其存在的主要問題體現(xiàn)在以下方面。
各個監(jiān)測設(shè)備的過程層[子智能電子設(shè)備(intelligent electronic device,IED)]都是獨立的裝置,在傳統(tǒng)模式基本上是1個監(jiān)測系統(tǒng)、1個監(jiān)測匯控柜或1臺服務(wù)器的模式,各監(jiān)測系統(tǒng)各自獨立?,F(xiàn)有在線監(jiān)測系統(tǒng)通常是獨立運行,未結(jié)合被監(jiān)測設(shè)備的運行方式及工況數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷,影響監(jiān)測分析結(jié)果的可靠性、全面性。同時,各子IED是相互獨立的,所以當(dāng)子IED的CPU異常時,子IED便完全癱瘓,連相應(yīng)的CPU報警信息都不能夠上傳。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不合理性影響了監(jiān)測裝置的正常運行。目前,行業(yè)內(nèi)提出在現(xiàn)場一般配置有智能組件柜,智能組件柜里面的配置基本上是很多子IED的集合,各監(jiān)測信息通過以太網(wǎng)在智能組件柜的公用交換機(jī)處集合,并通過光纖上傳到變電站狀態(tài)接入控制器(condition acquisition controller,CAC)系統(tǒng)的解決方式。
部分運行工況信息重復(fù)采集,不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且增加了安全隱患。例如常見的介損監(jiān)測與局部放電監(jiān)測均需要采集母線電壓,但是各監(jiān)測系統(tǒng)各自獨立采集,并未進(jìn)行資源整合,大量冗余數(shù)據(jù)勢必影響處理速度。另一方面,當(dāng)獲取大量工況信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)后,依然采用閾值報警等常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法已難以滿足需求。
部分地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸及譜圖格式規(guī)范不統(tǒng)一,導(dǎo)致各監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未能形成統(tǒng)一歸集、處理、分析。此外,部分監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)僅能在變電站內(nèi)瀏覽查詢,未實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。多數(shù)IED僅向變電站CAC系統(tǒng)或各監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器單向上傳數(shù)據(jù),而變電站CAC系統(tǒng)或各監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器向子IED的下行數(shù)據(jù)基本沒有?,F(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of conventional monitoring data transmission
數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一,導(dǎo)致變電站監(jiān)測系統(tǒng)存在擴(kuò)展及維護(hù)兩方面問題。
(1)可擴(kuò)展性差。無統(tǒng)一的規(guī)范,導(dǎo)致每新增一套在線監(jiān)測裝置,都需要針對它獨立開發(fā)一個數(shù)據(jù)同步程序,其相關(guān)配置工作量極其繁瑣。
(2)可維護(hù)性差。數(shù)據(jù)同步程序修改比較復(fù)雜,功能性服務(wù)不足,如果數(shù)據(jù)傳送的需求發(fā)生變化,修改會比較困難。
(3)可靠性差。在數(shù)據(jù)傳輸中增加了一個數(shù)據(jù)同步環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)的可靠性將對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響。應(yīng)盡量減少中間環(huán)節(jié),精簡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶哟?,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
通過對變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)處理影響因素的分析,并結(jié)合智能化變電站發(fā)展方向的要求及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)理念,提出監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理的方法。該方法通過數(shù)據(jù)綜合處理單元結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)通信處理規(guī)范,同時歸集、加工、分析各種類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法。
過程層的監(jiān)測裝置根據(jù)監(jiān)測的變電設(shè)備類型分為各監(jiān)測單元,通過各子IED集中到相應(yīng)匯控柜(主IED),同一類型的多個設(shè)備的子IED可以接入同一個主IED,這樣站內(nèi)只需為每類設(shè)備設(shè)置一個在線監(jiān)測主IED,同類型的多臺設(shè)備通過共用同一個主IED,實現(xiàn)多設(shè)備運行工況數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的并行采集、處理和傳輸,進(jìn)一步提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的并行處理能力,圖2是該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在站端的示意圖。
圖2 站端集中式的分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of station terminal centralized hierarchical network
從上面的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中可以看出,針對變電站監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)象,引入在線監(jiān)測綜合處理單元的概念。綜合處理單元是以被監(jiān)測設(shè)備為對象,接收在線監(jiān)測單元發(fā)送的數(shù)據(jù)或變電站綜合自動化系統(tǒng)采集的相關(guān)信息(如母線電壓、斷路器分合閘信息等),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,實現(xiàn)與上級平臺進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信的裝置。
首先,過程層(子IED)監(jiān)測裝置要能夠滿足多種監(jiān)測功能,每個監(jiān)測功能由1個CPU完成,多個CPU組成對1個主設(shè)備的監(jiān)測匯控柜(主IED),由于是采用同1個裝置,必要時還可以考慮雙電源供電、雙通道通信。過程層(子IED)與匯控柜之間通過光線或電纜連接,主IED可以和多個子IED通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行采集和歸集上傳至綜合處理單元。綜合處理單元實現(xiàn)在線監(jiān)測通信協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為IEC 61850,并統(tǒng)一接入省級變電設(shè)備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺,實現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的歸集、數(shù)據(jù)加工、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信代理、轉(zhuǎn)發(fā)以及監(jiān)測預(yù)警等功能,并最終在變電設(shè)備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺上實現(xiàn)站內(nèi)所有變電設(shè)備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯集、綜合分析、故障診斷、監(jiān)測預(yù)警、數(shù)據(jù)展示和存儲等功能。
對監(jiān)測分析判斷所需的運行工況數(shù)據(jù)由綜合處理單元統(tǒng)一從變電站綜合自動化系統(tǒng)獲取,同時由綜合處理單元與各監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)資源的有效整合及共享。在變電站內(nèi)狀態(tài)監(jiān)測集成要實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有[2]:
(1)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的和非IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)監(jiān)測裝置接入,并按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模。
(2)基于IEC 61850或透明轉(zhuǎn)發(fā)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行募壴O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測平臺,支持裝置的遠(yuǎn)程維護(hù)。
(3)支持在變電站內(nèi)與故障錄波裝置(digital fault recorder,DFR)等系統(tǒng)的接口。
同時,結(jié)合智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[3]將數(shù)據(jù)中蘊藏著的許多重要因素、事實和關(guān)聯(lián)等有價值的信息提取出來并進(jìn)行深度處理。在此基礎(chǔ)上,通過調(diào)查、歸納、綜合、分析工作,開發(fā)各種可供分析判斷的軟件,形成專家診斷系統(tǒng),提高在線監(jiān)測的智能化水平[4-5]。
對變電設(shè)備綜合參數(shù)的分析,如變壓器局部放電、套管電容、斷路器開斷電流以及GIS局部放電等,需要利用復(fù)雜分析算法(傅里葉分析、小波分析等)、數(shù)據(jù)存儲及控制器局域網(wǎng)(CAN)才能得到相關(guān)參數(shù)[6],同時運用數(shù)字總線技術(shù)增強(qiáng)抗干擾能力[7],因此監(jiān)測裝置對系統(tǒng)的運算速度以及并行處理技術(shù)具有很高的要求。本文提出了基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,F(xiàn)PGA)和數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)硬件結(jié)構(gòu)的并行處理技術(shù),達(dá)到對變電設(shè)備綜合參數(shù)在線無縫采樣與分析的目的。
其系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換單元、FPGA模塊、DSP模塊以及用于與上位機(jī)通信的外部通信接口(RS485總線)。
圖3 系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)Fig.3 Logic structure of system hardware
在組網(wǎng)傳輸采樣值時,時鐘同步的精度、時鐘同步網(wǎng)絡(luò)的可靠性、IEEE 1588等同步方式實現(xiàn)的可靠性,以及網(wǎng)絡(luò)沖突、網(wǎng)絡(luò)延時均可能對變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全性、可靠性構(gòu)成重要影響。本文分析了采用點對點方式的IEC 61850-9-2的必要性和難點,提出了一種在變電設(shè)備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測應(yīng)用中實現(xiàn)點對點采樣值傳輸?shù)姆椒āEcIEC 61850-9-1相比,IEC 61850-9-2的傳送數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)目均可配置,更加靈活,數(shù)據(jù)共享更方便[8]。
本文專門設(shè)計了以太網(wǎng)精確傳輸組件,該組件采用大容量FPGA作為協(xié)處理器,完成8路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)控制,協(xié)處理器承擔(dān)了數(shù)據(jù)鏈路層全部工作,降低了CPU負(fù)荷。組件針對點對點IEC 61850-9-2的應(yīng)用設(shè)計了多項功能,非常適合數(shù)字化變電站過程層設(shè)備的通信業(yè)務(wù)。其以太網(wǎng)協(xié)處理器的原理框圖如圖4所示。
圖4 基于FPGA的以太網(wǎng)協(xié)處理器原理框圖Fig.4 Principle block diagram of ethernet coprocessor based on FPGA
該組件帶有高性能DSP,處理器可及時對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理,分?jǐn)偙Wo(hù)CPU負(fù)擔(dān)。網(wǎng)路協(xié)處理器和DSP之間通過高性能增強(qiáng)型的并行外設(shè)接口進(jìn)行全雙工自動數(shù)據(jù)交換,其帶寬達(dá)到800 Mbps,滿足了8路百兆以太網(wǎng)接口的最大理論吞吐量。以太網(wǎng)插件的多項定制功能,如目的地址過濾、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制、有效報文檢測等大大提高了系統(tǒng)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下正常工作的能力。經(jīng)測試,單塊以太網(wǎng)插件在接收320 Mbps有效數(shù)據(jù)的情況下可以正常工作,這個指標(biāo)完全能夠滿足當(dāng)前過程層通信的應(yīng)用需求。此外,該插件的以太網(wǎng)接口對上層協(xié)議是透明的,不僅可以承載IEC 61850-9-2的采樣數(shù)據(jù)報文,也同樣適合于承載數(shù)字化變電站過程層通信的其他常用業(yè)務(wù),如GOOSE、IEEE 1588等。
1臺裝置可以通過內(nèi)部RS485總線擴(kuò)展多塊以太網(wǎng)接口組件,1~4塊該組件即可滿足點對點方式對以太網(wǎng)端口數(shù)量和數(shù)據(jù)處理能力的擴(kuò)展需求[9]。
針對變電站在線監(jiān)測裝置的迅速發(fā)展,提出并制定數(shù)據(jù)傳輸格式標(biāo)準(zhǔn)化的要求。首先制訂《在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)及建模規(guī)范》,規(guī)定變電站內(nèi)的監(jiān)測裝置及接入廣西電網(wǎng)變電設(shè)備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺的在線監(jiān)測裝置傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容和方式,以及進(jìn)行IEC 61850數(shù)據(jù)建模時應(yīng)遵循的原則。同時,在通信規(guī)范關(guān)鍵技術(shù)研究中明確系統(tǒng)配置、邏輯節(jié)點模型和服務(wù)類型這3部分內(nèi)容。
同時,由于各類監(jiān)測裝置可能使用不同的專用數(shù)據(jù)格式,為便于這些數(shù)據(jù)在應(yīng)用間的交換,提出并制定了《廣西電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置圖譜數(shù)據(jù)通用格式規(guī)范》,規(guī)定了變電站內(nèi)監(jiān)測裝置及接入廣西電網(wǎng)變電設(shè)備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺的在線監(jiān)測裝置的圖譜、錄波等數(shù)據(jù)文件的通用格式。
通過在廣西電網(wǎng)玉林供電局500 kV玉林變電站試點應(yīng)用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)并行處理技術(shù),對在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行升級完善,實現(xiàn)規(guī)范及優(yōu)化在線監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)。玉林變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)變壓器、斷路器等智能在線監(jiān)測單元;各在線監(jiān)測單元數(shù)據(jù)、站內(nèi)其余在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(如電抗器油中溶解氣監(jiān)測數(shù)據(jù))及變電站綜合自動化系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)均由變電站綜合處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)集中,并以IEC 61850通信規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)至省級數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)需通過防火墻、IPS、上網(wǎng)行為控制等安全設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)隔離[10-12]。該結(jié)構(gòu)類似于變電設(shè)備現(xiàn)場智能組件柜方式,但在硬件邏輯結(jié)構(gòu)、工況數(shù)據(jù)獲取、對時并行同步采樣方面進(jìn)行完善。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
(1)變電站在線監(jiān)測單元、綜合處理單元及省級變電設(shè)備綜合狀態(tài)在線監(jiān)測與評估平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對被監(jiān)測設(shè)備的多個狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行全面的、連續(xù)的在線監(jiān)測,并在綜合處理單元及省級平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理,為各級運維管理人員掌握和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)提供便利。
(2)部署多維在線監(jiān)測單元。各在線監(jiān)測單元包括被監(jiān)測設(shè)備的在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)初步處理裝置。在線監(jiān)測裝置從高壓設(shè)備中安全地抽采被測的信號,通過傳感器將變壓器的電氣、物理和化學(xué)等狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換為可測的電壓或電流量,然后進(jìn)行信號采集、調(diào)整、模數(shù)轉(zhuǎn)換和預(yù)處理等,形成在線監(jiān)測量數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上傳。多維在線監(jiān)測單元一般安裝在變電設(shè)備的運行現(xiàn)場,包括變壓器監(jiān)測、斷路器監(jiān)測、避雷器特性監(jiān)測等。
圖5 500 kV玉林變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 On-line monitoring system of 500 kV Yulin substation
(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)靈活,具備良好的可擴(kuò)展性,使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簡化了建設(shè)、維護(hù)工作,無需開發(fā)多套數(shù)據(jù)同步程序或數(shù)據(jù)接口。
(4)系統(tǒng)設(shè)計采用合理的冗余配置和模塊級的自診斷技術(shù),使其具有高度的可靠性。
(5)系統(tǒng)內(nèi)任一個監(jiān)測單元或其內(nèi)部某一監(jiān)測傳感器故障,均不應(yīng)影響系統(tǒng)其他部分的工作。
綜合處理單元與省級平臺數(shù)據(jù)中心通信的關(guān)鍵技術(shù)在于系統(tǒng)配置、邏輯節(jié)點模型和服務(wù)類型3部分。為了確保通信的可靠性、規(guī)范性,在現(xiàn)場應(yīng)用中采取了以下相應(yīng)措施。
系統(tǒng)配置流程滿足《DL/T 860系列標(biāo)準(zhǔn)工程實施技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,具體細(xì)節(jié)要求有:(1)按照工程遠(yuǎn)景規(guī)模配置實例化的數(shù)據(jù)對象接口(DOI),同時監(jiān)測裝置功能描述文件(ICD)中應(yīng)該包含具體參數(shù)描述(desc)和基于字符串描述(dU)的屬性;(2)將變電站所有需配置描述文件(SCD)自動生成的實例描述(CID)文件下載到對應(yīng)元件中;(3)ICD文件需要包含模型自描述信息,例如版本信息、修改的版本號等內(nèi)容。
邏輯節(jié)點類型定義直接關(guān)系到綜合處理單元對站內(nèi)各在線監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)整合。玉林變電站綜合處理單元自身配置2個基本的邏輯節(jié)點,分別是實現(xiàn)信息交互的管理類邏輯節(jié)點和描述本單元物理特性的物理類邏輯節(jié)點。同時,根據(jù)監(jiān)測需要配置不同類型的檢測節(jié)點和控制節(jié)點,具體內(nèi)容如表1所示。
通過系統(tǒng)配置流程、邏輯節(jié)點模型可實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式規(guī)范,但為了確保通信質(zhì)量,還需完善功能性服務(wù)。功能性服務(wù)包括:數(shù)據(jù)讀取服務(wù)、報告服務(wù)、文件服務(wù)、時間同步服務(wù)、自檢服務(wù)等內(nèi)容。
智能化變電站是我國電力發(fā)展的一個趨勢,同時,智能化變電站在線監(jiān)測與診斷技術(shù)近年來在電力行業(yè)受到了高度重視,其在線監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理技術(shù)得到了深入研究,這對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要的意義。通過對數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、信息采集共享及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸模型等內(nèi)容進(jìn)行研究,為實現(xiàn)變電站監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加合理化,設(shè)備性能可靠化、集成化,數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸集、處理、分析診斷提供了參考。
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