張俊奇，金建東

(西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048)

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基于IEC 61850的箱式變電站智能電子設備及其預警技術(shù)

張俊奇，金建東

(西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048)

針對各傳統(tǒng)箱式變電站監(jiān)測裝置之間互操作性不良以及預警預測準確率低的問題，提出一種箱式變電站智能電子設備設計方案。該方案基于STM3F4和S3C2440A處理器構(gòu)建平臺，采用趨勢濾波算法完成高速數(shù)據(jù)處理，并通過建立的模型完成電力負荷預警及溫濕度預測，最后在以太網(wǎng)通信方式下借助IEC 61850協(xié)議完成數(shù)據(jù)封裝，實現(xiàn)信息交互。實驗結(jié)果表明，該方案提高了設備之間通信互操作能力和電力負荷預測的準確度。

箱式變電站；智能電子設備；趨勢濾波；負荷預警；IEC 61850

箱式變電站是一種集高壓開關(guān)設備、配電變壓器及低壓配電裝置于一體，按照一定的接線方案連接而成并應用于配電網(wǎng)的配電設備。隨著國家智能變電站建設規(guī)劃的實施，箱式變電站在線監(jiān)測已成為變電站智能化改造的重點規(guī)劃項目。隨著計算機、電子和通信技術(shù)的不斷革新，各式各樣的智能電子設備(intelligent electronic devices，IED)相繼誕生，由于不同廠家生產(chǎn)的設備在通信接口和通信協(xié)議上均不統(tǒng)一，導致設備之間的互操作不容易實現(xiàn)[1-3]。因此研究符合標準協(xié)議的IED已成為智能電網(wǎng)建設的首要任務。

本文采用IEC 61850協(xié)議進行數(shù)據(jù)封裝，使得協(xié)議解析沒有二義性。在電力負荷預警方面，國內(nèi)外雖然已經(jīng)取得許多研究成果，如組合權(quán)重相似日的方法及基于熱傳學的溫升模型[4]，但是，由于天氣等氣象因素的影響，這些方法并不容易準確判斷電力負荷。負荷是觸點發(fā)熱的最根本原因，為此本文對原溫升模型進行改進后完成電力負荷預警，同時借助趨勢濾波算法完成數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)處理[5]。

1 IED總體方案設計

1.1 硬件

智能箱式變電站IED主要由電源單元、通信單元、存儲單元和復位單元組成[6]，整體采用S3C2440A+TMS320F28335的設計架構(gòu)，其中Samsung公司的高級精簡指令集機器(advanced RISC machine，ARM)芯片S3C2440A作為主控中央處理器(central processing unit，CPU)，在基于傳輸控制協(xié)議-網(wǎng)際協(xié)議(Transmission Control Protocol/internet protocol，TCP/IP)參考模型的基礎上嵌入IEC 61850協(xié)議，通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行信息建模，實現(xiàn)了標準協(xié)議下的數(shù)據(jù)封裝，并通過以太網(wǎng)上傳給站控層的監(jiān)控主機；ST公司的數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)芯片TMS320F28335作為從CPU，借助其高效的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設資源，主要通過RS 485/控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network，CAN)接收來自過程層監(jiān)控終端的測量數(shù)據(jù)，進行相應的數(shù)據(jù)處理，并通過串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)實時上傳給主控CPU。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SD—安全數(shù)碼卡，secure digital memory card的縮寫；JTAG—聯(lián)合測試工作組，joint test action group的縮寫；RTC—實時通信，real-time communications的縮寫；SDRAM—同步動態(tài)隨機存儲器，synchronous dynamic random access memory的縮寫；EEPROM—電可擦可編程只讀存儲器，electrically erasable programmable read-only memory的縮寫。圖1 智能箱式變電站IED硬件結(jié)構(gòu)

圖2是智能箱式變電站IED軟件流程圖。IEC 61850的服務器端讀取ICD配置文件后，ARM發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令給DSP，并等待SPI接收中斷的到來；DSP接收命令并進行命令解析，待命令解析正確進而判斷命令類型。如果是數(shù)據(jù)采集命令，依次獲取監(jiān)控終端上傳的數(shù)據(jù)，并采用FIR進行數(shù)據(jù)濾波，最后通過建立的模型完成電力負荷預警；之后按照私有協(xié)議封裝數(shù)據(jù)，借助SPI通信方式上傳數(shù)據(jù)給ARM；ARM按照IEC 61850協(xié)議進行數(shù)據(jù)封裝，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給IEC 61850的客戶端。如果是開出量輸出命令，則通過繼電器實現(xiàn)開出量控制功能。為了保證開出量能正確輸出，需要再次判斷開入量，倘若最終判斷開出量沒有正確輸出，則啟動重合閘或者直接發(fā)出報警信號，反之等待下一次命令的到來。

ICD—接口控制文件，interface control document的縮寫；FIR—有限長單位沖激響應，finite impulse response的縮寫。圖2 智能箱式變電站IED軟件流程

1.3 通信

為了解決生產(chǎn)廠家因通信協(xié)議不一致而導致互操作性能不友好等問題，依據(jù)IEC 61850基于可擴展置標語言(extensible markup language，XML)建立信息模型，提高了設備之間的互操作性[7-8]。智能箱式變電站按照功能可以分解成多個邏輯節(jié)點實例，邏輯節(jié)點和一些邏輯節(jié)點之外的信息就構(gòu)成了邏輯設備(logic device，LD)，一個或者多個LD就構(gòu)成了IEC 61850規(guī)定的服務器，而一個或者多個服務器就構(gòu)成一個IED。

1.3.1 LD建模

智能箱式變電站按功能可分成5個LD(如圖3所示)，每個實際功能都定義為邏輯節(jié)點類的一個實例。每個LD都定義了LLN0和LPHD兩個必不可少的邏輯節(jié)點，其中LLN0表示LD的公共數(shù)據(jù)，如銘牌、設備運行狀態(tài)信息；LPHD代表擁有邏輯節(jié)點的物理設備的公共數(shù)據(jù)，如物理設備的銘牌、運行狀況等信息。

AI—人工智能，artificial intelligence的縮寫；FTU—饋線遠方終端單元，feeder terminal unit的縮寫；HMI—人機界面，human-machine interface的縮寫。圖3 IED建模

LD1駐留在AI中，主要用于實現(xiàn)采樣功能；LD2在智能箱式變電站的FTU中，主要用于實現(xiàn)測量功能；LD3在智能箱式變電站的FTU中，主要用于實現(xiàn)開入、開出和控制功能；LD4在智能箱式變電站在線監(jiān)測裝置的FTU中，主要用于實現(xiàn)保護功能；LD5駐留在HMI卡件中，主要用于實現(xiàn)HMI功能。

由表12說明，土樣2土壤中添加2%土壤修復劑Ⅰ(D)時土壤中的重金屬鋅、鉛、鉻、銅、砷、鎘含量均有所下降。其中在種有狼尾草的土壤區(qū)域主要污染物鋅含量下降幅度最大，下降值為142.0mg/L。在種有狼尾草的土壤區(qū)域主要污染物砷含量下降幅度最大，最大值為3.15mg/L。

1.3.2 邏輯節(jié)點建模

TCTR、TVTR和MMXU是實現(xiàn)箱式變電站智能化功能的主要邏輯節(jié)點，數(shù)據(jù)通過LD1中的TCTR(邏輯節(jié)點電流互感器)、TVTR(邏輯節(jié)點電壓互感器)、THUM(濕度傳感器)和TTMP(溫度傳感器)采集，并通過LD2檢測得到，用于實現(xiàn)智能箱式變電站開入-開出控制和邏輯保護等功能；而邏輯節(jié)點MMXU繼承了LLN0公用邏輯節(jié)點中的全部指定數(shù)據(jù)對象，包括Mod、Beh、Health、NamPlt等，以及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)對象EEHealth；由于IEC 61850中MMXU的數(shù)據(jù)對象并不能完全滿足需求，因此除標準的被測量之外，還應根據(jù)擴展規(guī)則增加新的被測量信息的數(shù)據(jù)對象，如總有功功率、總無功功率、總視在功率、平均功率因數(shù)、頻率、線電壓、相電壓、相電流、單相有功功率、無功功率、溫度和濕度等信息。

2 IED數(shù)據(jù)預處理

一般電力設備在線監(jiān)測裝置傳送過來的數(shù)據(jù)總會存在一定的采集誤差，必然會影響早期預警的準確性?？梢园褌魉瓦^來的信號看成實際采樣溫度信號與誤差數(shù)據(jù)的組合，運用趨勢濾波消除誤差數(shù)據(jù)，進而完成數(shù)據(jù)濾波。

趨勢濾波包括滑動平均濾波、指數(shù)平滑濾波、HP濾波及Ll趨勢濾波。本文采用Kim等在近幾年提出的Ll趨勢濾波，它是在HP濾波基礎上改進的新型濾波算法，使得估計趨勢在分段的線性范圍內(nèi)更平滑。其完成基本趨勢數(shù)據(jù)估計主要通過加權(quán)目標函數(shù)實現(xiàn)，加權(quán)目標函數(shù)

式中：t為時間；n為采集數(shù)量；yt為時間序列；xt為基本趨勢，即未受干擾信號；λ為用來控制xt的平滑性和平衡余項大小的非負參數(shù)。

寫成矩陣形式為

其中：

式中y、x、D、R均為二階差分矩陣。加權(quán)目標函數(shù)對xt來說是一個嚴格的凸函數(shù)，所以只有一個最小值，即濾波后的趨勢數(shù)xL1。

L1趨勢濾波求解問題等同于對正則化矩陣求解最小二乘解的問題，通過最小二乘法求得趨勢濾波結(jié)果xL1。正則化矩陣為

其中

式中A為下三角矩陣。

本文首先在一組故障原始溫度信號X0=[30 60 83 90 95 100 115 118]中加入高斯旁白噪聲，信噪比為20；接著運用趨勢濾波法消除波動數(shù)據(jù)X1=[0.16 0.08 13.33 10.67 5.92 1.92 6.61 0.02]，其中λ=1 600；最終得到原趨勢數(shù)據(jù)X2=[29.84 59.92 69.67 79.39 89.08 98.08 108.39 118.02]?？煽闯鲒厔轂V波基本消除了短期波動數(shù)據(jù)，較好地還原了真實數(shù)據(jù)。

3 IED預警

電力負荷預警已經(jīng)取得很多研究成果，但是多為采用相似日的方法。本文所采用的方法需結(jié)合天氣，但是天氣本身是個不確定的因素，對于由一個天氣轉(zhuǎn)向另一個天氣情況，求取相似日時量化數(shù)值不好確定，由此導致求出的相似日也不同。根據(jù)熱傳學建立了觸點溫升模型，由于在電力系統(tǒng)正常工作下，負載是觸點發(fā)熱的根本原因，為此本文對此模型進行改進。由于溫度是熱的累積效應，在短時間近似線性變化，故本文采用趨勢外推法進行預測[9]。

3.1 電力系統(tǒng)負荷預警

相比系統(tǒng)負荷預測，短期母線負荷預測(short-termbusloadforecasing，STBLF)具有預測基數(shù)小、穩(wěn)定性強、誤差數(shù)據(jù)較少等突出特點，為此本文采用短期母線負荷預測作為整個系統(tǒng)的負荷預測。當負載變化時，觸頭溫度也隨之變化。根據(jù)熱傳學建立的溫升模型求出觸頭溫度與負載的對應關(guān)系，進而求得負荷的變化趨勢。

在觸點唯一確定的條件下，可將觸點看作集總熱容，即得溫度θ關(guān)于實際時間τ的函數(shù)，而與空間位置坐標無關(guān)。根據(jù)熱力學第一定律得

其中：

QV=I2R.

式中：Q為整個邊界面?zhèn)魅胗|點的熱流量，QV為內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量，ρ為物體密度，c為物體比熱容，V為物體體積，α為整個邊界面上的平均換熱系數(shù)，A為物體表面積，θf為環(huán)境溫度，I為載流導體的電流，R為觸點電阻。

當負載發(fā)生變化時，觸點溫度會發(fā)生變化，得

其中：

3.2 溫度預警

4 實驗驗證

4.1 通信結(jié)果分析

本文利用IEDScout軟件連接服務器端的IP地址，從而更為直觀地看到服務器端的數(shù)據(jù)；同時對另一臺電腦配置主機通信客戶端，利用Wireshark軟件實時獲取客戶端的各項操作與服務器對應的參數(shù)數(shù)據(jù)。圖4為IEC61850通信界面，可看出客戶端的信息與建模時提供的信息一致，從而驗證了模型的正確性和通信的可靠性。

圖4 IEC 61850通信界面

4.2 觸點溫度預測

將某變電站高壓開關(guān)柜2011年8月的一組溫度故障數(shù)據(jù)作為實驗樣本，采樣周期為3 s。故障觸點溫度預測結(jié)果如圖5所示，可看出基本還原了實際溫度變化趨勢。

圖5 故障觸點溫度預測

4.3 負荷預測

以中國某電網(wǎng)2013年4月13日的數(shù)據(jù)作為預測樣本，圖6對實際負荷與預測負荷進行了對比，可看出基本預測了負荷變化的整體趨勢。

圖6 實際負荷與預測負荷特性曲線對比

5 結(jié)束語

本文設計的智能箱式變電站IED按照DSP+ARM的設計架構(gòu)，基本實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信的功能。在以太網(wǎng)通信方式下，借助IEC 61850協(xié)議實現(xiàn)與間隔層的信息交互。趨勢濾波算法提高了數(shù)據(jù)采集的精度，溫濕度模型提前預測了溫濕度發(fā)展趨勢，觸點模型較好地預測了電力負荷發(fā)展趨勢。

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(編輯 李麗娟)

Intelligent Electronic Equipment of Box-type Substation and Its Pre-warning Technology Based on IEC 61850

ZHANG Junqi, JIN Jiandong

(College of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an, Shaanxi 710048, China)

In allusion to problems of poor interoperation of monitoring devices of traditional box-type substations and low pre-warning accuracy rate, this paper presents a kind of design scheme for intelligent electronic equipment in box type substation. Based on STM3F4 and S3C2440A processors, this scheme constructs a platform and uses trend filter algorithm to complete high speed data processing. It can complete power load pre-warning and humiture prediction by means of the established model and finish data packaging with the help of IEC 61850 protocol under the mode of Ethernet communication so as to realize information interaction. Experimental results indicate that this scheme has improved communication interoperation between devices and accuracy of power low prediction.

box-type substation; intelligent electronic equipment; trend filter; load pre-warning; IEC 61850

2016-05-29

2016-07-22

博士科研啟動基金(BS0808)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.009

TM633.3

A

1007-290X(2016)10-0049-05

張俊奇(1989)，男，山西運城人。在讀碩士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)及故障診斷。

金建東(1987)，男，甘肅蘭州人。在讀碩士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測理論與關(guān)鍵技術(shù)。