李 為 周 琰 成永強(qiáng) 薛建永

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

基于CIM擴(kuò)展的輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

李 為 周 琰 成永強(qiáng) 薛建永

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

目前，多數(shù)電力信息平臺(tái)所使用的IEC 61970公共信息模型（CIM）中并沒有對輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行建模。這也導(dǎo)致了不同廠商設(shè)計(jì)生產(chǎn)的在線監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備，往往自成體系，這也使設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備狀態(tài)可視化管理系統(tǒng)存在技術(shù)障礙。本文分析了CIM中設(shè)備建模的方法，提出了一種基于CIM擴(kuò)展的在線監(jiān)測系統(tǒng)模型，該模型對在線監(jiān)測系統(tǒng)描述全面，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。該模型已應(yīng)用于河北省輸變電設(shè)備狀態(tài)可視化智能管理平臺(tái)中，平臺(tái)通過SVG與該模型結(jié)合，展示輸變電一次設(shè)備接線圖，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)及歷史監(jiān)測信息展示，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能。

CIM；輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)；監(jiān)測設(shè)備

隨著市場經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)和電網(wǎng)建設(shè)的加速，為避免由定期預(yù)防性試驗(yàn)及定期維修引起的運(yùn)行可靠性降低和經(jīng)濟(jì)損失，電力企業(yè)迫切地需要以輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的狀態(tài)維修。再加上從事輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與診斷技術(shù)開發(fā)國外商家通過商業(yè)手段，把本來還處于試運(yùn)行甚至已經(jīng)報(bào)廢的各類在線監(jiān)測設(shè)備大量銷售到我國。與此同時(shí)，國內(nèi)一些根本無力從事技術(shù)研發(fā)或根本不具備技術(shù)研發(fā)資格的單位，憑借粗糙仿制等方式在國內(nèi)開發(fā)市場，而國內(nèi)高等院校及科研院所等有能力從事這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的單位部門卻由于缺乏市場能力和足夠的資金，無法大批量，產(chǎn)業(yè)化地生產(chǎn)自己研制的成果[1]。這就導(dǎo)致了我國擁有全球領(lǐng)先的在線監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)量、銷量的同時(shí)，也擁有較為落后的研究和管理水平。

CIM已經(jīng)是多數(shù)電力信息平臺(tái)的核心模型，但I(xiàn)EC 61970中并沒有對輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行建模，這使得各生產(chǎn)廠商都自成體系，甚至設(shè)備原理也各不相同，沒有一套統(tǒng)一的模型對其進(jìn)行規(guī)范。本文根據(jù)在線監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用分析的實(shí)際需求，對CIM模型進(jìn)行擴(kuò)展，提出一種在線監(jiān)測設(shè)備建模方法，該方法直接面向設(shè)備且通用性強(qiáng)，可以滿足臺(tái)賬管理、設(shè)備查詢、匯總統(tǒng)計(jì)與關(guān)聯(lián)查詢等需求。

1 擴(kuò)展CIM的方法

CIM模型針對于電力系統(tǒng)描述了綜合的數(shù)據(jù)模型。然而在某些時(shí)候，該模型不能滿足特定的場景需求。導(dǎo)致這一問題的根源是數(shù)據(jù)模型不可能包含所有可想象的對象，這樣會(huì)使得模型過于龐大并且在實(shí)際中很多對象是不能預(yù)知的。因此，針對于模型的擴(kuò)展在某些情況下是必須的。目前還沒有一種公認(rèn)的方式擴(kuò)展模型。通用信息模型用戶組（CIMug）推薦了一種可行的方法，可以借助于Enterprise Architect軟件實(shí)現(xiàn)。

在擴(kuò)展CIM之前，需要對整個(gè)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行全面的搜索。如果原模型中沒有需求的對象或者屬性，就需要對原模型進(jìn)行影響度最低的擴(kuò)展。為了確保這一點(diǎn)，禁止對原模型進(jìn)行直接的改動(dòng)，因此通過擴(kuò)展整個(gè)類或者使用繼承的方式增加所需要的屬性。圖1描述了模型擴(kuò)展可行的工作流程。

圖1 CIM擴(kuò)展的工作流程

由圖1分析可知，在存在合適的相似的類的前提下，可以采用繼承的方式擴(kuò)展CIM模型。將相似的類作為基準(zhǔn)類放進(jìn)新的關(guān)系圖中。創(chuàng)建一個(gè)新的類，命名語義合理的名稱并且與基準(zhǔn)類建立繼承關(guān)系。之后，則可以在新建的類上添加所需的屬性。

2 基于CIM擴(kuò)展的輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

在線監(jiān)測設(shè)備建模應(yīng)該考慮模型的通用性，要求既能屏蔽各廠家保護(hù)設(shè)備的差異，又能滿足臺(tái)賬管理、設(shè)備查詢、匯總統(tǒng)計(jì)與關(guān)聯(lián)查詢等需求。

本文根據(jù)輸變電在線監(jiān)測實(shí)際需求，對 IEC 61970 CIM進(jìn)行擴(kuò)展，將輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)分為變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)（substation monitoring system）和線路在線監(jiān)測系統(tǒng)（line monitoring system）。其中，輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)（monitoring system）與電網(wǎng)其他設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系通過導(dǎo)電設(shè)備類（equipment）來建立，并且與測量類（measurement）關(guān)聯(lián)。在線監(jiān)測設(shè)備按照所監(jiān)測的電網(wǎng)設(shè)備類型，可以劃分至各個(gè)在線監(jiān)測單元，各在線監(jiān)測單元組成在線監(jiān)測系統(tǒng)。具體模型如圖2所示。

圖2 輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

2.1 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測與管理對象主要包括變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、電容型設(shè)備與金屬氧化物避雷器等一次設(shè)備。變電站配置描述語言（SCL）是IEC 61850采用的變電站專用描述語言，SCL中的一次設(shè)備類僅僅定義了PTR（變壓器）、CBR（斷路器）與 DIS（開關(guān)）等設(shè)備類型代碼，沒有針對變電站在線監(jiān)測設(shè)備的分類、資產(chǎn)、組成等基本屬性進(jìn)行明確定義[2]。在本模型中，變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)（substation monitoring system）與變電站其他設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系通過變電站類（substation）來建立。具體模型如圖3所示。

變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)由變壓器監(jiān)測單元，斷路器監(jiān)測單元，容性設(shè)備監(jiān)測單元以及環(huán)境檢測單元等4個(gè)監(jiān)測單元組成。在線監(jiān)測單元的劃分主要依據(jù)SCL中定義的一次設(shè)備類以及國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。其中，環(huán)境檢測單元也是輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分，兩個(gè)系統(tǒng)中該單元中的監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測方式，監(jiān)測項(xiàng)目等并沒有太大差異，都是對變電站（輸電線路）周邊溫度，濕度，風(fēng)速等環(huán)境因素的監(jiān)測，因此沒有分別建模。

圖3 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

變壓器監(jiān)測單元針對的是變壓器及其附屬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，該單元包括以下8種監(jiān)測設(shè)備（局部放電監(jiān)測設(shè)備也屬于斷路器監(jiān)測單元）：

1）油中溶解氣體監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙塊、一氧化碳、二氧化碳等多種氣體的含量及增長率。通常安裝在750kV及以上油浸式變壓器、電抗器以及±400kV級以上換流變壓器上。

2）頂層油溫監(jiān)測設(shè)備。顧名思義，其主要監(jiān)測變壓器絕緣油頂層油溫。

3）微水監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測變壓器絕緣油中微量水分含量。微量水分會(huì)降低設(shè)備的絕緣性能，甚至導(dǎo)致重大事故。多配置于 500kV（330kV）及以上油浸式變壓器和電抗器。

4）中性點(diǎn)電流監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測中性點(diǎn)電流大小。中性點(diǎn)流入直流電流將導(dǎo)致變壓器飽和，會(huì)引起一系列問題，例如變壓器發(fā)熱嚴(yán)重、噪聲變大、振動(dòng)加劇等。

5）有載分接開關(guān)監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測開關(guān)的機(jī)械特性，觸點(diǎn)溫度，切換波形，偏離電壓等。有載分接開關(guān)的可靠與否，直接影響到整臺(tái)變壓器的使用可靠性。

6）鐵心接地電流監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測鐵心接地電流大小。鐵心/夾件中一旦出現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，在其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，甚至造成局部燒損。主要配置在220kV級以上變壓器上。

7）變壓器局部放電監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測放電量，放點(diǎn)位置，脈沖數(shù)等。

斷路器監(jiān)測單元針對的是斷路器/GIS等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，該單元包括以下4種監(jiān)測設(shè)備：

1）斷路器機(jī)械特性監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測斷路器動(dòng)作時(shí)間、觸頭行程、動(dòng)作平均速度、剛分以及剛合位置等。機(jī)械機(jī)構(gòu)的故障占高壓斷路器主要故障的70%和次要故障的86%。

2）SF6氣體監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測 SF6斷路器中SF6氣體的溫度，絕對壓力，相對濕度，密度等。該設(shè)備多配置于500kV及以上SF6斷路器和220kV及以上GIS。

3）分/合閘線圈電流波形監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測線路電流波形和線圈電流波形等。一般220kV及以上SF6斷路器和GIS設(shè)備應(yīng)配置該在線監(jiān)測設(shè)備。

4）斷路器局部放電監(jiān)測設(shè)備。功能與變壓器局部放電監(jiān)測設(shè)備類似。若 220kV及以上斷路器或GIS局部帶電檢測異常，則最好配置該監(jiān)測設(shè)備。

容性設(shè)備監(jiān)測單元主要針對采用電容絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)備，如（變壓器）套管、電流互感器、耦合電容器等，這里把金屬氧化物避雷器也算在其中[5]。該單元包括以下3種監(jiān)測設(shè)備：

1）絕緣監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測電容，介質(zhì)損耗，泄露電壓等。

2）避雷器監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測全電流，阻性電流，計(jì)數(shù)器動(dòng)作次數(shù)等。存在缺陷（含家族性缺陷）或運(yùn)行超過15年的220kV及以上避雷器應(yīng)配置避雷器監(jiān)測設(shè)備。

3）套管監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測套管外絕緣爬距，套管外觀，介質(zhì)損耗等。一般220kV及以上變壓器（電抗器）套管應(yīng)配置套管監(jiān)測設(shè)備。

2.2 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

從硬件配置上看，當(dāng)?shù)乇O(jiān)測中心、監(jiān)測基站和導(dǎo)線上的監(jiān)測儀器是輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的3個(gè)組成部分。其中，當(dāng)?shù)乇O(jiān)測中心多位于當(dāng)?shù)刂行臋C(jī)房；桿塔上主要安裝有塔身傾斜監(jiān)測裝置、氣象環(huán)境觀測站和監(jiān)測基站等；監(jiān)測儀器則包含有導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，導(dǎo)線振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備、弧垂/溫度監(jiān)測設(shè)備、風(fēng)偏監(jiān)測設(shè)備、等值覆冰厚度監(jiān)測設(shè)備等，根據(jù)監(jiān)測對象的不同，這些設(shè)備安裝在地線、導(dǎo)線、引流線以及絕緣子線夾等處[6]。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)（line monitoring system）與電網(wǎng)其他設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系通過線路類（line）來建立。具體模型如圖4所示。

圖4 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)模型

輸電線路的在線監(jiān)測可以有效地預(yù)防輸電線路故障的發(fā)生，減少不必要的支出，最終大幅度的提升輸電線路的檢修工作的效率。該系統(tǒng)由架空線路監(jiān)測單元，電力電纜監(jiān)測單元以及環(huán)境檢測單元等3個(gè)監(jiān)測單元組成。監(jiān)測單元的劃分主要依據(jù)輸電線路的種類。

架空線路監(jiān)測單元針對的是架空線路及其附屬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，該單元包括以下9種監(jiān)測設(shè)備：

1）導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)多方向的風(fēng)速加速度，推導(dǎo)出線路的舞動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。這種設(shè)備一般配置在大檔距，易覆冰的線路上。

2）線路避雷器監(jiān)測設(shè)備。與容性設(shè)備監(jiān)測單元中的“避雷器監(jiān)測設(shè)備”功能類似，不再贅述。

3）桿塔傾斜監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測桿塔橫向以及順線傾斜情況、微氣象條件等。該設(shè)備主要安裝在采空區(qū)，沉降區(qū)，不良地質(zhì)段等。

4）絕緣子污穢監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測絕緣子污穢度（鹽密/灰密）和絕緣子泄漏電流。目前絕緣子污穢監(jiān)測設(shè)備缺少實(shí)際應(yīng)用，一般在試點(diǎn)工程中少量應(yīng)用。

5）微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測導(dǎo)線的振動(dòng)彎曲幅度和頻率等。一般配置在大跨越和觀測到較大振動(dòng)的檔距。

6）風(fēng)偏監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測仰角和偏角、跳線風(fēng)偏角、最小電氣間隙等。該設(shè)備可以為監(jiān)測點(diǎn)所在線路設(shè)計(jì)和風(fēng)偏校驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。一般僅在設(shè)計(jì)需要時(shí)選用。

7）等值覆冰厚度監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測絕緣子串懸掛載荷或線夾出口處導(dǎo)線傾角，絕緣子串風(fēng)偏角等。該設(shè)備多安裝在重冰區(qū)部分區(qū)段線路，易覆冰特殊地理環(huán)境區(qū)和冬季易覆冰舞動(dòng)區(qū)等區(qū)域。

8）溫度/弧垂監(jiān)測設(shè)備。對導(dǎo)線的弧垂、溫度進(jìn)行監(jiān)測。主要配置在的重要線路以及重要跨越段。

9）圖像視頻監(jiān)測設(shè)備。主要用于對輸電線路及周邊環(huán)境進(jìn)行可視監(jiān)控。主要配置在外力破壞易發(fā)區(qū)，火災(zāi)易發(fā)區(qū)，易覆冰區(qū)，通道樹木（竹）易生長區(qū)，偏遠(yuǎn)不易到達(dá)區(qū)等區(qū)域。

電力電纜就是在城市地下敷設(shè)的輸電電纜，電力電纜監(jiān)測單元針對的是電力電纜及其附屬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，該單元包括以下5種監(jiān)測設(shè)備：

1）紅外熱成像溫度監(jiān)測設(shè)備。主要檢測電纜敞開式終端或安裝在工井或隧道里的電纜接頭的溫度。

2）電纜內(nèi)油壓監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測充油電纜內(nèi)油壓。一般配置在電纜塞止接頭、終端處。

3）電纜油中溶解氣體監(jiān)測設(shè)備。同變壓器監(jiān)測單元中“油中溶解氣體監(jiān)測設(shè)備”功能類似，只是監(jiān)測對象變?yōu)槌溆碗娎|內(nèi)絕緣油。一般配置在電纜接頭、終端處。

4）光纖溫度監(jiān)測設(shè)備。主要監(jiān)測電纜護(hù)套溫度和導(dǎo)體線芯溫度。以此為依據(jù)，分析推導(dǎo)出監(jiān)控電纜的實(shí)時(shí)載流量。

5）電纜局部放電監(jiān)測設(shè)備。同斷路器監(jiān)測單元中“局部放電監(jiān)測設(shè)備”功能類似，一般來說，在線局放監(jiān)測只針對充油電纜，油紙絕緣電纜只需要離線局放監(jiān)測就可以滿足其安全運(yùn)行的需要[7]。

風(fēng)速風(fēng)向儀、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、光輻射傳感器、雨量傳感器和氣象觀測基站組成了一個(gè)輸電線路環(huán)境監(jiān)測單元。輸電線路的安全運(yùn)行與氣象條件有著密不可分的關(guān)系。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 基于SVG的輸變電一次接線圖

使用SVG文檔格式描述電網(wǎng)設(shè)備模型，是輸變電設(shè)備狀態(tài)可視化智能管理平臺(tái)解決電網(wǎng)設(shè)備可視化問題的方式。該系統(tǒng)建立了電力SVG圖形與CIM之間的關(guān)聯(lián)并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了它們的數(shù)據(jù)交換方式[8]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力SVG圖形的Web發(fā)布，而分層的信息展示機(jī)制，可以讓用戶在瀏覽器層面實(shí)現(xiàn)圖層控制[9]。一次接線圖是輸變電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，圖5是系統(tǒng)的一次接線圖界面。

圖5 一次接線圖

3.2 設(shè)備狀態(tài)信息展示

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)查詢以及歷史狀態(tài)曲線查看等功能，通過多樣的展示手段為用戶展示各類實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)還提供豐富的數(shù)據(jù)分析處理功能。

點(diǎn)擊圖上的監(jiān)測點(diǎn)會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的歷史曲線查看功能，可以從年、月、日3個(gè)維度進(jìn)行歷史曲線的分析，計(jì)算在所選維度范圍內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)的最大值、最小值和平均值，有助于分析設(shè)備的歷史狀態(tài)。歷史曲線展示如圖6所示。

點(diǎn)擊接線圖上的設(shè)備能進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)備的查詢，可以查詢設(shè)備基本臺(tái)賬信息以及狀態(tài)監(jiān)測信息，有利于用戶對該設(shè)備整體狀態(tài)的掌握。圖7是設(shè)備狀態(tài)及走勢圖。

圖6 歷史曲線查詢

圖7 設(shè)備狀態(tài)及走勢

3.3 電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

根據(jù)設(shè)置的報(bào)警策略發(fā)現(xiàn)不良狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)將不良狀態(tài)突出顯示給用戶，保證用戶能及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)所在。以下系統(tǒng)分析斷路器監(jiān)測單元的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，得出的斷路器家族性缺陷，如圖8所示。

圖8 斷路器家族性缺陷

4 結(jié)論

目前，信息集成和共享是電力企業(yè)信息化發(fā)展的重要方向，其基礎(chǔ)就是要建立包括電網(wǎng)所有設(shè)備模型在內(nèi)的綜合電網(wǎng)模型。而輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)正是智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，本文對CIM進(jìn)行了擴(kuò)展，對輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建模進(jìn)行了全面分析研究，最后提出了一種輸變電在線監(jiān)測設(shè)備模型，這將對輸變電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)以及現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)規(guī)范的完善具有參考價(jià)值。

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[3]國家電網(wǎng)公司,DW 534—2010.變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則[S].2011.

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[5]王德文,閻春雨.變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的一體化建模與模型維護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(23)：78-82,113.

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The Power Transmission and Transformation On-line Monitoring System Model based on CIM Extension

Li Wei Zhou Yan Cheng Yongqiang Xue Jianyong
(North China Electric Power University,Beijing 102206)

Most power information platforms are using IEC61970 common information model（CIM）which has not focused on the on-line monitoring system at all.This is also the reason why each manufacturer produced its own productions and they usually have their own designing system.This situation has already become an obstacle for designing and implement the visual management system for power transmission and transformation equipment.This paper analyzed the method to extend CIM and proposed a CIM extended power transmission and transformation on-line monitoring system model which is able to comprehensively describethe monitoring equipment.This model shows a strong versatility and scalability while it’s used in power transmission and transformation equipment status visual management system.The system shows the main connection drawing through combining this model with SVG.

CIM；on-line monitoring equipment；monitoring device

李 為（1964-）女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用方面的研究工作。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2015MS23）