基于IEC 61850變電站輔助設(shè)備信息綜合監(jiān)管系統(tǒng)

潘海萍，謝狄輝，儲乾旭

(寧海供電局，浙江 寧海 315600)

近年來，隨著我國智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)自動化水平得到了大幅提升。目前，國內(nèi)大部分新、老變電站均已配備了綜合自動化系統(tǒng)，110kV及以上變電站也基本實現(xiàn)了無人值班。從生產(chǎn)運維管理的實際狀況出發(fā)，需要將變電站內(nèi)的紅外防盜、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、一次設(shè)備和二次系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行一體化監(jiān)視，實時把握變電站運行狀態(tài)和健康水平，確保系統(tǒng)安全運行，因此，建立電網(wǎng)綜合監(jiān)管運維體系十分重要[1]?；贗EC 61850變電站輔助設(shè)備信息綜合監(jiān)管系統(tǒng)是未來智能化變電站重點建設(shè)內(nèi)容，與電力調(diào)度支撐體系相互依托，可實現(xiàn)設(shè)備信息和運行維護策略與電力調(diào)度全面互動，形成基于狀態(tài)的全壽命周期綜合優(yōu)化管理，提高設(shè)備運行可靠性、靈活性，提升生產(chǎn)管理效率和效益，支撐各級電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和各類高級應(yīng)用。

1 系統(tǒng)建模

IEC 61850標準是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)的新一代國際標準，作為下一代變電站的無縫通信協(xié)議標準，采用面向?qū)ο笏枷雽ψ冸娬旧婕暗脑O(shè)備與通信服務(wù)進行功能建模、數(shù)據(jù)建模，解決了變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，并規(guī)范了一套抽象的通信接口，使協(xié)議擁有足夠的開放性以適應(yīng)未來變電站通信發(fā)展的要求。

變電站輔助設(shè)備信息綜合監(jiān)管系統(tǒng)的提出是針對變電站內(nèi)包括環(huán)境、防盜、消防、安全、視頻等監(jiān)控信息、一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息、二次系統(tǒng)運行信息等在內(nèi)的一體化綜合數(shù)據(jù)的采集與集成。在數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上一方面對運行中出現(xiàn)的異常進行全面相關(guān)性分析，實現(xiàn)變電站多系統(tǒng)的在線閉環(huán)聯(lián)動；另一方面對于運行過程中出現(xiàn)的故障實現(xiàn)跨變電、通信、自動化系統(tǒng)多專業(yè)的故障分析和診斷，根據(jù)運行異常情況自動分析受影響的設(shè)備、自動化系統(tǒng)和停電范圍，輔助制定相應(yīng)的檢修方案，滿足智能變電站的高復(fù)雜度運維管理要求。因此該系統(tǒng)的管控范圍包括如下內(nèi)容：（1）變電站運行相關(guān)的輔助信息，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、安防信號、站用電源系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、照明控制等；（2）變電一次設(shè)備狀態(tài)信息，包括變壓器狀態(tài)監(jiān)測信息、斷路器及高壓組合電器（GIs）狀態(tài)信息、電抗設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息；（3）二次系統(tǒng)綜合監(jiān)控信息，包括變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等IT設(shè)備以及自動化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以及通信站段監(jiān)管系統(tǒng)的信息。

IEC 61850標準中，僅定義了4個專門用于高壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的邏輯節(jié)點：液體介質(zhì)絕緣SIML、氣體介質(zhì)絕緣SIMG、電弧SARC和局部放電SPDC?？紤]綜合監(jiān)管系統(tǒng)的需要，上述節(jié)點及其包含的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足要求，必須按照IEC 61850的原則進行合理擴充，并根據(jù)變電站狀態(tài)監(jiān)測裝置的現(xiàn)狀，對一次、二次設(shè)備同時建模[2]。變電站模型擴展如下邏輯節(jié)點。

邏輯節(jié)點SCBR：實現(xiàn)變電站內(nèi)斷路器電氣、機械特征的狀態(tài)監(jiān)測，用以反映斷路器狀態(tài)監(jiān)測常用的電氣、機械性能、氣體絕緣等狀態(tài)特征量。

邏輯節(jié)點SENV：實現(xiàn)對變電站內(nèi)溫濕度、氣壓等環(huán)境監(jiān)測功能。

邏輯節(jié)點SDGA：用以監(jiān)測油浸式變壓器內(nèi)各種氣體濃度及速率變化。

邏輯節(jié)點INTP、ICTP、ISTP：分別為網(wǎng)絡(luò) 、CANBUS、RS232/485串行通信3種方式的透明通信轉(zhuǎn)發(fā)代理而擴展的邏輯節(jié)點。

邏輯節(jié)點CCGR：實現(xiàn)對變壓器冷卻系統(tǒng)中各參量的監(jiān)測。

邏輯節(jié)點ATCC：實現(xiàn)對變壓器分接頭的監(jiān)測。

在系統(tǒng)建模過程中，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立的數(shù)學(xué)模型為層次結(jié)構(gòu),將變電站內(nèi)設(shè)備按功能抽象為一個個邏輯節(jié)點。邏輯節(jié)點為基本數(shù)據(jù)模型,包含一定的數(shù)據(jù)（對象），數(shù)據(jù)（對象）又由相應(yīng)的屬性構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)實際監(jiān)測的需要，以IEC 61850為標準，可以方便地擴展或改變邏輯節(jié)點。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)在整體架構(gòu)上分為站控層、調(diào)控層和全局層（如圖1所示）。其中站控層主要負責(zé)變電站內(nèi)各設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集、子系統(tǒng)通信接口、告警分析和發(fā)布等功能。站控層通信體系根據(jù)IEC61850標準，分為3層：變電站層、間隔層、過程層，并定義了層和層之間的通信接口。變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備（IED，測控單元和繼電保護）均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進行信息交換[3，4]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

站控層在整個結(jié)構(gòu)中相對獨立，在與上級監(jiān)控系統(tǒng)失去網(wǎng)絡(luò)通信后，能獨立通過短信發(fā)布告警。在無人值班變電站，站控層可認為是一個黑匣子，提供的本地人機界面用于系統(tǒng)維護調(diào)試；在有人值班變電站，提供值班人員本地的監(jiān)控工作站。

調(diào)控層主體是提供給集控站或調(diào)控中心人員對變電站運行的集中監(jiān)控，異常告警處理，實時與現(xiàn)場搶修人員的互動，同時與生產(chǎn)管理PMS接口，提供設(shè)備缺陷或故障報告，由PMS啟用相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理流程。調(diào)控層的數(shù)據(jù)來源于其管轄變電站數(shù)據(jù)的匯總和調(diào)用相應(yīng)站控層提供的服務(wù)。

全局層發(fā)布變電站運行一體化監(jiān)管系統(tǒng)的綜合信息，供各級管理人員實時了解變電站運行狀況、故障或異常分析統(tǒng)計，制定相應(yīng)的檢修維修策略，并與生產(chǎn)應(yīng)急指揮中心集成，提供應(yīng)急事件處理輔助決策支持。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成。

中心大屏幕系統(tǒng)：3×8共24塊52吋屏幕拼接而成的中心大屏幕系統(tǒng)，將為整個平臺提供直觀、全面的展示和上佳的人機互動，包括附屬的中控系統(tǒng)、電話會議系統(tǒng)、擴音廣播系統(tǒng)等。

信息交換服務(wù)器：主要部署綜合信息交換層，實現(xiàn)與工業(yè)電視、地理信息、在線監(jiān)測、實時監(jiān)控、保護信息、環(huán)境監(jiān)測、手持終端等各級系統(tǒng)模塊信息交互、集成的功能；同時與電網(wǎng)控制中心、數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)進行通訊、數(shù)據(jù)功能共享。

實時監(jiān)控服務(wù)器：主要部署對實時性要求高的平臺軟件的模塊，包括主、輔設(shè)備實時監(jiān)控模塊，也包括實時報警、故障實時處理等模塊。

管理應(yīng)用服務(wù)器：主要部署生產(chǎn)計劃管理、工作調(diào)度、工作過程管控等管理性的、對系統(tǒng)實時性要求不苛刻的功能模塊。

數(shù)據(jù)分析服務(wù)器：主要針對科學(xué)輔助決策需要進行大量的數(shù)據(jù)清洗、篩選、統(tǒng)計、分析、挖掘工作設(shè)計出的專門從事數(shù)據(jù)分析的服務(wù)器集群。

數(shù)據(jù)庫小型機集群（含磁盤陣列）：存放平臺各種類型的數(shù)據(jù)并為各其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，考慮到數(shù)據(jù)處理對容量、精確、可靠性的高要求，設(shè)計采用數(shù)據(jù)庫小型機+磁盤陣列+Oracle RAC數(shù)據(jù)庫軟件的架構(gòu)。

廠站在線監(jiān)測：包括廠站在線監(jiān)測智能終端、各主設(shè)備上需要加裝的各種傳感器、信號采集裝置。由于主設(shè)備的二次監(jiān)測位于安全二區(qū)，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫位于安全三區(qū)，廠站在線監(jiān)測智能終端需支持安全隔離功能。

廠站綜合監(jiān)測：包括廠站端的若干數(shù)據(jù)采集器、手持終端連接器以及廠站環(huán)境監(jiān)測主機以及各輔助設(shè)備上需要加裝的各種傳感器、信號采集裝置。

站內(nèi)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）機：變電站內(nèi)SCADA系統(tǒng)的主機，負責(zé)對各類測控終端進行數(shù)據(jù)和信息采樣，并進行分析和報警，站內(nèi)管理人員可通過SCADA主機實現(xiàn)指定的控制動作。

4 系統(tǒng)功能規(guī)劃

4.1 站端系統(tǒng)

站端系統(tǒng)由廠站在線監(jiān)測子系統(tǒng)和廠站環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成，其信息在變電站內(nèi)匯總后可根據(jù)系統(tǒng)模型進行分析計算，并展現(xiàn)在本地監(jiān)控工作站中，實現(xiàn)變電站的區(qū)域自治。同時，其信息也可通過上級SDH網(wǎng)絡(luò)傳送至主站系統(tǒng)中。其中廠站在線監(jiān)測子系統(tǒng)負責(zé)對變電站設(shè)備狀態(tài)信息的采集。而廠站環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)負責(zé)對變電站環(huán)境信息的采集，包括含對輔助設(shè)施的監(jiān)視與控制，實現(xiàn)設(shè)備的遠程實時監(jiān)測、故障報警、遠程控制等功能。

系統(tǒng)對站端設(shè)備擁有完整的數(shù)據(jù)采集和命令下達通道，具備了與運營相關(guān)的、可實現(xiàn)站端設(shè)備間協(xié)調(diào)工作的全部資源，因而對于異常告警，系統(tǒng)可以實現(xiàn)多樣化、高性能、復(fù)雜的在線閉環(huán)聯(lián)動，包括設(shè)備的閉環(huán)控制聯(lián)動和系統(tǒng)響應(yīng)聯(lián)動二方面。

4.2 主站系統(tǒng)

在調(diào)控中心建立相對獨立的變電站輔助設(shè)備信息綜合監(jiān)管系統(tǒng)，通過路由器/防火墻與調(diào)度通信網(wǎng)相對隔離，由通信服務(wù)器負責(zé)與各變電站當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，匯總各變電站采集的實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)，匯總同步各變電站形成的歷史運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、基本配置數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于Web的綜合信息發(fā)布服務(wù)。主站系統(tǒng)的主要功能主要包括：（1）廠站運行監(jiān)測。一方面系統(tǒng)將在基于IEC 61850標準的電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上實現(xiàn)對變電站電氣主設(shè)備運行狀況的全面監(jiān)測；另一方面系統(tǒng)將實現(xiàn)對變電站各類生產(chǎn)輔助設(shè)備（如空調(diào)、采暖、通風(fēng)、給排水、門禁、技防等）的實時監(jiān)控。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)模型的分析，實現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)警和變電站整體健康狀況評估。（2）故障實時處理。系統(tǒng)以快速反應(yīng)、先期處置、統(tǒng)一指揮、協(xié)同作戰(zhàn)為原則，提供以預(yù)案流程為依據(jù)、以保障體系為支撐、以音視頻互動技術(shù)為載體、融合多方信息的故障指揮支持。系統(tǒng)集成了變電專業(yè)在線檢測、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)電視、保護信息、實時監(jiān)控和GIS地理信息系統(tǒng)，基于實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、應(yīng)急預(yù)案、GIS/GPS調(diào)度資源，通過故障處理組織的快速建立、故障預(yù)案的快速引導(dǎo)、搶修隊伍和搶修物資的快速調(diào)配、現(xiàn)場情況的互動反饋，實現(xiàn)對故障事件統(tǒng)一、實時、精準指揮和快速處置。（3）智能輔助決策。以變電站安全生產(chǎn)指標為導(dǎo)向、以專家分析模型為方法形成變電站的決策評估支持，對變電站設(shè)備健康狀況、可靠供電能力、生產(chǎn)管理狀況進行科學(xué)評估，并且可以根據(jù)評估結(jié)果生成預(yù)警和計劃任務(wù)，實現(xiàn)生產(chǎn)的預(yù)控、可控、在控。

5 結(jié)束語

建設(shè)以IEC 61850標準電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)的變電站輔助設(shè)備信息綜合監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站各類設(shè)備運行狀態(tài)和運行環(huán)境的有效監(jiān)控，使各級監(jiān)控人員能及時、全面掌握變電站的運行信息，對變電站安全防范、運行異常預(yù)警和應(yīng)對自然災(zāi)害等有著十分重要的意義，不僅可以切實提高無人、少人值守變電站的安全運行水平，而且能夠推動變電站管理逐步向智能化、自動化、綜合化、集中化方向發(fā)展。

[1]Q/GDW 383—2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].

[2]李光輝.基于IEC 61850的變電站裝置建模[J].電力系統(tǒng)通信，2009（4）：27-29.

[3]劉 凌，韓林濤，王眾全.電子值班系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].華中電力，2007，20（6）：26-29.

[4]DL/T 721—2000，配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端[S].