居住區(qū)配電房智能運(yùn)行系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

劉 忠 ，謝 亮

(1.揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225001；2.江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024)

目前各地供電部門對于大量存在的居住區(qū)配電房（以下簡稱小區(qū)變），全部采用無人值守、定期巡視的運(yùn)行模式，基本上沒有統(tǒng)一的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。隨著高層住宅的大量出現(xiàn)和居民生活水平的提高，對配電系統(tǒng)安全可靠供電的要求也越來越高。但供電部門往往難以及時發(fā)現(xiàn)小區(qū)變運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，當(dāng)配電設(shè)備故障停電的時候，只有用戶報故障后才能安排配電檢修人員到現(xiàn)場查找故障點(diǎn)并排除故障，這個處理過程時間長，影響對客戶的供電服務(wù)，是小區(qū)變運(yùn)行維護(hù)部門比較煩惱的問題。如果能在設(shè)備故障停電發(fā)生時立即將告警信息發(fā)送到運(yùn)行維護(hù)部門就可以大大加快故障處理的過程，降低故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。同時，小區(qū)變一般會有2臺以上的主變，每臺主變的輕重載情況在不同時期和不同季節(jié)是不一樣的。對大量小區(qū)變的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，靠人工去監(jiān)測和操作控制是不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。要運(yùn)行好小區(qū)變，就需有符合現(xiàn)代管理體系要求的小區(qū)變智能監(jiān)控系統(tǒng)。參考當(dāng)前110kV以上無人值班變電站的各類監(jiān)控和輔助系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]，研發(fā)簡單、可靠、智能化的居住區(qū)配電系統(tǒng)集成監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該是可行的方法。

1 系統(tǒng)研發(fā)的目標(biāo)和難點(diǎn)

首先研發(fā)符合IEC 61850協(xié)議的小區(qū)變內(nèi)設(shè)備監(jiān)控、消防、安防、視頻監(jiān)控、環(huán)境控制等系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息傳輸協(xié)議；其次研發(fā)出集成有以上各類系統(tǒng)功能和具備信息分層分類管理功能的智能化小區(qū)變子站；最后開發(fā)出能與配電自動化系統(tǒng)集成的小區(qū)變一體化智能信息監(jiān)控平臺，對采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分析，對出現(xiàn)的各類問題自動告警，實(shí)現(xiàn)居住區(qū)配電系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證供電電壓質(zhì)量。且需要解決的難點(diǎn)有：

（1）解決小區(qū)變內(nèi)各類信息的本地采集、處理和存儲，只將正常運(yùn)行維護(hù)有用的信息上傳至監(jiān)控中心，減少各類信息上傳量，保證千數(shù)量級的小區(qū)變在同時上傳信息時滿足實(shí)時監(jiān)控的要求。

（2）小區(qū)變內(nèi)的智能信息監(jiān)控終端功能在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下，裝置要簡單可靠，能通過遠(yuǎn)程自動控制，實(shí)現(xiàn)長期免維護(hù)運(yùn)行。

（3）提出基于IEC 61850協(xié)議的規(guī)范統(tǒng)一，滿足系統(tǒng)功能要求并可擴(kuò)展的小區(qū)變設(shè)備模型。

（4）開發(fā)智能、實(shí)用、界面友好、主站和子站的功能能靈活配置的小區(qū)變運(yùn)行監(jiān)控平臺。

2 解決方案介紹

2.1 信息采集傳輸

通過減少信息冗余，保證有用關(guān)鍵信息的及時上傳，后臺軟件采用JAVA語言開發(fā)，構(gòu)架為C/S方式，實(shí)現(xiàn)對視頻、門禁 、SCADA、安防等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并滿足數(shù)據(jù)的智能分析要求。針對小區(qū)變目前能夠采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理[2]，根據(jù)各類數(shù)據(jù)的作用進(jìn)行分類，有運(yùn)行負(fù)荷監(jiān)控、故障原因分析、環(huán)境監(jiān)視監(jiān)測、工作提示、警示信息等；再確定需要主動上傳的信息、被叫上傳的信息、當(dāng)?shù)乇Ａ艄┎榈男畔⒌?；同時對主動上傳信息的重要程度進(jìn)行分類，同樣對被叫上傳的信息和下發(fā)信息也進(jìn)行分類；按重要性基本確定9類數(shù)據(jù)優(yōu)先級，保證各類重要緊急數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間。系統(tǒng)設(shè)計中，在采集機(jī)中對任務(wù)按優(yōu)先級管理，每個通訊信道都有一組優(yōu)先級隊列，通訊信道總是給予優(yōu)先級高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行且擁有更多的執(zhí)行時間，優(yōu)先級低的任務(wù)滯后執(zhí)行且獲得的執(zhí)行時間較少。如表1所示。

2.2 智能信息監(jiān)控終端

依據(jù)基本、必要的原則，確定智能信息監(jiān)控終端功能的實(shí)現(xiàn)功能，盡量減少終端的元器件數(shù)量，加強(qiáng)集成度。實(shí)現(xiàn)智能測控功能；規(guī)約轉(zhuǎn)換、信息轉(zhuǎn)發(fā)功能；智能信息處理功能。智能終端負(fù)責(zé)小區(qū)變所有設(shè)備和智能終端的接入，站控層通信采用以太網(wǎng)通信方式，站控層通信協(xié)議采用MMS規(guī)約，以滿足智能電網(wǎng)所要求的符合IEC 61850的各種智能終端的接入；智能終端與主站的通信協(xié)議采用IEC 870-5-104協(xié)議，且滿足多主站鏈接。

表1 優(yōu)先級定義9級

按設(shè)備就地安裝原則出發(fā)，智能測控單元作為智能終端的一部分，可滿足10kV線路、主變高低壓側(cè)、0.4kV線路的保護(hù)測控功能，同時能夠采集直流系統(tǒng)、火災(zāi)告警系統(tǒng)等小系統(tǒng)的電氣量接入。智能測控單元可通過靈活的圖形化組態(tài)功能實(shí)現(xiàn)用戶所需要的四遙功能，用戶可根據(jù)需求，自定義智能測控單元的配置，較之傳統(tǒng)的測控裝置更具智能化和靈活性。智能終端裝置內(nèi)程序以RTDB（Real-time Database）實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心，按規(guī)約生成任務(wù)，各任務(wù)間數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫RTDB進(jìn)行相關(guān)交互操作，通過共享內(nèi)存?zhèn)鬏斔倪b信息和其他信號，相關(guān)數(shù)據(jù)的操作通過DataView實(shí)現(xiàn)。RTDB控制所有進(jìn)程啟停，RTDB運(yùn)行時，讀取配置文件數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的規(guī)約任務(wù)，并記下相應(yīng)的程序句柄，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時，RTDB發(fā)出信號，使各進(jìn)程結(jié)束。規(guī)約一般分為3種形式：（1）上行類，與主站通信的規(guī)約，如 IEC 104，IEC 101；（2）下行類，與二次設(shè)備通信的規(guī)約，如MMS客戶端、IEC 103客戶端；（3）上行/下行類（轉(zhuǎn)發(fā)類），負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的規(guī)約，如虛終端等。智能終端裝置內(nèi)數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息傳輸協(xié)議

按照IEC 61850協(xié)議的規(guī)范[3]，定義小區(qū)變內(nèi)各類設(shè)備符合IEC 61850協(xié)議規(guī)范的信息模型[4]，保證小區(qū)變內(nèi)各類設(shè)備的即插即用和信息共享。首先收集配電生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)和管理等各類人員對小區(qū)變內(nèi)設(shè)備的信息需求；確定各設(shè)備的自身運(yùn)行信息、提供運(yùn)行人員監(jiān)控信息、提供檢修人員維護(hù)信息、提供管理人員分析信息等四類信息；再經(jīng)過合并，篩選出最小集進(jìn)行定義。共制定了18類設(shè)備的信息模型，舉例如下。

圖1 智能終端裝置內(nèi)數(shù)據(jù)流程

（1）DTU完成小區(qū)變測控功能，測控CID文件模型如圖2所示。

圖2 DTU測控CID文件模型

物理設(shè)備（PD）名稱為IPACS5612D_1，其中包含3個邏輯設(shè)備（LD），分別為保護(hù)、測量、控制，整體實(shí)現(xiàn)功能（F）為小區(qū)變測控。數(shù)據(jù)信息具體如圖3所示。

圖3 DTU測控數(shù)據(jù)信息

1個DTU可以采集多條線路或其他設(shè)備數(shù)據(jù)量。以上數(shù)據(jù)信息的邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）配置參考DL/T 860-7.3、7.4 執(zhí)行。

（2）對于小區(qū)變內(nèi)的各類輔助設(shè)備，設(shè)計定義輔助設(shè)備CID文件模型，如圖4所示。

圖4 輔助設(shè)備CID文件模型

物理設(shè)備（PD）命名按各廠家定義，要求能說明設(shè)備用途和在小區(qū)變內(nèi)設(shè)備編號，如2號主變溫度采集設(shè)備可定義為 “BYQ_TMP2”，2號直流屏可定義為“ZLP2”。物理設(shè)備下邏輯設(shè)備（LD）分為三類：

① 保護(hù)類LD，命名為PROT,該LD下設(shè)置4個數(shù)據(jù)集：保護(hù)動作（dsTrip），告警（dsAlarm），開關(guān)量（dsRelayDin）， 定值 （dsSetting）。 具體引用數(shù)據(jù)按DL/T 860-7定義。

② 測量類LD，邏輯節(jié)點(diǎn)引用數(shù)據(jù)按DL/T 860-7定義。

③ 控制類LD，該LD下設(shè)置遙控節(jié)點(diǎn)，按DL/T 860-5規(guī)定采用CSWI命名。

2.4 智能實(shí)用的運(yùn)行監(jiān)控平臺

大量的小區(qū)變需要同時監(jiān)控,一個智能實(shí)用的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)平臺才能解決這些問題。設(shè)計的監(jiān)控平臺分主站端和當(dāng)?shù)囟藘蓪?。通過當(dāng)?shù)囟讼到y(tǒng)就具備一定的功能，盡可能減少信息的上傳，減少大量冗余信息上傳和處理對主站性能的影響；通過分布式的功能實(shí)現(xiàn)模式，減少主站端出現(xiàn)問題時對大量小區(qū)變運(yùn)行可靠性的影響。通過合理分配系統(tǒng)平臺的處理能力，實(shí)現(xiàn)智能化的小區(qū)變運(yùn)行控制系統(tǒng)和運(yùn)行輔助系統(tǒng)功能。

（1）智能運(yùn)行控制系統(tǒng)的當(dāng)?shù)囟酥饕ㄟ^SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的監(jiān)視，監(jiān)視高、低壓設(shè)備的電壓電流和變壓器的負(fù)荷狀況，監(jiān)視變壓器的油溫等參數(shù)。正常數(shù)據(jù)保存在小區(qū)變內(nèi)當(dāng)?shù)囟说挠脖P中，異常數(shù)據(jù)立即上傳到主站端的監(jiān)控平臺。小區(qū)變的電氣設(shè)備模型在主站端系統(tǒng)中建立、修改，再同步到當(dāng)?shù)囟?。系統(tǒng)智能控制策略和規(guī)則由主站端系統(tǒng)自動生成，定期同步到當(dāng)?shù)囟讼到y(tǒng)中。智能運(yùn)行控制系統(tǒng)的當(dāng)?shù)囟讼到y(tǒng)能實(shí)現(xiàn)小區(qū)變內(nèi)智能控制電容器投切、智能控制主變投退、合理調(diào)節(jié)潮流、自動控制電壓，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，并具有自動故障隔離和恢復(fù)的功能。當(dāng)?shù)囟讼到y(tǒng)只在各項操作完成后才將操作過程和結(jié)果上傳主站端監(jiān)控平臺，通知監(jiān)控人員。

（2）智能運(yùn)行輔助系統(tǒng)的當(dāng)?shù)囟藢?shí)現(xiàn)消防報警系統(tǒng)和環(huán)境溫濕控制系統(tǒng)的功能，只將異常信息上報主站端的監(jiān)控平臺。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)的功能主要由主站端來完成，通過視頻監(jiān)控和門禁管理實(shí)現(xiàn)小區(qū)變的安全保衛(wèi)功能。

3 研發(fā)過程中遇到的問題及解決

3.1 設(shè)計部署中的問題及解決

電網(wǎng)中小區(qū)變數(shù)量遠(yuǎn)大于變電站數(shù)量，若采取技術(shù)成熟的集中式監(jiān)控系統(tǒng)部署，將造成小區(qū)變主站系統(tǒng)采集處理的數(shù)據(jù)量是變電站的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。以揚(yáng)州供電公司現(xiàn)有的變電站集中式監(jiān)控系統(tǒng)主站的服務(wù)器群及通信支撐設(shè)備的部署規(guī)?？磥?，要建成全揚(yáng)州區(qū)域小區(qū)變的集中式監(jiān)控系統(tǒng)且滿足每月10個以上小區(qū)的增加量，主站系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模預(yù)計是現(xiàn)有規(guī)模的3～5倍，投入太高，不具備推廣價值。且如此龐大的主站規(guī)模勢必對日后的二次系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)帶來壓力。

為解決上述難點(diǎn)問題，考慮到小區(qū)變各類信息的重要程度是有分別的，選擇對小區(qū)變采取集散式監(jiān)控系統(tǒng)的部署方案。將主要的數(shù)據(jù)分析處理工作交由各小區(qū)變子站端分散處理完成，正常運(yùn)行時僅向主站發(fā)送少量數(shù)據(jù)，在收到主站訪問及調(diào)用命令時，子站再集中上送數(shù)據(jù)包；故障、異?；蜉o助系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行方式時，子站系統(tǒng)主動上送電流、有功曲線、開關(guān)變位等異常信息到主站，便于監(jiān)控人員分析掌控。實(shí)踐后表明，目前小區(qū)變主站監(jiān)控系統(tǒng)單臺服務(wù)器配置，就可以滿足對5000個以上子站系統(tǒng)的管理。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)的問題及解決

智能監(jiān)控終端要求具有數(shù)據(jù)篩選、智能分析與計算、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，且具有測控功能以滿足消防、安防、環(huán)境溫濕度接入功能。在裝置初期設(shè)計節(jié)點(diǎn)，未考慮4～20 mA小信號接入，而在現(xiàn)場施工時，發(fā)現(xiàn)無法滿足了干變溫度和環(huán)境溫濕度的接入，因此重新更改了智能監(jiān)控終端模擬量輸入板設(shè)計。在工程施工中，“聲光告警”、“LED燈控制”、“布防信號燈控制”都通過智能監(jiān)控終端直接開出控制，而這些設(shè)備的電源電壓等級不盡相同，給設(shè)計上帶來了麻煩，考慮到設(shè)備的批量化生產(chǎn)，此類設(shè)備的控制就通過智能監(jiān)控終端配合外接繼電器完成，從而確保設(shè)備的統(tǒng)一性。

3.3 IEC 61850規(guī)約應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)的問題及解決

在實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)有的二次設(shè)備雖然滿足IEC 61850要求，站控層通信采用MMS規(guī)約，但對MMS規(guī)約的支持不盡完善，遙測報告控制塊在連接斷開的情況下使能標(biāo)記不能夠復(fù)歸，從而使智能監(jiān)控終端再下一次使能請求時失敗，因此要求相關(guān)的測控設(shè)備廠家對程序作修改，從而滿足工程需要。在項目施工中，有些小系統(tǒng)設(shè)備如直流、干變溫度等不能提供針對MMS規(guī)約的支持，因此對這些設(shè)備，智能監(jiān)控終端對此進(jìn)行協(xié)議擴(kuò)充，使這些設(shè)備滿足接入要求，項目組對這類設(shè)備進(jìn)行了基于IEC 61850的數(shù)據(jù)建模，為今后類似設(shè)備的接入提供了支持依據(jù)。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)的總體架構(gòu)按照集中和分散模式設(shè)計，功能設(shè)計覆蓋了居住區(qū)配電采集與應(yīng)用的整個過程。建成了全國首個全I(xiàn)EC 61850標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的一體化智能信息監(jiān)控小區(qū)變和一套基于居住區(qū)配電系統(tǒng)典設(shè)的一體化智能信息監(jiān)控平臺，并成功投入應(yīng)用，經(jīng)半年多的運(yùn)行證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)。為居住區(qū)配電一體化管理模式創(chuàng)新進(jìn)行了有益的探索。通過居住區(qū)配電房智能運(yùn)行系統(tǒng)的研究和現(xiàn)場應(yīng)用，解決了配電房內(nèi)各類設(shè)備基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的模型建立問題，解決了信息的分層分類、智能傳輸和處理問題，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的即插即用、信息共享。

隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，可進(jìn)一步提高一體化智能監(jiān)控終端的集成度和可靠性，提升終端信息采集、處理的智能化水平，實(shí)現(xiàn)裝置自適應(yīng)、自愈和免維護(hù)的運(yùn)行目標(biāo)。解決信息分區(qū)運(yùn)行安全問題，實(shí)現(xiàn)小區(qū)營配信息的統(tǒng)一、高效傳輸。在推廣應(yīng)用過程中將不斷完善系統(tǒng)主站和智能終端的功能配合和優(yōu)化，增加小區(qū)變智能化安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行輔助功能，實(shí)現(xiàn)世界一流配電運(yùn)行維護(hù)管理的新目標(biāo)。

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