基于IEC61850的GIS智能監(jiān)測信息建模及信息交互系統(tǒng)設(shè)計

杜鳳青，盛戈皞，徐 劍，劉亞東，姚建歆，江秀臣

（1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080）

0 引言

SF6氣體絕緣組合電器GIS（Gas Insulated Switchgear）具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、噪聲低、檢修周期長、可靠性高等特點，近年來廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

由于GIS是全封閉組合電力設(shè)備，一旦出現(xiàn)事故，造成的后果比分離式敞開設(shè)備嚴重得多，故障修復(fù)極為復(fù)雜。因此對GIS實施在線監(jiān)測并降低設(shè)備故障率十分重要，否則會對電力系統(tǒng)和用戶造成重大危害[1]。目前GIS主要在線監(jiān)測項目包括局部放電（以下簡稱局放）、SF6氣體微水和密度、斷路器機械特性等[2]。

IEC61850系列標準是最為權(quán)威的關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)通信的國際標準[3]。它采用分層思想將變電站分為站控層、間隔層和過程層，制定了變電站實時信息和其他信息傳輸要求的服務(wù)模型，為變電站自動化系統(tǒng)提供了建模和結(jié)構(gòu)方面的標準，以實現(xiàn)不同廠家的智能電子設(shè)備（IED）之間的互操作性，提高變電站的自動化水平。

GIS等電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測功能不僅包括電量狀態(tài)信息的采集，還包括一些非電量狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)信息的采集和狀態(tài)評估、故障診斷等，和常規(guī)變電站綜合自動化系統(tǒng)中的監(jiān)測功能區(qū)別較大。隨著越來越多的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備投入運行，將GIS等電力設(shè)備在線監(jiān)測作為一個子系統(tǒng)納入變電站綜合自動化系統(tǒng)是必然的趨勢，實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警以及評估診斷等智能監(jiān)測功能也是GIS等設(shè)備實現(xiàn)智能化的必然要求。

本文針對GIS智能監(jiān)測的要求，提出符合IEC 61850內(nèi)涵實質(zhì)的GIS狀態(tài)信息流建模方法、通信體系和數(shù)據(jù)交換接口，討論了實現(xiàn)GIS智能監(jiān)測的信息共享與交互策略，給出了基于MMS的客戶端/服務(wù)器開發(fā)流程。

1 GIS智能監(jiān)測的主要功能要求

絕緣問題和機械故障是影響GIS安全、穩(wěn)定運行的主要因素，當(dāng)前GIS狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容也同樣是圍繞絕緣狀態(tài)和機械、電氣性能2個方面展開的。

GIS絕緣狀態(tài)監(jiān)測主要通過對GIS絕緣性能下降時所激發(fā)的聲、光、電等物理現(xiàn)象和絕緣性能下降后引起絕緣氣體中的變化判斷和評估GIS絕緣性能下降的程度，主要監(jiān)測局放[4]、SF6氣體微水、密度及SF6氣體組成成分[5]。機械、電氣性能狀態(tài)監(jiān)測主要針對斷路器開關(guān)操作機構(gòu)的動力特性、振動特性、絕緣特性和導(dǎo)電特性等方面展開，主要監(jiān)測操動機構(gòu)觸頭行程-時間、合分閘線圈電流、斷路器振動信號、電機儲能、液壓等[6-7]。

為實現(xiàn)GIS智能監(jiān)測和信息交互，智能監(jiān)測IED采集電量、非電量等實時數(shù)據(jù)和報警信息，包括局放峰值、相位、頻率，SF6氣體微水、密度及SF6氣體組成成分，斷路器合分閘線圈電流、斷路器振動信號、泄漏電流、開斷電流及對應(yīng)的報警信息等，以日志的形式儲存并以MMS報文的方式上傳給主IED，主IED依據(jù)相關(guān)標準設(shè)定的閾值，實現(xiàn)初步的故障預(yù)警、狀態(tài)評估和故障診斷。

故障預(yù)警和評估診斷結(jié)果以MMS報告的形式發(fā)給后臺評估診斷系統(tǒng)，進行綜合狀態(tài)評估和故障診斷、狀態(tài)預(yù)測和風(fēng)險評估。

實現(xiàn)運行狀態(tài)的智能評估診斷時需要用到各類圖譜文件，如局放監(jiān)測的放電信號波形文件和放電信號圖譜文件，以及斷路器監(jiān)測中的錄波文件，如開斷電流波形曲線文件、合閘線圈電流波形文件、分閘線圈電流波形文件等。這些圖譜文件由高速信號采集傳感器采集，通過嵌套在智能監(jiān)測IED內(nèi)的計算模型自動生成。應(yīng)通過ftp或IEC61850文件服務(wù)的方式經(jīng)主IED傳送相關(guān)數(shù)據(jù)文件給后臺評估診斷系統(tǒng)，并與指紋數(shù)據(jù)比對，基于智能算法實現(xiàn)對GIS的狀態(tài)評估和故障診斷，給出評估診斷結(jié)果。

系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)可以靈活設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和運行參數(shù)，如智能監(jiān)測IED的采樣間隔以及報警閾值等，可以通過IEC61850協(xié)議的定值組操作，以MMS報文的方式實現(xiàn)。

2 實現(xiàn)GIS智能監(jiān)測的IEC61850信息建模方法

IEC61850采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，面向物理設(shè)備建模。一個監(jiān)測功能物理設(shè)備（指按功能分類，具有某種監(jiān)測功能的物理設(shè)備），應(yīng)建模為一個IED對象。一個監(jiān)測功能物理設(shè)備是指該對象是一個容器，包含服務(wù)器（server）對象，服務(wù)器描述了一個設(shè)備外部可見（可訪問）的行為，每個服務(wù)器至少應(yīng)有一個訪問點（AccessPoint），每個服務(wù)器包含一個或多個邏輯設(shè)備LD（Logical Device）。邏輯設(shè)備具有公用特性的邏輯節(jié)點LN（Logical Node），邏輯設(shè)備包含邏輯節(jié)點。邏輯節(jié)點是需要通信的每個最小功能單元，包含數(shù)據(jù)（DATA）對象，數(shù)據(jù)對象包含邏輯節(jié)點的所有信息。數(shù)據(jù)對象包含數(shù)據(jù)屬性DA（Data Attribute），是對象模型中信息的最終承載者。

此外，IEC61850中對象信息模型還定義了數(shù)據(jù)集、報告控制塊、日志控制塊等十幾個模型，以提供數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性及數(shù)據(jù)集等的操作服務(wù)。信息模型不僅是數(shù)據(jù)的集合，而且是數(shù)據(jù)與功能服務(wù)的有機統(tǒng)一體，模型中的數(shù)據(jù)和功能服務(wù)相互對應(yīng)，數(shù)據(jù)的交換通過訪問對應(yīng)的功能服務(wù)邏輯節(jié)點來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)與功能服務(wù)的緊密結(jié)合使模型具備了良好的穩(wěn)定性、可重構(gòu)性和易維護性。信息模型層次化結(jié)構(gòu)見圖1。

根據(jù)上文分析的GIS在線監(jiān)測主要監(jiān)測量，本次建模要用到的邏輯節(jié)點見表1。其中，邏輯節(jié)點LLN0、LPHD在IEC61850模型中不可或缺。

該模型中，需要對相應(yīng)的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)進行必要的擴展以滿足實際監(jiān)測要求[8-9]。

a.邏輯節(jié)點SPDC。OpCnt（動作計數(shù)）是強制的，擴展了數(shù)據(jù) MaxPaDsch（最大放電量）、AverPaDsch（平均放電量）、MaxPaDsAng（最大放電量相位）、FrqPaDsch（放電頻率），及其對應(yīng)的告警數(shù)據(jù)MaxPa-DschAlm、MaxPaDsAngAlm、AverPaDschAlm、FrqPa-DschAlm，增加了可選數(shù)據(jù)PaDschAlm（局放告警）。

圖1 信息模型層次化結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of information model

表1 GIS智能監(jiān)測邏輯節(jié)點說明Tab.1 Description of LNs for GIS smart monitoring

b.邏輯節(jié)點SIMG。選擇了可選數(shù)據(jù)Den（SF6氣體密度）和Pres（SF6氣體壓力）及其對應(yīng)的告警數(shù)據(jù)DenAlm（SF6氣體密度告警）和 PresAlm（SF6氣體壓力告警）；增加了已有數(shù)據(jù)H2O（微水）及其告警信息（H2OAlm）

c.邏輯節(jié)點XCBR。擴展了數(shù)據(jù)RctTmOpn（分反應(yīng)時間）、RctTmCls（合反應(yīng)時間）、OpTmOpn（分操作時間）、OpTmCls（合操作時間）、StkOpn（分閘行程）、StkCls（合閘行程）、VibAmp（振動幅值），增加了數(shù)據(jù)ColOpn（分閘線圈電流）、ColCls（合閘線圈電流）、OpTmAlm（開關(guān)操作超時）、OpCnt（操作次數(shù)），及它們對應(yīng)的告警信息RctTmOpnAlm、RctTmClsAlm、OpTmOpnAlm、OpTmClsAlm、StkOpnAlm、StkClsAlm、VibAmpAlm、ColOpnAlm、ColClsAlm、OpTmAlmAlm、OpCntAlm。

d.邏輯節(jié)點SOPM。增加了可選數(shù)據(jù)En（儲能）、HyPres（液壓），及它們對應(yīng)的告警信息EnAlm、HyAlm。

3 基于MMS和客戶端/服務(wù)器模式的GIS智能監(jiān)測信息交互策略及系統(tǒng)設(shè)計

3.1 基于MMS和客戶端/服務(wù)器模式的信息交互策略

IEC61850有服務(wù)器/客戶端和發(fā)布/訂閱式2種通信模式，前者是ACSI核心服務(wù)（包含大部分ACSI服務(wù)）的映射方式，故本系統(tǒng)采用這種通信模式。

每個IED包含客戶端和（或）服務(wù)器功能。GIS智能監(jiān)測IED作為服務(wù)器，與傳感器配合，負責(zé)采集和上傳各種電量、非電量等實時數(shù)據(jù)和報警信息。GIS狀態(tài)監(jiān)測主IED是GIS智能組件監(jiān)測功能組的中樞單元，其主要任務(wù)是根據(jù)各智能監(jiān)測IED的監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果對GIS進行綜合的故障診斷和狀態(tài)評估，此時主IED充當(dāng)客戶端；同時負責(zé)后臺診斷系統(tǒng)與各智能監(jiān)測IED之間控制指令與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，此時主IED充當(dāng)服務(wù)器。后臺診斷系統(tǒng)從主IED獲得GIS實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后結(jié)合現(xiàn)有的標準規(guī)范導(dǎo)則、缺陷指紋庫、專家系統(tǒng)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等對GIS當(dāng)前工作狀態(tài)做出評估及故障診斷，給出狀態(tài)評估及故障診斷結(jié)果，此時它充當(dāng)客戶端角色。

GIS智能組件監(jiān)測功能的系統(tǒng)架構(gòu)見圖2，它由GIS局放監(jiān)測IED、GIS氣體狀態(tài)監(jiān)測 IED、斷路器監(jiān)測IED及GIS智能監(jiān)測主IED等構(gòu)成，主IED接入過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)，其他各IED接入過程層網(wǎng)絡(luò)。各IED之間以及IED與其他系統(tǒng)之間基于IEC61850標準實現(xiàn)信息共享與通信。

圖2 GIS智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of GIS smart monitoring system

在客戶/服務(wù)器服務(wù)協(xié)議集中，規(guī)定了TCP/IP和OSI 2種傳輸協(xié)議集，由于各種軟件平臺和開發(fā)環(huán)境對TCP/IP通信都有良好的支持，所以本文的研究開發(fā)都建立在MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802-3架構(gòu)的基礎(chǔ)上。該架構(gòu)的通信模型見圖3[10]。

圖3 MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802-3架構(gòu)Fig.3 MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802-3 frame

MMS的通信底層采用ASN.1標準來表示網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔?。ASN.1采用二進制形式表示數(shù)據(jù)，是一種位于表示層的、對分布計算機系統(tǒng)之間交換的數(shù)據(jù)進行抽象描述的規(guī)范化語言。ASN.1標準采用二進制的形式表示數(shù)據(jù)信息，適用于實時性要求較高的場合。經(jīng)ASN.1描述的信息獨立于任何應(yīng)用環(huán)境，從而實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的通信。ASN.1分為2個部分，即語法規(guī)則和編碼規(guī)則。語法規(guī)則從數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容順序或結(jié)構(gòu)等方面來描述消息的內(nèi)容；編碼規(guī)則規(guī)定如何表示實際消息中的數(shù)據(jù)。IEC61850在MMS編碼/解碼中使用的是BER基本編碼規(guī)則[11]。

3.2 GIS智能監(jiān)測信息交互系統(tǒng)設(shè)計

在IEC61850標準規(guī)定的通信規(guī)范下，數(shù)據(jù)的交換是通過訪問對應(yīng)的功能服務(wù)邏輯節(jié)點來實現(xiàn)的。報告和日志是信息交換的主要手段。報告提供從邏輯節(jié)點到客戶端傳輸數(shù)據(jù)值的功能，日志模型將數(shù)據(jù)按時間順序存儲到日志中以備查詢。

本系統(tǒng)中，智能監(jiān)測IED可以預(yù)先配置激活報告控制，在上次報告以后，僅報告變化數(shù)據(jù)，或在特定情況如數(shù)據(jù)變化、循環(huán)時，發(fā)送特定數(shù)據(jù)集的全部數(shù)據(jù)值。智能監(jiān)測IED可以在主IED干預(yù)的情況下，重復(fù)報告數(shù)據(jù)。主IED可遠方停止智能監(jiān)測IED向自身發(fā)送報告。此外，主IED可以在任何時候啟動總召喚去接受應(yīng)用特定數(shù)據(jù)集的全部數(shù)據(jù)值。

IEC61850-7-2定義了2類報告控制類，分別為緩存報告與非緩存報告。緩存報告具有通信中斷時續(xù)緩存事件數(shù)據(jù)、保證事件順序、減少服務(wù)器報告次數(shù)等優(yōu)點，有利于保證數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，適用于智能監(jiān)測IED中的各種告警信息；而非緩存報告則具有快速傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)點，適用于智能監(jiān)測IED中的各種測量信息[12]。

本文GIS智能監(jiān)測IED的模型中定義使用了2個數(shù)據(jù)集GISAlmdata和GISMeaData。其中，GISAlmdata數(shù)據(jù)集引用已定義基本信息模型中的告警數(shù)據(jù)，采用緩存報告控制塊（BRCB）；GISMeaData數(shù)據(jù)集引用測量數(shù)據(jù)，采用非緩存報告控制塊（URCB）。

GIS智能監(jiān)測系統(tǒng)中，智能監(jiān)測IED除了要保存和上傳在線監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的測量、狀態(tài)、控制等信號量以外，還要保存和上傳各種圖譜文件，主要有局放監(jiān)測與診斷中的放電信號波形文件和放電信號圖譜文件、斷路器監(jiān)測中的錄波文件等。這些圖譜/錄波文件通過嵌套在智能監(jiān)測IED內(nèi)的計算模型自動生成，同時向上級系統(tǒng)發(fā)送錄波文件完成信號，主IED和后臺診斷系統(tǒng)通過ftp或IEC61850召文件方式讀取文件。對于局放特征圖譜而言，每個局放傳感器對應(yīng)1個數(shù)據(jù)文件；斷路器錄波文件應(yīng)三相合并傳輸，不同類型的錄波文件分開傳輸。

當(dāng)狀態(tài)評估異常時，圖譜/錄波數(shù)據(jù)文件傳輸時間間隔不低于5 min、且不超過1 h，文件傳輸完成后，可儲存6個月。在線監(jiān)測信號正常時，也定期發(fā)送特征圖譜/錄波文件①中國南方電網(wǎng).在線監(jiān)測裝置圖譜數(shù)據(jù)通用格式規(guī)范（2012年版）.2012.。

智能監(jiān)測IED通過MMS報告方式上傳實時測量、報警信息、初步評估診斷結(jié)果或通過文件方式上傳圖譜、錄波文件，主IED接收、保存、實時顯示數(shù)據(jù)，并就地進行初步的監(jiān)測預(yù)警、狀態(tài)評價、故障診斷和狀態(tài)預(yù)測，同時，主IED還要將所有的數(shù)據(jù)、報警信息、文件發(fā)送給后臺診斷系統(tǒng)。后臺診斷系統(tǒng)在專家知識庫和指紋數(shù)據(jù)庫的支持下，利用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和已有的離線數(shù)據(jù)對GIS的運行狀態(tài)進行狀態(tài)評價、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測和風(fēng)險評估，給出并實時顯示評估和診斷結(jié)果。信息交互模式如圖4所示。

圖4 信息交互模式Fig.4 Information interaction mode

3.3 IEC61850 MMS服務(wù)器和客戶端開發(fā)設(shè)計

基于以上分析，本文建立了一個基于MMS的GIS智能監(jiān)測服務(wù)器，其主要的功能包括數(shù)據(jù)上傳、文件操作、定值組操作等。

數(shù)據(jù)上傳主要是將各種實時監(jiān)測值和報警信息通過報告發(fā)往客戶端，這是GIS智能組件狀態(tài)監(jiān)測IED中最重要的功能之一。首先將模擬量和開關(guān)量放到各個數(shù)據(jù)區(qū)中（可以同時放多個），然后進行觸發(fā)，填入IEC61850服務(wù)器函數(shù)庫內(nèi)部，進行邏輯判斷，產(chǎn)生數(shù)據(jù)變化報告發(fā)往客戶端。函數(shù)流程見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)上傳流程Fig.5 Flowchart of data uploading

文件操作主要包括從服務(wù)器讀文件到客戶端、獲取服務(wù)器文件服務(wù)目錄、刪除服務(wù)器上的某個文件、上載文件到服務(wù)器服務(wù)目錄。通過文件操作，可以實現(xiàn)圖譜和錄波數(shù)據(jù)文件在智能監(jiān)測IED、主IED和后臺之間的傳輸，這是局放和斷路器智能監(jiān)測必需的功能。

定值組操作可以用來實現(xiàn)客戶端對服務(wù)器采樣間隔以及報警閾值的設(shè)定。客戶端可根據(jù)服務(wù)器上傳的狀態(tài)監(jiān)測值的變化，采用一定的策略與算法，合理地設(shè)定服務(wù)器當(dāng)前采樣間隔以及報警閾值，并使服務(wù)器按照新的采樣間隔以及報警閾值運行，這對GIS狀態(tài)監(jiān)測IED的科學(xué)、合理、高效運行十分重要。

函數(shù)流程如圖6所示。定值組分為多組，每次讀寫操作都是針對當(dāng)前組，當(dāng)前組的組號可以通過客戶端程序進行讀/寫。每次操作時，先讀定值組的總組數(shù)，再讀當(dāng)前激活的定值組號，再修改當(dāng)前激活

的定值組號，最后編輯修改某組定值。服務(wù)器程序的流程如圖7所示。

圖6 定值組操作流程Fig.6 Flowchart of setting group operate

圖7 服務(wù)器程序流程Fig.7 Flowchart of server program

IEC61850 MMS客戶端程序開發(fā)流程如圖8所示?？蛻舳烁鶕?jù)服務(wù)器的IP地址，動態(tài)連接服務(wù)器，不僅可解析服務(wù)器主動上傳的所有報告，也可主動召喚服務(wù)器上的信息，并支持IEC61850規(guī)定的客戶端對服務(wù)器的多項操作服務(wù)。

圖8 客戶端程序流程Fig.8 Flowchart of client program

4 結(jié)語

本文分析了實現(xiàn)GIS狀態(tài)智能監(jiān)測的主要監(jiān)測方法和策略，建立了符合IEC61850標準的GIS智能監(jiān)測信息模型，設(shè)計了基于報告和日志的信息交換系統(tǒng)，給出了實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警信息、評估診斷結(jié)果、圖譜和波形等數(shù)據(jù)文件的信息交互的方法。列舉了服務(wù)器的數(shù)據(jù)上傳、遙控、定值組操作功能的相關(guān)流程，并按MMS報文要求闡述了GIS智能監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器和客戶端應(yīng)用程序開發(fā)的基本原則和方法。