变电设备状态接入控制器的研究

2014-04-12鲁丽萍

电力与能源 2014年2期

刘娟，鲁丽萍

（国网电力科学研究院，北京 102200）

0 引言

常规变电站内安装的在线监测装置涉及专业不同［1］，厂家较多，一般站内并存多套监测系统，无法实现信息共享［2］，也难以基于各类监测数据对设备运行状态进行综合分析判断。按照国家电网公司的统一要求［3］，各网省公司部署了统一的状态监测系统并集成到生产管理系统（PMS）中，在变电站状态监测主站端选择状态接入控制器（CAC，Condition Acquisition Controller）。

CAC是设备状态监测系统中承上启下的重要一环［4］。CAC接入的传感器量［5］有主变油色谱、SF6气体密度、微水监测、主变局放、铁芯接地、开关特性监测、容性设备绝缘监测、避雷器绝缘监测以及蓄电池组在线监测等。该装置采用了IEC 61850统一变电站内状态监测装置通信协议［6］，统一状态监测数据格式和接口，使IED即插即用和互操作成为可能［7］，向上统一出口，使实现数据的综合利用和诊断分析成为可能［8］，不仅能够给变电站维护带来方便，也有助于全面清晰地了解变电站内设备的运行状态、变化发展趋势以及潜在问题，为电网的安全运行提供辅助决策支持。

1 CAC总体设计

1.1 系统结构

CAC安装在站控层，以变电站为监测对象，实现对整个在线监测系统的运行控制及所有变电设备状态数据的汇集存储和转发。CAC的分层分布式网络结构图（见图1），分为过程层、间隔层和站控层。状态接入网关机（CAG，Condition Acquisition Gateway）部署在主站系统测，接收CAC发送到主站系统的数据。

图1 智能电网状态监测系统总体架构图

CAC担负着通过标准化的I1接口获取全站在线监测数据的任务，获得的数据再通过标准化的I2接口，批量传送到位于状态评价中心的主站系统［6－7］。因此，CAC是变电站在线监测系统高度整合的核心，是数据标准化传输的主体，是状态评价中心连续获取在线监测信息的站内节点。

1.2 硬件要求

CAC装置以高性能的嵌入式工业控制计算机为基础，采用标准机架式安装结构，配备光电以太网交换机；配置多个以太网口、多个光电隔离的串口，宽输入电压、宽工作温度，整机无风扇设计。CAC对可靠性要求高，电磁兼容能力要达到电力四级，包括：工频磁场、脉冲磁场、高频干扰、电源快速瞬变脉冲群、静电放电、电源跌落、电源浪涌、高温影响测试、低温影响测试、电源冲击电压等。

1.3 通信环境

1）具备光纤通信端口光口应用在站控层向下。间隔层与站控层之间采用光纤传输，传输速率为100 Mbps。

2）以太网通信端口电口应用在站控层向上。应配置标准以太网接口卡，并安装满足IEC 61850通信规约的标准网络通信程序，传输速率为100 Mbps。

2 CAC的功能

图2 变电设备状态接入控制器功能结构图

变电设备状态接入控制器功能结构图如图2所示。CAC承担站内全部监测数据的分析和对监测装置、综合监测单元的管理，实现对监测数据的综合分析、预警（数据处理功能，配置化显示界面功能）功能，以及对监测装置和综合监测单元设置参数、数据召唤、对时、强制重启等控制功能，并能与主站（CAG）进行标准化通信。同时，可以实现对下层装置的通信控制I1接口和对上层主站（PMS系统）的I2接口、实时历史数据库系统、安全隔离装置、安全控制模块、监测数据的显示查询等。

2.1 通信功能

通信平台主要实现数据采集（采用I1接口）、数据处理、数据存储、数据转发（采用I2接口）、系统配置等功能。

CAC装置能根据国家电网公司关于变电设备在线监测通信规约（I1、I2）的要求，分别实现与在线监测装置和CAG的通信接口，并能扩展其他通信规约。

1）通信链路系统支持CAN、RS-232／485、以太网等接口方式，通信模块采用插件模式，每个通信链路可独立配置，支持以下规约的通信链路配置：向上支持I1规约、其他扩展支持的非I1规约（Modbus，CDT，IEC-101／104、网络103规约等）；向下支持I2规约及其他非I2规约。

2）工程化组态功能若采用IEC 61850规约通信，应能依据在线监测装置厂家提供的装置ICD文件，通过CAC的组态工具进行配置，形成配置文件，下装到在线监测装置。通过组态工具，多个ICD可合并成一个配置文件。

3）测点配置功能若CAC装置能与主站系统采用Web Service或104规约通信，能够依据在线监测装置厂家提供的测点配置文件进行测点配置。

2.2 I1接口实现的IEC 61850服务

IEC 61850标准是迄今为止最为完善的关于变电站自动化的通信标准［8］，是智能变电站应用技术的重要支撑［9］。变电站信息建模标准化和信息共享的实现正是基于它具有的自描述功能和开放互操作性、扩展性要求等优点。I1实现的IEC 61850服务如表1所示。

表1 I1实现的IEC 61850服务

2.3 I2接口功能

I2接口功能包括I2接口配置管理工具及模板、传输信息类型，接入CAG配置，定时发送、日志、数据库设置、与主站通信、支持主站控制指令功能。I2实现的功能如表2所示。

表2 I2实现的功能

2.4 实时数据处理

1）数据分类将数据按照模拟量、数字量、累计量、文件、曲线等不同类型分别归类，放入指定实时数据库中，按照不同的算法进行处理。

2）数据处理实时数据筛选：主要指对实时通信报文的筛选功能，以辅助对实时通信情况进行分析；非法数据筛选：能够从过程通信报文中筛选出与本规约无关的报文，排除对分析人员的误导，能够根据一定的逻辑，排除明显不符规则的数据；条件筛选：根据报文的某些特定参数或共性进行筛选，归纳出具有相同属性的一系列报文。支持数据越死区传输。

3）异常测点剔除在线监测过程中，由于突发设备启动、线路抖动和雷电冲击等偶然影响，将会产生偶发的异常监测点。这些异常值的存在将歪曲分析结果。将大于3σ的数据剔除，或利用53 H算法进行平滑估计降低异常数据的影响。

4）数据计算根据现场需求，可通过公式编辑器生成某些必要测量量的数据计算：特定计算，包括三相电压之和、总烃计算等；根据分量通过某些运算生成总量；模拟量最大、最小、平均、日累计、月累计、年累计、越限次数及越限时间等，模拟量数值的线性放大或缩小；遥信量状态变化次数及时间；累计量日、月、年各种统计；自定义计算；告警虚点计算：某些结论是在多个越限条件同时满足时才能得出的，此时需要将最终结论生成告警事件。

2.5 历史数据处理

系统可以将实时数据定期存储到关系数据库中，以便进行统计分析、以Web方式展示或转发给上级主站系统，数据包括5 min、1 h数据存储、原始数据、整点实时采集值。统计数据包括1 h内数据的最大值、最小值、平均值、正态分布等；当天0点的实时采集值；1天内数据的最大值、最小值、平均值等。

2.6 自管理功能

自管理功能列表如表3所示。

表3 自管理功能列表

2.7 Web展示

CAC装置的展示功能以Web方式对外发布，Web展示模块可以在本地CAC上访问，用户使用浏览器输入CAC的IP地址也能够远程对其访问。提供监测装置的分类菜单和查询功能，分类菜单按照量测类归类，每个量测类节点菜单下包含该类型的所有监测装置。

Web展示功能包括基本功能和核心功能两部分，基本功能包括基本信息管理、系统管理、系统备份和恢复等；核心功能包括在线数据监视、历史数据分析、统计分析、综合诊断算法、实时工况监视。

3 实现与应用

设备状态监测系统在Linux操作系统下完成开发，采用MySQL数据库，TCP／IP，HTTP 10M／100M自适应；采用VC＋＋开发IEC 61850客户端软件和IEC 61850服务器端软件，Java开发Web数据处理展示软件及CAC I2接口服务软件。系统支持CAN、RS-232／485、以太网等接口方式。

CAC在应用中作为IEC 61850的客户端，可以直接与支持IEC 61850的在线监测装置进行通信，对于不支持IEC 61850的装置，则需要加装IED作为服务器端综合使用，实现对该标准规约的支持。

当前这种装置已在上海、浙江等地智能变电站中成功应用，经现场检验，效果良好，能成功规范状态监测通信和不同类型监测数据的即插即用，同时缩减了占地空间，最大程度减少厂家配套系统数量。