居住區配電房智能運行系統的研究與實踐

劉 忠 ，謝 亮

(1.揚州供電公司，江蘇 揚州 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配電房（以下簡稱小區變），全部采用無人值守、定期巡視的運行模式，基本上沒有統一的遠程監控管理。隨著高層住宅的大量出現和居民生活水平的提高，對配電系統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現小區變運行中出現的問題，當配電設備故障停電的時候，只有用戶報故障后才能安排配電檢修人員到現場查找故障點并排除故障，這個處理過程時間長，影響對客戶的供電服務，是小區變運行維護部門比較煩惱的問題。如果能在設備故障停電發生時立即將告警信息發送到運行維護部門就可以大大加快故障處理的過程，降低故障造成的經濟損失。同時，小區變一般會有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是不一樣的。對大量小區變的經濟運行問題，靠人工去監測和操作控制是不可能實現的任務。要運行好小區變，就需有符合現代管理體系要求的小區變智能監控系統。參考當前110kV以上無人值班變電站的各類監控和輔助系統標準規范[1]，研發簡單、可靠、智能化的居住區配電系統集成監控系統應該是可行的方法。

1 系統研發的目標和難點

首先研發符合IEC 61850協議的小區變內設備監控、消防、安防、視頻監控、環境控制等系統的技術標準和信息傳輸協議；其次研發出集成有以上各類系統功能和具備信息分層分類管理功能的智能化小區變子站；最后開發出能與配電自動化系統集成的小區變一體化智能信息監控平臺，對采集的信息數據進行篩選、分析，對出現的各類問題自動告警，實現居住區配電系統安全經濟運行，保證供電電壓質量。且需要解決的難點有：

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

（2）小區變內的智能信息監控終端功能在滿足系統功能需求的前提下，裝置要簡單可靠，能通過遠程自動控制，實現長期免維護運行。

（3）提出基于IEC 61850協議的規范統一，滿足系統功能要求并可擴展的小區變設備模型。

（4）開發智能、實用、界面友好、主站和子站的功能能靈活配置的小區變運行監控平臺。

2 解決方案介紹

2.1 信息采集傳輸

通過減少信息冗余，保證有用關鍵信息的及時上傳，后臺軟件采用JAVA語言開發，構架為C/S方式，實現對視頻、門禁 、SCADA、安防等設備的數據采集，并滿足數據的智能分析要求。針對小區變目前能夠采集的數據進行梳理[2]，根據各類數據的作用進行分類，有運行負荷監控、故障原因分析、環境監視監測、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、當地保留供查的信息等；同時對主動上傳信息的重要程度進行分類，同樣對被叫上傳的信息和下發信息也進行分類；按重要性基本確定9類數據優先級，保證各類重要緊急數據的響應時間。系統設計中，在采集機中對任務按優先級管理，每個通訊信道都有一組優先級隊列，通訊信道總是給予優先級高的任務優先執行且擁有更多的執行時間，優先級低的任務滯后執行且獲得的執行時間較少。如表1所示。

2.2 智能信息監控終端

依據基本、必要的原則，確定智能信息監控終端功能的實現功能，盡量減少終端的元器件數量，加強集成度。實現智能測控功能；規約轉換、信息轉發功能；智能信息處理功能。智能終端負責小區變所有設備和智能終端的接入，站控層通信采用以太網通信方式，站控層通信協議采用MMS規約，以滿足智能電網所要求的符合IEC 61850的各種智能終端的接入；智能終端與主站的通信協議采用IEC 870-5-104協議，且滿足多主站鏈接。

表1 優先級定義9級

按設備就地安裝原則出發，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、0.4kV線路的保護測控功能，同時能夠采集直流系統、火災告警系統等小系統的電氣量接入。智能測控單元可通過靈活的圖形化組態功能實現用戶所需要的四遙功能，用戶可根據需求，自定義智能測控單元的配置，較之傳統的測控裝置更具智能化和靈活性。智能終端裝置內程序以RTDB（Real-time Database）實時數據庫為核心，按規約生成任務，各任務間數據以數據庫RTDB進行相關交互操作，通過共享內存傳輸四遙信息和其他信號，相關數據的操作通過DataView實現。RTDB控制所有進程啟停，RTDB運行時，讀取配置文件數據，生成相應的規約任務，并記下相應的程序句柄，當系統關閉時，RTDB發出信號，使各進程結束。規約一般分為3種形式：（1）上行類，與主站通信的規約，如 IEC 104，IEC 101；（2）下行類，與二次設備通信的規約，如MMS客戶端、IEC 103客戶端；（3）上行/下行類（轉發類），負責數據轉發的規約，如虛終端等。智能終端裝置內數據流程如圖1所示。

2.3 系統的技術標準和信息傳輸協議

按照IEC 61850協議的規范[3]，定義小區變內各類設備符合IEC 61850協議規范的信息模型[4]，保證小區變內各類設備的即插即用和信息共享。首先收集配電生產運行、維護和管理等各類人員對小區變內設備的信息需求；確定各設備的自身運行信息、提供運行人員監控信息、提供檢修人員維護信息、提供管理人員分析信息等四類信息；再經過合并，篩選出最小集進行定義。共制定了18類設備的信息模型，舉例如下。

圖1 智能終端裝置內數據流程

（1）DTU完成小區變測控功能，測控CID文件模型如圖2所示。

圖2 DTU測控CID文件模型

物理設備（PD）名稱為IPACS5612D_1，其中包含3個邏輯設備（LD），分別為保護、測量、控制，整體實現功能（F）為小區變測控。數據信息具體如圖3所示。

圖3 DTU測控數據信息

1個DTU可以采集多條線路或其他設備數據量。以上數據信息的邏輯節點（LN）配置參考DL/T 860-7.3、7.4 執行。

（2）對于小區變內的各類輔助設備，設計定義輔助設備CID文件模型，如圖4所示。

圖4 輔助設備CID文件模型

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

① 保護類LD，命名為PROT,該LD下設置4個數據集：保護動作（dsTrip），告警（dsAlarm），開關量（dsRelayDin）， 定值 （dsSetting）。 具體引用數據按DL/T 860-7定義。

② 測量類LD，邏輯節點引用數據按DL/T 860-7定義。

③ 控制類LD，該LD下設置遙控節點，按DL/T 860-5規定采用CSWI命名。

2.4 智能實用的運行監控平臺

大量的小區變需要同時監控,一個智能實用的運行監控系統平臺才能解決這些問題。設計的監控平臺分主站端和當地端兩層。通過當地端系統就具備一定的功能，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現模式，減少主站端出現問題時對大量小區變運行可靠性的影響。通過合理分配系統平臺的處理能力，實現智能化的小區變運行控制系統和運行輔助系統功能。

（1）智能運行控制系統的當地端主要通過SCADA系統實現電氣設備的監視，監視高、低壓設備的電壓電流和變壓器的負荷狀況，監視變壓器的油溫等參數。正常數據保存在小區變內當地端的硬盤中，異常數據立即上傳到主站端的監控平臺。小區變的電氣設備模型在主站端系統中建立、修改，再同步到當地端。系統智能控制策略和規則由主站端系統自動生成，定期同步到當地端系統中。智能運行控制系統的當地端系統能實現小區變內智能控制電容器投切、智能控制主變投退、合理調節潮流、自動控制電壓，達到節能降耗的目的，并具有自動故障隔離和恢復的功能。當地端系統只在各項操作完成后才將操作過程和結果上傳主站端監控平臺，通知監控人員。

（2）智能運行輔助系統的當地端實現消防報警系統和環境溫濕控制系統的功能，只將異常信息上報主站端的監控平臺。而視頻監控系統和門禁系統的功能主要由主站端來完成，通過視頻監控和門禁管理實現小區變的安全保衛功能。

3 研發過程中遇到的問題及解決

3.1 設計部署中的問題及解決

電網中小區變數量遠大于變電站數量，若采取技術成熟的集中式監控系統部署，將造成小區變主站系統采集處理的數據量是變電站的數倍甚至數十倍。以揚州供電公司現有的變電站集中式監控系統主站的服務器群及通信支撐設備的部署規模看來，要建成全揚州區域小區變的集中式監控系統且滿足每月10個以上小區的增加量，主站系統建設規模預計是現有規模的3～5倍，投入太高，不具備推廣價值。且如此龐大的主站規模勢必對日后的二次系統運行維護帶來壓力。

為解決上述難點問題，考慮到小區變各類信息的重要程度是有分別的，選擇對小區變采取集散式監控系統的部署方案。將主要的數據分析處理工作交由各小區變子站端分散處理完成，正常運行時僅向主站發送少量數據，在收到主站訪問及調用命令時，子站再集中上送數據包；故障、異常或輔助系統調整運行方式時，子站系統主動上送電流、有功曲線、開關變位等異常信息到主站，便于監控人員分析掌控。實踐后表明，目前小區變主站監控系統單臺服務器配置，就可以滿足對5000個以上子站系統的管理。

3.2 現場應用發現的問題及解決

智能監控終端要求具有數據篩選、智能分析與計算、數據遠傳功能，且具有測控功能以滿足消防、安防、環境溫濕度接入功能。在裝置初期設計節點，未考慮4～20 mA小信號接入，而在現場施工時，發現無法滿足了干變溫度和環境溫濕度的接入，因此重新更改了智能監控終端模擬量輸入板設計。在工程施工中，“聲光告警”、“LED燈控制”、“布防信號燈控制”都通過智能監控終端直接開出控制，而這些設備的電源電壓等級不盡相同，給設計上帶來了麻煩，考慮到設備的批量化生產，此類設備的控制就通過智能監控終端配合外接繼電器完成，從而確保設備的統一性。

3.3 IEC 61850規約應用時發現的問題及解決

在實施過程中，發現有的二次設備雖然滿足IEC 61850要求，站控層通信采用MMS規約，但對MMS規約的支持不盡完善，遙測報告控制塊在連接斷開的情況下使能標記不能夠復歸，從而使智能監控終端再下一次使能請求時失敗，因此要求相關的測控設備廠家對程序作修改，從而滿足工程需要。在項目施工中，有些小系統設備如直流、干變溫度等不能提供針對MMS規約的支持，因此對這些設備，智能監控終端對此進行協議擴充，使這些設備滿足接入要求，項目組對這類設備進行了基于IEC 61850的數據建模，為今后類似設備的接入提供了支持依據。

4 結束語

系統的總體架構按照集中和分散模式設計，功能設計覆蓋了居住區配電采集與應用的整個過程。建成了全國首個全IEC 61850標準化設備的一體化智能信息監控小區變和一套基于居住區配電系統典設的一體化智能信息監控平臺，并成功投入應用，經半年多的運行證明，系統運行穩定可靠，達到了預期的建設目標。為居住區配電一體化管理模式創新進行了有益的探索。通過居住區配電房智能運行系統的研究和現場應用，解決了配電房內各類設備基于IEC 61850標準的模型建立問題，解決了信息的分層分類、智能傳輸和處理問題，實現各類設備的即插即用、信息共享。

隨著相關技術的進步，可進一步提高一體化智能監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，實現裝置自適應、自愈和免維護的運行目標。解決信息分區運行安全問題，實現小區營配信息的統一、高效傳輸。在推廣應用過程中將不斷完善系統主站和智能終端的功能配合和優化，增加小區變智能化安全、可靠、經濟運行輔助功能，實現世界一流配電運行維護管理的新目標。

[1]王 燦，吳菲菲.IEC 61850數字變電站綜合自動化系統[J].華中電力，2011，24（1）：6-10.

[2]韓國政，徐丙垠.基于IEC 61850的高級配電自動化開放式通訊體系[J].電網技術，2011，35（4）：183-186.

[3]韓國政，徐丙垠.基于IEC 61850標準的智能配電終端建模[J].電力自動化設備，2011，31（2）：104-107.

[4]羅四倍，黃潤長，崔 琪，等.基于IEC61850標準面向對象思想的 IED 建模[J].電力系統保護與控制，2009，37（17）：88-92，121.