變電設備狀態接入控制器的研究

劉 娟，魯麗萍

（國網電力科學研究院，北京 102200）

0 引言

常規變電站內安裝的在線監測裝置涉及專業不同［1］，廠家較多，一般站內并存多套監測系統，無法實現信息共享［2］，也難以基于各類監測數據對設備運行狀態進行綜合分析判斷。按照國家電網公司的統一要求［3］，各網省公司部署了統一的狀態監測系統并集成到生產管理系統（PMS）中，在變電站狀態監測主站端選擇狀態接入控制器（CAC，Condition Acquisition Controller）。

CAC是設備狀態監測系統中承上啟下的重要一環［4］。CAC接入的傳感器量［5］有主變油色譜、SF6氣體密度、微水監測、主變局放、鐵芯接地、開關特性監測、容性設備絕緣監測、避雷器絕緣監測以及蓄電池組在線監測等。該裝置采用了IEC 61850統一變電站內狀態監測裝置通信協議［6］，統一狀態監測數據格式和接口，使IED即插即用和互操作成為可能［7］，向上統一出口，使實現數據的綜合利用和診斷分析成為可能［8］，不僅能夠給變電站維護帶來方便，也有助于全面清晰地了解變電站內設備的運行狀態、變化發展趨勢以及潛在問題，為電網的安全運行提供輔助決策支持。

1 CAC總體設計

1.1 系統結構

CAC安裝在站控層，以變電站為監測對象，實現對整個在線監測系統的運行控制及所有變電設備狀態數據的匯集存儲和轉發。CAC的分層分布式網絡結構圖（見圖1），分為過程層、間隔層和站控層。狀態接入網關機（CAG，Condition Acquisition Gateway）部署在主站系統測，接收CAC發送到主站系統的數據。

圖1 智能電網狀態監測系統總體架構圖

CAC擔負著通過標準化的I1接口獲取全站在線監測數據的任務，獲得的數據再通過標準化的I2接口，批量傳送到位于狀態評價中心的主站系統［6－7］。因此，CAC是變電站在線監測系統高度整合的核心，是數據標準化傳輸的主體，是狀態評價中心連續獲取在線監測信息的站內節點。

1.2 硬件要求

CAC裝置以高性能的嵌入式工業控制計算機為基礎，采用標準機架式安裝結構，配備光電以太網交換機；配置多個以太網口、多個光電隔離的串口，寬輸入電壓、寬工作溫度，整機無風扇設計。CAC對可靠性要求高，電磁兼容能力要達到電力四級，包括：工頻磁場、脈沖磁場、高頻干擾、電源快速瞬變脈沖群、靜電放電、電源跌落、電源浪涌、高溫影響測試、低溫影響測試、電源沖擊電壓等。

1.3 通信環境

1）具備光纖通信端口 光口應用在站控層向下。間隔層與站控層之間采用光纖傳輸，傳輸速率為100 Mbps。

2）以太網通信端口 電口應用在站控層向上。應配置標準以太網接口卡，并安裝滿足IEC 61850通信規約的標準網絡通信程序，傳輸速率為100 Mbps。

2 CAC的功能

圖2 變電設備狀態接入控制器功能結構圖

變電設備狀態接入控制器功能結構圖如圖2所示。CAC承擔站內全部監測數據的分析和對監測裝置、綜合監測單元的管理，實現對監測數據的綜合分析、預警（數據處理功能，配置化顯示界面功能）功能，以及對監測裝置和綜合監測單元設置參數、數據召喚、對時、強制重啟等控制功能，并能與主站（CAG）進行標準化通信。同時，可以實現對下層裝置的通信控制I1接口和對上層主站（PMS系統）的I2接口、實時歷史數據庫系統、安全隔離裝置、安全控制模塊、監測數據的顯示查詢等。

2.1 通信功能

通信平臺主要實現數據采集（采用I1接口）、數據處理、數據存儲、數據轉發（采用I2接口）、系統配置等功能。

CAC裝置能根據國家電網公司關于變電設備在線監測通信規約（I1、I2）的要求，分別實現與在線監測裝置和CAG的通信接口，并能擴展其他通信規約。

1）通信鏈路 系統支持CAN、RS-232／485、以太網等接口方式，通信模塊采用插件模式，每個通信鏈路可獨立配置，支持以下規約的通信鏈路配置：向上支持I1規約、其他擴展支持的非I1規約（Modbus，CDT，IEC-101／104、網絡103規約等）；向下支持I2規約及其他非I2規約。

2）工程化組態功能 若采用IEC 61850規約通信，應能依據在線監測裝置廠家提供的裝置ICD文件，通過CAC的組態工具進行配置，形成配置文件，下裝到在線監測裝置。通過組態工具，多個ICD可合并成一個配置文件。

3）測點配置功能 若CAC裝置能與主站系統采用Web Service或104規約通信，能夠依據在線監測裝置廠家提供的測點配置文件進行測點配置。

2.2 I1接口實現的IEC 61850服務

IEC 61850標準是迄今為止最為完善的關于變電站自動化的通信標準［8］，是智能變電站應用技術的重要支撐［9］。變電站信息建模標準化和信息共享的實現正是基于它具有的自描述功能和開放互操作性、擴展性要求等優點。I1實現的IEC 61850服務如表1所示。

表1 I1實現的IEC 61850服務

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、傳輸信息類型，接入CAG配置，定時發送、日志、數據庫設置、與主站通信、支持主站控制指令功能。I2實現的功能如表2所示。

表2 I2實現的功能

2.4 實時數據處理

1）數據分類 將數據按照模擬量、數字量、累計量、文件、曲線等不同類型分別歸類，放入指定實時數據庫中，按照不同的算法進行處理。

2）數據處理 實時數據篩選：主要指對實時通信報文的篩選功能，以輔助對實時通信情況進行分析；非法數據篩選：能夠從過程通信報文中篩選出與本規約無關的報文，排除對分析人員的誤導，能夠根據一定的邏輯，排除明顯不符規則的數據；條件篩選：根據報文的某些特定參數或共性進行篩選，歸納出具有相同屬性的一系列報文。支持數據越死區傳輸。

3）異常測點剔除 在線監測過程中，由于突發設備啟動、線路抖動和雷電沖擊等偶然影響，將會產生偶發的異常監測點。這些異常值的存在將歪曲分析結果。將大于3σ的數據剔除，或利用53 H算法進行平滑估計降低異常數據的影響。

4）數據計算 根據現場需求，可通過公式編輯器生成某些必要測量量的數據計算：特定計算，包括三相電壓之和、總烴計算等；根據分量通過某些運算生成總量；模擬量最大、最小、平均、日累計、月累計、年累計、越限次數及越限時間等，模擬量數值的線性放大或縮小；遙信量狀態變化次數及時間；累計量日、月、年各種統計；自定義計算；告警虛點計算：某些結論是在多個越限條件同時滿足時才能得出的，此時需要將最終結論生成告警事件。

2.5 歷史數據處理

系統可以將實時數據定期存儲到關系數據庫中，以便進行統計分析、以Web方式展示或轉發給上級主站系統，數據包括5 min、1 h數據存儲、原始數據、整點實時采集值。統計數據包括1 h內數據的最大值、最小值、平均值、正態分布等；當天0點的實時采集值；1天內數據的最大值、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裝置的展示功能以Web方式對外發布，Web展示模塊可以在本地CAC上訪問，用戶使用瀏覽器輸入CAC的IP地址也能夠遠程對其訪問。提供監測裝置的分類菜單和查詢功能，分類菜單按照量測類歸類，每個量測類節點菜單下包含該類型的所有監測裝置。

Web展示功能包括基本功能和核心功能兩部分，基本功能包括基本信息管理、系統管理、系統備份和恢復等；核心功能包括在線數據監視、歷史數據分析、統計分析、綜合診斷算法、實時工況監視。

3 實現與應用

設備狀態監測系統在Linux操作系統下完成開發，采用MySQL數據庫，TCP／IP，HTTP 10M／100M自適應；采用VC＋＋開發IEC 61850客戶端軟件和IEC 61850服務器端軟件，Java開發Web數據處理展示軟件及CAC I2接口服務軟件。系統支持CAN、RS-232／485、以太網等接口方式。

CAC在應用中作為IEC 61850的客戶端，可以直接與支持IEC 61850的在線監測裝置進行通信，對于不支持IEC 61850的裝置，則需要加裝IED作為服務器端綜合使用，實現對該標準規約的支持。

當前這種裝置已在上海、浙江等地智能變電站中成功應用，經現場檢驗，效果良好，能成功規范狀態監測通信和不同類型監測數據的即插即用，同時縮減了占地空間，最大程度減少廠家配套系統數量。

4 結語

CAC是設備狀態監測系統中承上啟下的重要一環，在變電站中引入CAC，有效解決了目前變電站內監測裝置類型多、廠家多、功能重復、數據無法共享等問題，統一了信息模型和通信規約，有利于站內數據資源整合，有利于設備標準化信息的上傳下達，為設備在線監測故障診斷、進而實現設備智能化、信息化提供了數據支撐。

［1］ 國家電網公司生產技術部.國家電網公司變電設備在線監測／帶電檢測技術應用情況調研技術報告［R］.北京：中國電力科學研究院，2010.

［2］ 劉娟，魯麗萍.中新天津生態城智能電網設備綜合狀態監測系統技術報告［R］.北京：中國電力科學研究院，2011.

［3］ 國家電網公司.國家電網生［2011］1284號.輸變電設備狀態監測系統標準化設計方案［S］.北京：國家電網公司，2010.

［4］ 國家電網公司.Q／GDW 534—2010變電設備在線監測系統技術導則［S］.北京：國家電網公司，2010.

［5］ 國家電網公司.Q／GDW 616基于IEC 61850標準的變電設備在線監測裝置應用規范［S］.北京：國家電網公司，2010.

［6］ 國家電網公司.Q／GDW 739—2012輸變電設備在線監測系統變電設備在線監測I1接口網絡通信規范［S］.北京：國家電網公司，2012.

［7］ 國家電網公司.Q／GDW 740—2012輸變電設備在線監測系統變電設備在線監測I2接口網絡通信規范［S］.北京：國家電網公司，2012.

［8］ 國際電工委員會.IEC 61850變電站通信網絡和系統［S］.北京：全國電力系統管理及其信息交換標準化技術委員會，2006.

［9］ 全國電力系統管理及其信息交換標準化技術委員會.DL／T 1146—2009 IEC 61850實施技術規范［S］.北京：全國電力系統管理及其信息交換標準化技術委員會，2009.