基于國際標準的配電成套開關監測建模

顧建煒, 李　佳, 李子旭, 張鐵峰

(1. 杭州供電公司運維檢修部，浙江杭州310009； 2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

?

基于國際標準的配電成套開關監測建模

顧建煒1, 李佳2, 李子旭2, 張鐵峰2

(1. 杭州供電公司運維檢修部，浙江杭州310009； 2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

摘要：為了提高配電設備的安全可靠性和自動化系統的互操作性，研究了基于IEC61850的配電成套開關狀態監測架構，完成了溫度監測、機械特性監測以及SF6氣體泄漏在線監測等方面的模型構建，以及部分邏輯節點的模型協調工作。首先，分析了成套開關狀態監測的系統架構和功能，給出了在線監測系統故障處理順序圖，并以SF6氣體泄漏監測為例進行了詳細闡述；然后，采用IEC61850標準中電氣設備、狀態監測、互感器等相關邏輯節點，建立了基于IEC61850標準的配電成套開關狀態監測裝置的信息模型和功能模型；最后，針對信息交互所涉及的CIM和IEC61850信息模型協調問題，分析了協調方法，給出了模型協調的一般過程。該工作可為基于國際標準的配電自動化相關業務開展提供參考。

關鍵詞：IEC61850；CIM；成套開關；模型協調；配電自動化

0引言

隨著成套開關的使用從變電站領域擴展到配電領域，成套開關運行狀態監測的需求逐漸顯現。由于配電網具有大量的、種類繁多的配電終端，配電設備的維護工作量與日俱增，傳統檢修監測方式已不能滿足配電網運行和維護的需求，因此配電設備狀態監測系統的使用將是配電自動化建設的重要內容。成套開關設備不僅應具有免維護、操作可靠、體積小和安裝方便的特點，還需具備完善的保護系統和狀態監測系統保證電氣開關的高效運行。傳統的成套開關在線監控系統老舊，通信方式一致性差、設備廠商標準的多樣性造成監測信息的采集不統一、互操作性差，導致了“信息孤島”現象[1-3]。而IEC61850標準在數字化變電站及智能電網領域的應用迅速擴展，很好地解決了來自不同廠商設備之間的互操作問題。隨著IEC61850第二版的發布，IEC61850標準已擴展到配電自動化、分布式能源等領域[4-6]。

本文依據IEC61850標準的建模思想和建模方法，考慮配電自動化業務的現狀與發展，對基于IEC61850的成套開關狀態監測建模進行了研究。文章給出了狀態監測系統的架構，并對配電成套開關設備進行了需求分析，描述了成套開關狀態監測的功能及信息交互過程，完成了成套開關狀態監測系統的信息建模和功能建模。最后分析給出該配電業務處理涉及的CIM(CommonInformationModel) 與IEC61850模型協調的一般過程。

1成套開關狀態監測系統架構和功能

1.1狀態監測系統架構

配電成套開關狀態監測系統需要進行溫度監測、機械特性監測以及SF6氣體泄漏在線監測等內容。監測系統主要工作內容為：采集配電開關的實時運行數據和歷史數據進行比較，找出反應開關的重要狀態參數用來評價配電開關設備的健康狀態；發布運行狀態參數異常的開關信息，并進行告警提醒運行管理人員注意開關狀態；最后通過狀態監測診斷系統綜合分析，給出開關的檢修計劃，指導檢修人員的具體維修工作。

根據狀態監測的內容，把監測系統分為傳感網絡、狀態監測IED(IntelligentElectronicDevice)和狀態監測診斷系統三部分。其中傳感網絡包括機械特性感知傳感器、SF6傳感器和紅外溫度傳感器?；贗EC61850的系統架構如圖1所示。

圖1　系統架構圖

從系統架構可以看出傳感網絡包括機械性傳感器、溫度傳感器和SF6傳感器；狀態監測IED對傳感器的信息進行采集、處理，對配電開關運行狀態進行預診斷，將配電開關運行狀態信息、預診斷報告、預診斷原始波形數據信息通過IEC61850上送至狀態監測系統，同時可以實現與DTU(DistributionTerminalUnit)的互動。狀態監測診斷系統對上傳的信息進行綜合分析。其中，狀態監測IED發出的告警信息可以通過GOOSE報文的方式實現信息的傳輸。

1.2成套開關狀態監測功能

開關設備狀態監測是提高電網可靠性的重要措施，過去由于其技術的復雜性以及高成本等因素的限制，真正投入運行的并不多。近年來，隨著相關技術問題的解決和軟硬件成本的下降，開關設備的狀態檢測得到迅猛發展，國內外相關機構對其進行了大量研究，并取得了一定成果。對于狀態監測系統，有的不僅提供“監測”功能，也提供“遙信”和“遙控”功能。狀態監測系統能夠及時為維護人員提供設備狀態，并迅速發現、處理異常。目前，狀態監測甚至涉及到分布式發電或客戶需求響應[7-10]。根據實際要求，基于IEC61850的成套開關監測功能如下：

(1)可用于監測應用IEC61850配置的IED的狀態，并通過協調CIM，將狀態信息發送到總線；

(2)可持續監測電網一次設備和二次設備的運行狀況；

(3)當設備處于異常狀態時，會通知維護人員設備出現了異常，并報告故障設備的類型和位置等信息。主要監測量包含絕緣介質(液體層、氣體密度)、跳閘電路、斷路器的操作狀況等；

(4)如果健康狀態是危險(紅色)，就不能再運行；

(5)給出需要維護的信息(健康狀態是黃色)。

2成套開關狀態監測系統的信息交互需求

根據多年配電開關故障統計信息分析，配電開關故障問題大部分出現在機械系統故障、溫度過高導致的故障，以及SF6氣體泄漏引起的故障[11,12]。成套開關狀態監測包括溫度監測、機械特性監測以及SF6氣體泄漏在線監測等功能。本文結合成套開關監測的內容，完成基于IEC61850標準的成套開關狀態監測系統信息建模。

成套開關在線監測系統處理故障的順序圖如圖2所示。具體處理過程以SF6氣體泄漏為例進行說明。

圖2　在線監測系統故障處理順序圖

SF6氣體泄漏處理的整個過程描述如下：

(1)當開關發生SF6氣體泄漏時，監測裝置通過溫度變送器、氧氣探測器、濕度變送器讀取現場空氣中SF6的濃度、溫度、含氧量、濕度數值，并將量測值及告警信息上傳到DSCADA(DistributionSupervisoryControlandDataAcquisition) 系統；

圖3　成套開關SF6氣體泄漏處理時序圖

(2)當監控主機檢測到配電開關狀態異常時，狀態監測IED會發出告警信息。與此同時，DSCADA系統收到故障信號后自動將風機啟動，并發出聲音告警；

(3)DSCADA系統會將配電開關異常告警信息通過基于IEC61968的信息交互總線傳輸給DMS(DistributionManagementSystem) 相關系統；

(4)DMS通過遠程定位可以準確定位對應地理位置的配電站，查看配電開關柜的異常信息，故障分析后通知巡檢部門對故障設備進行維修或更換。

所有動作均在調度中心的監測與控制下進行。該業務處理的順序圖如圖3。

3成套開關狀態監測信息與功能建模

3.1信息建模

根據已確定的成套開關狀態監測功能基于IEC61850標準進行信息建模。通過前述可知成套開關應具備溫度監測、機械特性監測、SF6氣體在線監測等功能，因此可以將成套開關設備構建成符合IEC61850標準的3個邏輯設備(LogicDevice,LD)，即LD1(一般)、LD2(保護)和LD3(量測)。LD1用來定義公共數據類節點LLN0和LPHD，故障錄波RADR、存檔IARC、人機接口IHMI等。LD2定義了成套開關狀態監測邏輯節點(包括氧氣濃度、濕度、SF6濃度的動作、啟動和告警輸出)，機械特性監測邏輯節點(包括斷路器XCBR、SCBR、隔離開關XSWI、SSWI、操作機構SOPM)，以及溫度監測邏輯節點STMP；LD3邏輯設備包含量測功能邏輯節點MMXU、MMXN、告警輸出GGIO、電流互感器TCTR、電壓互感器TVTR，測量信息包括：電壓、電流、氧氣濃度、濕度、SF6濃度等[13]。所建信息模型如圖4所示。

圖4　成套開關狀態監測信息模型

根據需要監測的數據指標來取舍各數據屬性，從邏輯節點的全部數據屬性中選出成套開關狀態監測功能所需要的數據屬性。其中，模型中邏輯節點的模式(Mod)、行為(Beh)、健康狀態(Health)與銘牌(Namplt)、SCBR的跳閘線圈開命令(ColOpn)、SIMG的絕緣告警命令(InsAlm)是必需的，其它監測數據都是可選的或有條件的。在實踐過程中，應優先使用可選或有條件的數據。例如，表1中絕緣氣體監測邏輯節點SIMG中應采用PresAlm(壓力)、Hum(濕度)和Tmp(溫度)的數據測量值作為閾值條件：

(1)當SF6氣體濃度≥6 518mg/m3時，發出狀態異常信號。

(2)當監控環境氧氣濃度≤18%時，發出狀態異常信號。

表1　絕緣氣體監測邏輯節點SIMG的數據和屬性設定

3.2功能建模

使用IEC61850標準中定義的電氣設備邏輯節點對所建功能進行抽象描述，并確定各邏輯節點間的數據流向和信息交互。電壓互感器(TVTR)和電流互感器(TCTR)類傳感器邏輯節點通過將物理量轉換為電信號來反映成套開關的各種物理量。

如圖5所示，SCBR實現斷路器電氣、機械特征的狀態監測，用來反映斷路器狀態監測常用的電氣、機械性能和氣體絕緣等狀態特征量。CSWI和XCBR兩個邏輯節點協作控制開關控制器，實現斷路器和隔離器的監測與控制。SOPM、SPDC、SIMG等邏輯節點用來監測開關設備內的氣體狀態。由于有些信號的采集頻率比較高，TCTR電流互感器和TVTR電壓互感器負責采集線路上的數據，然后由1個或多個RADR共同完成信號的錄波功能；這些邏輯節點的信息統一上傳到IHMI節點，完成人工控制和管理，隨后將這些數據發往IARC節點進行存檔。XCBR斷路器在線路發生故障后及時進行處理，并將信息上傳到GGIO節點，它主要完成設備狀態和異常信息的上報。上述功能模型可以實現對成套開關狀態的主要監測功能，若需要監測其他數據還可依據IEC61850標準進行擴展。

圖5　成套開關狀態監測功能模型

4IEC61850與CIM模型協調

傳統的配電系統是根據IEC60870-5-101/104規約對配電終端建模，這使得配電終端設備的互操作性較差，不同廠商的電子設備難以進行正常通信。IEC61850標準有效地解決了變電站自動化系統的互操作性問題，可將其擴展到配電自動化系統。配電自動化系統基于IEC61850標準建模后，系統間的信息交互涉及到CIM和IEC61850兩個信息模型。由于IEC61850標準和CIM各自制定的目標及側重點不同，所以標準的內容及特點等也各不相同，因此要對其進行模型協調。

關于模型協調的研究，國內外給出了許多不同的方法[15]，迄今為止，還沒有一個統一的方案，但協調的一般過程基本可以確定：首先，對配電自動化功能業務場景建模，得到該業務包括的全部邏輯節點；然后，在CIM類中找到與IEC61850邏輯節點對應的CIM資源；最后，實現IEC61850類中屬性與CIM類中子類的映射。針對成套開關監測系統的業務需求，其協調過程可描述如下：

(1)對成套開關狀態監測場景建模，得到全部邏輯節點。邏輯節點包括數據類節點LLN0和LPHD、故障錄波節點RADR、存檔節點IARC、人機接口節點IHMI、斷路器節點XCBR、隔離開關節點XSWI、量測功能節點MMXU和MMXN、告警輸出節點GGIO、電流互感器TCTR和電壓互感器TVTR等。

(2)在CIM類中找到與IEC61850邏輯節點對應的CIM資源。如電流互感器TCTR、電壓互感器TVTR與CIM模型中設備類的PowerTransformer類對應。IEC61850的量測功能邏輯節點MMXU與CIM模型的Measurement類對應。

(3)實現IEC61850類中屬性與CIM類中子類的映射。如IEC61850的量測功能邏輯節點與CIM模型的Measurement類對應，1個電力系統資源類PSR(PowerSystemResource)可以包括0到多個量測與之相關聯，可以直接包含1個量測或通過1個端點與量測相關聯。根據量測類別或屬性1個量測可以有1個或多個量測值。與MMXU類似，在圖6中，邏輯節點XCBR代表某些負荷開關與CIM模型中Switch類中的breaker子類對應。表2羅列了狀態檢測系統需要用到的IEC61850數據屬性和CIM類之間的對應關系。

值得注意的是，應該對場景中需要而CIM或IEC61850模型中沒有涉及到的類或屬性進行擴展，以滿足實際需求，擴展的類及屬性也要按照上述方法實現模型映射。

圖6　邏輯節點與CIM模型數據映射方法

IEC61850數據屬性描述CIM類mag,ang,actVal模擬值Valueattribute,如AnalogValue.valuestVal,Op,St,etc.離散值DiscreteValue.value,ValueAlias-Set,ValueToAliasq質量MeasurementValueQualityclasst時間戳MeasurementValue.timeStampattributed描述Measurement.description,fromIdentifiedObjectu單元Unitclassdb截止RemoteSource.deadbandattributerangeC警報限制AlarmlimitsAnalogLimitSetclass,AnalogLimit.valueattribute

參照以上描述的協調過程，其他所有邏輯節點都可按此方法實現模型中類、屬性和關系的映射，最終完成模型的協調工作。

5結論

配電成套開關狀態監測系統可提高配電網的運行可靠性。為了解決其互操作性問題，本文對其進行了基于IEC61850標準的信息建模和功能建模，并考慮業務處理的跨系統需要，分析了IEC61850和CIM的協調問題，給出了協調的一般過程。

本文的主要工作包括：

(1)給出了基于IEC61850的成套開關狀態監測系統架構以及在線監測系統故障處理順序圖，并以SF6氣體泄漏為例，給出了業務處理的具體過程，描述了成套開關狀態監測系統的信息交互過程。

(2)對成套開關狀態監測系統進行了基于IEC61850的信息模型和功能模型構建。詳細介紹了信息建模的具體過程，從邏輯設備劃分，根據功能要求為邏輯設備分配邏輯節點，到選取監測對象的數據屬性。最后給出了各邏輯節點相互配合完成狀態監測系統的功能模型。

(3)分析了成套開關狀態監測的信息交互需求和涉及到的信息模型，給出了CIM和IEC61850模型協調的一般過程。

基于IEC61850和CIM的成套開關狀態監測系統研究可為基于國際標準的配電自動化系統建設提供參考。

參考文獻:

[1]趙江河, 陳新, 林濤,等. 基于智能電網的配電自動化建設[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(18):33-36.

[2]張東霞, 姚良忠, 馬文媛. 中外智能電網發展戰略[J]. 中國電機工程學報, 2013(31):2-14.

[3]賀春, 張冉.IEC61850國際互操作試驗經驗總結[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(2):6-10.

[4]任雁銘, 操豐梅.IEC61850新動向和新應用[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(2):1-6.

[5]顧建煒, 張鐵峰, 韓書娟. 基于IEC61850國際標準的配電自動化系統應用研究[J]. 電力科學與工程, 2012, 28(1):30-36.

[6]張鐵峰, 苗慧鵬, 辛紅汪,等. 基于IEC61850的光伏監控系統設計[J]. 電力信息與通信技術, 2014, 12(1):60-64.

[7]IEC61850-5,Communicationnetworksandsystemsinsubstations.Part5:communicationrequirementsforfunctionsanddevicemodels[S].

[8]IEC61850-6,CommunicationnetworksandsystemsinsubstationsPart6:ConfigurationdescriptionlanguageforcommunicationinelectricalsubstationsrelatedtoIEDs[S].

[9]IEC61850-7-2,CommunicationnetworksandsystemsinubstationsPart7-2:Basiccommunicationstructureforsubstationandfeederequipment-Abstraccommunicationserviceinterface[S].

[10]IEC61850-7-4,CommunicationnetworksandtsystemsinsubstationsPart7-4:BasiccommunicationstructureforSubstationandfeederequipmentCompatiblelogicalnodeclasses[S].

[11]陳立純. 配電開關狀態檢修系統設計與實現[D]. 吉林：吉林大學, 2013.

[12]齊昕, 張育臣, 唐喜,等. 基于IEC61850的配網成套開關狀態監測系統研制[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(6):109-114.

[13]顧建煒, 孔英會, 張鐵峰,等.IEC61850體系下的DTU建模與配置[J]. 電力系統通信, 2012, 33(5):42-46.

[14]SANTODOMINGOR,RODRIGUEZ-MONDEJARJA,SANZ-BOBIMA.OntologyMatchingApproachtotheHarmonizationofCIMandIEC61850Standards[C]//SmartGridCommunications(SmartGridComm), 2010FirstIEEEInternationalConferenceon.IEEE, 2010.

[15]高志遠, 姚建國, 曹陽,等. 公共信息模型和IEC61850模型協調方案評析[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(16):9-14.

Research on Distribution Automation Switchgear Status Monitoring System Modeling Based on International Standards

GUJianwei1,LIJia2,LIZixu2,ZHANGTiefeng2

(1.HangzhouPowerSupplyCompany,Hangzhou310009,China; 2.SchoolofElectricandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)

Abstract：To improve the security and reliability of distribution equipment and the interoperability of automation system,IEC61850 is adopted in this paper to provide a frame of aswitchgearstatus monitoring system and construct the information modeling and function modeling.The information modeling includes temperature monitoring, mechanical characteristic monitoring and SF6 gas leakage on-line monitoring, and meanwhile a model harmonization process model of the IEC61850 and CIM is given. First, the switchgear status monitoring system architecture is analyzed, and the fault processing sequence diagram of the on-line monitoring system is presented, subsequently SF6 gas leakage monitoring is illustrated as an instance. Then, logical nodes defined in IEC61850 are used to model electrical equipment, status monitoring, transformer and other distribution switchgear status monitoring devices. Finally, according to the interaction requirements shown in sequent diagram, the harmonization process model of the IEC61850 and CIM are presented. The work provides a reference for developing international standard based distribution automation related businesses.

Keywords：IEC61850; CIM;switchgear;model harmonization; distribution automation

收稿日期：2016-03-17。

基金項目：教育部中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(2014MS101)；國網浙江省電力公司科技項目(5211HZ1352TZ)。

作者簡介：顧建煒(1976-)，男，高級工程師，主要研究方向為配電自動化及電力信息系統研究與建設工作；通信作者：張鐵峰，E-mail：ncepuztf@126.com。

中圖分類號:TM76

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.007