基于CIM擴展的輸變電在線監測系統模型

李 為 周 琰 成永強 薛建永

（華北電力大學，北京 102206）

基于CIM擴展的輸變電在線監測系統模型

李 為 周 琰 成永強 薛建永

（華北電力大學，北京 102206）

目前，多數電力信息平臺所使用的IEC 61970公共信息模型（CIM）中并沒有對輸變電在線監測系統或設備進行建模。這也導致了不同廠商設計生產的在線監測系統和設備，往往自成體系，這也使設計和實現輸變電設備狀態可視化管理系統存在技術障礙。本文分析了CIM中設備建模的方法，提出了一種基于CIM擴展的在線監測系統模型，該模型對在線監測系統描述全面，具有良好的通用性和可擴展性。該模型已應用于河北省輸變電設備狀態可視化智能管理平臺中，平臺通過SVG與該模型結合，展示輸變電一次設備接線圖，并實現設備的實時及歷史監測信息展示，運行風險預警等功能。

CIM；輸變電在線監測系統；監測設備

隨著市場經濟的推進和電網建設的加速，為避免由定期預防性試驗及定期維修引起的運行可靠性降低和經濟損失，電力企業迫切地需要以輸變電設備狀態在線監測與診斷技術為基礎的狀態維修。再加上從事輸變電設備狀態在線監測與診斷技術開發國外商家通過商業手段，把本來還處于試運行甚至已經報廢的各類在線監測設備大量銷售到我國。與此同時，國內一些根本無力從事技術研發或根本不具備技術研發資格的單位，憑借粗糙仿制等方式在國內開發市場，而國內高等院校及科研院所等有能力從事這項技術研發的單位部門卻由于缺乏市場能力和足夠的資金，無法大批量，產業化地生產自己研制的成果[1]。這就導致了我國擁有全球領先的在線監測設備產量、銷量的同時，也擁有較為落后的研究和管理水平。

CIM已經是多數電力信息平臺的核心模型，但IEC 61970中并沒有對輸變電在線監測系統進行建模，這使得各生產廠商都自成體系，甚至設備原理也各不相同，沒有一套統一的模型對其進行規范。本文根據在線監測設備應用分析的實際需求，對CIM模型進行擴展，提出一種在線監測設備建模方法，該方法直接面向設備且通用性強，可以滿足臺賬管理、設備查詢、匯總統計與關聯查詢等需求。

1 擴展CIM的方法

CIM模型針對于電力系統描述了綜合的數據模型。然而在某些時候，該模型不能滿足特定的場景需求。導致這一問題的根源是數據模型不可能包含所有可想象的對象，這樣會使得模型過于龐大并且在實際中很多對象是不能預知的。因此，針對于模型的擴展在某些情況下是必須的。目前還沒有一種公認的方式擴展模型。通用信息模型用戶組（CIMug）推薦了一種可行的方法，可以借助于Enterprise Architect軟件實現。

在擴展CIM之前，需要對整個數據模型進行全面的搜索。如果原模型中沒有需求的對象或者屬性，就需要對原模型進行影響度最低的擴展。為了確保這一點，禁止對原模型進行直接的改動，因此通過擴展整個類或者使用繼承的方式增加所需要的屬性。圖1描述了模型擴展可行的工作流程。

圖1 CIM擴展的工作流程

由圖1分析可知，在存在合適的相似的類的前提下，可以采用繼承的方式擴展CIM模型。將相似的類作為基準類放進新的關系圖中。創建一個新的類，命名語義合理的名稱并且與基準類建立繼承關系。之后，則可以在新建的類上添加所需的屬性。

2 基于CIM擴展的輸變電在線監測系統模型

在線監測設備建模應該考慮模型的通用性，要求既能屏蔽各廠家保護設備的差異，又能滿足臺賬管理、設備查詢、匯總統計與關聯查詢等需求。

本文根據輸變電在線監測實際需求，對 IEC 61970 CIM進行擴展，將輸變電在線監測系統分為變電站在線監測系統（substation monitoring system）和線路在線監測系統（line monitoring system）。其中，輸變電在線監測系統（monitoring system）與電網其他設備之間的關聯關系通過導電設備類（equipment）來建立，并且與測量類（measurement）關聯。在線監測設備按照所監測的電網設備類型，可以劃分至各個在線監測單元，各在線監測單元組成在線監測系統。具體模型如圖2所示。

圖2 輸變電在線監測系統模型

2.1 變電站在線監測系統模型

變電站在線監測系統監測與管理對象主要包括變壓器、高壓開關設備、電容型設備與金屬氧化物避雷器等一次設備。變電站配置描述語言（SCL）是IEC 61850采用的變電站專用描述語言，SCL中的一次設備類僅僅定義了PTR（變壓器）、CBR（斷路器）與 DIS（開關）等設備類型代碼，沒有針對變電站在線監測設備的分類、資產、組成等基本屬性進行明確定義[2]。在本模型中，變電站在線監測系統（substation monitoring system）與變電站其他設備之間的關聯關系通過變電站類（substation）來建立。具體模型如圖3所示。

變電站在線監測系統由變壓器監測單元，斷路器監測單元，容性設備監測單元以及環境檢測單元等4個監測單元組成。在線監測單元的劃分主要依據SCL中定義的一次設備類以及國家電網標準[3-4]。其中，環境檢測單元也是輸電線路在線監測系統的組成部分，兩個系統中該單元中的監測設備，監測方式，監測項目等并沒有太大差異，都是對變電站（輸電線路）周邊溫度，濕度，風速等環境因素的監測，因此沒有分別建模。

圖3 變電站在線監測系統模型

變壓器監測單元針對的是變壓器及其附屬設備運行狀態，該單元包括以下8種監測設備（局部放電監測設備也屬于斷路器監測單元）：

1）油中溶解氣體監測設備。主要監測氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙塊、一氧化碳、二氧化碳等多種氣體的含量及增長率。通常安裝在750kV及以上油浸式變壓器、電抗器以及±400kV級以上換流變壓器上。

2）頂層油溫監測設備。顧名思義，其主要監測變壓器絕緣油頂層油溫。

3）微水監測設備。主要監測變壓器絕緣油中微量水分含量。微量水分會降低設備的絕緣性能，甚至導致重大事故。多配置于 500kV（330kV）及以上油浸式變壓器和電抗器。

4）中性點電流監測設備。主要監測中性點電流大小。中性點流入直流電流將導致變壓器飽和，會引起一系列問題，例如變壓器發熱嚴重、噪聲變大、振動加劇等。

5）有載分接開關監測設備。主要監測開關的機械特性，觸點溫度，切換波形，偏離電壓等。有載分接開關的可靠與否，直接影響到整臺變壓器的使用可靠性。

6）鐵心接地電流監測設備。主要監測鐵心接地電流大小。鐵心/夾件中一旦出現兩點或多點接地，在其內部就會產生環流，甚至造成局部燒損。主要配置在220kV級以上變壓器上。

7）變壓器局部放電監測設備。主要監測放電量，放點位置，脈沖數等。

斷路器監測單元針對的是斷路器/GIS等設備的運行狀態，該單元包括以下4種監測設備：

1）斷路器機械特性監測設備。主要監測斷路器動作時間、觸頭行程、動作平均速度、剛分以及剛合位置等。機械機構的故障占高壓斷路器主要故障的70%和次要故障的86%。

2）SF6氣體監測設備。主要監測 SF6斷路器中SF6氣體的溫度，絕對壓力，相對濕度，密度等。該設備多配置于500kV及以上SF6斷路器和220kV及以上GIS。

3）分/合閘線圈電流波形監測設備。主要監測線路電流波形和線圈電流波形等。一般220kV及以上SF6斷路器和GIS設備應配置該在線監測設備。

4）斷路器局部放電監測設備。功能與變壓器局部放電監測設備類似。若 220kV及以上斷路器或GIS局部帶電檢測異常，則最好配置該監測設備。

容性設備監測單元主要針對采用電容絕緣結構的設備，如（變壓器）套管、電流互感器、耦合電容器等，這里把金屬氧化物避雷器也算在其中[5]。該單元包括以下3種監測設備：

1）絕緣監測設備。主要監測電容，介質損耗，泄露電壓等。

2）避雷器監測設備。主要監測全電流，阻性電流，計數器動作次數等。存在缺陷（含家族性缺陷）或運行超過15年的220kV及以上避雷器應配置避雷器監測設備。

3）套管監測設備。主要監測套管外絕緣爬距，套管外觀，介質損耗等。一般220kV及以上變壓器（電抗器）套管應配置套管監測設備。

2.2 輸電線路在線監測系統模型

從硬件配置上看，當地監測中心、監測基站和導線上的監測儀器是輸電線路在線監測系統的3個組成部分。其中，當地監測中心多位于當地中心機房；桿塔上主要安裝有塔身傾斜監測裝置、氣象環境觀測站和監測基站等；監測儀器則包含有導線舞動監測設備，導線振動監測設備、弧垂/溫度監測設備、風偏監測設備、等值覆冰厚度監測設備等，根據監測對象的不同，這些設備安裝在地線、導線、引流線以及絕緣子線夾等處[6]。輸電線路在線監測系統（line monitoring system）與電網其他設備之間的關聯關系通過線路類（line）來建立。具體模型如圖4所示。

圖4 輸電線路在線監測系統模型

輸電線路的在線監測可以有效地預防輸電線路故障的發生，減少不必要的支出，最終大幅度的提升輸電線路的檢修工作的效率。該系統由架空線路監測單元，電力電纜監測單元以及環境檢測單元等3個監測單元組成。監測單元的劃分主要依據輸電線路的種類。

架空線路監測單元針對的是架空線路及其附屬設備運行狀態，該單元包括以下9種監測設備：

1）導線舞動監測設備。主要監測各監測點多方向的風速加速度，推導出線路的舞動的相關參數。這種設備一般配置在大檔距，易覆冰的線路上。

2）線路避雷器監測設備。與容性設備監測單元中的“避雷器監測設備”功能類似，不再贅述。

3）桿塔傾斜監測設備。主要監測桿塔橫向以及順線傾斜情況、微氣象條件等。該設備主要安裝在采空區，沉降區，不良地質段等。

4）絕緣子污穢監測設備。主要監測絕緣子污穢度（鹽密/灰密）和絕緣子泄漏電流。目前絕緣子污穢監測設備缺少實際應用，一般在試點工程中少量應用。

5）微風振動監測設備。主要監測導線的振動彎曲幅度和頻率等。一般配置在大跨越和觀測到較大振動的檔距。

6）風偏監測設備。主要監測仰角和偏角、跳線風偏角、最小電氣間隙等。該設備可以為監測點所在線路設計和風偏校驗提供實驗依據。一般僅在設計需要時選用。

7）等值覆冰厚度監測設備。主要監測絕緣子串懸掛載荷或線夾出口處導線傾角，絕緣子串風偏角等。該設備多安裝在重冰區部分區段線路，易覆冰特殊地理環境區和冬季易覆冰舞動區等區域。

8）溫度/弧垂監測設備。對導線的弧垂、溫度進行監測。主要配置在的重要線路以及重要跨越段。

9）圖像視頻監測設備。主要用于對輸電線路及周邊環境進行可視監控。主要配置在外力破壞易發區，火災易發區，易覆冰區，通道樹木（竹）易生長區，偏遠不易到達區等區域。

電力電纜就是在城市地下敷設的輸電電纜，電力電纜監測單元針對的是電力電纜及其附屬設備運行狀態，該單元包括以下5種監測設備：

1）紅外熱成像溫度監測設備。主要檢測電纜敞開式終端或安裝在工井或隧道里的電纜接頭的溫度。

2）電纜內油壓監測設備。主要監測充油電纜內油壓。一般配置在電纜塞止接頭、終端處。

3）電纜油中溶解氣體監測設備。同變壓器監測單元中“油中溶解氣體監測設備”功能類似，只是監測對象變為充油電纜內絕緣油。一般配置在電纜接頭、終端處。

4）光纖溫度監測設備。主要監測電纜護套溫度和導體線芯溫度。以此為依據，分析推導出監控電纜的實時載流量。

5）電纜局部放電監測設備。同斷路器監測單元中“局部放電監測設備”功能類似，一般來說，在線局放監測只針對充油電纜，油紙絕緣電纜只需要離線局放監測就可以滿足其安全運行的需要[7]。

風速風向儀、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、光輻射傳感器、雨量傳感器和氣象觀測基站組成了一個輸電線路環境監測單元。輸電線路的安全運行與氣象條件有著密不可分的關系。

3 應用實例

3.1 基于SVG的輸變電一次接線圖

使用SVG文檔格式描述電網設備模型，是輸變電設備狀態可視化智能管理平臺解決電網設備可視化問題的方式。該系統建立了電力SVG圖形與CIM之間的關聯并設計實現了它們的數據交換方式[8]。系統實現電力SVG圖形的Web發布，而分層的信息展示機制，可以讓用戶在瀏覽器層面實現圖層控制[9]。一次接線圖是輸變電系統的實時監控畫面，圖5是系統的一次接線圖界面。

圖5 一次接線圖

3.2 設備狀態信息展示

該系統實現了設備狀態查詢以及歷史狀態曲線查看等功能，通過多樣的展示手段為用戶展示各類實時監測數據，同時系統還提供豐富的數據分析處理功能。

點擊圖上的監測點會進入相應的歷史曲線查看功能，可以從年、月、日3個維度進行歷史曲線的分析，計算在所選維度范圍內監測數據出現的最大值、最小值和平均值，有助于分析設備的歷史狀態。歷史曲線展示如圖6所示。

點擊接線圖上的設備能進行關聯設備的查詢，可以查詢設備基本臺賬信息以及狀態監測信息，有利于用戶對該設備整體狀態的掌握。圖7是設備狀態及走勢圖。

圖6 歷史曲線查詢

圖7 設備狀態及走勢

3.3 電網運行風險預警

根據設置的報警策略發現不良狀態后，系統會將不良狀態突出顯示給用戶，保證用戶能及時發現危險所在。以下系統分析斷路器監測單元的監測數據后，得出的斷路器家族性缺陷，如圖8所示。

圖8 斷路器家族性缺陷

4 結論

目前，信息集成和共享是電力企業信息化發展的重要方向，其基礎就是要建立包括電網所有設備模型在內的綜合電網模型。而輸變電在線監測系統正是智能電網的一個重要組成部分，本文對CIM進行了擴展，對輸變電設備在線監測系統的電網結構的建模進行了全面分析研究，最后提出了一種輸變電在線監測設備模型，這將對輸變電在線監測系統的研發以及現有監測設備生產規范的完善具有參考價值。

[1]孫才新.輸變電設備狀態在線監測與診斷技術現狀和前景[J].中國電力,2005,38(2)：1-7.

[2]陳根軍,周紅陽,李文云,等.基于CIM擴展的通用保護模型及其應用[J].電力系統自動化,2012,36(24)：49-53,78.

[3]國家電網公司,DW 534—2010.變電設備在線監測系統技術導則[S].2011.

[4]國家電網公司,DW 616—2011.基于DL/T 860標準的變電設備在線監測裝置應用規范[S].2011.

[5]王德文,閻春雨.變電站在線監測系統的一體化建模與模型維護[J].電力系統自動化,2013,37(23)：78-82,113.

[6]高超.輸電線路在線監測的建設與應用[D].北京：華北電力大學,2013.

[7]張村.電力電纜在線監測系統的研究與設計[D].成都：電子科技大學,2012.

[8]許楊.基于SVG的電網實時數據動態顯示技術的研究[D].北京：華北電力大學,2014.

[9]王曉輝.基于SOA的電力GIS平臺及關鍵技術研究[D].北京：華北電力大學,2012.

The Power Transmission and Transformation On-line Monitoring System Model based on CIM Extension

Li Wei Zhou Yan Cheng Yongqiang Xue Jianyong
(North China Electric Power University,Beijing 102206)

Most power information platforms are using IEC61970 common information model（CIM）which has not focused on the on-line monitoring system at all.This is also the reason why each manufacturer produced its own productions and they usually have their own designing system.This situation has already become an obstacle for designing and implement the visual management system for power transmission and transformation equipment.This paper analyzed the method to extend CIM and proposed a CIM extended power transmission and transformation on-line monitoring system model which is able to comprehensively describethe monitoring equipment.This model shows a strong versatility and scalability while it’s used in power transmission and transformation equipment status visual management system.The system shows the main connection drawing through combining this model with SVG.

CIM；on-line monitoring equipment；monitoring device

李 為（1964-）女，教授，碩士生導師，主要從事計算機網絡與應用方面的研究工作。

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2015MS23）