基于IEC61850的電纜局部放電在線監測服務系統的設計與實現

田君杰，錢俊波，朱志新

(1.西寧供電公司，甘肅 西寧 810000；2.蘇州光格設備有限公司，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

電纜局部放電是指發生在電纜絕緣層但尚未擊穿的高頻放電，是絕緣層缺陷在強電場作用下發生的反復放電，長期運行將產生累積效應，導致電纜絕緣層的介電性能惡化，最終導致整個絕緣層擊穿，造成嚴重后果。因此局部放電是衡量電力電纜運行健康與否的重要指標，為了長期監測其放電趨勢是否惡化，不適合采用人工巡檢，而需要部署在線監測系統。

IEC61850標準是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，其本意是針對智能變電站而作的一個規范體系，目前已廣泛應用于電力系統的監測和調度控制。嚴格來說，電纜局部放電不屬于變電站的監測范圍，但其監測服務系統很多都部署在變電站內，為了方便管理和實現智能電網的信息高度集成和共享，筆者將其納入IEC61850的服務系統，以供客戶端或監控中心統一訪問和集中管理。

1 系統框架

1.1 物理架構

整個電纜局部放電在線監測系統分為傳感器、采集器、服務器、客戶端四層物理架構，如圖1所示。

其中傳感器有兩種，一是開合式高頻電流互感器(HFCT，High Frequency Current Transformer)，用來耦合感應高頻電纜局放脈沖信號，卡在電纜三相接頭的接地線上；二是開合式低頻電流互感器(LFCT，Low Frequency Current Transformer)，用來感應電纜本體的交流工頻信號，卡在電纜本體上。每臺采集器配備三路局放傳感器(對應A、B、C三相)和一路工頻傳感器。

局放采集器使用ARM嵌入式系統，外接三路局放信號與一路工頻信號，通過FPGA實現三路局放脈沖信號的高速并行觸發采集，并通過工頻信號擬合來實現工頻相位的對齊，經過初步的數據整理和壓縮，打包上傳給服務器。

在線監測服務器運行數據收發的服務程序及數據管理，偵聽從采集器端上報的局放數據，經過運算分析，將相關內容存入數據庫及生成譜圖文件，同時提供IEC61850服務。

客戶端通過IEC61850協議訪問服務器，得到各個電纜監測點的局放數據及譜圖文件，從而實現電纜局部放電的在線監測。

圖1 電纜局放在線監測系統物理架構

1.2 軟件功能模塊劃分

電纜局部放電在線監測服務系統基于Qt應用程序開發框架，采用面向對象技術和模塊化設計，各項功能都進行模塊封裝，通過標準化API接口互通，以實現良好的擴展性和可重用性。其數據管理應用關系型數據庫MySQL來實現，體積小、速度快，適用于電力監測數據的管理與快速檢索。服務系統整體功能模塊的劃分如圖 2所示。

圖2 服務軟件的功能模塊劃分

2 業務流程

電纜局部放電在線監測服務系統的主要業務分為兩塊，一是偵聽收集前端采集設備上報的局放數據(如圖3所示)，二是更新上傳IEC61850服務的各類邏輯節點數值和譜圖文件(如圖4所示)，中間以MySQL數據庫作為媒介。

圖3 采集數據業務流程

圖4 IEC61850服務處理業務流程

整個系統電纜各接頭分布的局部放電采集器比較多，為了提高局放信號的采集效率，前端采集器必須自動循環采集并主動上報采集數據，否則必將嚴重損害局放脈沖的捕獲率。這對服務端的數據偵聽提出了較高的要求，而且局放數據的分析處理涉及大量的時頻域運算和統計分類，串行處理必將造成主進程的阻塞。因此，為了避免并發接收局放數據的阻塞隱患，服務端建立線程池來梳理數據上報請求，分散并行處理局放數據和完成相關的分析運算。

IEC61850服務處理業務另起一個進程，通過定時循環遍歷數據庫的方式來獲取邏輯節點數值和抓取譜圖文件，相關數據的更新在數據庫中標記，這樣可以和采集數據業務隔離，保持各自的獨立運行而互不干擾。

3 IEC61850服務程序設計

3.1 libIEC61850簡介

libIEC61850是一個開源的(GPLv3)IEC61850協議客戶端和服務端運行庫實現，支持MMS、GOOSE和SV等協議，用C語言(C99標準)編寫，具備最大的可移植性。它可以在運行Linux、Windows、MaxOS系統的各種嵌入式設備或PC中實現IEC61850客戶端和服務端應用程序。圖5所示為服務端框架。

圖5 libIEC61850 服務端框架

3.2 scd建模

電纜局部放電在線監測服務系統部署在變電站內，收集前端在線采集裝置上報的數據，并對數據進行分析處理和存儲管理，向下實現對在線監測裝置的控制，向上實現對遠程監控平臺或電力綜合診斷中心的數據匯報，屬于站控層綜合處理單元，需要建立SCD模型文件，對下屬過程層的所有在線監測裝置及其相關信息統一建立邏輯節點。

3.3 監測點建模

電纜接頭處A、B、C三相接地線分別安裝高頻電流互感器HFCT，對應有三個局放監測點，分別建立局放邏輯節點。其中除了模型(Mod)、Beh(性能)、Health(健康狀況)、銘牌(NamPlt)等基本信息之外，監測參量設置告警(PaDschAlm)、傳感器通信異常(MoDevComF)、放電類型(DschType)、視在放電量(AppPaDsch)、背景噪聲水平(AcuPaDsch)、放電均值(AvDsch)、放電峰值(MaxDsch)、放電頻次(DschCnt)等，如圖6所示。

圖6 監測點邏輯節點建模

3.3.1 數據集和報告控制建模

所有監測點的主要監測參量匯總在數據集(DataSet)中，以便報告服務引用，如圖 7所示。每個報告控制模塊將對應數據集中的重要參量定時上報，其觸發選項中的數據改變(dchg)、品質改變(qchg)、數據刷新(dupd)均置否，完整性周期(IntgPd)則使能，以便這些重要參量能夠定時上報，如圖8所示。

圖7 數據集建模

圖8 報告控制建模

3.3.2 自檢告警建模

站控層綜合處理單元本身需要提高自檢告警功能，因此建立自檢告警的邏輯節點，如圖 9所示，一共支持以下幾類告警：Alm1(CPU占用率過高)；Alm2(內存占用率過高)；Alm3(存儲剩余空間過低)；Alm4(對上時鐘同步信號丟失)；Alm5(對下時間服務運行異常)；Alm6(對上通信應用模塊運行異常)；Alm7(對下通信應用模塊運行異常)。

圖9 自檢告警建模

3.3.3 譜圖信號建模

局放譜圖文件更新后需要通知客戶端，以便對方及時獲取，為此，建立譜圖信號邏輯節點，記錄最新的譜圖文件生成序號，如圖 10所示。

4 工程應用

目前該系統已在珠海某220 kV智能變電站投運，為省電科院監控中心提供IEC61850服務，運行穩定，客戶端數據監測的放電趨勢圖譜和放電相位圖譜(PRPD)如圖11和圖12所示。

圖10 譜圖信號建模

圖11 客戶端放電趨勢圖

圖12 客戶端PRPD圖

5 結束語

本文從工程應用角度出發，設計了一種基于IEC61850的電纜局部放電服務系統，使用Qt和MySQL實現前端監測設備的并發數據收集、處理和存儲，并針對電纜接頭局部放電的監測特性進行了SCD建模，利用開源庫libIEC61850實現了服務端應用，整個服務系統取得了良好的開放性、互操作性、可擴展性。目前系統運行平穩，符合智能變電站未來的發展趨勢。